DE102019005152A1 - Verfahren zum Verschweißen von zumindest zwei überlagert angeordneten Metallplatten - Google Patents

Verfahren zum Verschweißen von zumindest zwei überlagert angeordneten Metallplatten Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Verschweißen von zumindest zwei überlagert angeordneten Metallplatten (4,5), wobei- die zumindest zwei überlagert angeordneten Metallplatten (4,5) in einem Überlappungsbereich (6) durch mehrere Schweißbereiche (1) mittels einer Schweißvorrichtung miteinander verbunden werden,- die mehreren Schweißbereiche (1) beanstandet zueinander auf dem Überlappungsbereich (6) angeordnet werden, wobei- jede der mehreren Schweißbereiche (1) aus zumindest drei einzelnen Schweißpunkten (2) gebildet wird, wobei- die zumindest drei einzelnen Schweißpunkte (2) überlappend nebeneinander angeordnet werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von zumindest zwei überlagert angeordneten Metallplatten, wobei die zumindest zwei überlagert angeordneten Metallplatten in einem Überlappungsbereich durch mehrere Schweißbereiche mittels einer Schweißvorrichtung miteinander verbunden werden. Die mehreren Schweißbereiche werden beabstandet zueinander auf dem Überlappungsbereich angeordnet.
  • Druckschrift EP 1 779 962 A1 stellt ein Bimetall-Dünnblech-Verbindungselement bereit. Das Dünnblechverbindungselement wird durch Schweißen und Verbinden des positiven Elektrodenanschlusses und des negativen Elektrodenanschlusses mit unterschiedlichen Schmelzpunkten gebildet. Eine Vielzahl von punktförmigen Schweißbereichen, die beispielsweise durch Laserschweißen gebildet sind, sind an dem überlagerten Abschnitt des positiven Elektrodenanschlusses und des negativen Elektrodenanschlusses vorgesehen. Schweißbereiche werden durch Einstrahlen von Laserstrahlen von der Seite des positiven Elektrodenanschlusses mit einem relativ niedrigen Schmelzpunkt gebildet und weisen eine Querschnittsform auf, die sich von der Seite des positiven Elektrodenanschlusses verjüngt.
  • Nachteilig bei der Batteriekontaktierung mittels Laserstrahlschweißen von CW-Nähten sind vor allem der hohe Energieeintrag in die Kontakte der temperaturempfindlichen Batteriezellen als auch eine teilweise hohe Taktzeit herauszustellen. Insbesondere bei oszillierend geschweißten Verbindungen ergeben sich Nachteile.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem mittels einzelner kurzer Laserpulse in spezieller Reihenfolge und Anordnung eine Kontaktierung von Batteriezellen hergestellt wird, welche unter geringerem Temperatureinfluss als auch unter einer Reduzierung der Taktzeit abläuft.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Sinnvolle Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von zumindest zwei überlagert angeordneten Metallplatten, wobei die zumindest zwei überlagert angeordneten Metallplatten in einem Überlappungsbereich durch mehrere Schweißbereiche mittels einer Schweißvorrichtung miteinander verbunden werden. Die mehreren Schweißbereiche werden beabstandet zueinander auf dem Überlappungsbereich angeordnet, wobei jeder der mehreren Schweißbereiche aus zumindest drei einzelnen Schweißpunkten gebildet wird und wobei die zumindest drei einzelnen Schweißpunkte überlappend nebeneinander angeordnet werden. Durch Verwendung einzelner Schweißbereiche für die Verschweißung der zwei überlagert angeordneten Metallplatten kann auf großflächige Schweißverbindungen insbesondere Schweißnähte oder auf Schweißraupen verzichtet werden. Dadurch kann insbesondere bei dem Verschweißen von Zellableitern einer Batterie, insbesondere einer Lithiumionenbatterie ein Temperatureintrag beziehungsweise Energieeintrag auf die Batteriezellen minimiert beziehungsweise reduziert werden. Insbesondere kann dadurch eine Taktzeit der Verschweißung der Metallplatten ebenso reduziert werden. Dadurch können insbesondere temperaturempfindliche Batteriezellen von einem zu hohen und zu langen Energieeintrag beim Verschweißen der Kontakte der Batteriezellen minimiert werden.
  • Insbesondere handelt es sich bei dem Schweißpunkt um eine punktförmigen Schweißpunkt, welche durch einen Laserpuls bei einem Laserschweißen erzeugt worden ist. Dabei erfolgt die Erzeugung des Schweißpunktes mithilfe von Energiezuführung über einen Laser. Beim Laserschweißen kann eine hohe Schweißgeschwindigkeit und eine schmalere und schlankere Schweißnahtform mit geringem thermischen Vorzug durchgeführt werden. Insbesondere kann das Laserschweißen ohne Zusatz von Zusatzwerkstoffen ausgeführt werden.
  • Insbesondere werden die zwei überlagert angeordneten Metallplatten mittels einzelner Laserpulse der Schweißvorrichtung verschweißt. Dabei werden die einzelnen Schweißbereiche aus einzelnen Laserpulsen erzeugt, sodass die Schweißpunkte überlappend nebeneinander beziehungsweise ineinander angeordnet sind. Dadurch kann insbesondere das aufgeschmolzene Material in die Verbindung vorteilhaft eingefügt beziehungsweise gedrückt werden. Durch die Verwendung von drei Schweißpunkten zu einem Schweißbereich kann die Verbindung beziehungsweise Schweißverbindung der zwei Metallplatten richtungsunabhängig bereitgestellt werden. Insbesondere sind sie richtungsunabhängig einer X- und Y-Richtung und sind besonders fest gegenüber mechanischen Einflüssen. Insbesondere ergibt sich dadurch eine besonders gute Stromleitfähigkeit. Durch die Verbindung der drei einzelnen Schweißpunkte zu einem Schweißbereich ergibt sich eine besonders stabile und feste Verbindung der überlagert angeordneten Metallplatten. Durch die besonders gute Stromleitfähigkeit anhand der drei einzelnen aneinander geordneten Schweißpunkte kann eine optimierte Kontaktverteilung der Kontaktleiter der Batteriezellen prozesssicher dargestellt werden.
  • Die vorgeschlagene Erfindung bietet insbesondere Vorteile bei der Anwendung von Reparaturmaßnahme fehlerhaft ausgeführten Schweißnähten. Durch die flexible Anordnung der Schweißbereiche und der Schweißpunkte kann das Schweißverfahren bei den unterschiedlichsten Batterie- und Zelltypen verwendet werden. Insbesondere ist dies vorteilhaft bei Hardcases. Die Schweißbereiche können insbesondere unabhängig von Materialanordnungen und Materialstaplungen durchgeführt werden. Beispielsweise können zwei- oder drei-Blechverbindungen in jeglicher Anordnung und aus beliebigen Werkstoffen miteinander verbunden beziehungsweise verschweißt werden. Insbesondere kann mit den jeweils drei nebeneinander angeordneten Schweißpunkten des Schweißbereichs nicht nur Metalle des gleichen Werkstoffs wie zum Beispiel Aluminium-Aluminiumverbindungen oder Kupfer-Kupferverbindungen sondern auch Aluminium-Kupferverbindungen miteinander verschweißt werden. Besonders vorteilhaft ist das Verwenden der Laserimpulse zur Erzeugung der Schweißpunkte, da mit einem gepulsten Laser Einsparungen insbesondere in der Anlagentechnik durchgeführt werden. Dadurch ergeben sich mehrere freie Gestaltungsmöglichkeiten bei der Anordnung der Pulsgruppen.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Dabei zeigen die nachfolgenden Figuren in:
    • 1 eine schematische Anordnung eines Schweißbereichs mit drei Schweißpunkten;
    • 2 zwei überlagert angeordnete Metallplatten, welche mit mehreren Schweißbereichen verschweißt sind;
    • 3 einen beispielhaften Querschnitt zweier verschweißter Metallplatten; und
    • 4 vier unterschiedliche Beispielanordnungen a) bis d) von Schweißbereichen.
  • In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Die 1 zeigt einen Schweißbereich 1, welcher aus zumindest drei einzelnen Schweißpunkten 2 gebildet ist. Die zumindest drei einzelnen Schweißpunkte 2 sind insbesondere überlappend nebeneinander angeordnet. Insbesondere sind die zumindest drei einzelnen Schweißpunkte 2 unterschiedlich zueinander angeordnet. Insbesondere sind die zumindest drei einzelnen Schweißpunkte 2 nicht linear auf einer Linie zueinander angeordnet. Insbesondere sind sie in Form eines Dreiecks überlappend nebeneinander angeordnet. Insbesondere sind die zumindest drei Schweißpunkte 2 so angeordnet, dass jeder der zumindest drei Schweißpunkte 2 mit wenigstens einem benachbarten Schweißpunkt 2 eine vordefinierte Überlappungslänge lübert aufweist. Die Überlappungslänge lubert besitzt eine vorgegebene beziehungsweise vordefinierte Länge. Mithilfe der Überlappungslänge lubert kann erreicht werden, dass die drei einzelnen Schweißpunkte 2 überlappend nebeneinander und nicht linear nacheinander angeordnet werden. Spezielle ist die Überlappungslänge lubert bei allen Schweißpunkten 2 des Schweißbereiches 1 gleich lang.
  • Insbesondere erfolgt die Anordnung der zumindest drei einzelnen Schweißpunkte 2 in XY-Ebene in Form eines Dreiecks. Dadurch ist insbesondere der Schweißbereich 1 richtungsunabhängig und besitzt eine hohe mechanische Festigkeit und eine hohe Stromleitfähigkeit.
  • Die vordefinierte Überlappungslänge lubert kann in einem Bereich zwischen einem ersten vordefinierten Grenzwert und einem zweiten vordefinierten Grenzwert liegend vorgegeben werden. Insbesondere sollte die Überlappungslänge lübert vorteilhaft in einem Bereich von 0,1 · df ≤ lubert ≤ 0,9 · df liegen. Insbesondere ist als erster Grenzwert ein 0,1-faches eines Fokusdurchmessers df eines Laserstrahls zum Erzeugen der zumindest drei Schweißpunkte 2 und als zweiter Grenzwert einer 0,9-faches des Fokusdurchmessers df vorgegeben. Insbesondere ist der Fokusdurchmesser df der Durchmesser eines Laserpulses welcher zur Erzeugung eines Schweißpunktes 2 durch eine Schweißvorrichtung erzeugt wurde.
  • Durch Anordnung des Schweißbereiches 1 mithilfe der drei Schweißpunkte 2 kann eine sichere Verbindung von zwei Metallen beziehungsweise unterschiedlichen Metallen erreicht werden. Da erreicht werden kann, dass das aufgeschmolzene Material in die Schweißverbindung hineingeführt beziehungsweise hineingedrückt werden kann. Insbesondere können die Schweißbereiche 1 in den unterschiedlichsten Anordnungen 3 angewendet werden. Daher ergibt sich eine umfänglichere und vielfältigere Möglichkeit zum Verschweißen zweier Materialien.
  • Die 2 zeigt eine beispielhafte Anordnung 3 zum Verschweißen von zumindest zwei überlagert angeordneten Metallplatten 4, 5. Die zumindest zwei überlagert angeordneten Metallplatten 4, 5 werden in einem Überlappungsbereich 6 durch mehrere Schweißbereiche 1 mittels einer Schweißvorrichtung miteinander verbunden. Die mehreren Schweißbereiche 1 sind insbesondere beabstandet zueinander auf einer auf dem Überlappungsbereich 6 angeordnet. Dabei weisen die mehreren Schweißbereiche 1 zueinander einen vordefinierten Abstand auf. Die mehreren Schweißbereiche können in den unterschiedlichsten Variationen der Anordnung 3 am Überlappungsbereich 6 angeordnet werden. Jeder der Schweißbereiche 1 ist aus zumindest drei einzelnen Schweißpunkten 2 gebildet.
  • Insbesondere kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Kontaktierung von Batteriezellen durchgeführt werden. Insbesondere werden dabei Zellableitern beziehungsweise Kontaktleitern von Batteriezellen einer Lithiumionenbatterie mittels der Schweißbereiche 1 durchgeführt. Dadurch kann insbesondere ein geringer Energieeintrag auf die Kontaktleitern beziehungsweise Zellableitern der Lithiumionenbatterie minimiert werden.
  • Insbesondere erfolgt das Aufbringen der Schweißpunkte 2 auf den Überlappungsbereich 6 innerhalb eines vordefinierten Zeitintervalls mit der Schweißvorrichtung. Insbesondere erfolgt dies in einem Zeitintervall tPuls zwischen einer Pikosekunde und einer Sekunde. Dadurch lässt sich insbesondere der Eintrag von Energie auf die Batteriezellen reduzieren, da die Taktzeit der einzelnen durchgeführten Laserpulse minimiert beziehungsweise geringgehalten werden kann.
  • Durch die flexible Anordnung 3 der Schweißbereiche 1 können die unterschiedlichsten Batterietypen und/oder Zelltypen miteinander verschweißt werden, sodass sich eine vorteilhafte Kontaktierung der einzelnen Batteriezellen ergibt.
  • Durch die drei nebeneinander angeordneten Schweißpunkte 2 lässt sich eine besonders vorteilhafte Schweißverbindung der Metallplatten 4, 5 erzeugen. Dadurch lässt sich das Schweißverfahren bei unabhängig von Materialanordnungen und/oder Materialstaplungen anwenden. Insbesondere kann das Verfahren bei zwei- oder drei-Blechverbindungen jeglicher Anordnung und bei jeglicher Werkstoffart durchführen.
  • Beispielsweise kann es sich bei der Metallplatte 4 um eine Platte des Werkstoffes Kupfer handeln und bei der Metallplatte 5 kann es sich um eine Aluminiumplatte handeln. Dadurch kann eine sichere Aluminium-Kupferverbindung hergestellt werden. Ebenso lassen sich Werkstoffe in Metallplatten des gleichen Werkstoffes miteinander verschweißen. Beispielsweise können Aluminium-Aluminiumverbindungen oder Kupfer-Kupferverbindungen hergestellt werden. Ebenso können die vielfältigsten Werkstoff beziehungsweise Metallgruppen miteinander verschweißt werden.
  • Bei der Schweißvorrichtung handelt es sich insbesondere um ein Laserschweißverfahren, welches mittels Laserstrahlen beziehungsweise Laserpulsen die einzelnen Schweißpunkte 2 am Überlappungsbereich 6 erzeugt.
  • Die 3 zeigt einen beispielhaften Querschnitt beziehungsweise Seitenansicht der verbundenen Metallplatten 4, 5. In dieser Ansicht ist zu erkennen, dass durch die drei einzelnen Schweißpunkte 2, welche nebeneinander angeordnet sind, das aufgeschmolzene Material in die Verbindung der beiden Metallplatten 4, 5 vorteilhaft hineingeschmolzen beziehungsweise hineingedrückt worden ist. Dadurch ergibt sich eine starke und sichere Verbindung der beiden Metallplatten 4, 5. Durch diese Verbindung der beiden Metallplatten 4, 5 kann ein optimaler Stromfluss zwischen den Batteriezellen erreicht werden, sodass eine vorteilhafte Kontaktierung der Batteriezellen erreicht werden kann. Dadurch kann die Kontaktverteilung der Batteriezellen prozesssicher durchgeführt werden. Ergeben sich dadurch weitere Vorteile bei einer Reparatur der Batteriezellen und/oder der Metallplatten. Insbesondere können fehlerhaft ausgeführte Schweißverbindungen mithilfe des vorgeschlagenen Verfahrens effizient verbessert beziehungsweise behoben werden.
  • Die 4 zeigt weitere mögliche Anordnungsvarianten zum Verschweißen der zumindest zwei überlagert angeordneten Metallplatten 4, 5. Dabei können insbesondere die mehreren Schweißbereiche 1 auf verschiedenste Art am Überlappungsbereich 6 angeordnet werden. Dabei besitzen die Schweißbereiche 1 jeweils einen vordefinierten Abstand zueinander. Durch die flexiblen Anordnungen 3 der Schweißbereiche 1 können die unterschiedlichst überlappenden Bauteile prozesssicherer verschweißt werden. Dadurch ergibt sich eine Vielzahl von Ausführungsformen und Anordnungsmöglichkeiten der vorgeschlagenen Erfindung. Neben den dargestellten vorteilhaften Anordnungen, kann das vorgeschlagene Verfahren auch bei Hardcasezellen mit runden Batteriepolen oder bei Rundzellen angewendet werden. Ebenso sind weitere unterschiedliche Anordnungen denkbar.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Schweißbereich
    2
    Schweißpunkt
    3
    Anordnung
    4, 5
    Metallplatten
    6
    Überlappungsbereich
    lübert
    Überlappungslänge
    tPuls
    Pulsdauer
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 1779962 A1 [0002]

Claims (6)

  1. Verfahren zum Verschweißen von zumindest zwei überlagert angeordneten Metallplatten (4,5), wobei - die zumindest zwei überlagert angeordneten Metallplatten (4,5) in einem Überlappungsbereich (6) durch mehrere Schweißbereiche (1) mittels einer Schweißvorrichtung miteinander verbunden werden, - die mehreren Schweißbereiche (1) beanstandet zueinander auf dem Überlappungsbereich (6) angeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass - jede der mehreren Schweißbereiche (1) aus zumindest drei einzelnen Schweißpunkten (2) gebildet wird, wobei - die zumindest drei einzelnen Schweißpunkte (2) überlappend nebeneinander angeordnet werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest drei einzelnen Schweißpunkte (2) so überlappend nebeneinander angeordnet werden, dass jeder der zumindest drei Schweißpunkte (2) mit wenigstens einem benachbarten Schweißpunkt (2) eine vordefinierte Überlappungslänge (lubert) aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vordefinierte Überlappungslänge (lübert) in einem Bereich zwischen einem ersten vordefinierten Grenzwert und einem zweiten vordefinierten Grenzwert liegend vorgegeben wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als erster Grenzwert ein 0,1-faches eines Fokusdurchmessers (df) eines Laserstrahls zum Erzeugen der zumindest drei Schweißpunkte (2) und als zweiter Grenzwert ein 0,9-faches des Fokusdurchmessers (df) vorgegeben wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen eines Schweißpunktes auf den Überlappungsbereich (6) innerhalb eines vordefinierten Zeitintervalls (tPuls) durchgeführt wird, insbesondere in einem Bereich zwischen einer Pikosekunde und einer Sekunde.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest drei einzelnen Schweißpunkte (2) in Form eines Dreiecks überlappend nebeneinander angeordnet werden.
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