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Fraunhofer IWS erforscht die feste Verbindung von Kupfer und Aluminium

Der Aufgabe Kupfer und Aluminium fachgerecht sowie langlebig zu verbinden, stellt sich derzeit das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- Strahltechnik IWS in Dresden. Für diese Verbindung beschäftigen sich Wissenschaftler mit verschiedenen Lösungsmöglichkeiten. Zum einen mit dem Laserschweißen aber auch mit dem Laserinduktionswalzplattieren. Mit diesen Verfahren sollen sich laut Fraunhofer IWS eine Vielzahl der in Verbindung mit Elektromobilität entstehenden fügetechnischen Fragestellungen lösen lassen.

So steht beispielsweise das Laserstrahlschweißen laut Institut für effiziente eigenschafts- und gewichtsoptimierte Fügeverbindungen. Eine Vielzahl unterschiedlicher Werkstoffe und Werkstoffkombinationen ist bereits mit dem Laser schweißbar, zum Beispiel Aluminium-Stahl oder auch Gusseisen-Einsatzstahl. Forscher des Fraunhofer IWS haben jetzt eine Technologie entwickelt, mit der auch Mischverbindungen wie Aluminium-Kupfer, Aluminium-Magnesium oder Edelstahl-Kupfer mit deutlich besserer Qualität lasergeschweißt werden können.

Die Verbesserung soll aus dem Einsatz eines hochdynamischen zweidimensionalen Scanners mit hohen Ablenkfrequenzen (bis maximal 2,5 Kilohertz) resultieren. Das System und eine Reihe von technologischen Parametern für unterschiedliche Werkstoffkombination wurden im Verbundprojekt Weldima des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) erarbeitet, erklärt das Institut.

Die hochdynamische Strahlablenkung und die laterale Positionierung des Laserstrahles zum Fügestoß sollen eine gezielte Beeinflussung des Mischungsverhältnisses im Schweißgut ermöglichen. In Verbindung mit strukturanalytischen Untersuchungen könne die Breite des in der Schweißnaht erzeugten Phasensaums mit ungewünschten intermetallischen Verbindungen gezielt eingestellt werden. Je kleiner der intermetallische Phasensaum ausfällt, umso geringer ist die Reduzierung der Zugfestigkeit der Schweißverbindung, erklärt das Institut. Für die am IWS mit hochdynamischer Strahlablenkung geschweißten Mischverbindungen aus Aluminium-Kupfer seien für den Phasensaum Werte kleiner als zehn Mikrometer gemessen worden. Die Zugfestigkeit der Mischverbindung erreiche die gleichen Werte wie die artgleiche Verbindung Aluminium-Aluminium. Sie liegt bei 70 Prozent des unbeeinflussten Grundwerkstoffes, betont das Fraunhofer-Institut.

Die Herstellung stoffschlüssiger Kontakte aus Aluminium und Kupfer (Al-Cu) für das Packaging von Lithium-Ionen-Zellen ist ein Schwerpunkt des Forschungsprojektes Deliz. Die Dresdner Forscher arbeiten an der Qualifizierung eines neuen Laserwalzplattierprozesses für den industriellen Einsatz, erklärt das Institut. Dieser Prozess vereine jeweils die Vorteile des Kalt- und Warmwalzplattierens und ermögliche eine großflächige stoffschlüssige Verbindung von Bändern aus Aluminium und Kupfer. Während des Prozesses erhitzt ein Laserstrahl die beiden zu fügenden inneren Oberflächen der Bänder, die unmittelbar vorher induktiv vorgewärmt wurden, erläutert das Fraunhofer IWS. Dadurch lokalisiere sich die Verformung im Walzspalt weitgehend auf das (sehr begrenzte) hoch erwärmte Volumen. Unter dem Einfluss des Walzendrucks bilde sich zwischen beiden Bändern ein gleichmäßiger, fehler- und grenzflächenfreier Gefügeübergang aus. Die analytischen Untersuchungen der Fügezone zeigen, so das Institut, dass sich die Ausbildung der Fügezone durch die Wahl der Prozessparameter beeinflussen lässt. Die für stoffschlüssige Aluminium-Kupfer-Verbindungen typischen intermetallischen Phasen können komplett vermieden werden, heißt es weiter. Das bei Walzgeschwindigkeiten bis acht Meter pro Minute plattierte Band lasse sich im walzplattierten Zustand gut verformen und könne direkt weiterverarbeitet werden. Die ermittelten Scherfestigkeiten des Verbundes liegen bei 30 bis 40 Megapascal, gibt das IWS an.

Einige Lösungsvorschläge präsentiert das Fraunhofer IWS in Kürze auf der Messe Laser World of Photonics.
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