Faserlaser unterstützen das Schweißen von Batterien

Die Entwicklung und Herstellung großformatiger zylindrischer Batterien für Elektrofahrzeuge wird Automobilherstellern und Verbrauchern zahlreiche Vorteile bieten. Für die Fahrer bedeutet dies eine größere Reichweite, mehr Leistung, schnellere Ladezeiten, eine längere Lebensdauer sowie ein besseres Fahrverhalten bei kaltem Wetter. Für die Hersteller verspricht dies eine weitere Straffung der Produktionsprozesse und Kostensenkungen.

Welche Herausforderungen gibt es bei der Herstellung von Batterien für Elektrofahrzeuge (EV)?

Die Konstruktionen großformatiger Zylinderbatterien unterscheiden sich je nach Hersteller. Jede Konstruktion weist spezifische Herausforderungen bei der Fertigung auf, insbesondere im Hinblick auf den Schweißprozess.Beispielsweise enthalten einigeDesigns von ElektrofahrzeugbatterienStromkollektoren, bei deren Verbindung mit dem Wickelkern die Schweißnahttiefe sehr präzise gesteuert werden muss. Eine unzureichende Kontrolle der Schweißnahttiefe kann zu einer Beschädigung der Separatoren und damit zu einem Kurzschluss im Inneren der Batterie führen. Ebenso erfordert das Schweißen der Elektroden an die Stromkollektoren eine sorgfältige Steuerung der Einschweißtiefe. Ein weiterer wichtiger Punkt ist, dass während dieses Vorgangs die in die Batterie eingeleitete Wärme begrenzt werden muss, um ein Schmelzen oder eine Beschädigung der Polymer-Separatoren zu vermeiden.

Das Verschweißen ist ein weiteres Schweißverfahren; in der Vergangenheit wurde bei der Herstellung kleinerer Batterien bereits erfolgreich die mechanische Stanztechnik eingesetzt. Da die Stanztechnik jedoch nicht für größere Batterien geeignet ist, ist ein neues Verfahren erforderlich.

Welche Anforderungen gelten derzeit?

Die Herstellung von Batterien umfasst noch viele weitere Schweißverfahren, die sich ebenfalls je nach Hersteller und Konstruktion unterscheiden. Die anspruchsvollsten und sensibelsten Verfahren haben jedoch einige gemeinsame Anforderungen, darunter:

• kleinste Wärmeeinflusszone
• Präzise Steuerung der Einschmelztiefe
• Spritzwasser vermeiden 
• Hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit: in der Regel im Bereich von 200 mm/s bis 500 mm/s

Darüber hinaus kommen bei einigen wichtigen Batterielötverfahren auch das Löten unterschiedlicher Metalle zum Einsatz.

In der Vergangenheit war es eine Herausforderung, all diese Anforderungen zu erfüllen, und es gab keine Schweißtechnik, die in jedem Prozessschritt hervorragende Ergebnisse lieferte. Aus diesem Grund haben die Hersteller verschiedene Lösungen ausprobiert. Dazu gehörten der Einsatz von Lasern mit grüner Wellenlänge zum Schweißen, um das Problem der geringen Absorption von rotem Licht durch Kupfer zu lösen, sowie der Einsatz von Nicht-Laser-Schweißverfahren (beispielsweise das Ultraschallschweißen von Folien und Anschlüssen).

Den richtigen Laser auswählen

Coherent einen neuartigen Laser Coherent , dessen Anwendungsbereich breiter ist als bei jedem bisherigen Produkt. Diese Vielseitigkeit beruht darauf, dass diese Technologie eine beispiellose Kontrolle darüber ermöglicht, wie die Laserenergie sowohl räumlich als auch zeitlich auf die Werkstückoberfläche übertragen wird.

Die entscheidende Innovation ist der Einsatzder ARM-Technologie (Adjustable Ring Mode)–bei diesem Faserlaser besteht der Strahl aus einemzentralen Lichtfleck und einem weiteren konzentrischen Laserring, der diesen umgibt, anstatt wie bei herkömmlichen Lasern nur aus einem einzigen Lichtfleck. Vor allem lassen sich die Leistungen des zentralen und des ringförmigen Lichtflecks unabhängig voneinander steuern und sogar anpassen. Die Abbildung zeigt, wie sich mit diesem Verfahren die Laserenergie während des Schweißvorgangs präzise und flexibel verteilen lässt.

Bild: Grundlegende Leistungsmodi des fokussierten Lichtflecks von FL-ARM

Der Vorteil der ARM-Technologie liegt darin, dass sie die Dynamik des Schmelzbads äußerst präzise steuern kann. Dies ermöglicht eine gleichmäßigere und besser kontrollierbare Bearbeitung, wodurch Spritzer weitgehend vermieden werden. Diese Art von Laser eignet sich besonders gut zum Schweißen von Kupfer, da der ringförmige Strahl das Material vorwärmt, was dessen Absorption von rotem Licht erheblich erhöht.Darüber hinaus kann der zentrale Strahl mit hoher Leistungsdichte das rote Licht zuverlässig in das Kupfer einkoppeln. Angesichts der praktischen und kostentechnischen Vorteile von Faserlasern werden ARM-Faserlaser das Verfahren zum Schweißen von Kupfer mit grünen Festkörperlasern erfolgreich ablösen. 

Ein einziger Lasertyp, der so viele verschiedene Aufgaben erfüllen kann, bietet Herstellern mehr Flexibilität und Wirtschaftlichkeit. So lässt sich beispielsweise die Leistung eines Lasers mithilfe von Strahlschaltern auf mehrere Prozesse verteilen. Dies vereinfacht den Produktionsablauf. Darüber hinaus kann der Einsatz eines universellen Lasers an mehreren Stationen im Produktionsprozess den Ersatzteilbestand reduzieren und für Redundanz sorgen, was dazu beiträgt, Ausfallzeiten aufgrund von Wartungs- oder Reparaturarbeiten auf ein Minimum zu beschränken. 

Durch den Einsatz größerer Batterien imDesign von Elektrofahrzeugbatterienwerden Elektrofahrzeuge für den Fahrer praktischer, während die Hersteller ihre Herstellungskosten senken können.Allerdings erfordern die größeren Abmessungen, die höheren Antriebsströme und die höhere Produktionskapazität dieser Batterien den Einsatz von Laserschweißtechnologie.Die FaserlaserCoherent FL-ARM-Seriebieten eine äußerst effektive und kostengünstige Lösung für die präzisen und anspruchsvollen Schweißaufgaben in der Batterieproduktion und haben sich bereits bei anderen Aufgaben in der Batterieverarbeitung bewährt.