Mit der steigenden Nachfrage an elektrisch betriebenen Fahrzeugen nimmt die Batteriemodulproduktion einen immer zentraleren Stellenwert für die Automobilhersteller ein. Bei dieser wird eine Vielzahl an Batteriezellen miteinander kontaktiert. Dabei werden die Ableiter der Batteriezellen, die aus den Werkstoffen Kupfer beziehungsweise Aluminium bestehen, durch einen Laserschweißprozess stoffschlüssig miteinander gefügt. Mit der Vielzahl an zu kontaktierenden Batteriezellen geht eine ebenso große Vielzahl an Laserschweißprozessen einher. Die Taktzeit eines einzelnen Schweißprozesses liegt dabei unter 60 ms. Aus diesen Randbedingungen resultiert die Notwendigkeit eines Inline-Qualitätssicherungssystems (QS-System). Ein OCT-System, das auf einem optischen Kohärenztomographen beruht, könnte das Potential haben, die Anforderungen an ein Inline-QS-System zu erfüllen. Das OCT-System ermöglicht es, inline die Dampfkapillartiefe des Schweißprozesses beim Kontaktieren zu messen, was ein Novum darstellt. Im Rahmen dieser Arbeit wird untersucht, ob sich ein OCT-System als QS-System für die Laserschweißverbindung von Kupfer und Aluminium bei Kontaktierprozessen eignet. Dabei wird ein Scanner-basiertes OCT-System eingesetzt, das es erlaubt, den OCT-Messstrahl lokal um den Bearbeitungslaserstrahl herum autark zu positionieren. Dies ermöglicht es, an verschiedenen Stellen, bezogen auf die Position des Bearbeitungslasers, topologische, dimensionale Messungen vorzunehmen. Es kann sowohl an einer festgelegten Position innerhalb der Dampfkapillare als auch auf einer theoretischen Scanlinie gemessen werden. Dabei werden die Messungen stets auf die Bauteiloberfläche referenziert. Dies ist sowohl hinsichtlich der Genauigkeit als auch hinsichtlich der Anzahl der Referenzierungen weiterentwickelt und optimiert worden. Das OCT-System wurde ebenfalls dazu genutzt, eine Bauteillageerkennung vorzunehmen. Damit kann der Laserschweißprozess bauteiltoleranzunabhängig sowohl lateral als auch in Bezug auf die Fokuslage optimal positioniert werden. Außerdem wurde die grundsätzliche Messsystemfähigkeit sowie die Einsatzgrenzen des OCT-Systems zur Kapillartiefenmessung geprüft. Durch Linienscans des OCT-Systems und unter Zuhilfenahme von Hochgeschwindigkeitskameraaufnahmen erstellte topologische Dampfkapillarmodelle, bilden die Grundlage für die Erarbeitung von Strategien zur Qualitätsbewertung durch das OCT-System. Ein besonderes Augenmerk lag auf der Auswirkung eines Fügespaltes auf die Schweißqualität sowie die OCT-Messungen. Es wurde eine Methodik für den Fall ohne auftretenden Fügespalt erarbeitet und exemplarisch durchgeführt, mit der durch die Kapillartiefenmessungen des OCT-Systems die Einschweißtiefe berechnet werden kann. Ebenfalls wurde untersucht, ob und wie sich die Anbindebreite mit dem OCT-System bestimmen lässt. Außerdem ist ein vielversprechender Ansatz zur Bestimmung der Schweißqualität bei auftretendem Fügespalt dargestellt. Dazu wurde, basierend auf dem erarbeiteten topologischen Dampfkapillarmodell, drei Kennwerte zur Bewertung der Prozessqualität aus den Messdaten extrahiert und überwacht.:Verzeichnis der Abkürzungen und Formelzeichen Kurzfassung Abstract 1 Einleitung, Motivation und Aufbau der Arbeit 2 Stand der Wissenschaft und Technik 2.1 Strahlwerkzeug Laser und dessen Eigenschaften 2.1.1 Der ideale Laserstrahl 2.1.2 Strahlführung und -formung 2.2 Grundlagen des Laserstrahlschweißens 2.2.1 Laserschweißprozess 2.2.2 Laserschweißen von Kupfer- und Aluminiumwerkstoffen 2.2.3 Schweißnahtfehler 2.2.4 Elektrischer Übergangswiderstand einer Laserschweißnaht 2.3 Qualitätssicherung und Prozessüberwachung 2.3.1 Indirekte Prozessüberwachung 2.3.2 Direkte Prozessüberwachung 2.4 Grundlagen der optischen Kohärenztomografie OCT 2.4.1 Einführung und Überblick 2.4.2 Optische Effekte 2.4.3 Michelson-Interferometer 2.4.4 Spectral-Domain OCT 2.4.5 Laterale und axiale Auflösung sowie der Messbereich 2.4.6 Optische Kohärenztomografie beim Laserstrahlschweißen 2.5 Grundlagen der Messtechnik 3 Handlungsbedarf und Zielsetzung 4 Verwendete Systemtechnik und erarbeitete experimentelle Methoden 4.1 Versuchsaufbau und -durchführung 4.1.1 Laserquelle und Bearbeitungsoptik 4.1.2 Optische Kohärenztomografie 4.1.3 Hochgeschwindigkeitskamera 4.1.4 Untersuchte Fügeverbindungen und Versuchsaufbau 4.1.5 Einbringung des Fügespaltes und dessen Auswirkung auf die Einschweißtiefe 4.2 Metallografische Beurteilung der Schweißnahtqualität 4.3 Methoden der Kapillartiefenmessungen und Referenzierung 4.3.1 Punktmessung 4.3.2 Linienscan 4.3.3 Referenzierung der Kapillartiefenmessungen 4.3.4 Optimierung der Verrechnung von Referenz- und Kapillartiefenmessung 4.4 Kalibrierung des OCT 4.5 Positionierung mittels OCT 4.6 Messfähigkeitsanalyse 4.7 Eingrenzung der Einsatzmöglichkeiten des OCT für die Inline-Messung 5 OCT-basierte Schweißnahtbewertungen 5.1 Erarbeitung eines topologischen Modells der Dampfkapillare mittels OCT 5.1.1 Kupfer/Kupfer Schweißverbindung 5.1.2 Kupfer/Aluminium Schweißverbindung 5.1.3 Aluminium/Kupfer Schweißverbindung 5.1.4 Aluminium/Aluminium Schweißverbindung 5.1.5 Zusammenfassung und Gegenüberstellung der Erkenntnisse 5.2 Überführung der Kapillartiefenmessungen auf die metallografische Einschweißtiefe 5.3 Bestimmung der Anbindebreite einer Laserschweißnaht 5.4 Bestimmung der Schweißqualität bei auftretendem Fügespalt 5.4.1 Bestimmung der Messposition für die Punktmessung 5.4.2 Entwicklung von statistischen Kennwerten 5.4.3 Bestimmung der Schweißqualität anhand der Kennwerte 5.5 Diskussion der Ergebnisse 6 Zusammenfassung, Folgerungen und Ausblick 7 Literaturverzeichnis 8 Anhang / With the increasing demand for electrically driven vehicles, battery module production is becoming more important for automobile manufacturers. During battery module production, many battery cells are connected. Through this contacting process, the conductors of the battery cells, which are made of copper or aluminum, are joined together in a material-to-material manner using a laser welding process. With the high number of battery cells to be contacted comes many laser welding processes. The cycle time of a single welding process is less than 60 ms. This results in the need for an in-line Quality Assurance (QA) system. An OCT system based on an optical coherence tomograph could have the potential to fulfill the requirements of an Inline QA system. The system enables for the first time to measure the capillary depth of the laser welding process Inline for battery contacting. Within the scope of this work, it is fundamentally examined whether an OCT system is suitable as a QA system for the laser welding of copper and aluminum. A scanner-based OCT system is used, which allows the OCT measuring beam to be positioned independently around the processing laser beam. This makes it possible to take topological measurements at different points related to the position of the processing laser. It can be measured both at a fixed position within the vapor capillary and on a theoretical scan line. The measurements are always referenced to the component surface. This procedure could be optimized within the scope of this work, both in terms of accuracy and in terms of the number of referencing. The OCT system was also used to detect component positions. In this way, the laser welding process could be optimally positioned, independent of component tolerances, both laterally and in relation to the focus position. In addition, a rudimentary measurement system analysis was conducted as well as an investigation of the application limits of the OCT system for capillary depth measurement. Topological welding process models were created by line scans of the OCT system and using high-speed camera recordings. These process models form the basis for the development of strategies for quality assurance using the OCT system and the focus was set on the effect of a joint gap on the welding quality and the OCT measurements. A methodology for the case without a joint gap occurring is developed and conducted as an example, with which the welding depth can be calculated using the capillary depth measurements of the OCT system. It is also being investigated whether and how the connection width can be determined with the OCT. In addition, a promising approach how the weld quality can be determined when a joint gap occurs is presented. Based on the welding process model developed, three characteristic values to determine the welding quality are extracted from the measurement data.:Verzeichnis der Abkürzungen und Formelzeichen Kurzfassung Abstract 1 Einleitung, Motivation und Aufbau der Arbeit 2 Stand der Wissenschaft und Technik 2.1 Strahlwerkzeug Laser und dessen Eigenschaften 2.1.1 Der ideale Laserstrahl 2.1.2 Strahlführung und -formung 2.2 Grundlagen des Laserstrahlschweißens 2.2.1 Laserschweißprozess 2.2.2 Laserschweißen von Kupfer- und Aluminiumwerkstoffen 2.2.3 Schweißnahtfehler 2.2.4 Elektrischer Übergangswiderstand einer Laserschweißnaht 2.3 Qualitätssicherung und Prozessüberwachung 2.3.1 Indirekte Prozessüberwachung 2.3.2 Direkte Prozessüberwachung 2.4 Grundlagen der optischen Kohärenztomografie OCT 2.4.1 Einführung und Überblick 2.4.2 Optische Effekte 2.4.3 Michelson-Interferometer 2.4.4 Spectral-Domain OCT 2.4.5 Laterale und axiale Auflösung sowie der Messbereich 2.4.6 Optische Kohärenztomografie beim Laserstrahlschweißen 2.5 Grundlagen der Messtechnik 3 Handlungsbedarf und Zielsetzung 4 Verwendete Systemtechnik und erarbeitete experimentelle Methoden 4.1 Versuchsaufbau und -durchführung 4.1.1 Laserquelle und Bearbeitungsoptik 4.1.2 Optische Kohärenztomografie 4.1.3 Hochgeschwindigkeitskamera 4.1.4 Untersuchte Fügeverbindungen und Versuchsaufbau 4.1.5 Einbringung des Fügespaltes und dessen Auswirkung auf die Einschweißtiefe 4.2 Metallografische Beurteilung der Schweißnahtqualität 4.3 Methoden der Kapillartiefenmessungen und Referenzierung 4.3.1 Punktmessung 4.3.2 Linienscan 4.3.3 Referenzierung der Kapillartiefenmessungen 4.3.4 Optimierung der Verrechnung von Referenz- und Kapillartiefenmessung 4.4 Kalibrierung des OCT 4.5 Positionierung mittels OCT 4.6 Messfähigkeitsanalyse 4.7 Eingrenzung der Einsatzmöglichkeiten des OCT für die Inline-Messung 5 OCT-basierte Schweißnahtbewertungen 5.1 Erarbeitung eines topologischen Modells der Dampfkapillare mittels OCT 5.1.1 Kupfer/Kupfer Schweißverbindung 5.1.2 Kupfer/Aluminium Schweißverbindung 5.1.3 Aluminium/Kupfer Schweißverbindung 5.1.4 Aluminium/Aluminium Schweißverbindung 5.1.5 Zusammenfassung und Gegenüberstellung der Erkenntnisse 5.2 Überführung der Kapillartiefenmessungen auf die metallografische Einschweißtiefe 5.3 Bestimmung der Anbindebreite einer Laserschweißnaht 5.4 Bestimmung der Schweißqualität bei auftretendem Fügespalt 5.4.1 Bestimmung der Messposition für die Punktmessung 5.4.2 Entwicklung von statistischen Kennwerten 5.4.3 Bestimmung der Schweißqualität anhand der Kennwerte 5.5 Diskussion der Ergebnisse 6 Zusammenfassung, Folgerungen und Ausblick 7 Literaturverzeichnis 8 Anhang

Im Rahmen des EU-geförderten JOIN’EM Projektes werden Kupfer-Komponenten durch hybride Aluminium-Kupfer-Bauteile substituiert, um Kosten- und Gewichtsvorteile ohne Qualitätsverlust zu erreichen. Dazu wird das Magnetimpulsschweißen für den industriellen Einsatz qualifiziert. Einen wichtigen Beitrag dazu leistet die vorgestellte kombinierte experimentelle und numerische Prozessanalyse. In dieser werden Zusammenhänge zwischen einstellbaren Parametern des Prozesses, Kollisionsparametern in der Fügezone und der Qualität des resultierenden Verbundes hergestellt.

Im Netz der Elektroenergieversorgung werden einzelne Netzkomponenten und Betriebsmittel durch Verbindungen elektrisch zusammengeschaltet. Dabei werden häufig Schraubenverbindungen mit Stromschienen eingesetzt. Diese müssen über mehrere Jahrzehnte zuverlässig hohe Ströme tragen können. Abhängig von der sich einstellenden Temperatur an den Verbindungen altern diese mit der Zeit. Die Alterung wird je nach Verbindungssystem von verschiedenen Mechanismen beeinflusst, die alle parallel ablaufen. Bei ruhenden, stationären elektrotechnischen Verbindungen, deren Kontaktpartner aus verschiedenen Materialien bestehen, können abhängig von der Paarung intermetallische Phasen (IMP) entstehen. Die sich bildenden IMP haben schlechtere elektrische und mechanische Eigenschaften als die reinen Metalle. Daraus resultiert ein höherer Verbindungswiderstand. Die erzeugte Verlustleistung sowie die Temperatur der Verbindung steigen an. Dies kann zum Ausfall der Verbindung führen. In der Elektroenergietechnik werden aufgrund ihrer guten elektrischen Leitfähigkeit häufig die Werkstoffe Aluminium und Kupfer sowie das Beschichtungsmetall Silber bei Temperaturen von üblicherweise 90 °C bis 200 °C eingesetzt. Speziell bei Aluminium-Kupfer-Verbindungen, die nicht langzeitstabil sind, wird als maßgebliche Ausfallursache das Bilden von IMP gesehen. Die IMP des Systems Al-Cu wurden in der Vergangenheit bereits vielfach untersucht. Das Übertragen der Ergebnisse auf die Problematik stromtragender Verbindungen der Elektroenergietechnik ist jedoch nicht ohne Weiteres möglich. Der relevante niedrige Temperaturbereich zwischen 90 °C und 200 °C spielt bei vielen Untersuchungen nur eine untergeordnete Rolle. Zusätzlich können die Eigenschaften der IMP bei unterschiedlichen Herstellungsverfahren voneinander abweichen. Zum System Al-Ag ist in der Literatur nur wenig bekannt. Deshalb wurden für diese Arbeit phasenreine IMP der Systeme Al-Cu und Al-Ag mit unterschiedlichen Herstellungsverfahren bei möglichst identischen Randbedingungen hergestellt. Diese wurden mit einer speziell für diese Proben entwickelten Messeinrichtung elektrisch charakterisiert und der ermittelte spezifische elektrische Widerstand der IMP und ihr Temperaturbeiwert mit Werten aus der Literatur verglichen. An verschiedenen Schraubenverbindungen mit Stromschienen aus Aluminium und Kupfer wurden Langzeitversuche von bis zu 3 Jahren durchgeführt. Der Verbindungswiderstand wurde abhängig von der Zeit ermittelt. An ausgewählten Verbindungen wurde zusätzlich in zwei identischen Versuchen der Einfluss der Belastung mit Dauer- und Wechsellast auf das Langzeitverhalten untersucht. Mithilfe der an den IMP ermittelten elektrischen Eigenschaf-ten wurde deren Einfluss auf den Verbindungswiderstand berechnet. Die Ergebnisse dieser Modellrechnung wurden mit den Ergebnissen aus den Langzeitversuchen verglichen. Ausgewählte Verbindungen wurden dazu mikroskopisch untersucht. Es wurde festgestellt, dass die IMP nicht ausschließlich das Langzeitverhalten stromtragender Verbindungen bestimmen. Es muss mindestens ein weiterer Alterungsmechanismus einen signifikanten Einfluss haben. Die Untersuchungen deuten darauf hin, dass dabei Sauerstoff eine zentrale Rolle spielen könnte. / In electrical power supply networks a huge number of electrical joints are used to connect transmission lines, conductors, switchgears and other components. During operation these joints are aging due to different aging mechanisms. Depending on the type of the joint several aging mechanisms can take place at the same time. For stationary joints with contact partners made of different materials, the formation of intermetallic compounds (IMC) may be an issue. These IMC have worse electrical and mechanical properties compared to the pure metals. Therefore, the presence of IMC in the contact area results in a higher joint re-sistance and the temperature and the thermal power losses increase. Typical temperatures for high current joints are between 90 °C and 200 °C. Due to their good electrical conductivity aluminum and copper are often used as conductor materials and silver as a coating material. Especially bimetal joints made of aluminum and copper are not long term stable. The formation of Al-Cu IMC is held responsible as a cause of failure. The IMC of the System Al-Cu have already been studied by several authors. However, it is difficult to apply the results directly to electrical joints in power supply networks. In many studies the low temperature range between 90 °C and 200 °C is not regarded. In addition, the properties of the IMC may vary due to different preparation processes. There is only little information about the system Al-Ag in the literature. For this work, phase pure IMC of the systems Al-Cu and Al-Ag were prepared by different preparation processes using similar process parameters. These IMC samples were electrically characterized with a specially developed measuring device. The specific electric resistivity and the temperature coefficient of resistance were determined and compared to values taken from the literature. Various combinations of bus bar joints made of aluminum and copper were investigated in long term tests for up to three years. The joint resistance was determined as a function of time. In addition, for selected joints two identic setups were operated with continuous load and alternating load. The long term behavior was investigated with regard to the load ap-plied. Using the results of the electrical characterization of the IMC their influence on the joint resistance was calculated theoretically. The results of the calculation were compared to the results determined in the long term tests. Selected joints were examined microscopi-cally after termination of the long term tests. It was found, that the long term behavior of bimetal electrical joints with the combination Al-Cu and Al-Ag cannot be exclusively described by the growth of IMC. At least there is one further aging mechanism involved. The studies suggest, that oxygen may have a significant influence.

Im Netz der Elektroenergieversorgung werden einzelne Netzkomponenten und Betriebsmittel durch Verbindungen elektrisch zusammengeschaltet. Dabei werden häufig Schraubenverbindungen mit Stromschienen eingesetzt. Diese müssen über mehrere Jahrzehnte zuverlässig hohe Ströme tragen können. Abhängig von der sich einstellenden Temperatur an den Verbindungen altern diese mit der Zeit. Die Alterung wird je nach Verbindungssystem von verschiedenen Mechanismen beeinflusst, die alle parallel ablaufen. Bei ruhenden, stationären elektrotechnischen Verbindungen, deren Kontaktpartner aus verschiedenen Materialien bestehen, können abhängig von der Paarung intermetallische Phasen (IMP) entstehen. Die sich bildenden IMP haben schlechtere elektrische und mechanische Eigenschaften als die reinen Metalle. Daraus resultiert ein höherer Verbindungswiderstand. Die erzeugte Verlustleistung sowie die Temperatur der Verbindung steigen an. Dies kann zum Ausfall der Verbindung führen. In der Elektroenergietechnik werden aufgrund ihrer guten elektrischen Leitfähigkeit häufig die Werkstoffe Aluminium und Kupfer sowie das Beschichtungsmetall Silber bei Temperaturen von üblicherweise 90 °C bis 200 °C eingesetzt. Speziell bei Aluminium-Kupfer-Verbindungen, die nicht langzeitstabil sind, wird als maßgebliche Ausfallursache das Bilden von IMP gesehen. Die IMP des Systems Al-Cu wurden in der Vergangenheit bereits vielfach untersucht. Das Übertragen der Ergebnisse auf die Problematik stromtragender Verbindungen der Elektroenergietechnik ist jedoch nicht ohne Weiteres möglich. Der relevante niedrige Temperaturbereich zwischen 90 °C und 200 °C spielt bei vielen Untersuchungen nur eine untergeordnete Rolle. Zusätzlich können die Eigenschaften der IMP bei unterschiedlichen Herstellungsverfahren voneinander abweichen. Zum System Al-Ag ist in der Literatur nur wenig bekannt. Deshalb wurden für diese Arbeit phasenreine IMP der Systeme Al-Cu und Al-Ag mit unterschiedlichen Herstellungsverfahren bei möglichst identischen Randbedingungen hergestellt. Diese wurden mit einer speziell für diese Proben entwickelten Messeinrichtung elektrisch charakterisiert und der ermittelte spezifische elektrische Widerstand der IMP und ihr Temperaturbeiwert mit Werten aus der Literatur verglichen. An verschiedenen Schraubenverbindungen mit Stromschienen aus Aluminium und Kupfer wurden Langzeitversuche von bis zu 3 Jahren durchgeführt. Der Verbindungswiderstand wurde abhängig von der Zeit ermittelt. An ausgewählten Verbindungen wurde zusätzlich in zwei identischen Versuchen der Einfluss der Belastung mit Dauer- und Wechsellast auf das Langzeitverhalten untersucht. Mithilfe der an den IMP ermittelten elektrischen Eigenschaf-ten wurde deren Einfluss auf den Verbindungswiderstand berechnet. Die Ergebnisse dieser Modellrechnung wurden mit den Ergebnissen aus den Langzeitversuchen verglichen. Ausgewählte Verbindungen wurden dazu mikroskopisch untersucht. Es wurde festgestellt, dass die IMP nicht ausschließlich das Langzeitverhalten stromtragender Verbindungen bestimmen. Es muss mindestens ein weiterer Alterungsmechanismus einen signifikanten Einfluss haben. Die Untersuchungen deuten darauf hin, dass dabei Sauerstoff eine zentrale Rolle spielen könnte. / In electrical power supply networks a huge number of electrical joints are used to connect transmission lines, conductors, switchgears and other components. During operation these joints are aging due to different aging mechanisms. Depending on the type of the joint several aging mechanisms can take place at the same time. For stationary joints with contact partners made of different materials, the formation of intermetallic compounds (IMC) may be an issue. These IMC have worse electrical and mechanical properties compared to the pure metals. Therefore, the presence of IMC in the contact area results in a higher joint re-sistance and the temperature and the thermal power losses increase. Typical temperatures for high current joints are between 90 °C and 200 °C. Due to their good electrical conductivity aluminum and copper are often used as conductor materials and silver as a coating material. Especially bimetal joints made of aluminum and copper are not long term stable. The formation of Al-Cu IMC is held responsible as a cause of failure. The IMC of the System Al-Cu have already been studied by several authors. However, it is difficult to apply the results directly to electrical joints in power supply networks. In many studies the low temperature range between 90 °C and 200 °C is not regarded. In addition, the properties of the IMC may vary due to different preparation processes. There is only little information about the system Al-Ag in the literature. For this work, phase pure IMC of the systems Al-Cu and Al-Ag were prepared by different preparation processes using similar process parameters. These IMC samples were electrically characterized with a specially developed measuring device. The specific electric resistivity and the temperature coefficient of resistance were determined and compared to values taken from the literature. Various combinations of bus bar joints made of aluminum and copper were investigated in long term tests for up to three years. The joint resistance was determined as a function of time. In addition, for selected joints two identic setups were operated with continuous load and alternating load. The long term behavior was investigated with regard to the load ap-plied. Using the results of the electrical characterization of the IMC their influence on the joint resistance was calculated theoretically. The results of the calculation were compared to the results determined in the long term tests. Selected joints were examined microscopi-cally after termination of the long term tests. It was found, that the long term behavior of bimetal electrical joints with the combination Al-Cu and Al-Ag cannot be exclusively described by the growth of IMC. At least there is one further aging mechanism involved. The studies suggest, that oxygen may have a significant influence.