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Hersteller von Batteriesystemenbenötigen kostengünstige, schnelle und zuverlässige Schweißverfahren für Anwendungen mit dünnen Aluminium- und Kupferfolien. Das berührungslose Laserschweißen ist für sie eine attraktive Option, war jedoch in der Vergangenheit bei Folienstärken unter 200 µm nicht einsetzbar. Dies lag daran, dass bestehende Faserlaserquellen die erforderliche Energieverteilung nicht gewährleisten konnten. Konkret führten Hochleistungs-Faserlaser zu einer Beschädigung der oberen Folie, während Faserlaser mit niedriger Leistung keine ausreichende Durchschweißtiefe erreichten. Der einstellbare Ringmoden-Faserlaser (ARM) überwindet diese Einschränkungen durch einen singlemodigen zentralen Strahl.

Verfahren

Eine häufige Aufgabe bei der Herstellung von Batteriemodulen besteht darin, mehrere Zellen elektrisch in Reihe zu schalten, indem dünnere Aluminium-Sammelschienen auf dickere Kupferstreifen aufgeschweißt werden. Der Test umfasste das Verschweißen einer 0,2 mm dicken Aluminiumplatte (oben) mit einem 1,5 mm dicken Kupferstreifen (unten). Zum Test wurde die Lichtquelle HighLight FL4000CSM-ARM verwendet, die über Prozessfasern mit 25 µm/170 µm (Mittelpunkt-/Ringlichtstrahl) sowie einen ferngesteuerten Schweißscankopf verfügt, der den Lichtstrahl auf der Arbeitsfläche um das Dreifache vergrößert. Die Leistung des zentralen Strahls beträgt 500–800 W, die des Ringstrahls 1000–1200 W. Die Laserdauer beträgt 0,18–0,32 Sekunden. Die Leistung des zentralen Strahls und des Ringstrahls wird unabhängig voneinander geregelt.

Ergebnisse

Es wurde eine hochwertige Vollschmelzschweißung erzielt, ohne die dünne Aluminiumfolie zu beschädigen (siehe Abbildung 2). Bei diesem Verfahren entstehen keine Spritzer, und es ist kein Schweißzusatzdraht erforderlich. Diese positiven Ergebnisse sind darauf zurückzuführen, dass der ARM-Laserdie Tiefe des Schlüssellochschweißens mithilfe eines ringförm igen Strahlsstabilisiert. Der monomodale Zentralstrahl weist eine hohe Helligkeit auf (hohe Energiedichte bei geringer Gesamtenergie) und beschädigt das Material beim eigentlichen Schweißen nicht durch übermäßige Wärmezufuhr. Schließlich sorgt die langsam abnehmende Leistung des unabhängig gesteuerten ringförmigen Strahls für eine kontrollierte Abkühlung des Materials, wodurch Turbulenzen im Schmelzbad weitgehend reduziert und Spritzer vermieden werden. 

Anwendungsbereiche

Laserschweißen von dünnen Folien und thermosensitiven Materialien fürBatterie-und Elektrofahrzeuganwendungen. Dazu gehören das Schweißen von Kupferfolien und Kupferfolienpaketen mit Polfahnen in der Batterieindustrie sowie das Schweißen von Aluminiumblechen mit Kupferstreifen.