Elektromagnetische Bewertung und Quantifizierung von Schweißprozessen zur Paketierung von Elektroblechen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Kay Hameyer; Professor Dr.-Ing. Uwe Reisgen
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 432930813

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Zielsetzung des Vorhabens war es, den Einfluss des Laserstrahlpunktschweißverfahrens bei unterschiedlichen Drücken auf die magnetischen Eigenschaften zu quantifizieren und daraus die Verschlechterung der Magnetisierbarkeit und der Eisenverluste geschweißter Elektroblechpakete durch die Anwendung neuartiger Schweißverfahren zu minimieren. Sowohl mit dem verwendeten Multi-Mode-Laser als auch dem Single-Mode-Laser konnte bei einem Arbeitsdruck von 1 mbar ein Schweißgut erzeugt werden, welches in seiner Kornstruktur der des Grundwerkstoffs ähnelt. Dies war bei höheren Arbeitsdrücken nicht möglich. Durch den Multi-Mode Laser wurden je drei bis vier Lamellen verbunden, wodurch sich die klassischen Wirbelstromverluste tendenziell leicht erhöhen. Dennoch ist der Magnetisierungsfeldstärkenbedarf bei Ringkernen mit Single-Mode Schweißungen deutlich erhört und auch die Gesamtverluste sind größer, obwohl hier jeweils nur zwei Lamellen verbunden wurden. Obwohl die Kornstruktur beim Multi-Mode bei geringen Arbeitsdrücken dem Grundwerkstoff am ähnlichsten war, verbesserten sich die magnetischen Eigenschaften mit steigendem Arbeitsdruck leicht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass neben der Kornstruktur und den Wirbelstrompfaden ein weiterer Einflussfaktor die magnetische Eigenschaftsveränderung beeinflusst. Sowohl der beobachtete Polarisationsbereich als auch das frequenzabhängige Verhalten, sowie die im Projekt durchgeführten Arbeiten zu den mechanischen Eigenspannungen, lassen vermuten, dass diese durch den Arbeitsdruck ebenfalls beeinflusst werden. Die höhere Prozessstabilität des Multi-Mode-Prozesses überwiegt die größeren Kurzschlusspfade im Vergleich zum Single-Mode-Prozess und ermöglicht die Herstellung von Ringkernen mit optimierten magnetischen Eigenschaften. Bei linearen Schweißnähten kann die Isolationsbeschichtung der Elektrobleche zu starker Kornfeinung und Aufhärtung der Schweißnaht führen. Zudem bilden sich lange zusammenhängende Kurzschlusspfade. Durch den Einsatz einzelner Schweißpunkte kann das Gefüge des Schweißguts nahezu identisch zum Grundwerkstoff erstarren. Außerdem werden die durch die Fügestelle unvermeidlichen Kurzschlusspfade gleichmäßig über den Ringkern verteilt, wodurch die globalen Wirbelstromverluste reduziert werden. Mit Hilfe einer dynamischen Strahlformung, wie sie einige moderne Laserstrahlquellen ermöglichen, können die erzielten Erkenntnisse als Grundlage für weitere Entwicklungen zur Minimierung der Gesamtverluste dienen. Hier steht im Fokus das Gefüge des Schweißguts ähnlich zum Grundwerkstoff erstarren zu lassen und gleichzeitig bei hoher Prozessstabilität geringe Fügequerschnitte zur Reduktion der Kurzschlusspfade zu realisieren.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Electromagnetic assessment of welding processes for packaging of electrical sheets. 2020 10th International Electric Drives Production Conference (EDPC), 1-6. IEEE.
  Ukwungwu, David; Krichel, Thomas; Schauerte, Benedikt; Leuning, Nora; Olschok, Simon; Reisgen, Uwe & Hameyer, Kay
  
• Laser in Vacuum spot welding of electrical steel sheets with 3.7% Si-content. In: LiM - Lasers in Manufacturing Conference, June 21 - 24, 2021.
  Krichel, T. & S. Olschok, U. Reisgen
  
• Parameter Study on the Effects of Spot-welding on the Electromagnetic Properties of Magnetic Cores Constructed from Electrical Steel. 2021 11th International Electric Drives Production Conference (EDPC), 1-9. IEEE.
  Ukwungwu, David; Krichel, Thomas; Schauerte, Benedikt; Leuning, Nora; Olschok, Simon; Reisgen, Uwe & Hameyer, Kay
  
• Pulsed electron beam spot welding of non-oriented electrical steel sheets. 6th IEBW - International Electron Beam Welding Conference. In: DVS-Berichte Band 368. ISBN: 978-3-96144-133-4.
  Krichel, T. & S. Olschok, U. Reisgen
  
• Efficiency improvement of a high-speed permanent magnet excited synchronous machine by the use of spot-welding as lamination packaging technology. International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, 71(1_suppl), S95-S106.
  Ukwungwu, David; Leuning, Nora & Hameyer, Kay
  
• Influence of laser beam welding in vacuum on the residual stress of non-grain oriented electrical steel sheets. In: LiM - Lasers in Manufacturing Conference, June 26 - 29, 2023.
  Krichel, T. & S. Olschok, U. Reisgen
  
• Influence of pulsed laser beam welding in vacuum on the mechanical properties of non-grain oriented electrical steel sheets. Materials Testing, 65(1), 3-9.
  Reisgen, Uwe; Olschok, Simon; Rasbach, Erik & Krichel, Thomas
  
• Influence of working pressure on laser beam welding in vacuum of electrical steel sheets. Vacuum, 207, 111659.
  Krichel, T.; Olschok, S. & Reisgen, U.