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Moderne Fügeverfahren – Widerstandsschweißen I Methodik zur Bewertung eines Widerstandspunktschweißprozesses auf Grundlage der Elektrodenbewegung ....................................................................... 757 M. Ullrich, P. Nimtz, M. Wohner, S. Jüttner, Magdeburg Widerstandsschweißen – Hohe Wirtschaftlichkeit bei minimalem Energieeinsatz ............................................................................................................... 765 H.-J. Rusch, Oyten (bei Bremen); P. Schütte, Gladbeck Verbesserung der Übertragbarkeit eines künstlichen neuronalen Netzes zur Qualitätsvorhersage beim Widerstandspunktschweißen von hochfesten Stählen ........................................................................................................ 772 B. El-Sari, M. Biegler, M. Rethmeier Vorhersage des Elektrodenverschleißes beim Widerstandspunktschweißen von Aluminium durch dynamische Widerstandsmessung .............................................. 780 D. Turabov, A. Evdokimov, A. Nikitin, R. Ossenbrink, V. Michailov, Cottbus Moderne Fügeverfahren – Widerstandsschweißen II Einseitiges Widerstandsschweißen von Kunststoff und Metall – mechanische Eigenschaften und Oberflächenwechselwirkung ..................................... 788 K. Szallies, C. Riebel, O. Piper, J. P. Bergmann, Ilmenau Durchsetzschweißen – Ein Verfahren zum einseitigen Punktfügen von Mischverbindungen aus überlappenden Feinblechen ............................................. 797 M. Ebert-Spiegel, Augsburg; C. Schwechheimer, Brandenburg an der Havel Zerstörungsfreie Prüfung von Buckelschweißverbindungen an Blechstrukturen ......................................................................................................... 801 C. Mathiszik, J. Koal, J. Zschetzsche, U. Füssel, H. C. Schmale Autorenverzeichnis .…………………………………………………………………….. 810
Ermüdungsverhalten mittels Laserstrahlschweißen hergestellter Batteriezellkontaktierungen unter dynamischen Lasten Benedikt Scheffler, Michael K. Kick, Sophie Grabmann und Michael F. Zäh Ein mittels Batteriespeicher betriebenes Elektrowerkzeug ist häufig aufgrund seiner flexiblen Einsatzmöglichkeiten beliebter als sein kabelgebundenes Gegenstück. Bei den angebotenen Lösungen wird oftmals ein Batteriespeicher für verschiedene Arten von Arbeitsgeräten verwendet. Aufgrund dieser Variabilität sind die im Batteriespeicher befindlichen Batteriezellen, die Zellverbinder und die Fügeverbindungen, die sogenannten Kontaktierungen, abhängig vom Einsatzzweck, unterschiedlichen dynamischen Lasten, wie z. B. starken Vibrationen oder Schocks, ausgesetzt. Diese bewirken eine mechanische und elektrische Degradation der Kontaktierung, die sich nachteilig auf das Gesamtverhalten des Batteriespeichers auswirken. Das Ziel dieser Untersuchung war die Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens mittels Laserstrahlschweißen hergestellter Batteriezellkontaktierungen unter dynamischen Lasten. Das Laserstrahlschweißen bietet sich dank seines geringen Wärmeeintrags, guter Prozessstabilität und seines hohen potenziellen Automatisierungsgrades als Fügeverfahren an. Als Werkstoff für den Zellverbinder wurde Kupfer gewählt, wohingegen das Zellgehäuse dieser Studie aus vernickeltem Stahl (Hilumin®) bestand. Für die vorliegende Fügeaufgabe bewährte sich aufgrund des geringen Absorptionsgrades von Kupfer für infrarote Laserstrahlung eine Laserstrahlquelle, welche im grünen Wellenlängenbereich emittiert. Die Kontaktierungen wurden mit unterschiedlichen Schweißparametern und -nahttrajektorien gefertigt und in Dauerschwingversuchen analysiert. Dazu wurde der Zellverbinder fest eingespannt und das Zellgehäuse mit unterschiedlichen Kraftamplituden angeregt. Zur Quantifizierung der Zeitfestigkeit der Kontaktierung wurde ein Ausfallkriterium definiert. Hierzu wurde der zeitliche Gradient des elektrischen Widerstands verwendet, da dieser die Effizienz des Batteriespeichers beeinflusst. Der elektrische Widerstand der Kontaktierung wurde mittels Vier-Leiter- Messung während des Versuchs bestimmt. In den Versuchsergebnissen war ein klarer Zusammenhang zwischen der eingebrachten Streckenenergie und dem Rissfortschritt an der Schweißnaht zu erkennen. Des Weiteren wurden zwei Schweißnahttrajektorien ermittelt, deren Kontaktierungen ein günstigeres Ermüdungsverhalten als eine mit einer einfachen kreisförmigen Schweißnaht aufwiesen. 1 Einleitung Der zunehmende Einsatz von Lithium-Ionen-Batteriezellen fordert ein immer größer werdendes Fachwissen in der Batteriespeicherproduktion. Die häufig verwendete 18650-Rundzelle weist aufgrund der Standardisierung im Vergleich zu anderen Bauformen geringere Produktionskosten auf. Infolgedessen wird diese vermehrt in Elektrowerkzeugen eingesetzt [1]. Der Batteriespeicher des Endgeräts besteht aus einer Verschaltung mehrerer Batteriezellen. Eine zentrale Herausforderung bei einer adäquaten Kontaktierung des Zellverbinders mit einer Batteriezelle besteht darin, dass diese über die gesamte Lebenszeit und bei wechselnden Belastungen gleichbleibende Eigenschaften aufweist. Hierbei wurde festgestellt, dass sich zum Herstellen der Kontaktierung das Laserstrahlschweißen als geeignet erweist. Dabei gilt es, auf der einen Seite aufgrund des dünnen Zellgehäuses aus Hilumin® (vernickeltem Stahl) den Wärmeeintrag möglichst gering zu halten. Ansonsten kann ein Durchschweißen mit einer Beschädigung des Innenlebens der Batteriezelle folgen. Auf der anderen Seite wird eine gewisse Streckenenergie benötigt, um eine Anbindung der Fügepartner zu gewährleisten. Aus diesem Grund ist ein Prozessfenster in Abhängigkeit der Laserleistung und der Schweißgeschwindigkeit einzuhalten. Ziel der Untersuchung war es, den Einfluss der Schweißparameter sowie ausgewählter Schweißnahttrajektorien auf das Ermüdungsverhalten im Zeitfestigkeitsbereich der Kontaktierung einer Batteriezelle zu quantifizieren. 2 Grundlagen Die Eigenschaften einer Kontaktierung unter dynamischen Lasten wird durch die Ermüdungsfestigkeit charakterisiert. Diese lässt sich in Betriebs- und Schwingfestigkeit unterteilen [2]. Erstere beschreibt den Widerstand einer Kontaktierung gegenüber zufälligen oder aperiodischen Belastungen [2]. Bei der Schwingfestigkeit hingegen wird die Kontaktierung periodischen Lasten ausgesetzt [2]. In der vorliegenden Untersuchung wird die Schwingfestigkeit als Eigenschaft des Ermüdungsverhaltens einer Batteriezellkontaktierung analysiert. DVS 389 1
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