Tlakotesné zváranie hliníka laserom v sériovej výrobe

Výzvy

Srdcom elektromobilov je batéria a riadiaca jednotka batérie (BMC). Monitoruje, riadi a optimalizuje výkon, bezpečnosť a životnosť batérie, pričom reguluje parametre ako stav nabitia, teplotu a napätie článkov. Zabudovaná výkonová elektronika mení jednosmerný prúd batérie na striedavý prúd potrebný na pohon elektromobilu. Pritom vzniká teplo, ktoré môže ohroziť elektroniku. Nápomocné sú moderné chladiace jednotky. Dajú sa integrovať do schránky jednotky BMC ako „kryt“ utesňujúci médiá a pripojiť k chladiacemu okruhu vozidla. Chladiaca jednotka pritom musí mať priamy kontakt s výkonovou elektronikou, aby bolo zabezpečené efektívne chladenie. Pritom je nevyhnutné, aby bola chladiaca jednotka absolútne rovná. Okrem toho by mala byť ľahká, aby zbytočne nezvyšovala hmotnosť a napriek tomu spĺňala požiadavky tlakových skúšok výrobcov automobilov. 

„Náš zákazník nám poslal dopyt na chladiacu dosku z ťahaného hliníka s rozmermi 900 x 200 milimetrov – skutočná výzva, dokonca aj pre našich skúsených špecialistov“, rozpráva Joseph Gampp, vedúci oddelenia produktového manažmentu vo firme Feinwerktechnik hago. No práve ťažké úlohy vysoko motivujú tím. „Po rozsiahlych skúškach a testoch s firmou TRUMPF sme našli spoľahlivé riešenie a dokázali spustiť sériovú výrobu chladiacich jednotiek“, hrdo vysvetľuje pán Gampp. 

Riešenia

Systémom BrightLine Weld už roky ponúka firma TRUMPF osvedčený proces zvárania laserom, ktorý umožňuje rýchle plynotesné zváranie nereze bez pórov. Optika MultiFokus, vyvinutá v roku 2021 ešte viac rozširuje možnosti využitia: V kombinácii so systémom BrightLine Weld sa takto podarilo dokonca aj tlakotesné zváranie hliníka. Optika pritom rozdeľuje laserový lúč lasera TruDisk do stredového a koaxiálneho vlákna, ktorý sa následne rozdelí na štyri ohniská, pričom sa ich poloha sa nastaví tak, aby sa vytvorila spoločná tavenina. Takto vzniknutý, kontinuálny parný kanál zabraňuje kolabovaniu parného kanála, čo umožňuje aj pri rýchlom procese zvárania vytváranie zvarového spoja bez pórov a bez vzduchových bublín. 

Realizácia

Spočiatku skúšal tím okolo Josepha Gamppa zvárať hliníkové chladiace jednotky na jestvujúcich strojoch. Podstata problému: Spočiatku tesné zvarové spoje nevydržali požadovaný tlak v systéme a praskali. „Toto bolo pre nášho zákazníka rozhodujúcim kritériom, pretože výrobca automobilov musí pred typovým schválením prejsť takzvanými testmi pulzov tlaku“, vraví pán Gampp a dodáva: „Celá konštrukčná skupina musí minimálne 100.000-krát odolať určitému tlaku. Hneď keď sme to otestovali na našich testovacích dielcoch, naše zvarové spoje povolili.“  

Špecialisti firmy hago sa preto spolu s firmou TRUMPF piplali so stabilným procesom, ktorý má byť pripravený na sériovú výrobu. V laserovom aplikačnom centre TRUMPF sa rýchlo ukázalo, že všetky výzvy je možné zvládnuť za pomoci systému BrightLine Weld a optiky Multifokus. Zvarový spoj je taký stabilný, že odoláva aj vysokému tlaku. Pritom je možné nastaviť parametre tak flexibilne, že laser je schopný zvárať aj dlhé zvary rýchlo, spoľahlivo a bez deformácií. Toto je veľmi dôležité, pretože chladiaca jednotka musí byť absolútne rovná, aby bola v priamom kontakte s výkonovou elektronikou v jednotke BMC a dokázala ju efektívne chladiť. „Medzitým už vyrábame tento komponent s opakovateľnou rovinnosťou menšou ako jeden milimeter“, vraví pán Gampp.  

Firma hago vytvorila vďaka investícii do laserového zváracieho zariadenia TruLaser Cell 7040 so systémom BrightLine Weld a zváracou optikou s technológiou MultiFokus predpoklady pre sériovú výrobu chladiacich platní. Pred-sériová výroba s počtom 3.000 dielcov je ukončená. Počas nasledujúcich šiestich rokov má vo firme hago zísť z výrobného pásu viac ako 610.000 chladiacich jednotiek. „Zvládli sme to, čo mnohí považovali za nemožné“, vraví pán Gampp a hrdo dodáva: „Vďaka tomu sme výnimoční.“ 

Vyhliadka

Koncepcia integrovaného chladenia v riadiacej jednotke batérie (BMC) je relatívne nová, má ale veľký potenciál. Joseph Gampp preto dúfa, že vedomosti získané pri spolupráci s firmou TRUMPF bude možné použiť aj pri ďalších projektoch. „Technológia sa vynikajúco hodí k nášmu strategickému smerovaniu“, vraví a je presvedčený o tom, že časovo náročné práce na vývoji sa vyplatia. 

Stav: 14.05.2025