LÖSUNGSÜBERSICHT

Einleitung

Hersteller von Batteriesystemen benötigen kostengünstige, schnelle und zuverlässige Schweißverfahren für Anwendungen mit dünnen Aluminium- und Kupferfolien. Das berührungslose Laserschweißen bietet eine attraktive Option, war jedoch bisher bei Folienstärken unter 200 µm nicht einsetzbar. Dies lag daran, dass bestehende Faserlaserquellen ihre Leistung nicht mit der erforderlichen räumlichen Verteilung abgeben konnten. Konkret verursachte ein Hochleistungsfaserlaser Schäden an der oberen Folienlage, während Faserlaser mit geringer Leistung keine ausreichende Schweißdurchdringung erreichten. DerFaserlaser im Adjustable Ring Mode (ARM)mit einem Single-Mode-Mittelstrahl überwindet diese Einschränkungen.

Prozess

Eine häufige Aufgabe bei der Herstellung von Batteriemodulen ist die elektrische Reihenschaltung mehrerer Batterien durch das Überlappungsschweißen einer dünnen Aluminium-Sammelschiene mit einer dickeren Kupferschiene. Es wurden Tests zum Verschweißen eines 0,2 mm dicken Aluminiumblechs (oben) mit einer 1,5 mm dicken Kupferschiene (unten) durchgeführt. Verwendet wurde die HighLight FL4000CSM-ARM-Quelle mit einer Prozessfaser von 25 µm/170 µm (Mittelstrahl/Ringstrahl) und einer Fernschweiß-Scanneroptik, die eine 3-fache Vergrößerung des Strahls auf der Arbeitsfläche erzeugte. Die Leistung des Mittelstrahls betrug 500–800 W, die des Ringstrahls 1000–1200 W. Die Laserleistung wurde für 0,18–0,32 Sekunden angelegt. Die Leistung des Mittelstrahls und des Ringstrahls wurde unabhängig voneinander geregelt.

Ergebnisse

Es wurde eine hochwertige Schweißnaht mit voller Durchschweißung erzielt, ohne dass die dünne Aluminiumfolie beschädigt wurde (siehe Abbildung 2). Der Prozess verursachte keine Spritzer und erforderte keinen Schweißzusatzdraht. Der Grund für diese positiven Ergebnisse liegt darin, dass der ARM-Laser die Schweißtiefe des Schlüssellochschweißens mit dem Ringstrahl stabilisiert. Der Single-Mode-Zentralstrahl mit seiner hohen Helligkeit (hohe Energiedichte bei geringer Gesamtenergie) führt den eigentlichen Schweißvorgang durch, ohne das Material durch übermäßige Wärmeeinbringung zu beschädigen. Schließlich ermöglicht die unabhängig gesteuerte Abflachung der Ringleistung eine kontrollierte Abkühlung des Materials, wodurch Turbulenzen im Schweißbad minimiert und Spritzer vermieden werden. 

Anwendungsbereich

Laserschweißen von dünnen Folien und wärmeempfindlichen Materialien für Anwendungen in der Batterie- und E-Mobilitätsbranche. Dazu gehören das Schweißen von Kupferfolienstapeln sowie das Folien-zu-Tab-Schweißen in der Batterieindustrie und das Schweißen von Aluminiumblechen an Kupferstangen.