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
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:90348 |
| Date | 16 April 2024 |
| Creators | Schwarz, Marius |
| Contributors | Lampke, Thomas, Hensel, Jonas, Technische Universität Chemnitz |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/acceptedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | urn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa-113873, qucosa:19884 |
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