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Die Erfindung betrifft ein Schweißverfahren und eine Anordnung eines Leiters auf einem Werkstück.
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Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, Leiter mit einem Werkstück zu verschweißen. Dabei kann es vorgesehen sein, dass der Leiter eine oder mehrere Adern aufweist, wobei die eine oder die mehreren Adern von einem Isolationsmaterial umschlossen sind. Um den Leiter mit einem Werkstück zu verschweißen, wird der Leiter in einem Bereich abisoliert, also das Isolationsmaterial entfernt. Anschließend wird der Leiter im abisolierten Bereich auf das Werkstück gedrückt, beispielsweise mittels Niederhaltern. Bei einem mehradrigen Leiter kann es sein, dass hierzu mehrere Leitbereiche im Werkstück angeordnet sind, die gegeneinander isoliert sind. Nach dem Niederdrücken des Leiters auf das Werkstück steht mindestens eine Ader des Leiters mit entweder dem Werkstück oder zumindest einem Leitbereich des Werkstücks in mechanischem Kontakt und kann nun mittels eines Laserschweißverfahrens mit dem Werkstück verschweißt werden.
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Aufgrund einer durch das Isolationsmaterial vorgegebenen Beabstandung des Leiters vom Werkstück muss das Niederhalten des Leiters derart erfolgen, dass die Ader oder die Adern des Leiters mit einem gewissen Kraftaufwand gegen das Werkstück gedrückt werden. Die Niederhalter müssen hierzu ausgerüstet sein und können aus diesem Grund auch nur im abisolierten Bereich des Leiters zur Anwendung kommen.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Schweißverfahren bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine entsprechend verschweißte Anordnung eines Leiters auf einem Werkstück bereitzustellen.
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Diese Aufgaben werden mit dem Verfahren zum Schweißen eines Leiters auf ein Werkstück und der Anordnung eines Leiters auf einem Werkstück der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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In einem Verfahren zum Schweißen eines Leiters auf ein Werkstück, weist der Leiter ein erstes Metall und das Werkstück ein zweites Metall auf. Um den Leiter mit dem Werkstück zu verschweißen, werden die folgenden Schritte durchgeführt. Zunächst wird eine Isolierung des Leiters auf einer vorgegebenen Länge entfernt. Anschließend wird eine Sicke in einem abisolierten Bereich des Leiters erzeugt. Der abisolierte Bereich des Leiters kann dabei der Bereich des Leiters sein, bei dem die Isolierung entfernt wurde.
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Anschließend wird der Leiter auf dem Werkstück niedergehalten, wobei durch das Niederhalten ein mechanischer Kontakt in einem Schweißbereich zwischen dem Leiter und dem Werkstück erzeugt wird. Der Schweißbereich ist dabei im Bereich der Sicke angeordnet. Anschließend erfolgt ein Laserschweißen des Leiters auf das Werkstück im Schweißbereich.
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Der Erfindung liegt also der Kerngedanke zugrunde, mittels einer im Leiter erzeugten Sicke, die im abisolierten Bereich des Leiters angeordnet ist, einen Abstand zwischen dem Leiter und dem Werkstück zu verringern, indem das notwendige Verformen des Leiters bereits während des Formens der Sicke erfolgt und nicht erst durch das Niederhalten. Die Sicke kann dabei derart ausgestaltet sein, dass aufgrund der Sicke eine Wölbung des Leiters in Richtung des Werkstücks erzeugt wird und dadurch der Abstand zwischen Leiter und Werkstück verringert wird. Es kann vorgesehen sein, dass während des Niederhaltens des Leiters eine weitere, zusätzlich zur Sicke auftretende Verformung des Leiters erfolgt. Insbesondere kann das Schweißverfahren verbessert werden, wenn ein Nullspalt erzeugt wird, der Leiter also direkt auf dem Werkstück aufliegt.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens weist das Werkstück mehrere Leitbereiche auf. Der Leiter ist Teil eines mehradrigen Leiters, wobei während des Schweißverfahrens an allen Adern des mehradrigen Leiters eine Isolierung entfernt wird und bei allen Adern des mehradrigen Leiters eine Sicke geformt wird. Im anschließenden Laserschweißverfahren werden die Adern jeweils mit einem Leitbereich nacheinander verschweißt.
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Dadurch wird ein effizientes Verfahren zum Verschweißen eines mehradrigen Leiters mit Leitbereichen eines Werkstücks ermöglicht, wie es beispielsweise in der Batterieherstellung zur Anwendung kommt.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Leiter nach dem Laserschweißen in einem weiteren Schweißbereich mit dem Werkstück mittels Laserschweißen verschweißt. Der Leiter oder im Falle des mehradrigen Leiters jede Ader wird also jeweils in einem Schweißbereich und einem weiteren Schweißbereich mit dem Werkstück verschweißt, um eine sicherere Schweißverbindung bereitzustellen.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Formen der Sicke derart, dass während des Niederhaltens der Leiter zunächst im Schweißbereich aufliegt und im weiteren Schweißbereich nicht aufliegt. Durch die thermische Ausdehnung des Leiters während des Laserschweißens im Schweißbereich wird der Leiter derart verformt, dass der Leiter anschließend im weiteren Schweißbereich aufliegt und dort ebenfalls mit dem Werkstück verschweißt werden kann. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Sicke derart ausgestaltet ist, dass der Leiter im Schweißbereich aufgrund der Sicke näher am Werkstück angeordnet ist als im weiteren Schweißbereich, der Leiter das Werkstück insbesondere im Schweißbereich berührt und im weiteren Schweißbereich nicht.
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Dadurch kann die thermische Ausdehnung des Leiters während des Laserschweißens ebenfalls genutzt werden, um insgesamt ein noch vorteilhafteres Aufliegen des Leiters auf dem Werkstück zu erzielen.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens ist der Leiter ein Flachleiter mit einem rechteckigen Querschnitt. Ein solcher Leiter eignet sich besonders gut für das beschriebene Schweißverfahren.
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In einer Ausführungsform erfolgt das Niederhalten in einem abisolierten Bereich des Leiters. Dies kann beispielsweise mittels eines Niederhalters erfolgen, der den Leiter im Schweißbereich berührt und auf das Werkstück niederhält. Alternativ kann das Niederhalten beispielsweise auch durch einen im abisolierten Bereich auftreffenden Luftstrom erfolgen.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Niederhalten außerhalb des abisolierten Bereichs. Dies kann beispielsweise ebenfalls mittels eines Niederhalters oder mit einem Luftstrom erfolgen. Es kann auch vorgesehen sein, beispielsweise einen Niederhalter im abisolierten Bereich und einen Niederhalter im nicht-abisolierten Bereich des Leiters zu verwenden. Wird der Leiter außerhalb des abisolierten Bereichs niedergehalten, so kann dadurch eine Größe des abisolierten Bereichs verringert werden.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Laserschweißen im Schweißbereich mittels mehrerer Schweißpunkte. Gleiches kann auch im weiteren Schweißbereich gelten. Beim Laserschweißen ist es generell üblich, mehrere Schweißpunkte an einer Schweißstelle zu setzen, beispielsweise spiralförmig. Durch die Sicke kann dies im beschriebenen Schweißverfahren sehr effizient gestaltet werden, da beispielsweise keine Niederhalter in der Nähe des Schweißbereichs notwendig sind.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens stimmt eine Tiefe der Sicke im Wesentlichen mit einer Dicke der Isolierung überein. Insbesondere stimmt die Tiefe der Sicke mit der Dicke der Isolierung überein. Dadurch berührt der Leiter im Schweißbereich das Werkstück, wenn er ansonsten mit der Isolierung auf dem Werkstück aufliegt und die Sicke derart ausgestaltet ist, dass eine dadurch ausgelöste Versetzung des Leiters dem Werkstück zugewandt ist. Diese Ausgestaltung eignet sich besonders gut für das Niederhalten des Leiters auf der Isolierung beziehungsweise das Niederhalten des Leiters mittels eines Luftstroms.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Formen der Sicke mittels Gesenkschmieden. Dabei wird der Leiter in ein Werkzeug eingelegt, welches mindestens zwei Formen aufweist, wobei mittels eines Schmiedevorgangs die Sicke im Leiter erzeugt wird. Dies ermöglicht ein einfaches und effizientes Herstellungsverfahren der Sicke, wobei durch das beim Gesenkschmieden verwendete Werkzeug eine gute Reproduzierbarkeit des Schmiedeergebnisses möglich ist.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens weist das erste Metall Aluminium oder Kupfer auf beziehungsweise besteht aus Aluminium oder Kupfer. In einer Ausführungsform des Verfahrens weist das zweite Metall Aluminium auf beziehungsweise ist das erste Metall Aluminium. Insbesondere diese genannten Materialien eignen sich gut für die Anwendung des vorgeschlagenen Laserschweißverfahrens. Als Laser kann beim Laserschweißverfahren jede zur stimulierten Emission fähige Lichtquelle verwendet werden, deren Energie und/oder Leistung und/oder Wellenlänge geeignet ist, die zu verschweißenden Metalle miteinander zu verschweißen. Solche geeigneten Laserschweißverfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt.
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Die Erfindung umfasst ferner eine Anordnung eines Leiters auf einem Werkstück, wobei der Leiter ein erstes Metall aufweist und das Werkstück ein zweites Metall aufweist. Der Leiter und das Werkstück sind in einem Schweißbereich verschweißt, wobei der Leiter im Schweißbereich abisoliert ist und eine Sicke aufweist. Eine solche Anordnung eines mit einem Werkstück verschweißten Leiters kann mittels des erfindungsgemäßen Schweißverfahrens einfach erzeugt werden. Durch die Sicke wird deutlich, dass das erfindungsgemäße Schweißverfahren angewendet wurde.
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In einer Ausführungsform der Anordnung stimmt eine Tiefe der Sicke im Wesentlichen mit einer Dicke einer außerhalb des Schweißbereichs vorhandenen Isolierung des Leiters überein. Dies ermöglicht die besonders einfache Herstellung der Anordnung.
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Die Aufgabe der Erfindung, die technische Umsetzung der Lösung und die Vorteile der Erfindung werden deutlich anhand der Ausführungsbeispiele, die im Folgenden unter Zuhilfenahme von Figuren beschrieben werden sollen. Dabei zeigen in schematisierter Darstellung
- 1 einen Leiter am Ausgangspunkt eines Schweißverfahrens;
- 2 den Leiter nach einem Abisolieren;
- 3 den Leiter nach dem Einlegen in ein Werkzeug;
- 4 den Leiter nach dem Formen einer Sicke;
- 5 den Leiter nach einem Niederhalten und während eines Schweißvorgangs;
- 6 einen abisolierten mehradrigen Leiter;
- 7 einen mehradrigen Leiter mit Sicken;
- 8 einen mehradrigen Leiter nach dem Schweißen;
- 9 einen weiteren niedergehalten Leiter; und
- 10 einen niedergehaltenen Leiter während des Schweißvorgangs.
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1 zeigt einen Querschnitt durch einen Leiter 1. Der Leiter 1 weist dabei ein erstes Metall 2 auf. Eine Isolierung 5 ist derart am ersten Metall 2 des Leiters 1 angebracht, dass die Isolierung 5 das erste Metall 2 isoliert.
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2 zeigt den Leiter 1, nachdem die Isolierung 5 des Leiters 1 auf einer vorgegebenen Länge 6 entfernt wurde. Durch das Entfernen der Isolierung 5 auf der vorgegebenen Länge 6 ist ein Teil des ersten Metalls 2 des Leiters 1 freigelegt.
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Dieser freigelegte Bereich kann auch als abisolierter Bereich 7 bezeichnet werden.
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3 zeigt den Leiter 1 der 1 und 2 nach dem Einlegen in ein Formwerkzeug 8. Das Formwerkzeug 8 weist dabei ein Unterteil 9 und ein Oberteil 10 auf. Das Formwerkzeug 8 dient dazu, im abisolierten Bereich 7 des Leiters 1 eine Sicke zu formen, indem das Oberteil 10 des Formwerkzeugs 8 auf das Unterteil 9 zu bewegt wird.
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4 zeigt den Leiter 1, nachdem das Oberteil 10 des Formwerkzeugs 8 auf das Unterteil 9 des Formwerkzeugs 8 zu bewegt wurde und im Leiter 1 eine Sicke 11 erzeugt wurde. Dies erfolgt beispielsweise durch Pressen des Oberteils 10 auf das Unterteil 9. In einem Ausführungsbeispiel erfolgt das Formen der Sicke 11 mittels Gesenkschmieden, wobei das Formwerkzeug 8 dann ein Gesenkschmiedewerkzeug ist.
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Aufgrund der Sicke 11 ist der Leiter 1 im abisolierten Bereich 7 in seiner Lage verschoben. Dabei kann es vorgesehen sein, dass eine Tiefe 12 der Sicke 11 mit einer Dicke 13 der Isolierung 5 im Wesentlichen übereinstimmt. In alternativen, hier nicht gezeigten, Ausführungsbeispielen stimmt die Tiefe 12 der Sicke 11 nicht mit der Dicke 13 der Isolierung 5 überein.
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5 zeigt den Leiter 1 der 4, nachdem er aus dem Formwerkzeug 8 entfernt wurde. Mittels Niederhaltern 14 ist der Leiter 1 auf einem Werkstück 3 niedergehalten. Das Werkstück 3 weist dabei ein zweites Metall 4 auf. In einem Schweißbereich 15 wird mittels Laserstrahlung 16 das erste Metall 2 des Leiters 1 mit dem zweiten Metall 4 des Werkstück 3 verschweißt. Durch die Sicke 11 müssen die Niederhalter 14 dabei eine geringere Kraft auf den Leiter 1 ausüben wie bei den aus dem Stand der Technik bekannten Schweißverfahren, da aufgrund der Sicke 11 das erste Metall 2 des Leiters 1 bereits auf dem zweiten Metall 4 des Werkstücks 3 im Wesentlichen aufliegt, also im Wesentlichen einen Nullspalt bildet. Dies gilt insbesondere im Schweißbereich 15.
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Der Leiter 1 und das Werkstück 3 bilden eine Anordnung 21 eines Leiters 1 und eines Werkstücks 3, wobei der Leiter 1 ein erstes Metall 2 und das Werkstück 3 ein zweites Metall 4 aufweist, wobei der Leiter 1 und das Werkstück 3 in einem Schweißbereich 15 verschweißt sind und der Leiter 1 im Schweißbereich 15 abisoliert ist und eine Sicke 11 aufweist.
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Dabei kann es analog zu 4 vorgesehen sein, dass eine Tiefe 12 der Sicke 11 im Wesentlichen mit einer Dicke 13 der Isolierung 5 außerhalb des abisolierten Bereichs 7 des Leiters 1 übereinstimmt.
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6 zeigt einen mehradrigen Leiter 1 in einer Draufsicht. In einer Isolierung 5 sind jeweils drei Adern 17 abisoliert, wobei aufgrund der Abisolierung der Adern 17 das erste Metall 2 der Adern 17 sichtbar ist. Im Querschnitt kann dies der Darstellung der 2 entsprechen, wobei die Adern 17 hintereinander angeordnet und deswegen nur einmal sichtbar sind.
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7 zeigt den Leiter 1 der 6, nachdem in jeder Ader 17 eine Sicke 11 geformt wurde. Dies kann analog zu dem in den 3 und 4 beschriebenen Verfahren mittels Formwerkzeug 8, beispielsweise mittels Gesenkschmieden, erfolgen.
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8 zeigt den Leiter 1 der 7, nachdem er auf ein Werkstück 3 aufgesetzt wurde, in der Draufsicht. Mittels nicht-gezeigten Niederhaltern kann der Leiter 1 analog zur 5 auf dem Werkstück 3 niedergehalten werden. Das Werkstück 3 weist dabei drei Leitbereiche 19 auf, wobei jeder Ader 17 ein Leitbereich 19 zugeordnet ist. Aufgrund der Sicken 11 der Adern 17 kann es, analog zur 5, vorgesehen sein, dass die Adern 17 auf den Leitbereichen 19 aufliegen. Jede Ader 17 weist einen Schweißbereich 15 auf, an dem der Leiter 1 beziehungsweise die Ader 17 des Leiters 1 mit dem Werkstück 3 beziehungsweise dem Leitbereich 19 des Werkstücks 3 analog zur 5 mittels Laserstrahlung 16 verschweißt wird. Ferner weisen die Adern 17 jeweils einen weiteren Schweißbereich 18 auf, der ebenfalls im Bereich der Sicke 11 im abisolierten Bereich 7 angeordnet ist und an dem die Adern 17 ebenfalls mit den Leitbereichen 19 verschweißt werden können.
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Analog ist es auch denkbar, den Leiter 1 der 5 in einem weiteren Schweißbereich 18 zusätzlich mit dem Werkstück 3 zu verschweißen.
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Der Leiter 1 und das Werkstück 3 bilden dabei wieder eine Anordnung 21 eines Leiters 1 auf einem Werkstück 3, bei der der Leiter 1 mit dem Werkstück 3 verschweißt ist. Insbesondere ist jede Ader 17 des Leiters 1 mit einem Leitbereich 19 des Werkstücks 3 verschweißt. Sind die Leitbereiche 19 des Werkstücks 3 gegeneinander isoliert, können so verschiedene Kontaktierungen, beispielsweise einer Batterie, bereitgestellt werden.
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9 zeigt einen Querschnitt durch einen weiteren mittels Niederhaltern 14 auf einem Werkstück 3 niedergehaltenen Leiters 1. Im Gegensatz zur 5 ist der Leiter 1 in 9 mittels der Niederhalter 14 im Bereich der Isolierung 5, also außerhalb des abisolierten Bereichs 7 beziehungsweise der Sicke 11 niedergehalten. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn die Tiefe 12 der Sicke 11 mit der Dicke 13 der Isolierung 5, wie bereits beschrieben, übereinstimmt, da trotzdem ein mechanischer Kontakt zwischen erstem Metall 2 des Leiters 1 und zweitem Metall 4 des Werkstücks 3 möglich ist. Nun kann das erste Metall 2 des Leiters 1 im Schweißbereich 15 mit dem zweiten Metall 4 des Werkstücks 3 mittels Laserstrahlung 16 verschweißt werden. Sind mehrere Adern 17 vorgesehen, wie beispielsweise in den 6 bis 8 gezeigt, so kann jede der Adern 17 mittels dieses Verfahrens an einem entsprechenden Leitbereich 19 des Werkstücks 3 verschweißt werden.
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In einem weiteren Schweißbereich 18 ist die Sicke 11 derart ausgestaltet, dass ein Abstand 20 zwischen dem ersten Metall 2 des Leiters 1 und dem zweiten Metall 4 des Werkstücks 3 vorliegt. Wird während des Einwirkens der Laserstrahlung 16 das erste Metall 2 aufgrund der Laserstrahlung 16 erwärmt, so dehnt sich das erste Metall 2 aus.
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10 zeigt den Leiter 1 und das Werkstück 3 der 9, nachdem im Schweißbereich 15 das erste Metall 2 mit dem zweiten Metall 4 verschweißt wurde und sich aufgrund der einwirkenden Laserstrahlung 16 das erste Metall 2 ausgedehnt hat. Durch die Ausdehnung liegt das erste Metall 2 des Leiters 1 nun auch im weiteren Schweißbereich 18 auf dem Werkstück 3 auf und kann hier ebenfalls mittels Laserstrahlung 16 mit dem Werkstück 3 verschweißt werden. Der Leiter 1 und das Werkstück 3 bilden wiederum eine Anordnung 21 wie bereits oben beschrieben.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Leiter 1 einen Flachleiter mit einem rechteckigen Querschnitt aufweist. Insbesondere können die Adern 17 Flachleiter mit einem rechteckigen Querschnitt sein, wodurch das Aufliegen des Leiters 1 beziehungsweise der Adern 17 auf dem Werkstück 3 verbessert wird.
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In 5 ist das Niederhalten des Leiters 1 mittels der Niederhalter 14 im abisolierten Bereich 7 der Sicke 11 gezeigt. In den 9 und 10 sind die Niederhalter 14 derart angeordnet, dass das Niederhalten auf der Isolierung 5 erfolgt. Es ist auch die Kombination denkbar, dass einer der Niederhalter 14 den Leiter 1 im Bereich der Sicke 11 beziehungsweise des abisolierten Bereichs 7 niederhält, während der andere Niederhalter 14 den Leiter 1 im Bereich der Isolierung 5 niederhält. Ferner ist es alternativ ebenfalls denkbar, weniger oder mehr Niederhalter 14 vorzusehen, beispielsweise nur einen Niederhalter oder drei Niederhalter. Anstelle der Niederhalter 14 kann auch ein Luftstrom verwendet werden, mittels welchem der Leiter 1 auf das Werkstück 3 gedrückt wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass im Schweißbereich 15 oder im weiteren Schweißbereich 18 das erste Metall 2 mit dem zweiten Metall 4 mittels jeweils mehrerer Schweißpunkte, also mittels jeweiligen mehrfachen Einwirkens der Laserstrahlung 16, miteinander verschweißt wird. Die Schweißpunkte können beispielsweise kreuz- oder spiralförmig angeordnet sein. Die Laserstrahlung 16 kann dabei jede für das Verschweißen des ersten Metalls 2 und des zweiten Metalls 4 geeignete Laserstrahlung sein.
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Ein Querschnitt des ersten Metalls 2 des Leiters 1, beziehungsweise auch der Adern 17 des Leiters 1, kann dabei 1 Millimeter auf 0,2 Millimeter sein. Dies bedeutet, dass in der Darstellung der 1 bis 5 beziehungsweise 9 und 10 eine Dicke des ersten Metalls 2 von 0,2 Millimetern dargestellt ist und die Adern 17 der 6 bis 8 in ihrer Breite von 1 Millimeter dargestellt sind.
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Die Dicke 13 der Isolierung 5 kann zwischen 0,1 und 0,5 Millimeter betragen, beispielsweise 0,3 Millimeter. Die Tiefe 12 der Sicke 11 kann dann ebenfalls in diesem Bereich liegen und beispielsweise 0,3 Millimeter betragen.
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Es kann vorgesehen sein, dass das erste Metall 2 Kupfer oder Aluminium aufweist, Kupfer oder Aluminium ist oder eine laserschweißbare Legierung der genannten Metalle aufweist. Das zweite Metall 4 kann Aluminium oder eine laserschweißbare Legierung mit Aluminium aufweisen.
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Obwohl die Erfindung detailliert durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und illustriert wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Andere Variationen können hieraus und aus der Erfindungsbeschreibung abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leiter
- 2
- erstes Metall (des Leiters)
- 3
- Werkstück
- 4
- zweites Metall (des Werkstücks)
- 5
- Isolierung
- 6
- (vorgegebene) Länge
- 7
- (abisolierter) Bereich
- 8
- Formwerkzeug
- 9
- Unterteil (des Formwerkzeugs)
- 10
- Oberteil (des Formwerkzeugs)
- 11
- Sicke
- 12
- Tiefe (der Sicke)
- 13
- Dicke (der Isolierung)
- 14
- Niederhalter
- 15
- Schweißbereich
- 16
- Laserstrahlung
- 17
- Ader
- 19
- Leitbereich
- 18
- weiterer Schweißbereich
- 20
- Abstand
- 21
- Anordnung
