Mechanische und elektrische Eigenschaften von Mischverbindungen der Elektromobilität - Herausforderung für die Fügetechnik

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1 PAGE 1 Wissenschaftliche Tagung Jugend forscht und schweißt SLV Duisburg, 1. Dezember 212 Mechanische und elektrische Eigenschaften von Mischverbindungen der Elektromobilität - Herausforderung für die Fügetechnik Prof. Dr.-Ing. Uwe Reisgen Dipl.-Wirt.-Ing. Regina Thiele cand. BA Leonie Meinerzhagen PAGE 2 1. Anwendungen aus der Elektromobilität 2. Elektrisch leitende Werkstoffe 3. für Aluminium-Kupfer-Verbindungen 4. Fügeverfahren für elektrische Verbindungen 5. Fazit Fügetechnologien für stromführende Kontakte Agenda 1

2 PAGE 3 Lithium-Ionen-Batterie Verbindungen zwischen Litzen und Terminals Elektrofahrzeuge Anforderungen an stoffschlüssige Verbindungen: ausreichende Festigkeit Geringe Übergangswiderstände Vibrationsprüfungen bestanden (Einsatz im Motorraum) Schadgas-, temperatur- und alterungsbeständig Ausfallursache elektrischer Systeme Quellen: Schunk, Streetscooter, DRX, www Anwendungen PAGE 4 Werkstoff Elektr. Leitfähigkeit [m/ωmm²] Spezif. Elektr. Widerstand [1-6 Ωcm] Zugfestigkeit [MPa] Schmelztemperatur [ C] Al 37,7 2, (weich) 66 Cu 59,62 1, Ni 14,6 6, Eigenschaften der Werkstoffe 2

3 PAGE 5 Kosten: Cu Al Gewichtsverhältnis: Stand , $ pro Tonne Cu X,6 Al Cu Gewicht [g/m] x,6 = Al Gewicht [g/m] Querschnittsverhältnis: Cu X 1,6 Al Querschnittserhöhung um Faktor 1,6 für gleichen Leitwert Gewichtsersparnis von ca. 4% Intermetallische Verbindung ohne nennenswerte Übergangswiderstände und Alterungseffekte Cu Querschnitt [mm²] x 1.6 = Al Querschnitt [mm²] Werkstoff PAGE 6 a) b) c) Stromfluss in einteiligem Leiter (a), Berührung zweier Kontaktteile (b), Stromfluss durch verbundene Kontaktteile (c) Stromführender Querschnitt (Engewiderstand) + Fremdschichten (Oxide) Kontaktwiderstand (abhängig von Temperatur und Alterung) Stromfluss im Werkstoff 3

4 PAGE 7 Rührreibschweißen von Al-Cu Herausforderung beim Verbinden: unterschiedliche Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit unterschiedliches Plastifizierungsverhalten Einarbeitung von Oxidschichten in die Naht Verteilung Al-Cu in der Naht Mischverbindungen PAGE 8 Alterung nach Norm EN Umweltprüfung Schärfegrad (SG) 3 = 4x (Sprühphase 2 Std. + Feuchtelagerung 22h) + Lagerung im Normklima 3 Tage Schärfegrad 4 = SG 3 x 2 Schärfegrad 5 = SG 3 x 4 Zugprüfung in Anlehnung DIN 5125 Zugprüfung metallischer Werkstoffe 4

5 Zugproben Ohne Alterung Alterung SG 4 PAGE 9 Alterung SG 3 Alterung SG 5 Schliffbilder Ohne Alterung Alterung SG 4 PAGE 1 Alterung SG 3 Alterung SG 5 5

6 PAGE 11 Mechanische Eigenschaften Spannung in MPa Spannung in MPa ,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 4,,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 4, Dehnung in % Dehnung in % PAGE 12 Mechanische Eigenschaften Spannung in MPa Spannung in MPa ,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 4, Dehnung in %,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 4, Dehnung in % 6

7 PAGE 13 Spezifischer Widerstand Spezifischer Volumenwiderstand Widerstand in [1 (*1^(-2)) Ω mm²/m] Ω (mm)^2/m 3 2,5 2 1,5 1,5 2,78 2,74 2,69 2,63 2,28 2,28 2,2 2,13 1,64 1,68 1,64 1,65 ohne Alterung nach SG 3 nach SG 4 nach SG 5 Durchschnittswert Der Nähte Durchschnittwert Kupfer Durchschnittswert Aluminium Veränderung in % nach SG 3 nach SG 4 nach SG 5 7,541 3,3582 7,36 2,9293,1651,6727 5,8613 2,4381 4,484 Durchschnittsw ert Der Nähte Durchschnittw ert Kupfer Durchschnittsw ert Aluminium (Prüfmethode ist für Anforderungen zu optimieren) PAGE 14 Stromjoint (DVS FA 1) Steigende Zahl elektrischer Komponenten und Systeme Zuverlässige Stromführung permanenter elektrischer Kontakte Ziel: Korrelationen untersuchen Prozessparameter des jeweiligen Schweißverfahrens, Geometrische Gestaltung der Fügestelle, Gefügeausbildung in der Fügestelle, Mechanische Festigkeit der Fügeverbindung, insbesondere Dauer- und Schwingfestigkeit, Elektrische Eigenschaften der Verbindung (Stromleitfähigkeit, Widerstände), Eigenschaftsänderung während der Produktlebensdauer (Alterung). Verfahren: Ultraschallschweißen, Mikro-Elektronenstrahlschweißen, Mikro- Widerstandsschweißen, Mikro-Plasmaschweißen Schweißen elektrischer Kontaktierungen für emobility 7

8 PAGE 15 Al-Cu-Verbindungen haben ihren grundsätzlichen Schrecken verloren Wärmearme Schweißverfahren sind zielführend Korrelation mechanischer und elektrischer Eigenschaften Gestaltung der geschweißten Kontaktstelle (Geometrie, Isolation) Verfahrensspezifische Besonderheiten für Kontaktierung relevant Alterungsverhalten der Mischverbindungen Weiterentwicklung der Prozesstechnik und QS-systeme Schaffung anerkannter Standards zur zerstörenden und zerstörungsfreien Prüfung Fazit und Ausblick PAGE 16 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit RWTH Aachen Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik (ISF) Dipl.-Wirt.-Ing. Regina Thiele Mail: 8