Rührreibschweißen von Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen für die Elektromobilität

Die Herstellung stoffschlüssiger Mischverbindungen aus Aluminium- und Kupferwerkstoffen stellt eine herausfordernde Fügeaufgabe dar. Unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften der Grundwerkstoffe erschweren das Fügen mittels Schmelzschweißen. Hier rücken sogenannte Festphase-Fügeverfahren, zu denen auch das Rührreibschweißen zählt, in den Fokus. Eine Betrachtung dieses Verfahrens und der realisierbaren Verbindungseigenschaften unter automobilspezifischen Gesichtspunkten steht hingegen noch aus, sodass das Verfahren derzeit noch keine Serienanwendung zur Herstellung elektrischer Kontakte aus Aluminium und Kupfer findet. Daher soll mit der vorliegenden Arbeit die Eignung des Rührreibschweißens für die Fertigung von Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen, die den Anforderungen für den Einsatz in stromführenden Bauteilen im Rahmen der automobilen Elektromobilität gerecht werden, nachgewiesen werden.
Durch wirtschaftliche Aspekte motiviert wurde mittels einer parametrischen Untersuchung, welche auf die Optimierung mechanischer und elektrischer Verbindungseigenschaften abzielte, eine Maximierung der Schweißgeschwindigkeit angestrebt. Zudem erfolgte aufgrund hoher produktionstechnischer Relevanz die Charakterisierung der Verbindungsbildung beim Fügen von Aluminium mit verzinntem Kupfer. Im nächsten Schritt wurde zur weiteren Gewichtseinsparung die Möglichkeit des Schweißens von Aluminium- und Kupferblechen unterschiedlicher Dicke untersucht, bevor zuletzt die mechanischen und elektrischen Eigenschaften rührreibgeschweißter Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen unter Einsatzbedingungen ermittelt wurden.
Mit den erarbeiteten Erkenntnissen bietet diese Arbeit einen Beitrag zur Erweiterung des Anwendungsspektrums des Rührreibschweißens für automobile Serienanwendungen.

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Die Herstellung stoffschlüssiger Mischverbindungen aus Aluminium- und Kupferwerkstoffen stellt eine herausfordernde Fügeaufgabe dar. Die unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften der Grundwerkstoffe erschweren den Fügeprozess mittels konventionellem Schmelzschweißen. In diesem Zusammenhang rücken sogenannte Festphase-Fügeverfahren, zu denen auch das Rührreibschweißen zählt, vermehrt in den Fokus. Jedoch stehen bis dato keine öffentlich zugänglichen Erkenntnisse bezüglich der Eignung dieses Schweißverfahrens zur Herstellung von elektrischen Leitern aus Aluminium- und Kupferwerkstoffen für elektrifizierte Fahrzeuge zur Verfügung. Unter Berücksichtigung dessen besteht die Motivation dieser Arbeit darin, eine umfassende Betrachtung dieses Fügeverfahrens sowie der erzielbaren Verbindungseigenschaften zu erarbeiten. Als Arbeitshypothese wird zugrunde gelegt, dass mittels Rührreibschweißen Aluminium-Kupfer- Mischverbindungen gefertigt werden können, die den Anforderungen an stromführende Komponenten im Bereich der automobilen Elektromobilität gerecht werden.

Im Rahmen der Werkstoffauswahl sind jeweils ein reiner Aluminium- und Kupferwerkstoff als anwendungsrelevant identifiziert und daher für die schweißtechnischen Untersuchungen im Stumpfstoß ausgewählt worden. Durch wirtschaftliche Aspekte motiviert, konnte mittels einer umfangreichen parametrischen Untersuchung gezeigt werden, dass rührreibgeschweißte Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen von hoher mechanischer und elektrischer Verbindungsqualität auch bei deutlich höherer Schweißgeschwindigkeit, als in der Literatur beschrieben, gefertigt werden können. In diesem Zusammenhang wurde zudem systematisch der Einfluss der Schweißparameter auf die resultierende Verbindungsgüte untersucht.

Aufgrund der hohen produktionstechnischen Relevanz wurde durch weitere Experimente die Verbindungsbildung beim Fügen von Aluminium- mit verzinnten Kupferwerkstücken untersucht. In diesem Kontext wurde gezeigt, dass die kupferseitige Verzinnung eine geringfügige Festigkeitsreduktion hervorruft, jedoch bezüglich der elektrischen Verbindungsqualität als vernachlässigbar zu betrachten ist.

Des Weiteren wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Machbarkeitsnachweis für das Rührreibschweißen von Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen an Blechen unterschiedlicher Dicke erbracht. In diesem Zusammenhang wurde das Ziel verfolgt, Verbindungen zu fertigen, die bezüglich des Bauteilgewichts weiter optimiert sind. Die im Hinblick auf die Schweißnahtgüte effektivste Stoß- und Schweißkonfiguration führte zu Verbindungen, welche entlang der Fügezone einen geringeren elektrischen Widerstand als der hochohmigere Aluminium-Grundwerkstoff aufwiesen und hinsichtlich ihrer Zugfestigkeit um ca. 25 % gegenüber dem schwächeren Fügepartner reduziert waren.

Zuletzt wurden Untersuchungen zu den mechanischen und elektrischen Eigenschaften rührreibgeschweißter Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen unter Einsatzbedingungen durchgeführt. Dabei wurde gezeigt, dass die elektrischen Einsatzgrenzen der Rührreibschweißungen unter Beanspruchungen, wie sie für die hier betrachteten Querschnitte in derzeitigen Elektrofahrzeugkonfigurationen üblicherweise auftreten, unkritisch sind. Eine Umweltsimulation, welche dazu diente, das Alterungsverhalten der Aluminium-Kupfer-Rührreibschweißungen unter korrosiven, thermischen und mechanischen Gesichtspunkten abzubilden, hat ergeben, dass bei Vorliegen eines flüssigen Elektrolyten zwingend Maßnahmen zum Korrosionsschutz zu treffen sind. Ist dies gegeben, so ist basierend auf den hier generierten Ergebnissen ein langzeitstabiles Verhalten der rührreibgeschweißten Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen im Fahrzeugbetrieb zu erwarten.

Mit den gewonnenen Erkenntnissen kann die eingangs aufgestellte Arbeitshypothese grundsätzlich bestätigt werden. Somit bietet diese Arbeit einen grundlegenden Beitrag zur Erweiterung des Anwendungsspektrums des Fügeverfahrens Rührreibschweißen.