SmartWeld + schließt Lücke in der Serienschweißtechnik

Der Automatisierungsspezialist teamtechnik bietet Komplettsysteme für die Fertigung, Montage und Prüfung an, die von manuellen bis hin zu vollautomatischen Lösungen reichen. Das Know-how des Unternehmens umfasst eine Vielzahl von Technologien, darunter Teilehandhabung, verschiedene Prüfverfahren und Schweißverfahren, die vor allem in der Elektrofahrzeugbranche zum Einsatz kommen. Im Jahr 2019 beauftragte ein Hersteller von Akkus für handgeführte Elektrowerkzeuge das Unternehmen mit der Entwicklung eines Schweißsystems für die Serienfertigung. 

teamtechnik wurde speziell beauftragt, Automatisierungslösungen für das Schweißen von elf verschiedenen Verbindungsarten zu entwickeln. Diese Lösungen umfassen das Verschweißen einer Vielzahl unterschiedlicher Werkstoffe. Da das Unternehmen nicht über ausreichendes Fachwissen im Bereich Laserschweißen verfügte, aber dennoch innerhalb kurzer Zeit so viele verschiedene Verfahren entwickeln musste, wandte es sich an Coherent . 

Intelligentere Schweißverfahren

Coherent . Es führte eine Reihe von Tests durch und wies nach, dass sich alle diese Verfahren mithilfe Coherent in Verbindung miteinem 1-kW-Single-Mode-Faserlaser (dem HighLight FL1000CSM)erfolgreich durchführen lassen.

SmartWeld+ ist ein professionelles Schweißwerkzeug, das über fortschrittliche Strahlformungstechniken verfügt, darunter verschiedene Schwingungsmodi. Außerdem ermöglicht es eine präzise Steuerung der abgegebenen Laserenergie während des Schweißvorgangs. Auf diese Weise lassen sich die Breite, Tiefe und das Einbrandprofil der Schweißnaht genau steuern. Dies eignet sich besonders für das Schweißen von wärmeempfindlichen Materialien und unterschiedlichen Werkstoffen (z. B. Kupfer und Aluminium oder Stahl). Darüber hinaus ermöglicht dieses Verfahren ein besseres Schweißen von hochreflektierenden oder flüchtigen Materialien, reduziert Spritzer und Risse wirksam und senkt die Porosität.

Schwieriges Material

SmartWeld+ kann sogar „schwierige“ Werkstoffe bearbeiten, also solche, die sich traditionell nicht für das Laserschweißen eignen. Einige der in Batteriepaketen verwendeten Werkstoffe fallen in diese Kategorie. 

Beispielsweise muss bei einer Schweißanwendung ein 0,5 mm dickes verzinktes Kupferblech mit einem 1,0 mm dicken vernickelten Kupferblech verschweißt werden. In der Vergangenheit gab es beim Laserschweißen aufgrund des niedrigen Schmelzpunkts von Zink zahlreiche Probleme. Insbesondere bildete sich viel Schaum, sobald die zum Schmelzen des Kupfers erforderliche Temperatur erreicht war. Dies führte zu Hohlräumen und Poren in der fertigen Schweißnaht sowie zu starken Spritzern. 

Dieses Bauteil muss an beiden Enden geschweißt werden. Ein Ende ist flach, das andere um 90° abgewinkelt. Da diese Bedingungen sehr unterschiedlich sind, müssen zwei separate Parametersätze festgelegt werden, um jede Schweißnaht optimal zu gestalten. Außerdem ist in das Bauteil ein Kunststoffteil eingebettet, das während des Schweißvorgangs auf keinen Fall erhitzt werden darf.

Die Möglichkeit, die Nahtform mit SmartWeld+ präzise anzupassen, erweist sich in diesem Fall als äußerst nützlich. Dank dieser Fähigkeit lässt sich eine ausreichend große Verbindung herstellen, die das erforderliche Maß an elektrischer Leitfähigkeit und mechanischer Festigkeit bietet, ohne zu nahe an das Kunststoffteil heranzurücken. Obwohl auf beiden Seiten des Teils ähnliche Schweißbahnen verwendet werden, unterscheiden sich diese in ihrer Schweißrichtung. Coherent teamtechnik Poland und Coherent stellten zudem fest, dass bei einer der Schweißnähte ideale Schweißergebnisse erzielt wurden, wenn der Spalt zwischen den Teilen sehr klein war. 

Bei diesen beiden Schweißverfahren liegt der Schlüssel zur Lösung in der dynamischen Leistungsmodulation. Diese Funktion sorgt während des Schweißvorgangs für ein stabiles Schmelzbad und verhindert die Bildung von Poren. Zudem wird das Spritzen deutlich reduziert. 

Reaktion auf Prozessänderungen

Eine weitere Schweißmethode betrifft die Verbindung zweier 0,3 mm dicker_{SIGMACLAD®-Platten}._SIGMACLAD ist ein Verbundwerkstoff, der speziell für die elektrische Verbindung von Lithium-Ionen-Batterien in Batteriepacks entwickelt wurde. Es handelt sich um eine fünfschichtige Sandwichstruktur aus Nickel-Edelstahl-Kupfer-Edelstahl-Nickel. Diese Kombination weist bessere Eigenschaften auf als jedes einzelne Metall. Konkret verfügt Kupfer über eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit (zur Wärmeableitung), während die Edelstahlschicht die Schweißeigenschaften des Materials verbessert und die Festigkeit der Schweißnaht erhöht. Die äußere Nickelschicht erleichtert das Schweißen und weist eine gute Korrosionsbeständigkeit auf. 

Da_SIGMACLAD speziell für das Laserschweißen entwickelt wurde, hatten weder Coherent teamtechnik noch Coherent damit gerechnet, dass diese Art des Schweißens große Herausforderungen mit sich bringen würde. In der Praxis stellten sie jedoch fest, dass Schwankungen in der Materialdicke, Schwankungen in der Schichtdicke und geringe Gesamttoleranzen der Bauteile zu Prozessabweichungen und Inkonsistenzen bei der Montage führen können. Tests ergaben, dass zur Erzielung einer 100-prozentigen Schweißerfolgsquote der Abstand zwischen den beiden Bauteilen mithilfe einer Vorrichtung auf unter 0,05 mm gehalten werden muss. 

In diesem Fall beträgt die Gesamtnahtbreite 1 mm × 2,5 mm. Da der fokussierte Laserstrahl deutlich kleiner ist als diese Abmessung, führt SmartWeld+ mehrere Hin- und Herbewegungen des Strahls durch und verschiebt ihn dabei zwischen den einzelnen Scans geringfügig in vertikaler Richtung, um den gesamten Bereich abzudecken. Darüber hinaus haben Tests gezeigt, dass der Laserstrahl während der Bewegung moduliert werden muss, da es sonst am Ende des Scans zu übermäßigen Spritzern kommt. 

Selbst nachdem die Anlagen beim Endkunden installiert und in Betrieb genommen wurden, können sich bestimmte Prozessabläufe ändern. Daher stehtCoherent weiterhin zur Verfügung, um solche Situationen zu bewältigen.

Beispielsweise wurde bei einem Schweißverfahren_eine 0,3 mm dicke_{SIGMACLAD-Schicht} auf 1,0 mm dickes vernickeltes Kupfer aufgeschweißt. Erst nachdem der Endnutzer die Anlage erfolgreich installiert hatte und sie zwei Jahre lang in Betrieb war, traten Probleme auf. Daraufhin änderte der Werkstofflieferant seine Rezeptur, und es kamen zudem Fragen zur Reinheit des Kupfers auf. In diesem Fall hielt man jedoch an der ursprünglich verwendeten Verfahrensrezeptur fest, was zu starken Spritzern führte.

Die Praxis hat gezeigt, dass sich die Flexibilität vonSmartWeld+ in solchen Situationen als besonders wertvoll erweist. Insbesondere ermöglicht es eine einfache Anpassung der Schweißparameter über die Software, ohne dass Änderungen an der Spannvorrichtung erforderlich sind. Coherent haben gezeigt, dass sich das Problem durch die Implementierung einer Laserleistungsmodulation lösen lässt.  

Gemeinsam zum Erfolg

Coherent kann sich Coherent auf das konzentrieren, was das Unternehmen am besten beherrscht: die Automatisierung. Maciej Zaborowski, Experte für Schweißtechnik bei teamtechnik POLAND, erklärt: „Wir brauchten einen Partner, der uns dabei unterstützt, all diese Laserschweißverfahren unter Einhaltung der vom Kunden vorgegebenen Zeit- und Kostenvorgaben zu entwickeln.“ „Insbesondere suchten wir nach jemandem, der über das nötige Fachwissen und die entsprechenden Einrichtungen verfügt, um Materialien zu testen und festzustellen, ob sie sich alle für das Laserschweißen eignen, und anschließend spezifische Prozessrezepte zu entwickeln, die in der Produktion eingesetzt werden können.“

Coherent all diese Anforderungen. Darüber hinaus endete unsere Zusammenarbeit nicht mit dem Abschluss der ersten Prozessentwicklung. Das Unternehmen unterstützte uns auch weiterhin, da Materialschwankungen zu Produktionsabweichungen in einem Prozess führten, der zuvor stets reibungslos funktioniert hatte. Andere Laserhersteller sind nicht in der Lage, ein solches Maß an Prozessverantwortung zu übernehmen.“

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