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EINLEITUNG
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Laserschweißen ist ein Verbindungsprozess, bei dem ein Laserstrahl auf einen Stapel von Metallwerkstücken gerichtet wird, um eine konzentrierte Energiequelle bereitzustellen, die in der Lage ist, eine Schmelzschweißverbindung zwischen den überlappenden Metallwerkstücken zu erzeugen. Der Laserstrahl erhöht die Temperatur in den Metallwerkstücken auf Niveaus, die einem Plasmazustand oder einem flüssigen Zustand zugeordnet sind, um das Schmelzschweißen zu bewirken. Laser-Schweißungen können in Form von Leitungsschweißen, Übergangs-/Schlüssellochschweißen und Durchdringungs-/Schlüssellochschweißen auftreten, abhängig von der Leistungsdichte, die in einer Fokussierpunktgröße enthalten ist, die durch den Laserstrahl erzeugt wird.
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Schichten aus Metallwerkstücken können so gestapelt und relativ zueinander ausgerichtet werden, dass sich ihre Passflächen überlappen, um eine Passfläche (oder Passflächen) innerhalb einer vorgesehenen Schweißstelle herzustellen. Ein Laserstrahl wird dann auf eine oder in der Nähe einer Oberseite des Werkstückstapels gerichtet. Die durch die Energieabsorption erzeugte Wärme, die durch den Laserstrahl zugeführt wird, leitet das Schmelzen der metallischen Werkstücke ein und bildet ein Schmelzbad innerhalb des Werkstückstapels. Das Schmelzbad dringt durch das vom Laserstrahl beaufschlagte Metallwerkstück und in das darunter liegende Metallwerkstück oder die darunter liegenden Metallwerkstücke bis zu einer Tiefe ein, die sich mit den etablierten Passflächen überschneidet.
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Der Laserstrahl erzeugt schnell ein Schmelzbad beim Auftreffen auf die Oberseite des Werkstückstapels. Nachdem sich das Schmelzbad gebildet hat und stabil ist, wird der Laserstrahl entlang der Oberseite des Werkstückstapels vorgeschoben, während er einer vorgegebenen Schweißbahn folgt. Eine solches Vorschieben des Laserstrahls verschiebt das Schmelzbad entlang einer entsprechenden Bahn relativ zur Oberseite des Werkstückstapels und hinterlässt geschmolzenes Werkstückmaterial in der Spur des vorrückenden Schmelzbades, das Material aus den Schichten der metallischen Werkstücke im Werkstückstapel einschließt. Dieses eindringende geschmolzene Werkstückmaterial kühlt und erstarrt, um eine Schweißverbindung zu bilden, die aus wieder erstarrten Materialien aus sämtlichen Schichten der Metallwerkstücke zusammengesetzt ist. Solch eine Verschmelzung des Materials aus den überlappenden Schichten der Metallwerkstücke bildet eine Schweißverbindung.
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Wenn ein Laserstrahl auf eine Oberseite eines Werkstücks auftrifft, können Abschnitte des einfallenden Laserstrahls reflektiert, absorbiert oder transmittiert werden. Die relativen Größen der Abschnitte des einfallenden Laserstrahls, die reflektiert, absorbiert und übertragen werden, sind abhängig von den Oberflächenbedingungen und Materialeigenschaften des Werkstücks.
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Es ist bekannt, dass Wärme von Laserschweißen auf Schichten von Werkstücken wirkt, so dass die Werkstücke verzerrt und lokal begrenzte Materialhohlräume zwischen den Werkstücken infolge von Wärme und Verdampfung erzeugt werden. Lokal begrenzte Materialhohlräume, die sich als Spalten zwischen den Schichten im Werkstückstapel und/oder als Hohlräume in einem oder mehreren der Werkstücke manifestieren können, können die Lebensdauer der Schweißverbindung und damit die Lebensdauer des Bauteils, das die Schweißverbindung einschließt, beeinflussen. Wenn der Werkstückstapel Batteriezellenfolien einschließt, die mit einer Batterielasche verschweißt sind, kann das Auftreten von lokal begrenzten Materialhohlräumen die elektrische Leitfähigkeit zwischen einer oder mehreren der Batteriezellenfolien und der Batterielasche beeinträchtigen.
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KURZDARSTELLUNG
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Es wird eine Vorrichtung und ein zugehöriges Verfahren zum Verbinden eines ersten Werkstücks mit einem zweiten Werkstück mittels eines Laserschweißers beschrieben, wobei das erste und das zweite Werkstück als Blätter ausgebildet sind und wobei das erste Werkstück eine Oberseite und eine Unterseite aufweist. Das Verfahren schließt das Anordnen der ersten und zweiten Werkstücke in einem Stapel ein, einschließlich des Überlappens eines Abschnitts des ersten Werkstücks mit einem Abschnitt des zweiten Werkstücks. Der Laserschweißer erzeugt einen ersten Laserstrahl und wird koinzident so gesteuert, dass er eine gewünschte Schweißbahn durchläuft, die auf der Oberseite des ersten Werkstücks angeordnet ist. Die Laservorrichtung erzeugt einen zweiten Laserstrahl und steuert koinzident den Laserschweißer, um die gewünschte Schweißbahn, die auf der Oberseite des ersten Werkstücks angeordnet ist, zu durchlaufen. Das Erzeugen des ersten Laserstrahls über den Laserschweißer schließt den Betrieb des Laserschweißers im gepulsten Betrieb und in einer ersten Leistungsstufe ein. Das Erzeugen des zweiten Laserstrahls über den Laserschweißer schließt den Betrieb des Laserschweißers im Dauerbetrieb und in einer zweiten Leistungsstufe ein.
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Ein Gesichtspunkt der Offenbarung schließt das Erzeugen des ersten Laserstrahls mittels des Laserschweißers ein, indem der erste Laser so gesteuert wird, dass er einen Fokuspunkt aufweist, der unter der Oberseite des ersten Werkstücks angeordnet ist.
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Ein weiterer Gesichtspunkt der Offenbarung schließt das Betreiben des Laserschweißers bei einem Lastverhältnis und einer Leistungsstufe ein, die auf der Grundlage eines Reflexionsgrads der Oberseite des ersten Werkstücks bestimmt werden.
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Ein Gesichtspunkt der Offenbarung schließt das Betreiben der Laserschweißvorrichtung bei einem Lastverhältnis von 50 % ein, wenn das erste Werkstück aus Kupfer hergestellt ist.
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Ein weiterer Gesichtspunkt der Offenbarung schließt das Betreiben des Laserschweißers bei einem Lastverhältnis und einer Leistungsstufe ein, die auf der Grundlage eines Absorptionsvermögens der Oberseite des ersten Werkstücks bestimmt werden.
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Ein weiterer Gesichtspunkt der Offenbarung schließt die zweite Leistungsstufe ein, die dem zweiten Laserstrahl zugeordnet ist und kleiner ist als die erste Leistungsstufe, die dem ersten Laserstrahl zugeordnet ist. Ein weiterer Gesichtspunkt der Offenbarung schließt die zweite Leistungsstufe ein, die dem zweiten Laserstrahl zugeordnet ist, der basierend auf einer Temperatur ausgewählt wird, die der Verdampfung des zweiten Werkstücks zugeordnet ist.
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Ein weiterer Gesichtspunkt der Offenbarung schließt ein, dass das zweite Werkstück eine Vielzahl von Kupferblättern ist, die in einer Stapelanordnung angeordnet sind, wobei die Kupferblätter Batterieelektroden umfassen.
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Ein weiterer Gesichtspunkt der Offenbarung schließt ein, dass die gewünschte Schweißbahn, die auf der Oberseite des ersten Werkstücks angeordnet ist, und eine Schweißbahn, die den Abschnitt des ersten Werkstücks einschließt, auf den Abschnitt des zweiten Werkstücks überlappt.
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Ein weiterer Gesichtspunkt der Offenbarung schließt das Aufbringen einer Druckbelastung auf das erste und zweite Werkstück ein, bevor der Laserschweißer gesteuert wird, um die gewünschte Schweißbahn zu durchlaufen.
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Die obigen Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung einiger der besten Modi und anderer Ausführungsformen zur Durchführung der vorliegenden Lehren, wie sie in den beiliegenden Ansprüchen definiert sind, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verwendet werden.
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Figurenliste
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Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun beschrieben, beispielhaft mit Verweis auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
- 1 schematisch eine Seitenansicht einer Anordnung zum Schweißen eines Werkstückstapels zeigt, der ein Batterielaschenelement und eine Vielzahl gestapelter Batteriezellenfolienelemente einschließt, gemäß der Offenbarung;
- 2 schematisch einen Schweißprozess zum Verbinden eines ersten Werkstücks mit einem zweiten Werkstück unter Verwendung einer Ausführungsform des Laserschweißsystems zeigt, das unter Bezugnahme auf 1 gemäß der Offenbarung beschrieben wird; und
- 3 grafisch das Absorptionsvermögen für eine Vielzahl von Materialien in Bezug auf die Wellenlänge (µm) zeigt, gemäß der Offenbarung.
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Die beigefügten Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu und stellen eine etwas vereinfachte Darstellung verschiedener bevorzugter Merkmale der vorliegenden Offenbarung dar, wie sie hierin offenbart sind, einschließlich beispielsweise spezifischer Abmessungen, Orientierungen, Positionen und Formen. Details, die mit solchen Merkmalen verbunden sind, werden teilweise durch die jeweilige beabsichtigte Anwendung und Einsatzumgebung bestimmt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die Komponenten der offenbarten Ausführungsformen, wie hierin beschrieben und veranschaulicht, können in einer Vielzahl von unterschiedlichen Konfigurationen angeordnet und gestaltet sein. Die folgende detaillierte Beschreibung soll daher nicht den Schutzumfang der Offenbarung, wie beansprucht, einschränken, sondern ist lediglich repräsentativ für mögliche Ausführungsformen. Darüber hinaus werden in der folgenden Beschreibung zwar zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein gründliches Verständnis der hierin offenbarten Ausführungsformen bereitzustellen, aber einige Ausführungsformen können auch ohne einige dieser Details geübt werden. Darüber hinaus wurden aus Gründen der Übersichtlichkeit bestimmte technische Materialien, die im Stand der Technik verstanden werden, nicht im Detail beschrieben, um eine unnötige Verschleierung der Offenbarung zu vermeiden. Ferner sind die Zeichnungen in vereinfachter Form und nicht maßstabsgetreu. Aus Gründen der Geeignetheit und Übersichtlichkeit können Richtungsbegriffe wie oben, unten, links, rechts, nach oben, über, unter, unten, rückseitig und vom verwendet werden, um die Beschreibung der Zeichnungen zu erleichtern. Diese und ähnliche Richtungsbegriffe sind veranschaulichend und sollen den Schutzumfang der Offenbarung nicht einschränken. Ferner kann die Offenbarung, wie sie hierin veranschaulicht und beschrieben ist, in Abwesenheit eines Elements praktiziert werden, das hier nicht speziell offenbart ist.
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Bezugnehmend auf die Zeichnungen, wobei gleiche Bezugszeichen gleichen oder ähnlichen Komponenten überall in den mehreren Figuren entsprechen, veranschaulicht 1 in Übereinstimmung mit den hierin offenbarten Ausführungsformen schematisch eine Ausführungsform eines Laserschweißers 20 und des zugehörigen Schweißsystems 30, die konfiguriert sind, um auf einen Werkstückstapel 25 an einer Schweißstelle 22 einzuwirken, um eine Schweißverbindung 26 zu erzeugen. Der Betrieb des Laserschweißers 20 wird gesteuert durch eine Steuereinheit 15, die ein Steuersignal 16 erzeugt, das an den Laserschweißer 20 übermittelt wird, um den Betrieb zu ermöglichen. In dieser Ausführungsform ist die Schweißverbindung 26 eine Stoßverbindung, da die Enden der Elemente des Werkstückstapels 25 an der Schweißverbindung 26 enden. Der Laserschweißer 20 und das zugeordnete Schweißsystem 30 werden im Kontext einer horizontalen Achse 12, einer vertikalen Achse 11 und einer dritten Achse 13 dargestellt, die orthogonal dazu vorsteht.
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In einer Ausführungsform und wie hierin beschrieben, beinhaltet der Werkstückstapel 25 ein erstes Werkstück 40, das auf einem zweiten Werkstück 50 angeordnet und in einer gestapelten Konfiguration angeordnet ist. Der Laserschweißer 20 kann betrieben werden, um Schweißen zu bewirken, um die Schweißnaht 26 in einer Ausführungsform zu erzeugen, wobei das Schweißen das mechanische und elektrische Verbinden der ersten und zweiten Werkstücke 40, 50 durch einen Verschmelzungsprozess einschließt. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform ist das erste Werkstück 40 als Batterielasche und das zweite Werkstück 50 als einzelne Batteriezellenfolie konfiguriert, die mit dem ersten Werkstück 40 verschweißt werden soll, wobei der Laserschweißer 20 betrieben werden kann, um dessen Verschweißen zu bewirken. In einer Ausführungsform ist das zweite Werkstück 50 als eine Vielzahl von gestapelten Batteriezellenfolien 50 mit einer insgesamt vordefinierten Dicke 55 konfiguriert. Die gestapelten Batteriezellenfolien 50 sind mit dem ersten Werkstück 40 durch Betätigen des Laserschweißers 20 zu verschweißen. Details, die sich auf den Betrieb des Laserschweißers 20 beziehen, werden unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. Der Ausdruck „erstes Werkstück 40“ wird austauschbar mit dem Ausdruck „Batterielasche 40“ in der gesamten Patentschrift verwendet. Ebenso wird der Begriff „zweites Werkstück 50“ austauschbar mit dem Begriff „Batteriezellenfolien 50“ in der gesamten Patentschrift verwendet.
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Die Batteriezellenfolien 50 sind Abschnitte von Elektroden einzelner Batteriezellen (nicht dargestellt), die als Anoden oder Kathoden für eine jeweilige Batteriezelle in einer Ausführungsform dienen. Die Batteriezellenfolien 50 können ganz oder teilweise aus Kupfer, Nickel oder vernickeltem Kupfer in einer Ausführungsform hergestellt sein, beispielsweise, wenn sie als Kathode konfiguriert sind. Alternativ können die Batteriezellenfolien 50 ganz oder teilweise aus einem anderen Material hergestellt sein. In einer Ausführungsform weist jede der Batteriezellenfolien 50 eine Dicke auf, die zwischen 0,005 Millimetern und 0,02 Millimetern liegt. Jede der Batteriezellenfolien 50 ist als planares Blatt konfiguriert, das eine erste Kante 51, eine erste Oberseite 52 und eine zweite Unterseite 53 einschließt. Jede der Batteriezellenfolien 50 schließt einen Abschnitt ein, der als Passfläche bezeichnet wird, d. h. einen Oberflächenabschnitt, der Teil der Schweißstelle 22 ist. Die eine der Batteriezellenfolien 50, die während des Schweißens an die Batterielasche 40 angrenzt, schließt einen Passflächenabschnitt ein, d. h. die Unterseite 53, die an einem entsprechenden Passflächenabschnitt 43 der Batterielasche 40 anliegt, wenn der Werkstückstapel 25 gebildet wird.
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Die Batterielasche 40 ist als planares Blatt einschließlich einer Kante 41, einer ersten Unterseite einschließlich eines Passflächenabschnitts 43 und einer zweiten Oberseite 44 konfiguriert, die der ersten Unterseite gegenüberliegt. Die Batterielasche 40 kann in einer Ausführungsform ganz oder teilweise aus Kupfer oder Aluminium hergestellt sein. Bei einer Ausführungsform weist die Batterielasche 40 eine Dicke 45 von 0,2 mm auf und ist aus nickelbeschichtetem Kupfer hergestellt. Die Batterielasche 40 kann auch andere Merkmale aufweisen, die für ihre mechanischen, elektrischen und Verpackungsfunktionen innerhalb einer Batterieanordnung relevant sind. Während der Batteriefertigung und -montage ist es sinnvoll, die Batterielasche 40 mechanisch und elektrisch mit der Vielzahl der Batteriezellenfolien 50 zu verbinden, um eine Stromübertragung zu bewirken.
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Der Werkstückstapel 25 schließt einen Stapel ein, der aus der Batterielasche 40 und einer Vielzahl der Batteriezellenfolien 50 zusammengesetzt ist, wie etwa auf eine in Bezug auf 1 gezeigte Art. In einer Ausführungsform sind zwanzig der Batteriezellenfolien 50 in dem Werkstückstapel 25 angeordnet. In dieser Ausführungsform sind die ersten Kanten 51 der Batteriezellenfolien 50 parallel angeordnet und so angeordnet, dass sie an eine zweite Ebene 64 angrenzen, die orthogonal zu einer ersten Ebene 63 ist, die durch die Vielzahl der gestapelten Batteriezellenfolien 50 definiert ist. Darüber hinaus schließt der Werkstückstapel 25 die Batterielasche 40 ein, die in Bezug auf die Vielzahl der Batteriezellenfolien 50 so angeordnet ist, dass die Batterielasche 40 über der Vielzahl der Batteriezellenfolien 50 mit einer vordefinierten Überlappung 62 positioniert ist. Die Überlappung 62 ist der Abschnitt des Werkstückstapels 25 zwischen der Kante 41 der Batterielasche 40 und den ersten Kanten 51 der Batteriezellenfolien 50. In einer Ausführungsform liegt die Überlappung 62 in der Größenordnung von 3-4 mm Breite, gemessen entlang der horizontalen Achse 12.
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Der Laserschweißer 20 und das zugehörige Schweißsystem 30 wirken auf den Werkstückstapel 25 ein, um die Batteriezellenfolien 50 durch Verschmelzung vorteilhaft mechanisch und elektrisch mit der Batterielasche 40 zu verbinden. Der Laserschweißer 20 ist eine Festkörpervorrichtung, die einen Laserstrahl 21 erzeugt, fokussiert und lenkt, einschließlich der vorteilhaften Anordnung, den Laserstrahl 21 auf die Oberseite 44 der Batterielasche 40 zu lenken, wenn der Werkstückstapel 25 im Schweißsystem 30 befestigt ist. In einer Ausführungsform kann der Laserschweißer 20 einen optischen Abtastlaserkopf einschließen, der an einem Roboterarm montiert ist (nicht dargestellt), um den Laserkopf als Reaktion auf programmierte Eingaben schnell und präzise zu vorgewählten Schweißstellen auf dem Werkstückstapel 25 zu führen. Der Laserstrahl 21 ist ein Festkörperlaserstrahl und insbesondere ein Faserlaserstrahl oder ein Plattenlaserstrahl, der mit einer Wellenlänge im Nahinfrarotbereich (allgemein zwischen 700 nm und 1400 nm) des elektromagnetischen Spektrums arbeitet. In einer Ausführungsform kann der Laserstrahl eine Glasfaser sein, die mit Elementen seltener Erdmetalle dotiert ist (z. B. Erbium, Ytterbium, Neodym, Dysprosium, Praseodym, Thulium usw.) oder ein Halbleiter, der einem Faserresonator zugeordnet ist. Alternativ kann ein Plattenlaserstrahl verwendet werden, der jeden Laserstrahl einschließt, bei dem das Verstärkungsmedium eine dünne Platte aus Ytterbiumdotiertem Yttrium-Aluminium-Granatkristall ist, der mit einer reflektierenden Oberfläche beschichtet und an einem Kühlkörper montiert ist. Der Laserstrahl 21 trifft auf die Oberseite 44 des Werkstückstapels 25 und leitet lokalisierte Wärme zum Schmelzschweißen ab.
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Eine grundlegende Eigenschaft eines Laserstrahls ist seine monochromatische Beschaffenheit (d. h. eine einzige Wellenlänge) und Richtungsabhängigkeit, die zu einer minimalen oder engen Divergenz des Strahls führt. So kann ein Laserstrahl sehr scharf fokussiert werden. Eine Kombination der hohen Leistungsdichte, Intensität und engen Brennweite eines Laserstrahls kann ein Schmelzen oder Verdampfen des Materials bewirken, auf das der Laserstrahl 21 auftrifft. Der Laserstrahl 21 wird von einem Strahlgenerator des Laserschweißers 20 über Strahlführung mittels Spiegel- oder Glasfasertechnologie an optische Verarbeitungsvorrichtungen geleitet. Die Verarbeitungsoptik konzentriert den Laserstrahl und fokussiert ihn, wobei Brennweiten an den jeweiligen Prozess angepasst werden.
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Der Begriff „Steuereinheit“ und zugehörige Begriffe wie Steuermodul, Modul, Steuerung, Steuereinheit, Prozessor und ähnliche Begriffe beziehen sich auf eine oder verschiedene Kombinationen von anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASIC), elektronischen Schaltungen, zentralen Verarbeitungseinheiten, z. B. Mikroprozessoren und zugeordneten nichttransitorischen Speicherkomponenten in Form von Speichervorrichtungen (Festwertspeicher, programmierbarer Festwertspeicher, Speicher mit wahlfreiem Zugriff, Festplattenlaufwerk usw.). Die nichttransitorische Speicherkomponente ist zum Speichern von maschinenlesbaren Anweisungen in Form von einem oder mehreren Software- oder Firmware-Programmen oder Routinen, kombinatorischen Logikschaltungen, Eingangs-/Ausgangsschaltungen und Vorrichtungen, Signalkonditionierungs- und Pufferschaltungen und anderen Komponenten zu speichern, auf die ein oder mehrere Prozessoren zugreifen können, um eine beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Ein-/Ausgabeschaltung(en) und Vorrichtungen schließen Analog-Digital-Wandler und zugehörige Vorrichtungen ein, die Eingänge von Sensoren überwachen, wobei diese Eingänge mit einer voreingestellten Abtastfrequenz oder als Reaktion auf ein auslösendes Ereignis überwacht werden. Software, Firmware, Programme, Anweisungen, Steuerroutinen, Code, Algorithmen und ähnliche Begriffe bedeuten von einer Steuereinheit ausführbare Befehlssätze, die Kalibrierungen und Nachschlagetabellen einschließen können. Die Kommunikation schließt das Austauschen von Datensignalen in geeigneter Form ein, einschließlich beispielsweise elektrischer Signale über ein leitfähiges Medium, elektromagnetischer Signale über Luft, optischer Signale über Lichtwellenleiter und dergleichen. Die Datensignale können diskrete, analoge oder digitalisierte analoge Signale beinhalten, die Eingänge von Sensoren, Aktuatorbefehle und die Kommunikation zwischen Steuereinheiten darstellen. Der Begriff „Signal“ bezieht sich auf einen physikalisch erkennbaren Indikator, der Informationen vermittelt und eine geeignete Wellenform (z. B. elektrisch, optisch, magnetisch, mechanisch oder elektromagnetisch) sein kann, wie Gleichstrom, Wechselstrom, Sinuswelle, Dreieckwelle, Rechteckwelle, Vibration und dergleichen, die in der Lage ist, durch ein Medium zu wandern.
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Der Laserschweißer 20 ist konfiguriert, um sich relativ zum Schweißsystem 30 zu bewegen, einschließlich des Durchfahrens einer gewünschten Schweißbahn 24, die auf einer Oberseite 44 des ersten Werkstücks 40 angeordnet ist, die parallel zur dritten Achse 13 und orthogonal zur horizontalen Achse 12 und zur vertikalen Achse 11 verläuft. Der Laserschweißer 20 erzeugt einen Laserstrahl 21, der auf die Oberseite 44 des Werkstückstapels 25 entlang der Schweißbahn 24 aufgebracht wird, der durch einen linearen Weg zwischen dem ersten Ende 23 des Werkstückstapels 25 und einem zweiten Ende (nicht dargestellt) des Werkstückstapels 25 in einer Ausführungsform definiert ist. Der Laserstrahl 21 wird auf die Oberseite 44 von der Batterielasche 40 bei einem vorgegebenen Abstand von den ersten Kanten 51 der Batteriezellenfolien 50 gerichtet.
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Das Schweißsystem 30 schließt in einer Ausführungsform einen Mechanismus 31 ein, der aus einem Amboss 32, einer ersten Klemme 33 und einer zweiten Klemme 34 besteht, die vorteilhaft angeordnet sind, um Druckkräfte auf die Batterielasche 40 und die Vielzahl der Batteriezellenfolien 50 auszuüben, um den Werkstückstapel 25 mechanisch zu klemmen und somit in Position zu halten, um ein Schmelzschweißen mit dem Laserschweißer 20 durchzuführen. Ein Schlitz 65 wird durch die Trennung der ersten und zweiten Klemmen 33, 34 gebildet und befindet sich ebenfalls im Amboss 32. Der Schlitz 65 ist parallel zur gewünschten Schweißbahn 24 und weist eine Breite in horizontaler Richtung auf, die in der Größenordnung von 2 mm liegt. In einer Ausführungsform und wie dargestellt, überlappt die Batterielasche 40 die Vielzahl von Batteriezellenfolien 50, sodass sowohl die Batterielasche 40 als auch die Vielzahl von Batteriezellenfolien 50 zwischen der ersten Klemme 33 und dem Amboss 32 eingespannt sind, und sowohl die Batterielasche 40 als auch die Vielzahl von Batteriezellenfolien 50 zwischen der zweiten Klemme 34 und dem Amboss 32 eingespannt sind. Kupfer, aus dem die Batterielasche 40 hergestellt werden kann, weist physikalische Eigenschaften auf, die ein geringes Absorptionsvermögen eines Faserlaserstrahls, eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine niedrige Viskosität im geschmolzenen Zustand einschließen. Eine physikalische Eigenschaft von Kupfer ist, dass sein Oberflächenabsorptionsvermögen nach dem Schmelzen tendenziell zunimmt. Kupfer weist einen Schmelzpunkt von 1084 °C, einen Siedepunkt von 2927 °C, eine Wärmeleitfähigkeit im Fahrzeug von 401 W/m-K, eine spezifische Wärme von 0,38 J/g-K, eine Schmelzwärme von 13,05 kJ/mol und eine Verdampfungswärme von 300,3 kJ/mol auf.
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3 zeigt grafisch die Größe der Absorptionsfähigkeit, dargestellt mit Bezug auf die vertikale Achse 304, für eine Vielzahl von Materialien in Bezug auf die Wellenlänge (µm), dargestellt mit Bezug auf die horizontale Achse 302. Dazu gehört eine Wellenlänge, die einem Direkt-Diodenlaser 310, einem Faserlaser 311, einem Nd:YAG-Laser 312 und einem CO2-Laser 313 zugeordnet ist. Materialien schließen Aluminium (Al), Silber (Ag), Gold (Au), Kupfer (Cu), Molybdän (Mo), Edelstahl und Flussstahl ein. Das Absorptionsvermögen von Kupfer ist bei den Wellenlängen, die den aufgelisteten Lasern zugeordnet sind, kleiner als 0,05, wie gezeigt.
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2 zeigt schematisch einen Schweißprozess 200 zum Verbinden eines ersten Werkstücks mit einem zweiten Werkstück unter Verwendung einer Ausführungsform des Laserschweißsystems 20, das unter Bezugnahme auf 1 gezeigte Art. Der Schweißprozess 200 schließt, als ein nicht einschränkendes Beispiel, das Verbinden der Elemente des Werkstückstapels 25 ein, das unter Bezugnahme auf 1 beschrieben wird, die die Batterielasche 40 einschließt, die über die Vielzahl von Batteriezellenfolien 50 an der vordefinierten Überlappung 62 gestapelt und zwischen dem Amboss 32 und jeder der ersten und zweiten Klemmen 33, 34 in einer Weise eingespannt ist, die die Bildung des Schlitzes 65 einschließt.
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Der Schweißprozess 200 beinhaltet das Bestimmen einer Größe des Absorptionsvermögens des Abschnitts des Werkstückstapels 25, der dem Laserstrahl 21 von der Oberseite 44 des oberen Werkstücks 40 ausgesetzt ist, d. h. des ersten Werkstücks in Form der Batterielasche 40 (Schritt 202). Eine fertige Kupferoberfläche weist ein sehr geringes Absorptionsvermögen von Faserlaserstrahlen auf. Jedoch ist eine hohe Laserleistung erforderlich, um Wärme zum Verschweißen der Batterielasche mit Folien zu leiten, was Spritzer und Blasen in der Schweißnaht induzieren kann. Lokal begrenzte Materialhohlräume, die sich als Spalten zwischen den Schichten im Werkstückstapel und/oder als Hohlräume in einem oder mehreren der Werkstücke manifestieren können, können die Lebensdauer der Schweißverbindung und damit die Lebensdauer des Bauteils, das die Schweißverbindung einschließt, beeinflussen.
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Der Betrieb des Laserschweißers 20 wird gesteuert, um einen ersten Laserstrahl zu erzeugen, während koinzident der Laserschweißer 20 gesteuert wird, um die gewünschte Schweißbahn 24 auf der Oberseite 44 des ersten Werkstücks 40 zu durchlaufen (Schritt 204). Das Erzeugen des ersten Laserstrahls schließt das Betreiben des Laserschweißers 20 im gepulsten Betrieb und auf einer ersten Leistungsstufe ein, während koinzident der Laserschweißer 20 gesteuert wird, um die gewünschte Schweißbahn 24 auf der Oberseite 44 des ersten Werkstücks 40 zu durchlaufen. In einer Ausführungsform schließt der gepulste Betrieb den Betrieb des Laserschweißers 20 mit einem Lastverhältnis von 50 % EIN/AUS ein. In einer Ausführungsform beinhaltet der gepulste Betrieb den Betrieb des Laserschweißers 20 bei einer Laserleistungsstufe von 4200 W bei einem Lastverhältnis mit einer wiederholt ausgeführten 0,5-ms-EINschaltzeit/0,5-ms-AUSschaltzeit. In einer Ausführungsform wird der Laserstrahl auf einen Defokussierungsabstand oder Fokuspunkt von -1,5 mm gesteuert, d. h. auf einen Defokussierungsabstand, der 1,5 mm unter der Oberseite 44 des ersten Werkstücks 40 liegt, mit einem zugehörigen Strahlpunktdurchmesser von 0,6 mm. Die hierin angegebenen exemplarischen Laserleistungsstufen und Lastverhältnisse können speziell für die Verwendung mit Kupfer ausgewählt und basierend auf den physikalischen Eigenschaften der ausgewählten Materialien für die vom Laserschweißer 20 zu verschweißenden Werkstücke angepasst werden. Der gepulste Betrieb, einschließlich der Laserleistungsstufe und des Lastverhältnisses, sind veranschaulichende Beispiele, die basierend auf der Größe des Absorptionsvermögens der Oberseite 44 des ersten Werkstücks 40, das dem Laserstrahl 21 ausgesetzt ist, ausgewählt werden, um seine Oberflächenbedingung, insbesondere sein Absorptionsvermögen und/oder sein Reflexionsvermögen, zu ändern.
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Der Betrieb des Laserschweißers 20 wird gesteuert, um einen zweiten Laserstrahl zu erzeugen, während koinzident der Laserschweißer 20 gesteuert wird, um die gewünschte Schweißbahn 24 auf der Oberseite 44 des ersten Werkstücks 40 zu durchlaufen (Schritt 206). Das Erzeugen des zweiten Laserstrahls schließt das Betreiben des Laserschweißers 20 im Dauerbetrieb und auf einer zweiten Leistungsstufe ein, während koinzident der Laserschweißer 20 gesteuert wird, um die gewünschte Schweißbahn 24 auf der Oberseite 44 des ersten Werkstücks 40 zu durchlaufen. Der Dauerbetrieb schließt den Betrieb des Laserschweißers 20 mit einem Lastverhältnis von 100 % EIN ein. In einer Ausführungsform schließt der Dauerbetrieb den Betrieb des Laserschweißers 20 mit einer Laserleistungsstufe von 3800 W mit einem Lastverhältnis von 100 % EIN ein. In einer Ausführungsform wird der Laserstrahl auf einen Defokussierungsabstand oder Fokuspunkt von -1,5 mm gesteuert, d. h. auf einen Defokussierungsabstand, der 1,5 mm unter der Oberseite 44 des ersten Werkstücks 40 liegt, mit einem zugehörigen Strahlpunktdurchmesser von 0,6 mm.
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Der Dauerbetrieb, einschließlich der Laserleistungsstufe, ist ein veranschaulichendes Beispiel, das basierend auf den physikalischen Eigenschaften des ersten Werkstücks 40 und des zweiten Werkstücks 50 ausgewählt wird, die der Wärme des Laserstrahls 21 ausgesetzt sind, um ihre Zustände zu ändern, insbesondere vom festen Zustand in den geschmolzenen oder flüssigen Zustand, mit einer Einschränkung, die so gewählt wurde, dass ein Verdampfungszustand vermieden wird, der zur Erzeugung von Hohlräumen in der Schweißbahn 24 führen kann. Daher können die hierin angegebenen exemplarischen Laserleistungsstufen speziell für die Verwendung mit Kupfer ausgewählt und basierend auf den physikalischen Eigenschaften der ausgewählten Materialien für die vom Laserschweißer 20 zu verschweißenden Werkstücke angepasst werden. Der Dauerbetrieb (Schritt 206) wird vorteilhaft durchgeführt, wobei sich der Laserstrahl 21 auf einer Leistungsstufe befindet, die niedriger ist als die dem gepulsten Betrieb (Schritt 204) zugeordnete Leistungsstufe.
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Wenn der Werkstückstapel eine Vielzahl von Batteriezellenfolien einschließt, die mit einer Batterielasche verschweißt sind, kann das Auftreten von lokal begrenzten Materialhohlräumen die elektrische Leitfähigkeit zwischen einer oder mehreren der Batteriezellenfolien und der Batterielasche beeinträchtigen. Die hierin beschriebenen Konzepte, einschließlich der Anordnungen der Werkstückstapel und der zugehörigen Laserschweißverfahren, die den hierin beschriebenen Vorschweißschritt mit gepulster Laserleistung einschließt, können den Oberflächenzustand eines Kupferblechs verändern, um die Absorption von Laserenergie während eines nachfolgenden Laserschweißprozesses zu erleichtern und das Auftreten von lokalisierten Materialhohlräumen und/oder -spalten zu reduzieren, wodurch die Teil-zu-Teil-Variabilität reduziert, konstruktionsorientierte Leitfähigkeitsniveaus erreicht und die Lebensdauer verbessert werden.
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Die detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren sind unterstützend und beschreibend für die vorliegenden Lehren, aber der Schutzumfang der vorliegenden Lehren wird ausschließlich durch die Ansprüche definiert. Während einige der besten Modi und andere Ausführungsformen für die Durchführung der vorliegenden Lehren detailliert beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen für die Ausübung der in den beiliegenden Ansprüchen definierten vorliegenden Lehren.
