Verbundvorhaben H2Giga INSTALL AWE; Teilvorhaben AutoWeld - Weiterentwicklung von Schweißverfahren für die automatisierte Serienfertigung von Elektrolysezellen : Fördertitel: Industrialisierung der alkalischen Wasserelektrolyse, Autoweld

Abstract

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde eine wirtschaftliche Serienfertigungskette für Elektrolyseure der alkalischen Wasserelektrolyse etabliert, wobei die Fügetechnik als zentrale Schlüsseltechnologie identifiziert wurde. Ziel der Untersuchungen war die Bewertung konventioneller und alternativer Schweißverfahren hinsichtlich ihrer Eignung für das stoffschlüssige, gasdichte Fügen dünnwandiger Nickelbleche unter industriellen Fertigungsrandbedingungen. Neben etablierten Verfahren wie dem WIG-Puls-Schweißen wurden MSG-Schweißen, Plasma-Schweißen, verschiedene Laserstrahlschweißverfahren (u. a. mit Ringfokus-Optik, Vakuumumgebung, dynamischer Leistungsmodulation), Atmosphärisches Elektronenstrahlschweißen sowie Rührreibschweißen analysiert. Zudem erfolgte eine Evaluation automatisierter Prozessüberwachungssysteme zur Qualitätssicherung und Prozessautomatisierung. Die experimentellen Untersuchungen ergaben, dass das WIG-Schweißen trotz eines reduzierten stabilen Prozessfensters bei hohen Geschwindigkeiten die beste Kombination aus Schweißgeschwindigkeit, Nahtdichtheit und Sauberkeit liefert. Das MSG-Schweißen erwies sich als besonders vorteilhaft für Stutzenschweißungen mit Zusatzwerkstoff, während das Plasma-Schweißen aufgrund unzureichender Performance nicht weiterverfolgt wurde. Das Laserstrahlschweißen mit dynamischer Leistungsmodulation ermöglichte Schweißgeschwindigkeiten von bis zu 14 m/min bei gleichzeitig fehlerfreien, anlauffarbenfreien Nähten und zeigt damit ein hohes Potenzial zur Taktzeitreduktion in der Serienfertigung. Das Laserstrahlschweißen im Vakuum führte zu verbesserten Nahtoberflächen, ist jedoch aufgrund erhöhter Prozesskomplexität nur für ausgewählte Stoßgeometrien praktikabel. Das Elektronenstrahlschweißen erreichte zwar hohe Schweißgeschwindigkeiten, scheidet jedoch aus sicherheitstechnischen und wirtschaftlichen Gründen für den Anwendungsfall aus. Das Rührreibschweißen generierte trotz geringerer Geschwindigkeiten fehlerfreie Nähte ohne schmelzebedingte Defekte (z. B. Heißrisse, Porosität) und stellt eine vielversprechende Alternative für lange, gerade Verbindungen dar – sofern zukünftig die Prozesskühlung, die Vermeidung von Anlauffarben sowie die Standzeiterhöhung der Werkzeuge adressiert werden. Die evaluierten Prozessüberwachungssysteme (Triangulation, Signalanalyse, Thermografie, Kamerasysteme) ermöglichen eine ganzheitliche Qualitätskontrolle entlang der gesamten Fertigungskette und unterstützen die Automatisierung des Schweißprozesses. Die Ergebnisse liefern eine fundierte Entscheidungsgrundlage für die Auswahl optimaler Fügetechnologien in der Serienproduktion von Elektrolyseuren und tragen zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit und Prozesssicherheit bei.