Laser mit Multifokus-Optik machen Schweißen akkurater

Das Dichtschweißen von Aluminium war für die Lasertechnik lange eine harte Nuss. Doch mit einem tiefen Blick in den Dampfkanal des Keyholes, konnte Laserhersteller Trumpf gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung ist es nun gelungen, diese Nuss zu knacken.

Der Blick verriet nämlich, dass eine spezielle Strahlformung gegen die hartnäckige Porenbildung hilft. Entstanden ist daraus eine Multifokus-Lösung, die Trumpf jetzt einem potenten Zukunftsmarkt anbietet: gasdichtes Verschweißen von Leistungselektronikgehäuse und Kühlplatten für Elektrofahrzeuge.

Dichte Nähte: Warum musste eine neue Technologie her?

Mit der Strahlformungstechnologie Brightline von Trumpf und ihrer flexiblen Leistungsverteilung lässt sich Aluminium fast ohne Spritzer in Hochgeschwindigkeit schweißen. Aber absolut gasdichte Nähte konnte man bisher nicht mit der geforderten Zuverlässigkeit produzieren. In der Schweißnaht fanden sich zu viele Poren, die Gaskanäle ausprägen und die Dichtheit beeinträchtigen können.

Alternative Verfahren lassen ebenfalls zu wünschen übrig: Das Rührschweißen schafft zwar absolut dichte Nähte. Doch eignet es sich für die Massenfertigung kaum, weil es mechanisch arbeitet und damit zu langsam ist. Das ebenfalls gasdichte kontrollierte Aluminiumlöten wiederum verbraucht hundertmal mehr Energie als ein wirkungsähnlicher Laser, in diesem Fall rund 5 Megawatt statt 0,05 Megawatt. Die sperrige Lötanlage steht außerdem auf 800 Quadratmetern. Ein Laser benötigt zehnmal weniger Platz – und nur die Hälfte an Investitionen.

Präzision, Automatisierbarkeit, Bearbeitungstempo, Integrierbarkeit, Raumbedarf, Effizienz – das alles spricht für den Laser als Werkzeug, um Millionen leichte Leistungselektronikgehäuse und Kühlplatten für Elektro-Fahrzeuge zusammenzuschweißen. Doch die Ansprüche der Automobilindustrie sind höher als die 95-prozentige Zuverlässigkeit, die Trumpf für Gasdichtheit beim Einsatz von Brightline Weld errechnete.

Aus gutem Grund: In den Aluguss-Kühlplatten und -Gehäuseteilen sind wasserführende Kanäle zur Kühlung integriert, die keinesfalls lecken dürfen. Nichts, was Risiken verursachen könnte, darf hinein oder heraus diffundieren. Deshalb sind gasdichte Nähte funktionsrelevant. Sie verhindern, dass brennbare und umweltschädliche oder gesundheitlich bedenkliche Inhaltsstoffe auslaufen; sie schirmen die empfindlichen Elektronikkomponenten im Inneren gegen Feuchtigkeit und Witterungsverhältnisse ab und tragen damit zu einer konstant hohen Leistung der Batterie bei.

Vor diesem Hintergrund brüteten die Entwicklungspartner von Trumpf und dem Automotive-Zulieferer Benteler darüber, wie sich nicht nur Edelstahl, sondern auch Knet- und Gussaluminiumlegierungen für großformatige Kühlplatten und -deckel von Batteriegehäusen gasdicht laserschweißen lassen. Den Weg zum Erfolg wiesen Analysen, durchgeführt mit verschiedenen Forschungspartnern: Die RWTH Aachen und das Fraunhofer ILT waren im Boot, das IFSW der Universität Stuttgart und das Hamburger DESY, das Deutsche Elektronen-Synchrotron.

Der Expertenblick richtete sich dabei direkt ins Herz des Keyhole – also in den tiefen, schmalen, Hohlraum, den der Dampfdruck beim Tiefschweißen rund um den Laserstrahl öffnet. Bewegt sich der Strahl durch das Metall, umfließt die Schmelze diese Dampfkapillare und erstarrt an deren Rückseite. So bildet sich die Schweißnaht.

Die Analysen brachten Klarheit, was bei diesem Prozess geschieht: Ist die Laser-Leistungsverteilung an der Keyhole-Innenwand ungleichmäßig, ist die Öffnung außerdem eng und schwankt ihr Durchmesser im Prozessverlauf, so kann die gesamte Dampfkapillare instabil werden. Anfangs kommt es zu einer Ausstülpung im hinteren Teil, wo sich Metalldampf ballt und entweichen will. Der zunehmende Gasfluss erzeugt einen Unterdruck, der dafür sorgt, dass die Ausstülpung regelrecht abgeschnürt wird. Das Keyhole kollabiert, im Schmelzbad entsteht eine abgetrennte Gasblase.

Solche Poren bilden sich gerade beim Laserschweißen von Aluminium. Gründe dafür sind die spezielle Viskosität des Schweißbades in Verbindung mit der engen Wechselwirkungszone sowie die chemische Zusammensetzung der spezifischen Aluminiumlegierung.

Die gesammelten Resultate der Untersuchungen führten zur wegweisenden Idee: Wenn sich die Laserleistung gleichmäßiger verteilen ließe, wenn das Keyhole breiter und konstant offen wäre, dann müssten Dampf und Gase besser entweichen können. Und Poren könnten dann kaum entstehen.

Optik mit Strahlteilung: So wurde die Idee umgesetzt

Für die gleichmäßige Energieverteilung lag bereits ein Ausgangspunkt auf dem Tisch: die Strahlformungstechnologie Brightline Weld. Sie beruhigt den Schweißprozess, indem sie das Licht durch eine Mehrkernfaser schickt. Diese teilt den Strahl in einen äußeren Ring und einen inneren Kern auf. Damit ist es möglich die Leistungsverteilung sehr genau zu kontrollieren und optimal einzustellen.

Das ist der Grund, warum Brightline Weld auch Aluminium in einem ruhigen Prozess mit hoher Geschwindigkeit schweißen kann. In der neuen Lösung schickt Brightline Weld das Licht jedoch nicht durch eine normale Schweißoptik direkt in das Metall. Für das Aufweiten des Keyholes mündet die Brightline Weld Faser in einer besonderen Optik mit Strahlteilung. Diese teilt den Laserstrahl in mehrere Spots auf.

Solche Optiken sind prinzipiell nichts Neues. Die Automobilindustrie setzt sie zum Beispiel für das Laserlöten von Dachkantnähten am Auto ein. Doch für das Dichtschweißen von Aluminium ist diese Lösung neu und steuert einen entscheidenden Effekt bei: Wenn der Strahl aus der Faser austritt, splittet sie ihn auf und fokussiert ihn in vier verschiedene Spots. Jeder der vier Einzelstrahlen nutzt seine Power weiterhin effizient dank der Ring-Kern-Aufteilung der Faser.

Im Viereck positioniert, überlappen sich die Wirkradien der Spots. So erzeugen sie eine einzige große Dampfkapillare. Die Laserleistung verteilt sich nun homogener auf der Wirkfläche, das Keyhole bleibt konstant offen. Messergebnisse aus umfassenden Tests bestätigten den Erfolg: Die Keyhole-Fläche verzehnfachte sich und ihre schwankende Standardabweichung wurde von über 50 auf rund 7 Prozent gedrückt.

Welche Vorteile bringt die Technologie bei der Bearbeitung von Batteriegehäusen?

Dampfablassen und Kollabieren sind inzwischen kein Problem mehr, lästige Poren auch nicht. Die Anzahl Vier für die Spots zeigte sich als energetisch günstigste Anordnung für diesen Zweck. Dabei arbeitet die Optik in alle Schweißrichtungen und vermeidet sogar noch mehr Spritzer als Brightline Weld alleine.

Die Prüfungen ergaben bei der Batteriegehäuse-Bearbeitung mehr als 99 Prozent Zuverlässigkeit, was die Gasdichtheit der Schweißnähte betrifft. Und das bei hohen Schweißgeschwindigkeiten von derzeit bis zu 15 Metern pro Minute, wie sie konkurrierende Schweißtechnologien laut Trumpf selten erreichen. Labortests beim Hersteller fahren bereits mit 30 Metern pro Minute. 2023 soll die industrielle Anwendung bei Benteler zur Serienreife gelangen.

Trumpf sieht außerdem ein hohes Zukunftspotenzial für die Kombination aus Brightline Weld und Multifokus Optik fürs gasdichte Verschweißen von Aluminiumteilen. Als äußerst flexibles Werkzeug kommt der Laser auch gut zurecht mit den vielfältigen Lösungsansätzen und unterschiedlichsten Bauteilgeometrien, die das noch wenig standardisierte Design der Fahrzeuge mit Elektromotoren mit sich bringt. Für das Fügen von Batteriekästen aus Edelstahl zum Beispiel ist er schon im Einsatz.

Die nun erweiterten Einsatzmöglichkeiten des Lasers für den Werkstoff Aluminium machen ihn auch attraktiv für weitere Märkte. So stecken Millionen Komponenten wie E-Motoren und Leistungselektronik in Gehäusen aus Aluminiumdruckguss, die vielfach gasdicht sein müssen. Bei weißer Ware ergeben sich ebenfalls Anwendungschancen.

Um aber zunächst die erste Anwendung in der Automobilindustrie voranzubringen, arbeitet Trumpf bereits an technischen Lösungen für den Serienfertigungsprozess zum besagten Laserschweißen von Batteriegehäusen, auch mit Blick auf eine begleitende Inline-Schweißnahtanalyse oder -Qualitätskontrolle.

Quelle: Dr. Mauritz Möller, Trumpf