Magnetimpulsschweißen für die Montage von Elektrofahrzeugen

Diese Sammelschiene aus Kupfer und Aluminium wurde durch Magnetimpulsschweißen zusammengebaut. Foto mit freundlicher Genehmigung der PSTproducts GmbH

Durch Magnetimpulsschweißen können Hochleistungsklemmen mit hoher Kompression, hoher Festigkeit und geringem Widerstand an dicken Kabeln befestigt werden. Foto mit freundlicher Genehmigung der PSTproducts GmbH

Ein typisches Magnetimpulsschweißsystem umfasst ein Netzteil, das eine Reihe von Kondensatoren, ein Hochgeschwindigkeitsschaltsystem und eine Spule enthält. Foto mit freundlicher Genehmigung der PSTproducts GmbH

Beim Magnetimpulsschweißen werden Kondensatoren in eine speziell für die Baugruppe angefertigte Spule entladen. Dadurch entsteht ein intensives transientes Magnetfeld. Dieses Magnetfeld induziert in allen leitfähigen Materialien in der Nähe Wirbelströme in entgegengesetzter Richtung zum Primärstrom. Die entgegengesetzten Felder führen zu einer hohen Abstoßungskraft, die das der Spule am nächsten liegende Werkstück mit hoher Geschwindigkeit in Richtung des stationären Werkstücks treibt, was zu einem starken Stoß zwischen den beiden Metallen führt. Foto mit freundlicher Genehmigung der PSTproducts GmbH

Die Revolution der Elektrofahrzeuge stellt Ingenieure vor zahlreiche Montageherausforderungen, beispielsweise bei der Verbindung unterschiedlicher Metalle und der Anbringung großer Anschlüsse an dicken Kabeln. Ironischerweise könnte eine jahrhundertealte Technologie, das Magnetimpulsschweißen (MPW), die Antwort auf diese Probleme sein.

MPW ist ein berührungsloser Prozess und nutzt elektromagnetischen Druck, um ein Metallteil zu beschleunigen und so einen Aufprall auf ein anderes Metallteil zu erzeugen. Die durch diesen Prozess erzeugte Atombindung ähnelt der Bindung, die beim Explosionsschweißen entsteht. Mit dieser Technik können sowohl ähnliche als auch unähnliche Metalle verbunden werden.

MPW wurde ursprünglich im späten 19. Jahrhundert als Verfahren zur Blechumformung entwickelt. In den 1960er Jahren wurde das Umformverfahren auf ein Verfahren zum Schweißen der Endverschlüsse von Kernbrennstäben adaptiert.

Ein typisches Magnetimpulsschweißsystem umfasst ein Netzteil, das eine Reihe von Kondensatoren, ein Hochgeschwindigkeitsschaltsystem und eine Spule enthält. Die zu verbindenden Teile werden in die Spule eingelegt, die Kondensatorbatterie geladen und der Schnellschalter aktiviert. Wenn Strom an die Spule angelegt wird, entsteht ein Magnetfeld und die äußere Komponente wird über die innere Komponente kollabiert.

In den Kondensatoren wird eine erhebliche Energiemenge (5 bis 200 Kilojoule) gespeichert, die auf eine hohe Spannung (3.000 bis 30.000 Volt) aufgeladen wird. Anschließend werden die Kondensatoren über niederinduktive und gut leitende Sammelschienen in eine speziell für die Baugruppe angefertigte Spule entladen. Der resultierende Strom hat die Form einer gedämpften Sinuswelle. Die Spitzenströme bei diesem Prozess liegen zwischen Zehntausenden und Millionen Ampere, wobei die Impulsbreiten im Mikrosekundenbereich gemessen werden.

Dadurch entsteht in der Nähe der Spule ein extrem starkes transientes Magnetfeld. Das Magnetfeld induziert in allen leitfähigen Materialien in der Nähe Wirbelströme in entgegengesetzter Richtung zum Primärstrom. Durch die gegensätzlichen Felder in Spule und Werkstück entsteht eine hohe Abstoßungskraft. Diese Kraft treibt das Werkstück, das der Spule am nächsten ist, mit hoher Geschwindigkeit in Richtung des Ziels, des stationären Werkstücks, was zu einem starken Aufprall zwischen den beiden Metallen führt.

Der Aufpralldruck entfernt Oberflächenverunreinigungen und Oxide auf den Teilen und sorgt für einen engen Kontakt über die Verbindungsschnittstelle hinweg, wodurch eine feste Verbindung entsteht, ohne dass die Materialien schmelzen. Es gibt keine Wärmeeinflusszone und die Reinheit der Metalle an der Oberfläche und unter der Oberfläche bleibt erhalten.

Dadurch eignet sich das Verfahren besonders für die Verbindung unterschiedlicher Metalle wie Kupfer und Aluminium, da keine oder nur geringe intermetallische Verbindungen entstehen. Die Verbindung ist gasdicht und stärker als die Grundmaterialien.

Die magnetischen Eigenschaften der Werkstückmaterialien sind nicht relevant. Das elektromagnetische Feld ist stark genug, dass jedes leitfähige Metall funktioniert.

Die zu verbindenden Teile sollten 1 bis 2 Millimeter voneinander entfernt sein, damit man sie beschleunigen kann. Trotz dieser kurzen Distanz kann die Aufprallgeschwindigkeit des Teils deutlich über 300 Meter pro Sekunde betragen.

Neben der Möglichkeit, unterschiedliche Metalle zu verbinden, bietet MPW zahlreiche Vorteile. Für den Anfang ist es schnell. Der Vorgang dauert 10 bis 100 Mikrosekunden. Die einzige zeitliche Begrenzung besteht im Be- und Entladen der Teile und dem Laden der Kondensatoren. Das Verfahren ist für die Massenproduktion geeignet.

Der Prozess erfordert keine Verbrauchsmaterialien. Es sind keine Füllmaterialien oder Schutzgase erforderlich und es müssen keine Elektroden gereinigt oder ausgetauscht werden.

Es ist ein sicherer Prozess. Es entsteht weder Rauch noch Strahlung, und eine Rauchabsaugung ist nicht erforderlich.

Nach dem Schweißen treten nahezu keine Eigenspannungen in der Verbindung und keine Korrosionsentwicklung im Schweißbereich auf. Abhängig von den Materialien und der Geometrie des Teils kann eine Nullverzerrung des Teils erreicht werden.

Andererseits weist der Prozess einige Einschränkungen auf. Die Anwendung bei Schweißnähten, die nicht annähernd kreisförmig sind, kann schwierig sein, sodass möglicherweise die Geometrie der Teile geändert werden muss. Wenn die Teile nicht in die Impulsspule hinein- und herausgeschoben werden können. Es muss eine komplexere mehrteilige Spule entworfen werden. Darüber hinaus muss die Spule möglicherweise neu konstruiert werden, wenn sich die Materialien oder Teileabmessungen ändern.

Durch den Stoß können spröde Bauteile zerbrechen. Darüber hinaus kann der elektromagnetische Impuls elektrische und elektronische Geräte innerhalb oder in der Nähe der Teile vorübergehend oder dauerhaft außer Betrieb setzen.

Schließlich ist das Verfahren nicht kostengünstig. Bei Baugruppen mit geringem Volumen können die anfänglichen Investitionskosten den niedrigeren Preis pro Schweißung überwiegen.

MPW erfordert eine Überlappungsverbindungskonfiguration, da der äußere Teil auf den inneren Teil treffen muss, um die Schweißnaht zu erzeugen.

Der MPW-Prozess bietet zahlreiche Anwendungen für die Montage von Elektrofahrzeugen, beispielsweise für Stromschienen und Batteriegehäuse. Es kann Hochleistungsklemmen mit hoher Kompression, hoher Festigkeit und geringem Widerstand an dicken Kabeln befestigen. Das Verfahren kann Kabel mit einem Querschnitt von bis zu 400 Quadratmillimetern verarbeiten.

Akkutaschen zeichnen sich durch ihr geringes Gewicht und ihre einfache Stapelbarkeit aus. Allerdings reagieren sie empfindlich auf Wärmeeintrag. Für die Konfektionierung dieser Beutel ist MPW ideal, da es ohne Wärmeeintrag und ohne Berührung der Laschen funktioniert. Mit diesem Verfahren können Aluminiumlaschen mit positiver Polarität an Kupferlaschen mit negativer Polarität geschweißt werden, die vernickelt oder unbeschichtet sein können. Da es sich um einen Kaltprozess handelt, schmelzen die Kunststoffteile der Beutel, Isolatoren und Verschlussstreifen nicht. Nach dem Schweißen entspricht der elektrische Widerstand in der Verbindung dem des Grundmetalls. Mit einem Impuls können mehrere Schweißungen gleichzeitig durchgeführt werden.

Selbst Rahmenbaugruppen, Streben und Blechprofile für den Karosserierohbau können mit dem Verfahren verschweißt werden. Hier kann die Fähigkeit von MPW, unterschiedliche Materialien wie Stahl und Aluminium zu schweißen, den Leichtbaubemühungen zugute kommen. Mit einem Impuls können Schweißnähte von bis zu 2 Metern Länge hergestellt werden.

Über die Elektrofahrzeugindustrie hinaus kann MPW zur Montage von Drehmomentrohren, Kraftstoffleitungen und Druckbehältern verwendet werden.

Weitere Informationen zu Schweißdraht finden Sie unter www.assemblymag.com, wo Sie die folgenden Artikel lesen können:

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