Schweißen Schweißprozess: Aluminium-Batteriegehäuse in E-Autos richtig fügen

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An Batteriegehäuse in Elektrofahrzeugen werden hohe mechanische Anforderungen gestellt. Im Auftrag großer Automobilhersteller hat WMG an der englischen Universität Warwick Schweißverfahren getestet, um Batteriegehäuse aus Aluminium mit dem Laser zu optimieren. Die Bearbeitungsoptik ALO4-O von Scansonic überzeugte gleich mehrfach.

Die Konstruktion von Batteriegehäusen in Elektrofahrzeugen ist hochkomplex. Zum einen sollen die Gehäuse die Batterien sicher schützen und zum anderen eine optimale Bauraumnutzung ermöglichen. Das ergibt eine Fülle von Anforderungen an Crashfestigkeit, Formstabilität, Gas- und Wasserdichtigkeit oder Kühlung. Hersteller wollen die Batteriekästen weiterentwickeln– möglichst kosteneffizient und modular.

Die Herausforderung

Untersuchungen haben ergeben, dass die Reichweite von Batterien entscheidend vom Gewicht des Elektrofahrzeugs abhängt. In der Fertigung greifen Hersteller von Batterieträgern daher immer häufiger zu hochfesten 6xxx-Aluminiumlegierungen. Die spezifischen Eigenschaften von Aluminium erschweren jedoch das Laserschweißen. Aluminium ist rissanfällig. Diese Risse entstehen durch hohe thermische Spannungen während der Erstarrung. Dies wird durch die hohe Wärmeleitfähigkeit von Aluminium noch verstärkt.

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Die Aufgabe

Im Auftrag großer Automobilhersteller entwickelte das WMG an der Universität Warwick in Großbritannien ein neues, serienreifes Verfahren zum Laserschweißen von Batteriekästen. Seit mehr als 20 Jahren arbeitet das Institut mit einem Expertenteam an innovativen technischen Infrastrukturen und Technologien unter anderem im Bereich Elektromobilität.

Da Aluminium als schwierig schweißbarer Werkstoff gilt, sollten zunächst einerseits die Vorteile des taktilen Laserschweißens mit Zusatzdraht genutzt werden. Dieses Verfahren ermöglicht rissfreie Schweißnähte. Anderseits sollte der Prozess von der Flexibilität und der hohen Verarbeitungsgeschwindigkeit des Remote-Schweißens profitieren.

Das Vorgehen

Die Experten bei WMG entschieden sich für die Bearbeitungsoptik ALO4-O von Scansonic in Berlin, einem Hersteller von Laserbearbeitungssystemen. Die ALO4-O wurde speziell für den Einsatz in der Fertigung von Batteriekästen konzipiert. Der Laserbearbeitungskopf kombiniert dabei die taktile Nahtführung mit der Laserstrahloszillation einer Remote-Optik. Die taktile Nahtführung gleicht Bauteiltoleranzen aus und ermöglicht dadurch eine stabile Prozessführung und höchste Nahtqualität.

So funktioniert die ALO4-O

Der Zusatzdraht, der beim Fügen für die Nahtbildung benötigt wird, dient gleichzeitig als mechanischer Taster. Über die Schwenkachse kontinuierlich in den Fügestoß gedrückt und im Laserbrennpunkt abgeschmolzen, positioniert und führt der Zusatzdraht den Bearbeitungskopf präzise über der Naht.

Für eine definierte 2D-Laserstrahl-Oszillation mit bis zu 1000 kHz sind zwei synchronisierte Scannerachsen in die ALO4-O integriert. Bei der Strahloszillation handelt es sich um eine wiederholte, hochfrequente Bewegung des Laserstrahls. Dabei sind Schwingformen, Amplituden und Frequenzen pro Scannerachse frei programmierbar.

Für eine definierte 2D-Laserstrahl-Oszillation mit bis zu 1000 Hz sind zwei synchronisierte Scannerachsen in die ALO4-O integriert. Dabei sind Schwingformen, Amplituden und Frequenzen pro Scannerachse frei programmierbar. Diese Kombination ermöglicht einen breiten Verbindungsquerschnitt in der Naht bei minimalem Wärmeeintrag und verbessert gleichzeitig die Nahteigenschaften durch den eingebauten Zusatzdraht.

In den Laborversuchen arbeitete das WMG-Team an der Optimierung der Schweißparameter. Ziel war es, Prozesstoleranz und Prozessgeschwindigkeit zu maximieren und dabei gleichzeitig den Verzug der Bauteile zu minimieren. Dafür variierten sie die Laserintensität, die Dicke des Zusatzdrahts sowie die Weite und Frequenz der Oszillation.

Die Testergebnisse

Im Rahmen der Testreihe konnte das Projektteam im Vergleich zum taktilen Schweißen ohne Oszillation deutliche Verbesserungen bei drei wichtigen Parametern des Prozesses erzielen:

• Bei einer Strahloszillation mit mittlerer/hoher Prozessgeschwindigkeit (4,8 m/min) konnte die Verbindungsfestigkeit um bis zu 70 Prozent verbessert werden.

• Die Wärmezufuhr wurde bei einer angestrebten Verbindungsfestigkeit um 50 Prozent reduziert. Aufgrund der Kombination von Drahtvorschub und Strahloszillation mussten keine Spots verwendet werden, die größer als der Draht waren. Dies ermöglichte nicht nur eine Reduzierung der Laserleistung und der damit verbundenen thermischen Verformungen, sondern sparte auch Energie.

• Schließlich zeigten die Tests eine garantierte Spaltüberbrückung von bis zu 45 Prozent der oberen Materialdicke mit der Strahloszillation – ein Ergebnis, das sogar mit einer reinen Remote-Laserschweißlösung vergleichbar ist.

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Fazit

Die Testreihe am WMG untermauerte, dass sich der Schweißprozess der Aluminium-Naht durch die Kombination von taktilem Laserschweißen mit Zusatzdraht und einer Strahloszillation deutlich verbessern lässt. Das Team entwickelte 1:1-Prototypen, die von den OEMs getestet werden können.

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