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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Stromschienen, insbesondere Cu-haltigen Stromschienen, wobei die Stromschienen durch Laserschweißen miteinander verbunden werden.
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Beispielsweise für die Elektromobilität werden leistungsfähige Batterien benötigt. Batterien bestehen typischerweise aus einer Vielzahl von Batteriezellen, deren elektrische Pole über so genannte Stromschienen zusammengeschaltet werden. Ebenso können elektrische Verbraucher, etwa Leistungselektronik-Systeme, über Stromschienen an eine Stromquelle wie beispielsweise eine Batterie angeschlossen werden. Dabei müssen in der Regel Stromschienen miteinander verbunden (gefügt) werden. Die Verbindungsstelle sollte dabei einen möglichst geringen elektrischen Widerstand aufweisen und mechanisch robust sein.
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Zum Fügen von Stromschienen ist es üblich, zu verbindende Stromschienen miteinander zu verschrauben. Die Verschraubung ist einfach durchzuführen, jedoch wird für die Montage eine nicht unerhebliche Zeit benötigt, und es muss ein Zugang zur Verschraubungsstelle von zwei gegenüberliegenden Seiten eingerichtet werden. Zudem ist der elektrische Widerstand an der Kontaktstelle in der Regel relativ hoch.
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Weiterhin ist es bekannt, die Fügeverbindung von Stromschienen mit einem NIR-Laser (Laser mit Wellenlänge im nahen infraroten Spektralbereich, NIR= near infrared) mit hoher Leistungsklasse zu erzeugen. Insbesondere beim Verschweißen von Cu-haltigen Stromschienen und bei den für Stromschienen typischen Dicken der Stromschienen treten dabei jedoch oft Spritzer und Poren auf, was zu einer erheblichen Querschnittsverminderung an der Schweißnaht führen kann, wodurch die mechanische Festigkeit beeinträchtigt und der elektrische Widerstand erhöht wird.
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Aus der
DE 10 2010 003 750 A1 ist es bekannt, die Strahlprofilcharakteristik eines Laserstrahls mittels einer Multiclad-Faser zu verändern.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Fügen von Stromschienen zur Verfügung zu stellen, mit welchem Fügeverbindungen von hoher mechanischer Festigkeit und niedrigem elektrischen Widerstand erzeugt werden können.
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Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass aus einem Roh-Laserstrahl durch Strahlumformung ein umgeformter Laserstrahl erhalten wird, und der umgeformte Laserstrahl auf die zu fügenden Stromschienen gerichtet wird, so dass die Stromschienen entlang wenigstens einer Schweißnaht miteinander verschweißt werden, und dass durch die Strahlformung im umgeformten Laserstrahl ein Kernfokus-Anteil und wenigstens ein Ringfokus-Anteil erzeugt wird, wobei der Kernfokus-Anteil und der Ringfokus-Anteil koaxial zueinander sind und der Ringfokus-Anteil den Kernfokus-Anteil umgibt.
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Im Rahmen der Erfindung wurde herausgefunden, dass die oben beschriebenen Probleme bei Anwendung eines herkömmlichen NIR-Laserstrahls mit hoher Leistung und lediglich einem einzelnen Laserspot (single spot), wie er typischerweise bisher beim Fügen von Stromschienen, insbesondere Cu-haltigen Stromschienen, eingesetzt wird, vermieden werden können. Dafür wird der Laserstrahl einer Strahlformung unterzogen, wobei im umgeformten Laserstrahl ein Kernfokus-Anteil und wenigstens ein umgebender Ringfokus-Anteil eingerichtet wird. Diese beiden Anteile werden koaxial eingesetzt und auf die zu schweißenden Stromschienen gerichtet. Die Einrichtung der beiden Anteile verringert die Spritzerbildung beim Schweißen und verringert auch das Entstehen von Poren in der Schweißnaht. Durch die Strahlumformung kann die Schweißbaddynamik während des Schweißprozesses vermindert werden. Typischerweise erfolgt der erfindungsgemäße Schweißprozess im Tiefschweiß-Regime, d.h. mit Ausbildung einer Dampfkapillare, in der Regel im Bereich des Kernfokus-Anteils.
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Erfindungsgemäß kann eine mechanisch feste und elektrisch gut leitfähige Verbindung zwischen den Stromschienen eingerichtet werden. Das Verfahren ist insbesondere für die Stromschienen aus Kupfer oder kupferhaltigen Legierungen und für bei Stromschienen typischerweise auftretenden Materialdicken, insbesondere von 2 mm bis 10 mm, gut geeignet.
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Im Rahmen der Erfindung kann das Fügen in einfacher Weise von einer Seite aus erfolgen; insbesondere ist im Allgemeinen kein Zugang von einander gegenüberliegenden Seiten nötig. Das erfindungsgemäße Verfahren ist hoch produktiv, und kann insbesondere mit höheren Vorschubgeschwindigkeiten erfolgen als bei Einsatz eines herkömmlichen einzelnen Laserspots (single spot). Die geringe Poren- und Spritzerbildung führt zu einem konstanten Anbindungsquerschnitt, was zuverlässig den elektrischen Widerstand gering hält und zuverlässig die mechanische Festigkeit hoch hält. Zudem führen weniger Spritzer zu einer geringeren Gefahr von Kurzschlüssen.
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Bevorzugt hat die Intensität des umgeformten Laserstrahls ein doppeltes top-hat Profil, wobei die Laserintensität über die Fläche des Kernfokus-Anteils näherungsweise konstant ist (und bevorzugt um eine mittlere Intensität IK des Kernfokus-Anteils um maximal 25% schwankt), und weiterhin auch die Laserintensität über die Fläche des Ringfokus-Anteils näherungsweise konstant ist (und bevorzugt um eine mittlere Intensität IR des Ringfokus-Anteils um maximal 25% schwankt), wobei die Intensität IK deutlich höher ist als die Intensität IR, meist mit IK≥3*IR oder IK≥6*IR.
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Die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren anzuwendende Umformung des Roh-Laserstrahls erfolgt bevorzugt mittels Einspeisung des Roh-Laserstrahls in eine Multiclad-Faser (siehe unten), kann aber auch durch andere strahlumformende Elemente, etwa diffraktive optische Elemente, Strahlteiler und/oder Linsensysteme erfolgen.
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Die Stromschienen können insbesondere für eine Leistungselektronik oder im Bereich der E-Mobilität eingesetzt werden. Insbesondere kann mit den Stromschienen eine Verschaltung von Batteriezellen oder ein Anschließen von elektrischen Verbrauchern an eine Batterie oder eine andere Stromquelle erfolgen. Die Stromschienen sind typischerweise aus Kupfer (etwa vom Typ ETP, unbeschichtet) oder einer Cu-haltigen Legierung gefertigt. Ein typischer Cu-Gehalt in einer Cu-haltigen Legierung einer Stromschiene liegt bei 25 Gew% oder mehr, meist 50 Gew% oder mehr, und oft bei 75 Gew% oder mehr.
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Bevorzugte Varianten der Erfindung
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Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Strahlumformung mittels einer Multiclad-Faser, wobei ein erster Teil des Roh-Laserstrahls in eine Kernfaser der Multiclad-Faser und wenigstens ein zweiter Teil des Roh-Laserstrahls in eine Ringfaser der Multiclad-Faser an einem Eingangsende eingespeist wird, wobei die Ringfaser die Kernfaser umgibt, und an einem Ausgangsende der Multiclad-Faser der umgeformte Laserstrahl erhalten wird. Mit diesem Vorgehen können auf einfache Weise der Kernfokus-Anteil und der Ringfokus-Anteil eingerichtet werden. Zudem ist es über die Einspeisung von erstem Teil und zweitem Teil relativ einfach möglich, die Energieverteilung zwischen den Strahlanteilen im umgeformten Laserstrahl zu verändern und an eine konkrete Fügeaufgabe anzupassen. Schließlich kann mittels der Multiclad-Faser eine innerhalb des Kernfokus-Anteils und Ringfokus-Anteils sehr gleichmäßige Leistungsdichte erhalten werden, was sich für die Qualität der Schweißnaht beim Fügen der Stromschienen bewährt hat.
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Varianten betreffend Leistungsrampen
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Bevorzugt ist eine Variante, bei der eine eingesetzte Laserleistung während des Schweißens eines Anfangsabschnitts der Schweißnaht zunächst gesenkt und dann wieder erhöht wird, und die eingesetzte Laserleistung während des Schweißens eines Endabschnitts der Schweißnaht abgesenkt wird. Diese Leistungsrampen können Materialauswurf und Spritzerbildung sowie die Bildung von Poren und Kerben an der Schweißnaht reduzieren, insbesondere beim Schweißen des Anfangsabschnitts und des Endabschnitts der Schweißnaht, aber auch im dazwischen liegenden Mittelabschnitt. Vor allem Bei Cu-haltigen Stromschienen hat sich die Anwendung von Leistungsrampen besonders bewährt. Während des Schweißens des Mittelabschnitts der Schweißnaht (zwischen Anfangsabschnitt und Endabschnitt) bleibt die eingesetzte Laserleistung typischerweise konstant, typischerweise bei der innerhalb des Schweißprozesses maximal eingesetzten Laserleistung. Beispielsweise erstreckt sich der Anfangsabschnitt über 25% oder weniger der Länge der gesamten Schweißnaht, und der Endabschnitt ebenfalls über 25% oder weniger der Länge der gesamten Schweißnaht. Meist sind der Anfangsabschnitt und der Endabschnitt ähnlich lang, z. B. wobei die Länge des Anfangsabschnitts und die Länge des Endabschnitts sich um maximal einen Faktor 2 unterscheiden.
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Eine vorteilhafte Weiterentwicklung dieser Variante sieht vor, dass die eingesetzte Laserleistung während des Schweißens des Anfangsabschnitts kontinuierlich, insbesondere linear mit der Zeit oder linear mit dem Schweißweg, zunächst gesenkt und wieder erhöht wird, und während des Schweißens des Endabschnitts kontinuierlich, insbesondere linear mit der Zeit oder linear mit dem Schweißweg, abgesenkt wird. Dies ist hat sich in der Praxis bewährt und ist einfach anzusteuern.
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Bei einer besonders bevorzugten Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass, jeweils verglichen mit einer maximal eingesetzten Laserleistung, während des Schweißens des Anfangsabschnitts die eingesetzte Laserleistung um zunächst um 30-50% abgesenkt und wieder um 30-50% erhöht wird, und während des Schweißens des Endabschnitts um 50-70% abgesenkt wird. Dadurch hat sich eine besonders gute Schweißnahtqualität eingestellt.
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Vorteilhaft ist auch eine Weiterentwicklung, die vorsieht, dass eine Aufteilung der eingesetzten Laserleistung zwischen dem Kernfokus-Anteil und dem wenigstens einen Ringfokus-Anteil während des Schweißens des Anfangsabschnitts und des Endabschnitts verglichen mit dem Schweißen eines Mittelabschnitts der Schweißnaht zwischen dem Anfangsabschnitt und dem Endabschnitt gleich bleibt. Dies vereinfacht das Verfahren und hat sich in der Praxis für eine gute Schweißnahtqualität bewährt. Alternativ ist es auch möglich, die Aufteilung der eingesetzten Laserleistung über den Anfangsabschnitt, den Mittelabschnitt und/oder den Endabschnitt zu verändern; hierbei kann beispielsweise der Leistungsanteil des Kernfokus-Abschnitts im Anfangsabschnitt zunächst erhöht und dann wieder abgesenkt werden, im Mittelabschnitt konstant gelassen werden, und im Endabschnitt nochmals erhöht werden, um in allen Abschnitten eine im Wesentlichen gleichmäßige Eindringtiefe der Dampfkapillare bei konstanter Vorschubgeschwindigkeit zu gewährleisten.
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Varianten betreffend den umgeformten Laserstrahl
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Bevorzugt ist weiterhin eine Variante, bei der für den auf den Kernfokus-Anteil entfallenden Anteil AK der beim Schweißen insgesamt eingesetzten gesamten Laserleistung gilt: 50%≤5AK≤80%, bevorzugt 55%≤5AK≤75%. Mit diesem Leistungsanteil des Kernfokus-Anteil kann ein besonders ruhiges Schmelzbad beim Schweißprozess und eine qualitativ hochwertige Schweißnaht erreicht werden.
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Ebenso bevorzugt ist eine Variante, bei der für einen Durchmesser DR des Ringfokus-Anteils und einen Durchmesser DK des Kernfokus-Anteils gilt: 1,5≤5DR/DK≤6,
bevorzugt mit 2≤5DR/DK≤5,
besonders bevorzugt 2,5≤DR/DK≤4,5,
ganz besonders bevorzugt DR/DK=4. Diese Größenverhältnisse haben sich ebenfalls bewährt, um eine spritzerreduzierte und porenarme Verschweißung zu erhalten. DR und DK können beispielsweise an einem Fokus des umgeformten Laserstrahls bestimmt und verglichen werden, typischerweise nahe der Oberfläche der dem Laserstrahl zugewandten Stromschiene(n).
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Ebenso bevorzugt ist eine Variante, die vorsieht, dass der umgeformte Laserstrahl beim Schweißen entlang einer Strahlrichtung auf die Stromschienen gerichtet wird, wobei die Strahlrichtung gegenüber einer Oberflächennormalen des oder der dem umgeformten Laserstrahl zugewandten Stromschienen in einer Hauptebene, die die Oberflächennormale und eine Vorschubrichtung des Schweißprozesses enthält, um einen Schwenkwinkel α der bereits gefertigten Schweißnaht zugeneigt oder von dieser weg geneigt ist,
mit 3°≤α≤8°,
bevorzugt 4°≤α≤7,
besonders bevorzugt α=5°.
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Das Schweißen kann somit in dieser Variante „stechend“ oder „schleppend“ erfolgen. Durch die Anwendung des Schwenkwinkels kann die Reflektion von Laserstrahlung an der Oberfläche der dem Laserstrahl zugewandten Stromschiene(n) reduziert werden, was die genutzte Laserleistung für den Schweißprozess erhöht, insbesondere wenn Laserstrahlung im nahen Infrarot-Bereich (z.B. 1000 nm-1100 nm) bei Cu-haltigen Stromschienen angewandt wird. Zudem kann eine Reflektion von Laserstrahlung in die Laseroptik hinein vermieden werden, und so eine Beschädigung der Laseroptik ausgeschlossen werden.
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Vorteilhaft ist auch eine Variante, bei der während des Schweißens ein Schutzgas, insbesondere Argon, auf ein Schmelzbad an der Oberfläche des oder der Stromschienen geleitet wird. Das Schutzgas vermeidet Oxidationsprozesse am Schmelzbad, und kann bei der Beruhigung der Schmelzbaddynamik mithelfen. Das Schutzgas Argon kann insbesondere eingesetzt werden, wenn glänzende Schweißnähte erhalten werden sollen.
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Besonders vorteilhaft ist eine Variante, bei der die Position zumindest von Teilen der Stromschienen mit einem Kamerasystem bestimmt wird, und dass der umgeformte Laserstrahl mit einer Scanneroptik auf die Stromschienen gerichtet wird, wobei die Ausrichtung der Scanneroptik mit Hilfe der mit dem Kamerasystem bestimmten Position der Stromschienen während des Schweißprozesses automatisiert erfolgt. Dadurch kann eine besonders hohe Präzision und Reproduzierbarkeit des Schweißprozesses erreicht werden.
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Varianten mit Überlappungsnaht
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Bei einer bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass eine erste Stromschiene und eine zweite Stromschiene in einem Überlappungsbereich überlappend angeordnet werden, insbesondere aufeinander gepresst werden, und die wenigstens eine Schweißnaht im Überlappungsbereich gesetzt wird, so dass die Schweißnaht durch die erste Stromschiene hindurch bis in die zweite Stromschiene hinein oder durch die zweite Stromschiene hindurch ragt. Mit überlappenden Stromschienen kann eine besonders stabile mechanische Verbindung erreicht werden. Zudem kann durch Vergrößerung des Überlappungsbereichs und ggf. mehrere nebeneinander liegende Schweißnähte der elektrische Widerstand reduziert werden. Bei Verfahrensführung in Einschweißung, also wenn die Schweißnaht die Unterseite der unteren Stromschiene nicht erreicht, besteht keine Gefahr eines Nahteinfalls an der Unterseite. Diese Variante kann auch gut mit kostengünstigen, gestanzten Stromschienen verwendet werden.
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Bevorzugt ist eine Weiterbildung dieser Variante, bei der im Überlappungsbereich der ersten und zweiten Stromschiene mehrere, insbesondere zwei oder drei, Schweißnähte nebeneinander gesetzt werden, so dass die Schweißnähte jeweils durch die erste Stromschiene hindurch bis in die zweite Stromschiene hinein oder durch die zweite Stromschiene hindurch ragen. Durch mehrere Schweißnähte kann die mechanische Festigkeit vergrößert und der elektrische Widerstand verringert werden. Die mehreren Schweißnähte sind typischerweise durch nicht-aufgeschmolzenes Material voneinander lateral beabstandet. Typischerweise beträgt der (kleinste) laterale Abstand der Schweißnähte wenigstens 1,5 mm.
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Verfahren mit Stumpfnaht
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Bei einer alternativen Variante ist vorgesehen, dass ein stirnseitiges Ende einer ersten Stromschiene und ein stirnseitiges Ende einer zweiten Stromschiene aneinander anliegend angeordnet werden, insbesondere aneinander gepresst werden, und die Schweißnaht entlang des Stoßes der stirnseitigen Enden gesetzt wird. Dieses Vorgehen erlaubt einen kompakten, materialsparenden Aufbau der Abfolge von Stromschienen. Das Schweißen erfolgt in dieser Variante in der Regel als Durchschweißung, d.h. die Schweißnaht ragt bis zur Unterseite der Stromschienen. Falls gewünscht, kann bei Durchschweißung an der Nahtunterseite ein Draht eingefügt werden, der beim Schweißprozess eingeschweißt wird und eine Kerbung (auch genannt „Nahteinfall“) verhindern kann. Das Material des Drahtes wird typischerweise gleich dem Material der Stromschienen gewählt.
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Varianten betreffend bevorzugte Parameter
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Bei einer bevorzugten Variante erfolgt das Verfahren mit
- - Cu-Stromschienen einer Dicke t, mit 6mm≤t≤12mm, bevorzugt 8mm≤t≤10mm,
- - einer gesamten eingesetzten maximalen Laserleistung GL, mit 12kW≤GL≤20kW, bevorzugt GL=16kW;
- - einer Vorschubgeschwindigkeit v, mit 2m/min≤v≤4m/min;
- - einem auf den Kernfokus-Anteil entfallenden Anteil AK der beim Schweißen insgesamt eingesetzten gesamten Laserleistung, mit AK≥70%, bevorzugt AK≥75%;
- - einer Fokuslage FL des umgeformten Laserstrahls, mit -4mm≤FL≤+1mm, bevorzugt -3mm≤FL≤0mm;
- - einem Schutzgasfluss SGF von Argon, mit SGF≥15 l/min, bevorzugt SGF≥25 l/min;
- - einer Wellenlänge λ des umgeformten Laserstrahls, mit 1000nm≤λ≤1100 nm;
- - einem Strahlparameterprodukt BPP des Roh-Laserstrahls, mit 4mm*mrad≤BPP≤16mm*mrad; und
- - einem Durchmesser DR des Ringfokus-Anteils und einem Durchmesser DK des Kernfokus-Anteils an einem Fokus, mit 150pm≤DK≤250µm und 500 µm≤DR≤900µm. Mit diesen Parametern haben sich dickere Cu-Stromschienen sehr gut fügen lassen.
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Bei einer alternativen, ebenfalls bevorzugten Variante erfolgt das Verfahren mit
- - Cu-Stromschienen einer Dicke t, mit 2mm≤t≤4mm,
- - einer gesamten eingesetzten maximalen Laserleistung GL, mit 5kW≤GL≤10kW, bevorzugt 6kW≤GL≤8kW;
- - einer Vorschubgeschwindigkeit v, mit v≥3m/min; bevorzugt v≥6m/min;
- - einem auf den Kernfokus-Anteil entfallenden Anteil AK der beim Schweißen insgesamt eingesetzten gesamten Laserleistung, mit 50%≤AK≤75%, bevorzugt AK=55%;
- - einer Fokuslage FL des umgeformten Laserstrahls, mit -3mm≤FL≤0mm;
- - einem Schutzgasfluss SGF von Argon, mit SGF≥15 l/min, bevorzugt SGF≥25 l/min;
- - einer Wellenlänge λ des umgeformten Laserstrahls, mit 100Onm≤λ≤1100 nm;
- - einem Strahlparameterprodukt BPP des Roh-Laserstrahls, mit 2mm*mrad≤BPP≤8mm*mrad; und
- - einem Durchmesser DR des Ringfokus-Anteils und einem Durchmesser DK des Kernfokus-Anteils an einem Fokus, mit 35µm≤DK≤200µm und 120 µm≤DR≤700µm. Mit diesen Parametern haben sich dünnere Cu-Stromschienen sehr gut fügen lassen.
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Stromschienen-Anordnung
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In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch eine Stromschienen-Anordnung, umfassend wenigstens zwei Stromschienen, wobei die Stromschienen mittels eines erfindungsgemäßen, oben beschriebenen Verfahrens durch Laserschweißen gefügt sind. Die Stromschienen-Anordnung weist eine hohe mechanische Festigkeit und einen geringen elektrischen Widerstand auf.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische Ansicht eine Apparatur zum Umformen eines Roh-Laserstrahls, für die Erfindung;
- 2 zeigt einen schematischen Querschnitt eines umgeformten Laserstrahls, für die Erfindung;
- 3 zeigt eine schematische Intensitätsverteilung eines umgeformten Laserstrahls, entlang einer Richtung x quer zur Ausbreitungsrichtung des umgeformten Laserstrahls;
- 4 zeigt eine schematische Schrägansicht von Überlappungsnähten von Stromschienen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigt wurden;
- 5 zeigt schematisch eine Stirnansicht einer Stumpfnaht von Stromschienen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigt wurde;
- 6 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Schweißprozess mit einem unter einem Schwenkwinkel α einfallenden umgeformten Laserstrahl;
- 7 zeigt schematisch die bei einem erfindungsgemäßen Schweißprozess eingesetzte Laserleistung als Funktion des Ortes entlang der Schweißnaht.
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Die 1 illustriert eine beispielhafte Apparatur 1, die zum Umformen eines Roh-Laserstrahls 2 gemäß der Erfindung eingesetzt werden kann.
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Eine Laserquelle 3 erzeugt den Roh-Laserstrahl 2, der hier über eine Fokussierlinse 5 auf das Eingangsende 4a einer Multiclad-Faser 4, hier einer 2in1-Faser, gerichtet ist, vgl. die Ausbreitungsrichtung AR.
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Ein erster Teil 2a des Querschnitts des Roh-Laserstrahls 2 wird ohne Ablenkung in eine Kernfaser 8 der Multiclad-Faser 4 eingespeist. Mittels einer Keilplatte 6 wird ein zweiter Teil 2b des Querschnitts des Roh-Laserstrahls 2 abgelenkt und in eine Ringfaser 7 der Multiclad-Faser 4 eingespeist.
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In der Multiclad-Faser 4 verteilt sich die Laserleistung der beiden Teile 2a, 2b beim Fortschreiten in der Ringfaser 7 und in der Kernfaser 8 jeweils gleichmäßig; man beachte, dass die Länge der Multiclad-Faser 4 in 1 verkürzt dargestellt ist. An einem Ausgangsende 4b der Multiclad-Faser wird ein umgeformte Laserstrahl bereitgestellt (nicht näher dargestellt, vgl. aber 2 und 3 hierzu); der umgeformte Laserstrahl wird typischerweise über ein Linsensystem, meist umfassend eine Kollimationslinse und eine Fokussierlinse, auf die zu schweißenden Stromschienen abgebildet (ebenfalls nicht näher dargestellt, vgl. aber 6 hierzu).
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Zur Einstellung der Teile 2a, 2b bzw. der Leistungsanteile des Kernfokus-Anteils und des Ringfokus-Anteils kann die Keilplatte 6 hier in der Richtung R quer zur Ausbreitungsrichtung AR verfahren werden.
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Die 2 illustriert den Strahlquerschnitt des umgeformten Laserstrahls 10, wie er zum Beispiel an der Oberfläche einer bestrahlten Stromschiene beobachtet werden kann. Der umgeformte Laserstrahl 10 weist einen Kernfokus-Anteil 11 auf, der koaxial von einem Ringfokus-Anteil 12 umgeben ist. Zwischen dem Kernfokus-Anteil 11 und dem Ringfokus-Anteil 12 liegt typischerweise ein Bereich 13 mit geringerer Laserintensität. Der Durchmesser DR des Ringfokus-Anteils 12 ist hier ca. 3,5mal so groß wie der Durchmesser DK des Kernfokus-Anteils 11.
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Die 3 illustriert eine typische Intensitätsverteilung des umgeformten Laserstrahls 10 im Querschnitt entlang einer Richtung x, die durch das Zentrum des Querschnitts des umgeformten Laserstrahls 10 führt; die lokale Laserintensität ist nach oben aufgetragen, der Ort entlang der Richtung x nach rechts.
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Innerhalb des Kernfokus-Anteils 11 ist die Laserleistung näherungsweise konstant, typischerweise mit einer Schwankung von maximal 25% um den Mittelwert im Kernfokus-Anteil 11. Ebenso ist die Laserleistung im Bereich des Ringfokus-Anteils 12 näherungsweise konstant, typischerweise ebenfalls mit einer Schwankung von maximal 25% um den Mittelwert im Ringfokus-Anteil. Im Diagramm ist gut erkennbar, dass die (mittlere) Intensität des umgeformten Laserstrahls 10 im Bereich des Kernfokus-Anteils 11 deutlich größer ist als im Bereich des Ringfokus-Anteils 12, hier ca. 8mal größer. Mit der hier vorliegenden Geometrie entfällt ca. 50% der gesamten Laserleistung auf den Kernfokus-Anteil 11, und der Rest, hier ebenfalls ca. 50% der gesamten Laserleistung, entfällt auf den Ringfokus-Anteil.
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Man beachte, dass auch mehrere, konzentrische Ringfokus-Anteile im Strahlquerschnitt des umgeformten Laserstrahls vorgesehen sein können, insbesondere indem eine Multiclad-Faser mit zwei oder mehr Ringfasern zur Umformung eingesetzt wird (nicht näher dargestellt).
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Die 4 zeigt in einer schematischen Schrägansicht eine Stromschienen-Anordnung 20 von zwei Stromschienen 21, 22, die in einem Überlappungsbereich 23 überlappen, also aufeinander angeordnet sind. Die Stromschienen 21, 22 wurden im Rahmen der Erfindung durch Laserschweißen mit einem umgeformten Laserstrahl (vgl. 1-3 oben) verschweißt und damit gefügt (zusammengefügt).
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Auf die obere, erste Stromschiene 21 wurde dabei der umgeformte Laserstrahl gerichtet und insgesamt dreimal über die volle Breite der Stromschienen 21, 22 geführt, wodurch drei nebeneinander liegende Schweißnähte 24a, 24b, 24c einer jeweiligen Gesamtlänge GEL erzeugt wurden. In den Schweißnähten 24a-24c wurde dabei die erste, obere Stromschiene 21 über ihre volle Dicke t aufgeschmolzen, und die untere, zweite Stromschiene 22 über ca. 60% ihrer Dicke t. Die Schweißnähte 24a-24c ragen hier also nur in die zweite Stromschiene 22 hinein („Einschweißung“), nicht aber durch diese hindurch. Man beachte, dass in anderen Varianten der Erfindung die Schweißnähte auch vollständig durch die untere, zweite Stromschiene hindurch ragen können („Durchschweißung“) (nicht näher dargestellt, vgl. aber 5). Weiterhin sind die Schweißnähte 24a-24c hier voneinander separat, so dass die zugehörigen aufgeschmolzenen Bereiche nicht aneinander grenzen, sondern von unaufgeschmolzenem Material voneinander getrennt sind, vgl. die (kleinsten) lateralen Abstände LA an der Oberseite der ersten Stromschiene 21.
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Die 5 zeigt eine Stirnansicht einer Stromschienen-Anordnung 30 mit einer ersten Stromschiene 31 und einer zweiten Stromschiene 32, die im Stumpfstoß mit aneinander liegenden stirnseitigen Enden 33, 34 angeordnet wurden (vgl. gestrichelte Strukturen). Die Stromschienen 31, 32 wurden wiederum im Rahmen der Erfindung durch Laserschweißen mit einem umgeformten Laserstrahl (vgl. 1-3 oben) verschweißt und damit gefügt (zusammengefügt).
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Dabei wurden die stirnseiteigen Enden 33, 34 der Stromschienen 31, 32 über die volle Dicke t der beiden Stromschienen 31, 32 aufgeschmolzen, wodurch eine Schweißnaht 35 erhalten wurde. Hierbei wurde der umgeformten Laserstrahl entlang des Stoßes 36, also der Berührfläche der stirnseitigen Enden 33, 34, geführt (hier senkrecht zur Zeichenebene). Falls nötig, kann ein Nahteinfall an der Unterseite 37 der Schweißnaht 35 durch Zuführen eines Zusatzmaterials, etwa eines Drahts, an der Unterseite 37 während des Schweißprozesses verhindert werden (nicht näher dargestellt).
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Die 6 illustriert die geometrischen Verhältnisse am einfallenden, umgeformten Laserstrahl 10 beim erfindungsgemäßen Laserschweißen von Stromschienen, hier am Beispiel des Schweißens von zwei Stromschienen 31, 32 im Stumpfstoß (vgl. 5 oben); der Stoß 36 liegt hier in der Zeichenebene.
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Der umgeformte Laserstrahl 10 ist von einer Laseroptik 45 entlang seiner (mittleren) Strahlrichtung SR auf die Stromschienenoberfläche 40 gerichtet und dabei um einen Schwenkwinkel α von hier ca. 8° gegenüber der Oberflächennormalen ON, die senkrecht auf der Stromschienenoberfläche 40 liegt, verschwenkt. Die Strahlrichtung SR verläuft dabei in einer Hauptebene HE, die die Oberflächennormale ON und die Vorschubrichtung VR des Laserstrahls 10 enthält; die Hauptebene HE liegt in der Zeichenebene von 6. Allgemein bevorzugt ist 3°≤α≤8°, besonders bevorzugt ca. α=5°. Man beachte, dass für den Vorschub des Laserstrahls 10 gegenüber den Stromschienen 31, 32 die Laseroptik 45 gegenüber ruhenden Stromschienen 31, 32 bewegt werden kann oder umgekehrt.
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In der gezeigten Variante ist die Strahlrichtung SR auf die bereits gefertigte Schweißnaht 35 (diese ist nur bezüglich der Seite in 6 schematisch eingezeichnet) zu geneigt („stechendes Schweißen“); alternativ kann auch die Strahlrichtung von der bereits gefertigten Schweißnaht weg geneigt sein („schleppendes Schweißen“, nicht näher dargestellt).
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Weiterhin ist eine Schutzgaszuführung vorgesehen, die entlang einer Gaszuführungsachse 41 einen Schutzgasstrom auf den Aufpunkt 43 des Laserstrahls 10 auf der Stromschienenoberfläche 40 bzw. das Schmelzbad richtet. Die Gaszuführungsachse 41 ist hier um einem Gaszuführungs-Schwenkwinkel β von ca. 40° gegenüber der Oberflächennormalen ON von der bereits gefertigten Schweißnaht 35 weg geschwenkt; allgemein bevorzugt gilt 20°≤β≤60°. Die Gaszuführungsachse 41 liegt hier ebenfalls in der Hauptebene HE. Eine Mündung 42 der Gaszuführung liegt um einen Gaszuführungsabstand GA entfernt vom Aufpunkt 43, wobei allgemein bevorzugt 3cm≤GA≤10cm ist, vorliegend wurde GA=6cm gewählt.
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In der gezeigten Variante ist der umgeformte Laserstrahl 10 auf die Stromschienenoberfläche 40 fokussiert, entsprechend einer Fokuslage FL von 0 mm. In anderen Varianten kann der Fokus des umgeformten Laserstrahls auch unterhalb der Stromschienenoberfläche (also im Material der Stromschienen 31, 32) liegen („negative Fokuslage“, nicht näher dargestellt).
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Zudem ist hier ein Kamerasystem 44 vorgesehen, welches die Position der Stromschienen 31, 32 und des Stoßes 35 vor und während des Schweißprozesses überwacht, und dazu eingesetzt werden kann, die Ausrichtung des umgeformten Laserstrahls 10 bzw. des Aufpunkts 43 auf den Stoß 36 zu steuern und ggf. zu korrigieren. Der Laserstrahl 10 kann dabei mit einer Scanneroptik (nicht näher dargestellt), die beispielsweise in die Laseroptik 45 integriert ist, ausgerichtet werden.
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Die 7 illustriert beispielhaft eine während des erfindungsgemäßen Schweißverfahrens typischerweise angewandte, momentane Laserleistung Pav, ausgedrückt in % der maximal eingesetzten Laserleistung, als Funktion des Ortes (Schweißwegs) L des Aufpunkts des umgeformten Laserstrahls entlang der Schweißnaht, ausgedrückt in % der gesamten Länge der zu fertigenden Schweißnaht (L indiziert also den bisher vom Aufpunkt zurückgelegten Schweißweg bzw. Teil der Gesamtlänge der Schweißnaht). Man beachte, dass die momentane Laserleistung im Falle eines gepulsten Laserstrahls über Pulse und Pulspausen gemittelt angegeben wird.
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Zu Beginn des Schweißprozesses wird in einem Anfangsabschnitt 50 zunächst in einem ersten Teil 51 die Laserleistung abgesenkt, hier von 100% auf ca. 60%, und in einem zweiten Teil 52 die Laserleistung wieder angehoben, hier von ca. 60 % wieder auf 100%. Der Anfangsabschnitt 50 umfasst hier ca. 20% der Gesamtlänge der Schweißnaht, und die beiden Teile 51, 52 sind etwa gleich lang.
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In einem Mittelabschnitt 53 bleibt die Laserleistung hier konstant bei 100%. Der Mittelabschnitt 53 umfasst hier ca. 70% der Gesamtlänge der Schweißnaht.
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In einem Endabschnitt 54 wird schließlich die Laserleistung wieder abgesenkt, und zwar hier von 100% auf ca. 40%. Der Endabschnitt 54 umfasst hier ca. 10% der Gesamtlänge der Schweißnaht.
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Alle Leistungsänderungen werden hier linear mit dem Ort (Schweißweg) L vorgenommen, was besonders einfach anzusteuern ist. Typischerweise bleibt die Vorschubgeschwindigkeit beim Schweißen der gesamten Schweißnaht konstant. Weiterhin bleibt typischerweise die Leistungsverteilung zwischen Kernfokus-Anteil und Ringfokus-Anteil (oder Ringfokus-Anteilen) beim Schweißen der gesamten Schweißnaht konstant.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Apparatur
- 2
- Roh-Laserstrahl
- 2a
- erster Teil (Roh-Laserstrahl)
- 2b
- zweiter Teil (Roh-Laserstrahl)
- 3
- Laserquelle
- 4
- Multiclad-Faser
- 4a
- Eingangsende
- 4b
- Ausgangsende
- 5
- Fokussierlinse
- 6
- Keilplatte
- 7
- Ringfaser
- 8
- Kernfaser
- 10
- umgeformter Laserstrahl
- 11
- Kernfokus-Anteil
- 12
- Ringfokus-Anteil
- 13
- Bereich mit geringerer Laserintensität
- 20
- Stromschienen-Anordnung
- 21
- erste Stromschiene
- 22
- zweite Stromschiene
- 23
- Überlappungsbereich
- 24a-24c
- Schweißnähte
- 30
- Stromschienen-Anordnung
- 31
- erste Stromschiene
- 32
- zweite Stromschiene
- 33
- stirnseitiges Ende
- 34
- stirnseitiges Ende
- 35
- Schweißnaht
- 36
- Stoß
- 37
- Unterseite
- 40
- Stromschienenoberfläche
- 41
- Gaszuführungsachse
- 42
- Mündung der Gaszuführung
- 43
- Aufpunkt
- 44
- Kamerasystem
- 45
- Laseroptik
- 50
- Anfangsabschnitt
- 51
- erster Teil (Anfangsabschnitt)
- 52
- zweiter Teil (Anfangsabschnitt)
- 53
- Mittelabschnitt
- 54
- Endabschnitt
- AR
- Ausbreitungsrichtung
- DK
- Durchmesser Kernfokus-Anteil
- DR
- Durchmesser Ringfokus-Anteil
- GA
- Gaszuführungs-Abstand
- GEL
- Gesamtlänge (Schweißnaht)
- HE
- Hauptebene
- L
- Ort (Länge) entlang der Schweißnaht
- ON
- Oberflächennormale
- Pav
- momentane (mittlere) Laserleistung
- SR
- Strahlrichtung
- t
- Dicke (Stromschiene)
- VR
- Vorschubrichtung
- x
- Richtung quer zur Strahlrichtung
- α
- Schwenkwinkel
- β
- Gaszuführungs-Schwenkwinkel
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010003750 A1 [0005]
