Substitution von Kupfer durch Aluminium dank Laser im Vakuum

LaVa-Schweißen ermöglicht Mischverbindungen

Leichtbau sowie die fortschreitende Elektrifizierung der Automobile sind die vielversprechendsten Ansätze, um CO₂-Emissionen zu reduzieren. Die Substitution von Kupfer durch Aluminium im elektrischen Antriebsstrang verbindet beide Ansätze miteinander. Neben Vorteilen ergeben sich durch diesen Ansatz allerdings auch verschiedene Herausforderungen. Das LaVa-Schweißen bietet eine vielversprechende Möglichkeit, diese zu lösen.

Aluminiumlegierungen hoher Reinheit (≥ 99,5 % Al) sind in ihrer Herstellung und Formgebung vielseitig. Zudem besteht ein günstiges Verhältnis von Dichte zu elektrischer Leitfähigkeit. Daher ist Aluminium prädestiniert für den Einsatz als günstiges Kabel- oder Flachleitermaterial. Den positiven Eigenschaften stehen aber vergleichsweise geringe Festigkeitswerte gegenüber. In mechanisch belasteten Bereichen, etwa bei Kontaktelementen wie Steck- oder Schraubverbindungen, ist Kupfer daher zumeist weiterhin der favorisierte Werkstoff. Um von den Vorteilen beider Materialien zu profitieren, müssen diese durch Schweißverfahren gefügt werden – doch dieser Vorgang ist technisch sehr anspruchsvoll.

Helfen kann dabei das Laserstrahlschweißen im Vakuum. Das sogenannte LaVa-Schweißen kombiniert die Vorteile des konventionellen Laserstrahlschweißens mit denen des Elektronenstrahlschweißens. Durch den verringerten Druck wird bei diesem Verfahren eine deutlich reduzierte Verdampfungstemperatur erreicht. Dadurch kann bei gleichbleibender Strahlleistung die Einschweißtiefe gesteigert oder mit verringerter Leistung dasselbe Schweißergebnis erzeugt werden. Des Weiteren erhöht das Vakuum die Prozessstabilität und ermöglicht sehr definierte Einschweißtiefen. Ein weiterer positiver Effekt des Laserstrahlschweißens im Vakuum besteht in einer sehr feinschuppigen Schweißnahtoberfläche.

 

Die Vorteile des LaVa-Schweißens von Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen

Schweißverbindungen an Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen können durch das Laserstrahlschweißen im Vakuum auch im Überlappstoß mit höchster Qualität erzeugt werden. Der Vorteil dieses Vorgehens besteht zudem vor allem in der einfacheren Schweißnahtvorbereitung sowie einem verringerten Aufwand der Schweißnahtpositionierung. Herausfordernd ist dabei allerdings, die Einschweißtiefe im Kupferblech nicht zu hoch, aber auch nicht zu niedrig einzustellen. Für diesen Anwendungsfall ist der LaVa-Prozess durch eine sehr definierte Einschweißtiefe prädestiniert. So können beim LaVa-Schweißen der Aluminium-Kupfer-Mischverbindung Blechdicken zwischen ca. 0,5 mm und 4 mm bezogen auf das Aluminiumblech verarbeitet werden. Die Einschweißtiefe beim Kupferblech muss ohnehin nur sehr gering sein, weshalb die Blechdicke des Kupferwerkstoffs eine untergeordnete Rolle spielt.

 

Mit dem LaVa-Verfahren Aluminium-Hairpins schweißen

In aktuell von der Automobilindustrie verbauten Elektromotoren wird die bislang übliche Spulenwicklung im Stator durch sogenannte Hairpins ersetzt. Diese gebogenen Drahtstifte werden, nachdem sie in die Elektroblechpakete eingesteckt wurden, paarweise stirnseitig verschweißt. Problematisch ist beim Laserstrahlschweißen der Hairpins die Beschichtung auf den einzelnen Drahtstiften. Wird diese Beschichtung vom Laserstrahl verdampft, bilden sich viele und große Poren in der Schweißnaht. Des Weiteren wird die Schweißnahtqualität durch Schweißgutauswürfe häufig verringert. Im schlimmsten Fall kann es dadurch zu Kurzschlüssen im Motor kommen, wodurch dieser unbrauchbar wird.

Solche Hairpins sind bislang überwiegend aus OF-Kupfer gefertigt. Eine Substitution des Kupfers durch Aluminium bewirkt eine signifikante Senkung von Gewicht und Materialkosten. Beim Versuch, Aluminium-Hairpins zu schweißen, konnten in Kooperation mit dem Chair of Production Engineering of E-Mobility Components der RWTH Aachen und der Clean Laser GmbH erste vielversprechende Ergebnisse erreicht werden. Sehr effizient war die Kombination des Laserreinigungsprozesses, der von Clean-Laser entwickelt wurde, mit dem Schweißprozess von LaVa-X.

Dass die Beschichtung beim Schweißen verdampft, kann durch die Laserreinigung der einzelnen Drahtstifte im Bereich der Schweißnaht umgangen werden. Es kann vorkommen, dass durch etwaige verbleibende Reste der Beschichtung Poren entstehen. In diesem Fall werden die Poren durch die beim Schweißen mit der LaVa-X-Technik üblicherweise verwendete Strahloszillation über die Dampfkapillare aus dem Schmelzbad geleitet und können so aus dem Schmelzbad ausgasen.