Schweißkompetenz bei Batteriewannen

Noch vor wenigen Jahren fanden Elektroautos in der Öffentlichkeit kaum Beachtung. Der Grund waren mangelnde Performance und Reichweite. Häufig wurden ihre Besitzer als Öko-Freaks belächelt.
Dann kam Tesla und läutete, unterstützt von der Klimakrise, eine neue Ära ein. Der mittlerweile rasante Change zur Elektromobilität stellt den traditionellen Automobilbau vor enorme Herausforderungen. Neben markenübergreifenden E-Plattformen verlangt er zeitgemäße Produktionskonzepte. Batteriewannen, die häufig im Unterboden der Fahrzeuge verbaut werden, müssen hohen Qualitätsansprüchen bei Crashverhalten und Dichtheit gerecht werden.
Die Branche setzt deshalb auf völlig neue Fertigungsprozesse, auch in der Schweißtechnik.

Batteriewannen schützen die darin verbauten Batteriezellen vor äußeren Einflüssen. Die schweißtechnischen Anforderungen sind hoch:

Zum Schutz der Batteriepakete vor Korrosion müssen sie absolut dicht und im Fall von Kollisionen belastungsresistent sein. Einen wesentlichen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Batterien hat die Temperatur der Lithium-Ionen-Zellen. Deshalb werden die Wannengehäuse von Kühlkörpern umschlossen. Konstruktionsbedingt kommen immer mehr großflächige Komponenten und unterschiedlich starke Bauteile zum Einsatz. Diese müssen nahezu plan und verzugsfrei in konstanter sowie jederzeit reproduzierbarer Qualität verschweißt werden. Das macht das Schweißen mehr als nur herausfordernd. Verarbeitet werden unter anderem Strangpress- und Gusskomponenten aus Aluminium-Legierungen mit Wandstärken zwischen 2 und 25 Millimetern.

Schweißverfahren für den Prototypenbau

Nur wenige Schweißverfahren sind dafür geeignet, das angeführte Material stabil, effizient und feuchtigkeitsdicht zu fügen. Dazu zählen die hochentwickelten Prozessvarianten des Metallschutzgasschweißens (MSG), die teils mit, teils ohne reversierende Drahtvorschubbewegungen arbeiten: CMT (Cold Metal Transfer), LSC (Low Spatter Control) und PMC (Pulse Multi Control).
Das LaserHybrid-Verfahren wiederum bietet besondere Vorteile bei Längsnahtverbindungen:

Dieses Verfahren kombiniert einen Laserstrahl mit einem MIG-Schweißprozess in einer gemeinsamen Prozesszone. Der stark gebündelte, auf die Schweißnaht gerichtete Lichtstrahl dringt tief in den Grundwerkstoff ein und zeichnet sich durch seine hohe Energiedichte aus. Gefolgt wird er von einem MIG-Prozess. Dieser dient zum Füllen der Naht und bewirkt eine exzellente Flankenanbindung. Die zusätzlich eingebrachte Wärme gibt dem Material Zeit zum Ausgasen. Auf diese Weise wird die Porenanfälligkeit von Aluminium reduziert.

Wolfgang Scherleitner, Leiter unseres Prototypenzentrums, kennt die Vorteile von LaserHybrid:

Video zu LaserHybrid

» Die hohe Energiedichte und der vom Laser stabilisierte Lichtbogen ermöglichen hohe Schweißgeschwindigkeiten und kurze Taktzeiten. Gleichzeitig minimiert die geringe Streckenenergie den Bauteilverzug. «

Wolfgang Scherleitner, Leiter Prototypenzentrum

Bevor Batteriewannen in Serie gehen, werden Machbarkeitsstudien erstellt und Prototypen gefertigt. Zum Eruieren des bestgeeigneten Schweißprozesses benötigt man sowohl Fachwissen in der Fertigungstechnik und Metallurgie als auch schweißtechnisches Spezialwissen. Und darüber hinaus ein umfangreiches, kostenintensives Equipment:

Roboterschweißzellen
Spannvorrichtungen
On- und Offline-Programmiersoftware
Sensorik
Schweißdatenmanagement
Bauteilvermessungszellen
und im besten Fall ein Schweißlabor.

Doch profunde Schweißexperten sind heute dünn gesät und der für Software und Schweißanlagen erforderliche Kapitaleinsatz ist enorm. Beauftragen die Automobilbauer und Zulieferer spezialisierte Unternehmen wie Fronius mit der Prototypenfertigung lösen sie nicht nur ihr Fachkräfteproblem. Sie binden auch weniger Kapital, indem sie Entwicklungs- und Produktionskosten sparen.

Video zur Simulation

Fronius Prototypenzentrum: ein deutlicher Mehrwert

Gemeinsam mit unseren Auftraggebern – vor allem aus der Automobilindustrie – finden wir im Fronius Prototypenzentrum die beste Lösung für das Fügen kritischer Bauteile. Im Rahmen unserer Serviceleistungen erhalten unsere Kunden valide Empfehlungen bezüglich der Schweißprozesse, Taktzeiten, Qualität und Auslegung ihrer Schweißanlagen – Daten, die in die Planung künftiger Prototypen und Serienfertigungen einfließen und auf diese Weise die Kostenrechnung unserer Kunden unterstützen.

Neben technischem Consulting, Machbarkeitsstudien, Prototypenfertigung, mechanischen Bearbeitungen und Qualitätsprüfungen fertigen wir auf Wunsch kleinere Stückzahlen für die Testphase oder Vorserie. Besteht Bedarf, statten wir die Serienfertigungen unserer Kunden mit Roboterschweißzellen aus. Als Solution Provider bieten wir Komplettlösungen aus einer Hand – für den Prototypenbau und für die Serienfertigung.

Premium-Schweißtechnik

Auf rund 1.000 Quadratmetern bietet unser Prototypenzentrum ausgeklügelte Schweiß- und Vermessungstechnik. Nur mit spezieller Berechtigung zugänglich, gewährt es absolute Diskretion. Mit unseren Anlagen schweißen wir Bauteile mit einem Durchmesser bis zu 3,5 Metern und einem maximalen Gewicht von 2,5 Tonnen. Ausgestattet sind unsere Prototypen-Roboterschweißzellen mit CMT-Technologie. Der wärmereduzierte Schweißprozess eignet sich besonders im Dünnblechbereich für nahezu jeden Grundwerkstoff. Spritzerbildung und Verzug reduziert er drastisch. Die dabei verwendete, hochflexible Schweißgeräte-Plattform TPS/i erlaubt den Einsatz weiterer MSG-Schweißprozesse – je nach Bedarf. Im Zuge der Anarbeitung nutzen wir unser Acerios Oberflächen-Reinigungssystem, das die Bauteilstöße energieeffizient für das Schweißen mittels Heißplasma-Technologie säubert.

Einige unserer Prototypen-Roboterschweißzellen verfügen über ein leistungsstarkes LaserHybrid-System. Aufgrund der bereits oben geschilderten Vorteile des LaserHybrid-Verfahrens können wir sowohl die Streckenenergie als auch den Bauteilverzug im Vergleich zum herkömmlichen MSG-Schweißen um bis zu 50 Prozent reduzieren.

Sensorik und Datendokumentation

Alle unsere Prototypen-Roboterschweißzellen verfügen über ausgeklügelte Roboter-Assistenz- und Kontrollsysteme:

Zum Tracken der Schweißnähte setzen wir Laserkameras ein. Nahtposition, Kantenversatz am Fügestoß und Orientierung des Werkszeugs relativ zur Bauteiloberfläche werden erkannt und an die Robotersteuerung weitergegeben. Dadurch wird eine präzise Nahtführung gewährleistet.
SeamTracking erkennt durch Pendelbewegungen des Brenners zuverlässig die Bauteilkante – sowohl bei Stumpf- als auch bei Kehlnähten. Bei Abweichungen korrigiert der Roboter den vorprogrammierten Schweißverlauf und schweißt an der korrekten Position weiter.
WireSense macht die Drahtelektrode zum Sensor. Zuverlässig erkennt das System sowohl die Kantenhöhe als auch die Lage der Bauteile. Fertigungsungenauigkeiten von Blechen werden erkannt und beim Schweißen berücksichtigt. Dies führt zu hervorragenden Schweißergebnissen, die Nacharbeit und Bauteilausschuss auf ein Minimum reduzieren.
ArcView 2, eine Hochleistungskamera, gewährt unseren Schweißtechnikern einen unmittelbaren Blick auf den Lichtbogen, die Tropfenablöse und die sich bildende Schweißnaht.
WeldCube, unser Schweißdatenmanagementsystem, speichert alle Daten aus dem Schweißprozess. Damit können wir zahlreiche Informationen dokumentieren, auswerten und tracken – auch bei manuellen Schweißprozessen: Jobnummer, Stromstärke, Spannung, Drahtvorschub, Lichtbogen- und Dynamikkorrektur sowie Schweißgeschwindigkeit und -zeit. Um Analysen zu erleichtern, werden die Daten von der Software grafisch aufbereitet und ebenfalls auf einem Monitor ausgespielt.

Video zur Schweißnahtinspektion

Während der Schweißversuche vermessen die einzelnen Komponenten vor und nach dem Schweißen in einer robotergesteuerten Vermessungszelle, wobei jeglicher Bauteilverzug millimetergenau festgestellt wird. Schweißen und Vermessen werden bei Bedarf so oft wiederholt, bis sich der Bauteil innerhalb der vom Kunden vorgegebenen Verzugstoleranzen befindet und die idealen Parameter, Schweißfolgen und Aufspannpunkte feststehen.

Anschließend werden die Prototypen einer metallurgischen Prüfung unterzogen, deren Ergebnisse in die Schweißversuche einfließen. Dadurch können wir die Anzahl der Test-Bauteile so gering wie möglich halten. Freigegeben werden nur jene Prototypen, die alle Kundenanforderungen bis ins Detail erfüllen.

Resümierend betrachtet erhalten unsere Kunden nicht nur valide Daten für die Serienfertigung, sondern bei Bedarf auch Roboteranlagen für die Batteriewannenproduktion – alles aus einer Hand!

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