Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
Kupfer ist aufgrund seiner guten elektrischen Leitfähigkeit und Verformbarkeit das Standardmaterial für elektrische Leitungen, jedoch teurer und schwerer als Aluminium. In der Elektromobilität werden daher Aluminium und Kupfer parallel eingesetzt und müssen an bestimmten Stellen stoffschlüssig und leitfähig verbunden werden. Die spontan entstehenden Oxidschichten auf Aluminium und intermetallische Phasen an der Verbindungsstelle können erhebliche Schwierigkeiten bereiten.
Die werkstofftechnologischen Herausforderungen beim Fügen von Aluminium und Kupfer liegt in der Vermeidung unerwünschter intermetallischer Phasen, die spröde sind und Risse fördern, sowie in den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe, die thermische Fügeverfahren erschweren. Zudem muss die spontane Oxidschicht auf Aluminium überwunden werden. Die Härteunterschiede zwischen Aluminium (~40 HV1) und Kupfer (~100 HV1) und den intermetallischen Phasen (>600 HV, bis zu 1000 HV) führen zu komplexen lokalen Spannungszuständen in der Fügezone, die für die Verbindungssicherheit kritisch sind.
Zur Bewältigung dieser Herausforderungen kommt das Magnetimpulsschweißen (MPW) zum Einsatz. Es basiert auf einem kurzen, intensiven Stromimpuls, der über eine Spule ein Flyer-Material (hier Aluminium) auf eine sehr hohe Geschwindigkeit (~400 m/s) beschleunigt und auf das Target-Material (Kupfer) aufprallen lässt. Durch diesen Hochgeschwindigkeitsaufprall entstehen lokal sehr hohe Drücke, die eine stoffschlüssige Verbindung ermöglichen, ohne dass traditionelle thermische Probleme auftreten. MPW wird als Kaltfügeverfahren klassifiziert und kann auch Werkstoffkombinationen fügen, die normalerweise als nicht schweißbar gelten.
Bei der anwendungsspezifischen Konfiguration des Verfahrens arbeiten die Fraunhofer-Institute IWM und IWU zusammen. Dabei wird der Fügeprozess so eingestellt, dass die intermetallischen Phasensäume möglichst schmal und lokal begrenzt bleiben, um Sprödbrüche zu vermeiden und eine hohe Festigkeit zu gewährleisten. Die Verbindungssicherheit wird durch fraktographische Analysen evaluiert.
Die Mikrostruktur und Bindung in der Fügezone werden mit hochauflösenden Analysen und modellgestützten Simulationen untersucht, um lokale Bindungsbereiche und mechanische Eigenschaften zu verstehen.