Laserstrahlformung erhöht die Schweißgeschwindigkeit von Batteriekühlern für Elektrofahrzeuge

Wenn es um extreme Temperaturen geht, sind die Batterien von Elektrofahrzeugen (EV) den Menschen sehr ähnlich. Batterien für Elektrofahrzeuge funktionieren in den gleichen Temperaturbereichen wie Menschen am besten. Wärmemanagementsysteme für Elektrofahrzeuge maximieren die Batterieleistung und verlängern ihre Lebensdauer. Kühlplatten in einem Wärmemanagementsystem für Elektrofahrzeuge ermöglichen es flüssigem Kühlmittel, Wärme aus der Batterie abzuleiten.

Bei einem Kühlplattendesign zirkuliert Kühlmittel zwischen zwei dünnen Aluminiumplatten (Al). Das Kühlmittel strömt durch eingestanzte Kanäle in der Grundplatte, die mit einer Deckplatte verbunden ist. Um ein Austreten von Kühlmittel zu verhindern, müssen die Grund- und Deckplatten so zusammengefügt werden, dass eine dichte, hermetisch dichte Verbindung entsteht (Abbildung 1). Die Schweißverbindungen müssen außerdem frei von Rissen sein, die zu mechanischem Versagen im Feld führen können.

Hersteller begannen, Batteriekühlplatten mithilfe der Vakuumlöttechnologie zu verbinden. Diese früheren Platten (Abbildung 2) waren viel kleiner als die Kühlplatten, die für heutige EV-Batteriesysteme erforderlich sind, die auf Kühlplatten mit einer Größe von bis zu 2,1 × 1,3 m basieren.

Da die Nachfrage nach größeren Kühlplatten zunimmt, werden Ineffizienzen beim Vakuumlöten deutlich. Das Löten ist langsam und verbraucht viel Energie (>4 MW), was zu hohen Betriebskosten führt. Eine einzelne Produktionslinie kann 800 Quadratmeter Produktionsfläche beanspruchen. Die zunehmende Größe der Kühlplatten erfordert auch erhebliche Kapitalinvestitionen in größere Vakuumöfen, die für einen einzelnen Ofen mehr als 5 Millionen Euro kosten können.

Zum Hartlöten ist außerdem die Verwendung von Al 3003 erforderlich, einer speziellen Aluminiumlegierung, die hartgelötet werden kann. Hersteller möchten auf wirtschaftlichere Legierungen wie Al 5754 umsteigen, die hartgelötet werden können, aber eine Nachbearbeitung erfordern, und auf Legierungen der Al 6xxx-Serie, die den Vorteil haben, dass sie wiederverwertbar sind, aber überhaupt nicht hartgelötet werden können. Sie sind auf der Suche nach schnelleren und effizienteren Verbindungsmethoden, die ihnen helfen, mit der gestiegenen Nachfrage Schritt zu halten und die Einführung neuer Metalllegierungen zu beschleunigen.

Die Einführung der Laser-Materialbearbeitungstechnologie beschleunigt sich mit zunehmender Zuverlässigkeit, Robustheit und Verfügbarkeit von Multikilowatt-Lasern. Im Vergleich zu herkömmlichen Schweißverfahren senkt das Laserschweißen die Produktionskosten und erhöht die Flexibilität und Selektivität der Fertigung.

Die Laserschweißtechnologie erfordert außerdem einen geringeren Wärmeeintrag, was das Verzugspotenzial minimiert und gleichzeitig die Geschwindigkeit maximiert. Bei allen Schweißverfahren kommt es zur Schmelzbadbildung und anschließenden schnellen Erstarrung. Die hohe Energie des Laserschweißens schmilzt Material jedoch nicht nur, sondern verdampft es auch. 1

Durch die Materialverdampfung während des Schweißprozesses entsteht ein Schlüsselloch, was dem Laserschweißen den Vorteil eines sehr guten Verhältnisses von Eindringtiefe zu Schweißnahtbreite verleiht (Abbildung 3). Infolgedessen sind viele Hersteller vom herkömmlichen Löten und Schweißen auf die Lasermaterialbearbeitung umgestiegen, mit der eine Vielzahl von Materialien verbunden, der Stromverbrauch gesenkt und die Prozessausbeute verbessert werden können.

Batteriekühlplatten sind großformatig und komplex in der Geometrie und müssen strenge Anforderungen erfüllen, um robuste Nähte zu erzielen, die eine lange, leckagefreie Lebensdauer gewährleisten können. Um mechanisches Versagen zu vermeiden, dürfen die Verbindungen keine Risse, Buckel, Hinterschnitte oder Porositätsfehler in der Grenzfläche aufweisen (Abbildung 4).

Während das hohe Aspektverhältnis des Laserschweißens im Vergleich zum thermischen Schweißen zu einem geringeren Verzugspotenzial des Teils führt, kann es auch Herausforderungen mit sich bringen, da die Schlüssellochstabilität für die Erzielung einer hohen Schweißqualität von entscheidender Bedeutung ist.

Beim Schweißen hochabsorbierender Materialien wie Stahl und Nickel bleibt das Laser-Keyhole im Allgemeinen stabil. Leider kann beim Schweißen von Kupfer, Aluminium und hochlegierten Materialien, wie sie bei der Herstellung von Kühlplatten benötigt werden, das Schlüsselloch von Natur aus instabil sein, wodurch der Prozess anfällig für Unregelmäßigkeiten ist, die die Schweißqualität beeinträchtigen. Eine gängige Methode zur Behebung dieser Mängel ist das Wackeln des Strahls und die Strahlformung, wodurch Form und Größe des Laserstrahlflecks variiert werden. 2

Es gibt drei große Kategorien der Strahlformung: statisch, variabel und dynamisch. Statische und variable Methoden basieren auf diffraktiven optischen Elementen (DOEs), die eine kostengünstige Strahlformung über ein dünnes Muster auf einem robusten Fenster ermöglichen, das die Phase des hindurchtretenden Lichts beugt und moduliert.3 Für die statische Strahlformung stehen eine Vielzahl von zur Verfügung DOEs können die Form des Laserstrahlausgangs am Werkstück anpassen. Die begrenzte Flexibilität statischer Lösungen macht sie für Anwendungen mit sehr genau definierten Prozessparametern geeignet.

Mithilfe einstellbarer Ringformer, die den Strahl in einen zentralen Dorn oder Kernstrahl und einen umgebenden Ringstrahl aufteilen, können DOEs variable Strahlformungsoptionen bieten, die die Flexibilität des Lasers erhöhen. Diese Option erfordert eine einachsige Verschiebung oder Drehung, um das Intensitätsverhältnis zwischen Kern- und Ringstrahlen zu ändern. Ein anderer Ansatz verwendet eine variable überlagerte Intensitätsverteilung mit einer Zwei-in-Eins-Faser (Dual-Core).

Während solche Strahlformungslösungen die Flexibilität eines bestimmten Prozesses verbessern können – indem sie es beispielsweise einer einzelnen Maschine ermöglichen, spezielle Aufgaben in der Serienproduktion auszuführen – kann ein statischer Strahl das Schmelzbad nicht ausreichend umrühren, um die häufig wechselnden Vorgänge zu bewältigen, die den Alltag ausmachen Geschäft der Industrie. 4

Dynamische Strahlformungsmethoden, die für die Beseitigung von Schweißfehlern bekannt sind, umfassen derzeit vier Optionen: Galvanometerscanner, piezobetriebene Aktuatoren, mikroelektromechanische (MEM) Scanner und optische Phased Arrays (OPAs).

Mit galvanometrischen Scannern können Singlemode-Faserlaser während des Schweißprozesses beispielsweise in Form eines Kreises oder einer Acht in Schwingungen versetzt werden. Allerdings unterliegen solche Lösungen Leistungs- und Frequenzbeschränkungen. Inhärente mechanische und kinetische Kompromisse im Zusammenhang mit beweglichen Teilen begrenzen die maximal erreichbare Frequenz aufgrund der Masse der oszillierenden Spiegel des Scanners. Kleinere, leichte Spiegel begrenzen die Laserleistung.

Im Gegensatz dazu führt die OPA-Technologie, eine Art kohärente Strahlkombination (CBC), viele Single-Mode-Laserstrahlen zu einem größeren Strahl zusammen (Abbildung 5). Jeder Laser sendet sein eigenes Licht aus, das sich mit anderen Strahlen im Fernfeld überlagert, um ein Beugungsmuster zu erzeugen. Dies bietet die Flexibilität, die Strahlform einfach in Echtzeit und ohne bewegliche Teile zu manipulieren, wodurch ein dynamischer Strahllaser (DBL) entsteht.

Um die Herausforderungen beim Kühlplattenschweißen zu meistern, wurden maßgeschneiderte Strahlformen benötigt und entworfen (Abbildung 6). Diese Strahlformen verwenden eine hohe Formfrequenz zusammen mit einer Folge von Strahlformen. Dies ermöglicht ein schnelles Umschalten zwischen Strahlformen und erhöht die Flexibilität. Wenn beispielsweise eine Form das Schlüsselloch stabilisiert und Spritzer verhindert, während eine andere Form Risse verhindert, können mit einer gut durchdachten Abfolge dieser beiden Formen alle drei Ziele erreicht werden.

Kürzlich wurden Prozesse zum Schweißen von Kühlplattenkonfigurationen entwickelt, darunter Designs mit Kanal- und Grübchengeometrien aus Al 3003- und Al 5754-Legierungen. Mithilfe von Simulationen, die von Professor Andreas Otto am Institut für Produktionstechnik und Photonische Technologien der TU Wien erstellt wurden, half Wein dabei, die vielen Prozessparameter zu optimieren (Abbildung 7).

Simulationen zeigen, dass Humping ein periodisches Phänomen ist. Wenn das Schmelzbad lang ist und die Geschwindigkeit hoch ist, beginnt die Abkühlung von den Seiten und verengt den Schmelzkanal. Wenn sich der Schmelzkanal verengt, fließt geschmolzenes Material nach oben und bildet den Buckel. 5

Durch die Änderung der Strahlform, um den Energieeintrag auf die Seiten des Schmelzbads zu konzentrieren, bleibt die Kanalbreite an der Hinterkante erhalten, wodurch sichergestellt wird, dass der Kanal offen bleibt, und die Fließgeschwindigkeit der Schmelze hinter dem Schlüsselloch verringert wird, was das Risiko von Buckeln verringert. Kombiniert man dies mit der Einführung einer anderen Periode in den Prozess, wird die Periodizität des Buckels unterbrochen und der Defekt insgesamt vermieden. Durch das aufeinanderfolgende Wechseln der Strahlformen alle paar Mikrosekunden werden Buckel vermieden und das Schweißen mit höheren Geschwindigkeiten ohne Fehler ermöglicht (Abbildung 8).

Für die Teileproduktion in großem Maßstab hat SLTL (Sahajanand Laser Technology Limited), ein führender Hersteller von Laserschweißmaschinen in Indien, die DBL-Technologie in eine 3D-Schneid- und Schweißmaschine auf CBC-Basis integriert. Das von der israelischen Innovationsbehörde und der Global Innovation & Technology Alliance finanzierte Projekt hat zu einer fehlerfreien Produktion von Kühlplatten in Originalgröße geführt.

Dieser Artikel wurde von Ami Shapira, Marketing Manager, Civan Lasers, verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Märzausgabe 2023 des Battery & Electrification Technology Magazine.

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