KURZBESCHREIBUNG DER LÖSUNG

Einleitung

Hersteller von Batteriesystemen benötigen kostengünstige, schnelle und zuverlässige Schweißverfahren für dünne Aluminium- und Kupferfolien. Das berührungslose Laserschweißen bietet eine attraktive Option, war jedoch in der Vergangenheit bei Folienstärken unter 200 µm nicht anwendbar. Dies lag daran, dass die vorhandenen Faserlaserquellen ihre Leistung nicht mit der erforderlichen räumlichen Verteilung abgeben konnten. Insbesondere ein Hochleistungs-Faserlaser verursachte Schäden an der oberen Folie, während Faserlaser mit geringer Leistung keine ausreichende Schweißtiefe erreichten. DerAdjustable Ring Mode (ARM)-Faserlasermit einem Singlemode-Kernstrahl überwindet diese Einschränkungen.

Prozess

Eine häufige Aufgabe bei der Herstellung von Batteriemodulen ist die elektrische Reihenschaltung mehrerer Batterien durch Überlappungsschweißen einer dünnen Aluminiumschiene mit einer dickeren Kupferschiene. Es wurden Tests durchgeführt, bei denen ein 0,2 mm dickes Aluminiumblech (oben) mit einer 1,5 mm dicken Kupferschiene (unten) verschweißt wurde. Es wurde die HighLight FL4000CSM-ARM-Quelle mit einer 25 µm/170 µm (Kern-/Ringstrahl) Prozessfaser und einer Remote-Schweißscanner-Optik verwendet, die eine 3-fache Vergrößerung des Strahls auf der Arbeitsfläche erzeugt. Die Leistung des mittleren Strahls betrug 500–800 W und die des Ringstrahls 1.000–1.200 W. Die Laserleistung wurde für 0,18–0,32 Sekunden angewendet. Die Leistung des mittleren und des Ringstrahls wurde unabhängig voneinander gesteuert.

Ergebnisse

Es wurde eine hochwertige, vollständig durchdringende Schweißnaht erzielt, ohne dass die dünne Aluminiumfolie beschädigt wurde (siehe Abbildung 2). Bei diesem Verfahren entstanden keine Spritzer und es wurde kein Zusatzdraht benötigt. Der Grund für diese positiven Ergebnisse liegt darin, dass der ARM-Laser die Schweißtiefe des Keyholes mit dem Ringstrahl stabilisiert. Der Singlemode-Kernstrahl mit seiner hohen Brillanz (hohe Energiedichte, aber geringe Gesamtenergie) führt den eigentlichen Schweißvorgang durch, ohne das Material durch zu starke Hitzeeinwirkung zu beschädigen. Schließlich ermöglicht die unabhängig gesteuerte Reduzierung der Ringleistung eine kontrollierte Abkühlung des Materials, wodurch die Turbulenzen im Schweißbad minimiert und Spritzer vermieden werden. 

Anwendungsbereich

Laserschweißen von dünnen Folien und wärmeempfindlichen Materialien für Batterie- und E-Mobilitätsanwendungen. Dazu gehören das Schweißen von Kupferfolien in der Batterieindustrie und das Schweißen von Aluminiumblechen auf Kupferschienen.