KURZBESCHREIBUNG DER LÖSUNG

Einleitung

Hersteller von Batteriesystemen benötigen kostengünstige, schnelle und zuverlässige Schweißmethoden für dünne Aluminium- und Kupferfolien. Das berührungslose Laserschweißen bietet eine attraktive Option, war aber in der Vergangenheit bei Foliendicken unter 200 µm nicht anwendbar. Das 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. Der Adjustable Ring Mode (ARM) Faserlaser mit einem Singlemode-Kernstrahl überwindet diese Einschränkungen.

Prozess

Eine häufige Aufgabe bei der Produktion von Batteriemodulen ist die Verbindung mehrerer Batterien in elektrischer Reihe 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 Kupferstange (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 Ringes 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 ist, dass der ARM-Laser die Schweißtiefe des Keyholes mit dem Ringstrahl stabilisiert. Der Singlemode-Kernstrahl mit seiner hohen Brillanz (hohe Energiedichte, aber niedrige Gesamtenergie) führt das eigentliche Schweißen durch, ohne das Material durch zu große 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. 

Anwendungsfeld

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