DE102020007649A1

DE102020007649A1 - Verfahren zum Laserschweißen

Info

Publication number: DE102020007649A1
Application number: DE102020007649.1A
Authority: DE
Inventors: Dirk Steffens; Mauricio Kaiser; Andreas Krecsir
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2020-12-14
Filing date: 2020-12-14
Publication date: 2021-04-01

Abstract

Verfahren zum Verbinden mindestens zweier aufeinander liegender Materiallagen (14, 16, 18) mittels eines auf die obere Materiallage (14) gerichteten und längs desselben bewegten Laserstrahls, wobei die Leistung des Laserstrahls periodisch moduliert wird, wobei die Leistung während eines ersten Teils S1 einer periodisch sich wiederholenden Schweißstrecke S auf einem unteren Leistungswert Pu gehalten wird und während eines zweiten Teils S2 < 0,2 * S der Schweißstrecke bis zu einem oberen Leistungswert Po erhöht wird, wobei Po > 1,05 * Pu ist, wobei Pu so gewählt ist, dass ein oberflächliches Aufschweißen des Materials der oberen Materiallage (14) erfolgt und Po so gewählt wird, dass ein tiefes Einschweißen bewirkt wird.Dies bewirkt, dass nur während der Phasen S2 hoher Laserleistungen Po ein tiefes Einschweißen und eine Vermengung der Materialien der Materiallagen erfolgt. In den Bereichen S1 erfolgt hingegen nur ein oberflächliches Aufschweißen des Materials der oberen Materiallage und damit nur eine oberflächliche Anbindung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen mindestens zweier aufeinander liegender Materiallagen mittels eines auf die obere Materiallage gerichteten und längs desselben bewegten Laserstrahls, wobei die Leistung des Laserstrahls periodisch moduliert wird.
Aus der DE 10 2016 204 578 B3 und US 2013/0134139 A1 sind derartige Laserschweißverfahren bekannt, bei denen hochfrequente Leistungsmodulationen des Laserstrahls beim gesamten Schweißvorgang vorgenommen werden, um die Qualität der Schweißnaht zu verbessern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laserschweißverfahren bereitzustellen, bei dem neben einer Verringerung des Energieeinsatzes eine Verbesserung der Schweißnahtqualität durch Verringerung der insbesondere bei Mischverbindungen aus verschiedenen Metallen sich beim Erstarren des Gefüges häufig bildenden intermetallischen Phasen mit großer Härte zu reduzieren und damit die Bildung von Rissen in der Schweißnaht zu verringern.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Leistung des Laserstrahls während eines ersten Teils S1 einer periodisch sich wiederholenden Schweißstrecke S auf einem unteren Leistungswert Pu gehalten wird und während eines zweiten Teils S2 < 0,2 * S der Schweißstrecke S bis zu einem oberen Leistungswert Po erhöht wird, wobei Po > 1,05 * Pu ist, und wobei Pu so gewählt ist, dass ein oberflächliches Aufschweißen des Materials der oberen Materiallage erfolgt und Po so gewählt wird, dass ein tiefes Einschweißen bewirkt wird.
Unter der Schweißstrecke S wird eine vom Laserstrahl abgefahrene Strecke bezeichnet, bei der im überwiegenden Teil S1 mit niedriger Schweißenergie und in einem kleineren Abschnitt S2 mit erhöhter Schweißenergie operiert wird und sich dieser Vorgang mit der Periode S entlang der gesamten zu erzeugenden Schweißnaht wiederholt. Innerhalb der Schweißstrecke S wird die Laserleistung während des Schweißvorgangs der ersten Teilstrecke S1 auf einem unteren Leistungswert Pu gehalten und anschließend auf der zweiten Teilstrecke S2 auf den höheren Leistungswert Po erhöht. Sofern der Schweißvorgang mit gleichförmiger Bewegung des Laserstrahls durchgeführt wird, entsprechen die örtlichen Strecken entsprechenden Zeiträumen. Dabei sind die Begriffe „erster“ und „zweiter“ nicht zeitlich zu verstehen, denn eine Schweißnaht wird typischerweise mit einer Phase hoher Leistung Po beginnen und enden.
Dieser Vorgang bewirkt, dass nur während der Bereichen S2 hoher Laserleistungen Po ein tiefes Einschweißen und eine Vermengung der Materialien aller Materiallagen erfolgt. In den Bereichen S1 erfolgt hingegen nur ein oberflächliches Aufschweißen des Materials der oberen Materiallage und damit nur eine oberflächliche Anbindung an der darunter angeordneten Materiallage.
Dies ermöglicht eine Reduzierung der Bildung von intermetallischen Phasen in der Schweißnaht, wobei trotz nur kurzer Bereiche tiefer Einschweißungen eine ausreichende Festigkeit sowie gute elektrische Leitfähigkeit der Verbindung erreicht wird, die sich insbesondere zur Herstellung einer elektrischen Kontaktierung, vorzugsweise von Batteriezellen eignet. Dabei kann vorteilhafterweise die Laserstrahlquelle kleiner dimensioniert werden und es ist ein geringerer Energieaufwand zur Herstellung der Schweißnaht erforderlich als bei herkömmlichen Laserschweißverfahren mit gleichbleibender Laserleistung. Ferner kann die Spritzerbildung durch den energieärmeren Prozess mit geringerer Schmelzbaddynamik reduziert werden. Die Leistungen Pu und Po liegen im Bereich von 1 kW - 25 kW.
Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung beträgt die höhere Leistung Po zwischen 110 und 300% der niedrigeren Leistung Pu (3 * Pu > Po > 1,1 * P), vorzugsweise zwischen 120 und 250% von Pu (2,5 * Pu > Po > 1,2 * Pu).
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung beträgt die Periodenstrecke S zwischen 2 - 100mm. Das bedeutet beispielsweise bei S = 5mm und einer Schweißnahtlänge von etwas über 40mm und einer mit hoher Leistung Po erzeugten Schweißstrecke S2 jeweils an beiden Enden, dass 9 Schweißpunkte hoher Energie gebildet sind mit 8 Strecken S1 dazwischen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung beträgt die Teilstrecke S2 zwischen 5% - 50% von S, vorzugsweise zwischen 10% - 30% von S.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Leistung während eines Teils von höchstens 50% der Strecke S2 linear von Pu auf Po erhöht und später von Po auf Pu wieder linear reduziert. Damit kann sich eine dreieckige oder trapezförmige Leistungskurve ergeben, je nachdem, ob zwischen den Bereichen linearer Leistungsänderung ein Bereich gleichbleibender Leistung von Po vorhanden ist oder nicht. Die Dauer des Leistungsanstieges und Leistungsabfalles sind vorzugsweise gleich, können aber auch voneinander abweichen. Es sind alternativ auch andere Kurvenverläufe möglich, beispielsweise ein exponentieller Verlauf oder ein Sägezahnverlauf mit einer ansteigenden Flanke und einer steil abfallenden Flanke. Allerdings sollte die Leistung vorzugsweise nicht sprunghaft angehoben werden, um Spritzer geschmolzenen Materials zu vermeiden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Verfahren zur Schweißverbindung von Materiallagen aus Kupfer- und Aluminiumwerkstoffen verwendet. Diese Werkstoffkombinationen sind für die Bildung harter und damit rissanfälliger intermetallischer Phasen bei den üblichen Laserschweißverfahren besonders anfällig.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die Materiallagen zum Verschweißen in einen Überlappungsstoß gebracht.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die zum Laserstrahl gerichtete Materiallage eine Materialdicke von 0,05 - 1 mm auf, besonders bevorzugt von ca. 0,2 - 0,5 mm. Die miteinander zu verbindenden Materiallagen müssen nicht die gleiche Dicke haben. Es können dabei auch mehr als zwei, insbesondere drei Materiallagen miteinander verschweißt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird diese für die Verbindung von Anschlüssen von Batterien bzw. Zellkontaktierungen von Batterien für Kraftfahrzeuge angewendet.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnungen - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:

1: ein Diagramm mit dem Leistungsverlauf über der Schweißstrecke;
2: ein Bild der Nahttopographie von oben;
3: einen Längsschliff durch die gebildete Schweißnaht;
4: ein schematisches Bild einer Anordnung mit mehreren Schweißnähten.

In dem in 1 gezeigten Diagramm ist die Leistung P einer Laserschweißvorrichtung als Ordinate über einer zu schweißenden Strecke als Abszisse dargestellt. Die Strecke bzw. die zu bildende Schweißnaht muss dabei nicht geradlinig verlaufen. Sofern mit einer konstanten Schweißgeschwindigkeit geschweißt wird, die typischerweise zwischen 1 und 100 m/min liegt, entspricht die Abszisse auch dem zeitlichen Verlauf des Schweißvorgangs. Die genaue Wahl der Schweißgeschwindigkeit ist dabei abhängig von der Leistung, dem Strahldurchmesser, der Materialien und Materialstärken.
Während einer Strecke S1 wird bei dem erfindungsgemäßen Schweißverfahren mit einer niedrigen Leistungen Pu geschweißt. Die Leistung liegt etwa im Bereich von 1 kW bis 25 kW. Während einer Strecke S2, die sich im dargestellten Beispiel aus drei Teilstrecken S2a, S2b, S2c zusammensetzt, steigt während S2a die Leistung von Pu vorzugsweise linear, auf die obere Leistungen Po an, die mindestens 5% über dem Wert von Pu liegt. Während der Strecke S2b bleibt die Leistung auf Po und während der Strecke S2c sinkt die Leistung wieder auf Pu. Anschließend wiederholt sich dieser Vorgang mehrmals, so dass die periodische Schweißstrecke S = S1 + S2a + S2b + S2c beträgt. Es kann alternativ die Strecke S2b auch null sein, so dass die Leistungsreduzierung S2c direkt auf den Anstieg S2a folgt. Die gesamte zu schweißende Länge besteht also aus mehreren Strecken S hintereinander.
In den 2 und 3 sind eine Nahttopographie sowie ein Längsschliff einer auf diese Weise hergestellten Schweißnaht dargestellt, wobei der Längen-Maßstab dieser Figuren nicht mit 1 übereinstimmt. In den Figuren sind die Bereiche 10 mit tiefem Einschweißen und die Bereiche 12 mit oberflächlichem Aufschweißen des Materials der oberen Materiallage zu erkennen. In 3 ist zu sehen, dass drei Materiallagen 14, 16, 18 miteinander verschweißt werden, die in diesem Beispiel jeweils 0,4mm stark sind, wobei die obere Materiallage 14 aus einem Kupferwerkstoff und die beiden unteren Materiallagen 16, 18 aus einem Aluminiumwerkstoff bestehen. Die Leistung des Lasers wird so gewählt, dass bei den Bereichen 10 tiefen Einschweißens die Schweißverbindung bis in die untere Materiallage 18 eindringt und alle drei Materiallagen miteinander verschweißt werden.
Demgegenüber liegt in den aufgeschweißten Bereichen 12 lediglich eine oberflächliche Verbindung vor, hingegen gewährleisten auch diese Bereiche 12 eine elektrische Verbindung geringen Widerstandes zwischen den Materiallagen.
In 4 ist ein schematisches Bild einer Anordnung mit vier im wesentlichen parallelen Schweißnähten 20a, 20b, 20c, 20d dargestellt, wobei zu erkennen ist, dass in einem solchen Fall die Bereiche 10 mit tiefem Einschweißen einer Schweißnaht 20b gegenüber den entsprechenden Bereichen der benachbarten Schweißnähte 20a, 20c in Längsrichtung versetzt sind.
Obwohl die Erfindung im Detail durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel näher illustriert und erläutert wurde, ist sie hierdurch nicht eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen, beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente, vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
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

DE 102016204578 B3 [0002]
US 2013/0134139 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Laserschweißen mindestens zweier aufeinanderliegender Materiallagen (14, 16, 18) mittels eines auf die obere Materiallage (14) gerichteten und längs desselben bewegten Laserstrahls, wobei die Leistung des Laserstrahls periodisch moduliert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung während eines ersten Teils S1 einer periodisch sich wiederholenden Schweißstrecke S auf einem unteren Leistungswert Pu gehalten wird und während eines zweiten Teils S2 < 0,2 * S der Schweißstrecke bis zu einem oberen Leistungswert Po erhöht wird, wobei Po > 1,05 * Pu ist, und wobei Pu so gewählt ist, dass ein oberflächliches Aufschweißen des Materials der oberen Materiallage (14) erfolgt und Po so gewählt wird, dass ein tiefes Einschweißen bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 3 * Pu > Po > 1,1 * Pu vorzugsweise 2,5 * Pu > Po > 1,2 * Pu beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Periodenstrecke S zwischen 2 - 100mm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass S2 zwischen 5% - 50% von S, vorzugsweise zwischen 10% - 30% von S, beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung während eines Teils von höchstens 50% der Strecke S2 linear von Pu auf Po erhöht wird und später von Po auf Pu linear wieder reduziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dies zur Schweißverbindung von Materiallagen (14, 16, 18) aus Kupfer- und Aluminiumwerkstoffen verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materiallagen (14, 16, 18) zum Verschweißen in einen Überlappungsstoß gebracht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Laserstrahl beaufschlagte Materiallage (14) eine Materialdicke von 0,05 - 1 mm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schweißnähte (20a, 20b, 20c, 20d) nebeneinander ausgeführt werden, wobei sich die Schweißbereiche (10), die mit höherer Leistung Po geschweißt werden, gegenüber diesen Schweißbereichen (10) benachbarter Schweißnähten versetzt gebildet werden.
Anwendung des Schweißverfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche für die Verbindung von Anschlüssen von Batterien und/ oder Kontaktierungen von Batterien für Kraftfahrzeuge.