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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer pressgeschweißten Komponente, insbesondere einer Komponente zur Herstellung eines Lithium-Ionen-Akkumulators, bei dem mindestens zwei Halbzeuge mittels eines Pressschweißprozesses miteinander verschweißt werden, wobei mindestens eines der Halbzeuge für den Pressschweißprozess mechanisch mit einem Schweißwerkzeug kontaktiert wird.
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Für die Herstellung von pressgeschweißten Komponenten, insbesondere Komponenten zur Herstellung eines Lithium-Ionen-Akkumulators, beispielsweise einer Komponente mit einer Kontaktplatte und mindestens einer Elektrodenfolie, ist es für einen störungsfreien Betrieb des Akkumulators wichtig, eine präzise Schweißverbindung bereitzustellen. Insbesondere besteht Bedarf daran, die zu einer Komponente zu verschweißenden Halbzeuge nicht während des Schweißprozesses zu beschädigen oder zu kontaminieren, sodass eine kontaminationsfreie und störungsfrei funktionierende Komponente hergestellt wird. Beim Verschweißen von Halbzeugen, beispielsweise einer Elektrodenfolie wie einer Kupfer- oder Aluminiumfolie und einer Kontaktplatte, tritt das Problem auf, dass bei dem Schweißvorgang Partikel aus der Elektrodenfolie, beispielsweise Kupferpartikel im Falle einer Kupferfolie, ausgelöst werden, die sich auf der Elektrodenfolie absetzten und diese kontaminieren können, was zu Problemen beim Betrieb des daraus hergestellten Lithium-Ionen-Akkumulators führen kann.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, diese durch den Schweißprozess gelösten und umherfliegenden Partikel durch Absaugen zu entfernen. Allerdings hat sich herausgestellt, dass diese Vorgehensweise nicht effektiv genug ist, sodass nicht alle umherfliegenden Partikel entfernt werden und es durch den Niederschlag dieser umherfliegenden Partikel auf den Elektrodenfolien weiterhin zu einer Kontamination der Elektrode und darüber hinaus zu Problemen im Betrieb des Lithium-Ionen-Akkumulators kommen kann.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung einer pressgeschweißten Komponente zur Verfügung zu stellen, welches die zuvor genannten Nachteile zumindest teilweise behebt, insbesondere eine Kontamination der hergestellten pressgeschweißten Komponente, beispielsweise der Oberfläche der mit einer Kontaktplatte verschweißten Elektrodenfolie, möglichst weitgehend verhindert.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Herstellung einer pressgeschweißten Komponente, insbesondere einer Komponente zur Herstellung eines Lithium-Ionen-Akkumulators, bei dem mindestens zwei Halbzeuge mittels eines Pressschweißprozesses miteinander verschweißt werden, wobei mindestens eines der Halbzeuge für den Pressschweißprozess mechanisch mit einem Schweißwerkzeug kontaktiert wird, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das mindestens eine mit dem Schweißwerkzeug kontaktierte Halbzeug vor dem Kontaktieren in dem zu kontaktierenden Bereich mittels eines Plasmabeschichtungsverfahrens, insbesondere unter Einsatz eines atmosphärischen Plasmastrahls, mit einer Schutzschicht versehen wird.
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Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass durch das Vorsehen einer auf diese Weise aufgebrachten Schutzschicht in dem mit dem Schweißwerkzeug zu kontaktierenden Bereich ein Loslösen von Partikeln von der Oberfläche des Halbzeugs durch das Schweißwerkzeug weitgehend oder sogar vollständig verhindert werden kann, so dass eine Kontamination der Halbzeugoberfläche vermieden wird.
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Bei dem Verfahren werden mindestens zwei Halbzeuge mittels eines Pressschweißprozesses miteinander verschweißt. Bei dem Pressschweißverfahren kann es sich zum Beispiel um ein Widerstandsschweißen, Kaltpressschweißen, Reibschweißen oder Ultraschallschweißen handeln. Bei diesen Verfahren werden die mindestens zwei miteinander zu verschweißenden Halbzeuge miteinander kontaktiert und typischerweise mindestens eines der Halbzeuge mit einem Schweißwerkzeug kontaktiert, das einen Strom, Druck oder eine Schwingung in das mindestens eine Halbzeug einbringt. Beispielsweise wird beim Ultraschallschweißen mindestens eines der Halbzeuge mit einer sogenannten Sonotrode kontaktiert, über die Ultraschallschwingungen in die Halbzeuge eingekoppelt werden.
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Bei dem Verfahren wird das mindestens eine mit dem Schweißwerkzeug kontaktierte Halbzeug vor dem Kontaktieren in dem zu kontaktierenden Bereich mit einer Schutzschicht versehen. Bei der Schutzschicht kann es sich zum Beispiel um eine organische, insbesondere Silizium-organische Schicht handeln. Vorzugsweise wird der mit dem Schweißwerkzeug zu kontaktierende Bereich durch die Schutzschicht vollständig abgedeckt. Vorzugsweise handelt es sich bei der Schutzschicht um eine oxidationshemmende Schicht.
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Das Halbzeug wird mittels eines Plasmabeschichtungsverfahrens mit der Schutzschicht versehen. Bei dem Plasmabeschichtungsverfahren handelt es sich vorzugsweise um ein atmosphärisches Plasmabeschichtungsverfahren.
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Das Halbzeug wird vorzugsweise unter Einsatz eines atmosphärischen Plasmastrahls mit der Schutzschicht versehen. Unter einem Plasmastrahl wird vorliegend ein gerichteter Gasstrahl verstanden, der zumindest teilweise ionisiert ist. Unter einem atmosphärischen Plasmastrahl wird ein Plasmastrahl verstanden, der im Wesentlichen unter Atmosphärendruck betrieben wird, d.h. bei dem der Plasmastrahl in eine Umgebung gerichtet ist, die im Wesentlichen Atmosphärendruck aufweist. Durch die Verwendung eines atmosphärischen Plasmastrahls kann auf eine aufwändige Vakuumumgebung sowie auf Ein- und Ausschleusevorgänge der Halbzeuge verzichtet werden.
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Beispielsweise kann der Plasmastrahl mittels einer Plasmadüse erzeugt werden, wobei die Plasmadüse eine Düsenöffnung aufweist, aus der der Plasmastrahl in eine Umgebung mit im Wesentlichen Atmosphärendruck austritt. Durch die Verwendung einer solchen Plasmadüse kann die Richtung des Plasmastrahls durch die Ausrichtung der Plasmadüse eingestellt werden, so dass eine zielgenaue Beaufschlagung der Schutzschicht in den für den Pressschweißprozess mechanisch mit einem Schweißwerkzeug zu kontaktierenden Bereichen erreicht werden kann. Zudem lässt sich eine solche Plasmadüse einfach in eine Prozesskette für einen Inline-Betrieb integrieren.
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Das Aufbringen der Schutzschicht kann weiterhin durch den Einsatz eines Precursors erfolgen. Bei einem Precursor handelt es sich um einen Ausgangsstoff, der im Plasma zum Beispiel angeregt oder fragmentiert werden kann und auf der Oberfläche des Halbzeugs die Schutzschicht bildet.
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Für das Aufbringen der Schutzschicht ist es möglich, den Precursor an verschiedenen Stellen in den atmosphärischen Plasmastrahl einzubringen, zum Beispiel mit dem Arbeitsgas zum Betrieb einer verwendeten Plasmadüse, in den Bereich, in dem das Plasma erzeugt wird oder in einen stromabwärtigen Bereich von der Plasmaerzeugung. Zum gezielten Versehen des Halbzeugs mit der Schutzschicht wird der Plasmastrahl insbesondere auf die zu beschichtenden Bereiche des Halbzeugs gerichtet, wo sich dann die Schutzschicht ausbildet.
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In einer alternativen Ausgestaltung kann der Precursor unabhängig vom Plasmastrahl auf die zu beschichtenden Bereiche des Halbzeugs aufgebracht werden und können die mit dem Precursor versehenen Bereiche mit einem Plasmastrahl beaufschlagt werden. In diesem Fall reagiert der Precursor in der Reaktionszone des Plasmastrahls an der Oberfläche der zu beschichtenden Bereiche mit dem Plasma.
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Der Precursor kann in gasförmiger, flüssiger oder fester Form in den Plasmastrahl eingebracht oder auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebracht werden. Weiterhin kann der Precursor in einer Mischung, zum Beispiel gelöst oder dispergiert in einem Fluid, verwendet werden.
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Anstelle eines atmosphärischen Plasmabeschichtungsverfahrens kommt auch der Einsatz eines Niederdruck-Plasmabeschichtungsverfahrens, zum Beispiel plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung, in Betracht.
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Bei dem Niederdruck-Plasmabeschichtungsverfahren wird das mit der Schutzschicht zu versehene Halbzeug vorzugsweise in einer Niederdruckkammer angeordnet, die vorzugsweise auf einen Druck von 1 mbar oder weniger evakuiert wird und in der ein, vorzugsweise durch Hochfrequenz (z.B. 13,56 MHz) angeregtes Niederdruckplasma erzeugt wird. Der Precursor wird in die Niederdruckkammer eingeleitet, so dass sich mittels des Niederdruckplasmas in der Niederdruckkammer die Schutzschicht auf der zu beschichtenden Oberfläche des Bauteils abscheidet. Nicht zu beschichtende Bereiche der Oberfläche des Halbzeugs oder andere Oberflächen des Halbzeugs werden vorzugsweise maskiert.
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Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen des Verfahrens beschrieben, wobei die einzelnen Ausführungsformen auch beliebig miteinander kombiniert werden können.
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Bei einer ersten Ausführungsform des Verfahrens werden ein elektrisches Kontaktelement und mindestens eine Elektrodenfolie miteinander verschweißt, wobei die Elektrodenfolie mechanisch mit dem Schweißwerkzeug kontaktiert wird und vor dem Kontaktieren mit dem Schweißwerkzeug in dem zu kontaktierenden Bereich mit der Schutzschicht versehen wird.
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Komponenten mit einem Kontaktelement und ein oder mehreren damit verschweißten Elektrodenfolien werden bei der Herstellung von Akkumulatoren, insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulatoren, benötigt. Die Elektrodenfolie wird bei der Herstellung des Akkumulators typischerweise mit einem Elektrodenmaterial beschichtet, zum Beispiel mit einem Graphit- oder Silizium-haltigen Elektrodenmaterial für die negative Elektrode oder mit einem Lithiumoxid- oder Lithiumphosphat-haltigen Elektrodenmaterial für die positive Elektrode. Auf der Elektrodenfolie vorhandene Partikel können die Schicht aus Elektrodenmaterial beschädigen oder sogar perforieren, was eine Minder- oder Fehlfunktion, beispielsweise einen Kurzschluss, des Akkumulators zur Folge haben kann. Da mit dem vorliegenden Verfahren Verunreinigungen der Elektrodenfolien durch den Pressschweißprozess verhindert werden können, kann dieses Verfahren besonders vorteilhaft für das Pressschweißen von Elektrodenfolien und Kontaktelementen für die Herstellung von Akkumulatoren eingesetzt werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden ein elektrisches Kontaktelement und ein Stapel übereinander angeordneter Elektrodenfolien miteinander verschweißt, wobei eine Elektrodenfolie des Stapels mechanisch mit dem Schweißwerkzeug kontaktiert wird und die mit dem Schweißwerkzeug kontaktierte Elektrodenfolie vor dem Kontaktieren in dem zu kontaktierenden Bereich mit der Schutzschicht versehen wird. Auf diese Weise können gleichzeitig mehrere Elektrodenfolien mit dem Kontaktelement verschweißt werden, ohne dass es zu einer Kontamination der Elektrodenfolien kommt. Eine Komponente mit mehreren mit einem Kontaktelement verschweißten Elektrodenfolien kann insbesondere bei der Herstellung von Akkumulatoren, insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulatoren verwendet werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist die mindestens eine Elektrodenfolie eine Metallfolie, insbesondere eine Aluminium- oder Kupferfolie, die insbesondere mit einem Elektrodenmaterial beschichtet sein kann.
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Eine Aluminiumfolie wird insbesondere zur Bereitstellung einer Elektrodenfolie für die positive Elektrode eines Akkumulators, das heißt für die Kathode beim Entladungsvorgang, verwendet. Eine Kupferfolie wird insbesondere für die Bereitstellung einer Elektrodenfolie für die negative Elektrode eines Akkumulators, das heißt für die Anode beim Entladungsvorgang, verwendet. Da insbesondere Metallfolien wie etwa Kupfer- oder Aluminiumfolien zu Partikelbildung während des Pressschweißprozesses neigen, ist das Aufbringen einer Schutzschicht gerade bei derartigen Folien vorteilhaft.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens handelt es sich bei dem Pressschweißprozess um einen Reibschweißprozess, insbesondere um einen Ultraschallschweißprozess. Auf diese Weise können die zu verschweißenden Halbzeuge insbesondere ohne Zugabe eines Zusatzwerkstoffs verschweißt werden. Weiter zeichnet sich der Reibschweißprozess durch hohe Genauigkeit und gute Qualität der Schweißverbindung aus, sodass durch das erfindungsgemäße Verfahren eine qualitativ hochwertige pressgeschweißte Komponente für die Herstellung eines Akkumulators hergestellt werden kann.
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Beim Reibschweißen werden die zu verschweißenden Werkstücke unter Druck gegeneinander bewegt. Durch die an den Stoßflächen entstehende Reibungswärme werden die Werkstücke ohne Schweißzusatz geschweißt.
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Beim Ultraschallschweißen wird die Reibungswärme mittels hochfrequenter mechanischer Schallwellen, zum Beispiel mit einer Frequenz im Bereich von 20 kHz, erzeugt, die über das Schweißwerkzeug, insbesondere Sonotrode, in die zu verschweißenden Halbzeuge eingekoppelt werden. Die Schallwellen bewirken eine hochfrequente Schwingung, d.h. Bewegung, der Halbzeuge gegeneinander, typischerweise mit sehr geringer Amplitude, so dass die beiden Halbzeuge miteinander verschweißt werden.
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Werden beim Pressschweißprozess mehrere unabhängige Bereiche des mindestens einen Halbzeugs mit ein oder mehreren Schweißwerkzeugen kontaktiert, so werden vorzugsweise alle zu kontaktierenden Bereiche mit einer Schutzschicht versehen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens handelt es sich bei der Schutzschicht um eine abschnittsweise Schutzschicht, die sich über einen Teilbereich der Oberfläche des mindestens einen Halbzeugs erstreckt, insbesondere über den mit dem Schweißwerkzeug zu kontaktierenden Teilbereich. Auf diese Weise kann die Schutzschicht zielgerichtet in den durch das Schweißwerkzeug zu kontaktierenden Bereichen des zu beschichtenden Halbzeugs aufgebracht werden, während andere Bereiche der Oberfläche des zu beschichteten Halbzeugs, insbesondere Bereiche, in denen die Schutzschicht für die weitere Verwendung der herzustellenden Komponente stören würde, freibleiben. Handelt es sich bei einem der Halbzeuge zum Beispiel um eine Elektrodenfolie, so bleibt insbesondere der im weiteren Herstellungsprozess mit Elektrodenmaterial zu beschichtende Bereich der Elektrodenfolie frei von der Schutzschicht. Weiterhin bleiben vorzugsweise Bereiche der Oberfläche des Halbzeugs frei von der Schutzschicht, die im weiteren Herstellungsprozess elektrisch kontaktiert werden sollen.
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Zum Aufbringen der abschnittsweisen Schutzschicht wird vorzugsweise eine Plasmadüse verwendet, die einen gerichteten Plasmastrahl erzeugt. Der Plasmastrahl wird vorzugsweise, zum Beispiel durch Bewegen der Plasmadüse, über den zu beschichtenden Teilbereich der Oberfläche des Halbzeugs geführt. Zusätzlich oder alternativ kann der zu beschichtende Teilbereich auch durch eine entsprechende Maskierung des Halbzeugs definiert werden, wobei maskierte Bereiche unbeschichtet bleiben.
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Wenn das Halbzeug an mehreren Stellen mit einem oder mehreren Schweißwerkzeugen mechanisch kontaktiert werden soll, kann die Schutzschicht entsprechend auf mehrere, insbesondere voneinander getrennte Teilbereiche der Oberfläche des Halbzeugs aufgebracht werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform wird bei dem Verfahren eine Plasmadüse mit einer Düsenanordnung verwendet, die den mit der Plasmadüse erzeugten Plasmastrahl in mehrere aus mehreren Öffnungen der Düsenanordnung austretende Teilstrahlen aufteilt. Insbesondere können die mehreren Düsenöffnungen entlang eines Kanals der Düsenanordnung angeordnet sein. Eine geeignete Düsenanordnung ist beispielsweise aus der
DE 10 2016 125 699 A1 bekannt. Durch die Verwendung einer Plasmadüse mit einer solchen Düsenanordnung kann ein größerer Bereich des Halbzeugs gleichzeitig mit einer Schutzschicht versehen werden, sodass das Auftragen der Schutzschicht effizient gestaltet werden kann. Darüber hinaus kann durch eine speziell an den einen oder die mehreren zu beschichtenden Teilbereiche der Oberfläche des Halbzeugs angepasste Düsenanordnung das Aufbringen einer bereichsweisen Schutzschicht effizient gestaltet werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist die Schutzschicht eine organische, insbesondere eine Silizium-organische Schutzschicht. Derartige Schutzschichten haben sich in Versuchen als gut geeignet herausgestellt, um durch ein Schweißwerkzeug aus dem Material des Halbzeugs gelöste Partikel an der Oberfläche des Halbzeugs festzuhalten, so dass diese nicht umherfliegen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird in den atmosphärischen Plasmastrahl ein organischer, insbesondere ein Silizium-organischer, Precursor eingebracht. Auf diese Weise lassen sich die zuvor beschriebenen organischen, insbesondere Silizium-organischen Schutzschichten herstellen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der atmosphärische Plasmastrahl mittels einer bogenartigen Entladung in einem Arbeitsgas erzeugt, wobei die bogenartige Entladung durch Anlegen einer hochfrequenten Hochspannung zwischen Elektroden erzeugt wird. Als Arbeitsgas wird vorzugsweise Stickstoff oder Luft verwendet. Unter einer hochfrequenten Hochspannung wird typischerweise eine Spannung von 1 - 100 kV, insbesondere 1 - 50 kV, vorzugsweise 10 - 50 kV, bei einer Frequenz von 1 - 300 kHz, insbesondere 1 - 100 kHz, vorzugsweise 10 - 100 kHz, weiter bevorzugt 10 - 50 kHz verstanden. Auf diese Weise kann ein Plasmastrahl erzeugt werden, der sich gut fokussieren lässt und sich zudem gut für eine Plasmabeschichtung eignet, insbesondere zum Aufbringen einer abschnittsweisen Schutzschicht in den für den Schweißprozess kontaktierten Bereichen.
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Weitere Merkmale und Vorteile des zuvor beschriebenen Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird.
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In der Zeichnung zeigen
- 1 ein Beispiel für eine Plasmadüse, die für das Verfahren zur Herstellung einer pressgeschweißten Komponente verwendet werden kann,
- 2a-d mehrere Schritte eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens zur Herstellung einer pressgeschweißten Komponente in schematischer Darstellung und
- 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung einer pressgeschweißten Komponente in schematischer Darstellung.
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1 zeigt in schematischer Schnittansicht zunächst eine Plasmadüse 2, die in einem Verfahren zur Herstellung einer pressgeschweißten Komponente eingesetzt werden kann.
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Die Plasmadüse 2 weist ein Düsenrohr 4 aus Metall auf, das sich konisch zu einer Düsenöffnung 6 verjüngt. An dem der Düsenöffnung 6 entgegengesetzten Ende weist das Düsenrohr 4 eine Dralleinrichtung 8 mit einem Einlass 10 für ein Arbeitsgas auf, beispielsweise für Stickstoff.
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Eine Zwischenwand 12 der Dralleinrichtung 8 weist einen Kranz von schräg in Umfangsrichtung angestellten Bohrungen 14 auf, durch die das Arbeitsgas verdrallt wird. Der stromabwärtige, konisch verjüngte Teil des Düsenrohres wird deshalb von dem Arbeitsgas in der Form eines Wirbels 16 durchströmt, dessen Kern auf der Längsachse des Düsenrohres verläuft. An der Unterseite der Zwischenwand 12 ist mittig eine Elektrode 18 angeordnet, die koaxial in Richtung des verjüngten Abschnittes in das Düsenrohr hineinragt. Die Elektrode 18 ist elektrisch mit der Zwischenwand 12 und den übrigen Teilen der Dralleinrichtung 8 verbunden. Die Dralleinrichtung 8 ist durch ein Keramikrohr 20 elektrisch gegen das Düsenrohr 4 isoliert. Über die Dralleinrichtung 8 wird an die Elektrode 18 eine hochfrequente Hochspannung angelegt, die von einem Transformator 22 erzeugt wird. Der Einlass 10 ist über einen nicht gezeigten Schlauch mit einer unter Druck stehenden Arbeitsgasquelle mit variablem Durchsatz verbunden. Das Düsenrohr 4 ist geerdet. Durch die angelegte Spannung wird eine Hochfrequenzentladung in der Form eines Lichtbogens 24 zwischen der Elektrode 18 und dem Düsenrohr 4 erzeugt.
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Die Begriffe „Lichtbogen“, „Bogenentladung“ bzw. „bogenartige Entladung“ werden vorliegend als phänomenologische Beschreibung der Entladung verwendet, da die Entladung in Form eines Lichtbogens auftritt. Der Begriff „Lichtbogen“ wird anderweitig auch als Entladungsform bei Gleichspannungsentladungen mit im Wesentlichen konstanten Spannungswerten verwendet. Vorliegend handelt es sich jedoch um eine Hochfrequenzentladung in Form eines Lichtbogens, also um eine hochfrequente, bogenartige Entladung.
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Aufgrund der drallförmigen Strömung des Arbeitsgases wird dieser Lichtbogen jedoch im Wirbelkern auf der Achse des Düsenrohres 4 kanalisiert, so dass er sich erst im Bereich der Düsenöffnung 6 zur Wand des Düsenrohres 4 verzweigt. Das Arbeitsgas, das im Bereich des Wirbelkerns und damit in unmittelbarer Nähe des Lichtbogens 24 mit hoher Strömungsgeschwindigkeit rotiert, kommt mit dem Lichtbogen in innige Berührung und wird dadurch zum Teil in den Plasmazustand überführt, so dass ein atmosphärischer Plasmastrahl 26 durch die Düsenöffnung 6 aus der Plasmadüse 2 austritt.
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Zur Plasmabeschichtung einer Oberfläche wird die Oberfläche mit dem Plasmastrahl 26 und einem geeigneten Precursor 28 beaufschlagt. Insbesondere kann der Precursor 28 direkt in den Plasmastrahl 26 eingebracht werden. Zu diesem Zweck kann beispielsweise im Bereich der Düsenöffnung 6 eine Precursorzuleitung 29 angeordnet sein, die den Precursor 28 in den Plasmastrahl 26 einleitet. Eine solche Precursorzuleitung kann auch direkt in die Plasmadüse 2 integriert sein. Beispielsweise kann an die Düsenöffnung 6 ein Rohr mit einer Precursorzuleitung angeschlossen sein, so dass der Plasmastrahl 26 durch das Rohr geführt wird und der Precursor im Rohr in den Plasmastrahl eingebracht wird. Ebenfalls ist eine Precursorzuleitung denkbar, die den Precursor in den Innenraum des Düsenrohrs 4 einbringt. Der Precursor kann auch zusammen mit dem Arbeitsgas durch den Einlass 10 in das Düsenrohr 4 eingebracht werden. Bevorzugt ist es jedoch, den Precursor 28 außerhalb des Düsenrohrs 4 in den Plasmastrahl einzubringen, um den Precursor 28 durch den Lichtbogen 24 oder die hohen Temperaturen innerhalb des Düsenrohrs 4 nicht zu beeinträchtigen.
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Die Wechselwirkung des Plasmastrahls 26 mit dem Precursor 28 führt zu einer Aktivierung und ggf. Fragmentierung des Precursors 28. Der aktivierte Precursor 28 bildet dann beim Auftreffen auf die zu beschichtende Oberfläche eine gleichmäßige Schicht aus.
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Die 2a-d zeigen nun ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung einer pressgeschweißten Komponente in schematischer Schnittansicht.
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2a zeigt einen ersten Schritt des Verfahrens, bei dem ein erstes Halbzeug 30, zum Beispiel eine Elektrodenfolie für einen Akkumulator, mit einer Schutzschicht 32 versehen wird. Zu diesem Zweck wird mit einer Plasmadüse 40, die zum Beispiel wie die in 1 gezeigte Plasmadüse 2 ausgebildet sein kann, ein atmosphärischer Plasmastrahl 38 erzeugt und auf das erste Halbzeug 30 gerichtet, wobei ein geeigneter Precursor 34 in den Plasmastrahl 38 eingebracht wird.
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Der in den Plasmastrahl 38 eingebrachte Precursor 34 wird durch den Plasmastrahl 38 teilweise fragmentiert und angeregt und führt dadurch zu einer Schichtbildung auf der Oberfläche 36 des ersten Halbzeugs 30. Der Precursor 34 kann wie in 2a gezeigt in den Plasmastrahl 38 eingebracht werden, nachdem dieser die Plasmadüse 40 verlassen hat. Alternativ dazu kann der Precursor 34 auch in die Plasmadüse 40, insbesondere in den Düsenkopf 44 der Plasmadüse 40 oder zusammen mit einem die Plasmadüse 40 versorgenden Arbeitsgas 42 eingebracht werden.
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Alternativ kann der Precursor 34 unabhängig vom Plasmastrahl 38 auf die Oberfläche 36 des Halbzeugs 30 aufgebracht werden, bevor diese mit dem Plasmastrahl 38 beaufschlagt wird.
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Bei dem Precursor 34 kann es sich zum Beispiel um eine organische, insbesondere Silizium-organische Verbindung handeln. Mit einem solchen Precursor kann insbesondere eine oxidationshemmende Schutzschicht hergestellt werden.
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Durch Verfahren der Plasmadüse 40 relativ zum ersten Halbzeug 30 kann die Schutzschicht 32 zielgerichtet aufgebracht werden, so dass sie sich über einen bestimmten Teilbereich 35 der Oberfläche 36 des ersten Halbzeugs 30 erstreckt, während der übrige Teil der Oberfläche 36 frei bleibt. Auf diese Weise kann die Schutzschicht 32 zielgerichtet in dem Teilbereich 35 aufgebracht werden, der im weiteren Verfahren mit einem Schweißwerkzeug kontaktiert werden soll.
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Die 2b zeigt einen zweiten Schritt des Verfahrens, bei dem das erste Halbzeug 30 und ein zweites, mit dem ersten Halbzeug 30 zu verschweißendes zweites Halbzeug 50, beispielsweise ein elektrisches Kontaktelement zur Herstellung eines Akkumulators, relativ derart zueinander angeordnet werden, insbesondere einander überlappend, dass sie mittels eines Schweißwerkzeugs 46 pressgeschweißt werden können, wobei das Schweißwerkzeug 46 in dem mit der Schutzschicht 32 versehenen Teilbereich 35 auf das erste Halbzeug 30 aufgesetzt wird. Bei dem Schweißwerkzeug 46 kann es sich zum Beispiel um eine Sonotrode handeln.
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2c zeigt einen dritten Schritt des Verfahrens, bei dem das erste und das zweite Halbzeug 30, 50 im zu verschweißenden Bereich aufeinander liegen und das Schweißwerkzeug 46 im Teilbereich 35 auf das erste Halbzeug 30 aufgesetzt ist. Das zweite Halbzeug 50 kann auf einem Gegenlager 47 des Schweißwerkzeugs 46 abgestützt sein. Das Schweißwerkzeug 46 wird während des Schweißprozesses, beispielsweise während des Ultraschallschweißens wie in 2c dargestellt, in Schwingungen 48, beispielsweise erzeugt durch einen Generator (nicht dargestellt), versetzt, die über den mechanischen Kontakt des Schweißwerkzeugs 46 mit dem ersten Halbzeug 30 in dieses eingekoppelt werden.
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Durch die dadurch bewirkte Bewegung der Halbzeuge 30, 50 gegeneinander, beispielsweise in Form einer hochfrequenten Schwingung 48 beim Ultraschallschweißen, entsteht Reibungswärme an den Kontaktflächen der beiden Halbzeuge 30, 50 zueinander, so dass diese miteinander verschweißt werden, wobei an der Verbindungsstelle ein Schweißpunkt 54 entsteht (s. 2d).
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Da der mit dem Schweißwerkzeug 46 mechanisch kontaktierte Teilbereich 35 der Oberfläche des ersten Halbzeugs 30 mit einer Schutzschicht 32 versehen ist, kann ein Loslösen von Partikeln von der Oberfläche 36 des Halbzeugs 30 durch das Schweißwerkzeug 46 weitgehend oder sogar vollständig verhindert werden. Teilweise kann bereits die Bildung von Partikeln unterbunden werden, teilweise werden gebildete Partikel durch die Schutzschicht 32 festgehalten, so dass sich diese nicht von der Oberfläche des Halbzeugs lösen. Auf diese Weise können eine Kontamination der Halbzeugoberflächen 36 und 52 mit Partikeln und damit Probleme in nachfolgenden Verarbeitungsschritten, zum Beispiel Beschichten einer als Halbzeug vorgesehenen Elektrodenfolie mit Elektrodenmaterial bei Herstellung eines Akkumulators, vermieden werden.
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2d zeigt die fertige pressgeschweißte Komponente 56, bei der das erste und zweite Halbzeug 30, 50 über den beim Pressschweißen an der Verbindungsstelle der Halbzeuge 30, 50 entstandenen Schweißpunkt 54 miteinander fest verbunden sind. Weiterhin weist die pressgeschweißte Komponente 56 in dem Bereich des Schweißpunkts 54 die Schutzschicht 32 auf.
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Die 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung einer pressgeschweißten Komponente in schematischer Schnittansicht. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Stapel 66 übereinander angeordneter Elektrodenfolien 64 mittels eines Schweißwerkzeugs 60 mit einem elektrischen Kontaktelement 68 verschweißt. Die oberste, von dem Schweißwerkzeug 60 beim Schweißvorgang zu kontaktierende Elektrodenfolie 64 wurde zuvor in dem zu kontaktierenden Bereich 70 mit einer Schutzschicht 62 versehenen, die - ähnlich wie in 2a dargestellt - durch Beaufschlagen der Elektrodenfolie 64 mit einem atmosphärischen Plasmastrahl 38 und einem in den Plasmastrahl 38 eingebrachten Precursor 34 auf einen Teilbereich der obersten Elektrodenfolie 64 des Stapels 66 aufgebracht wurde.
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Anschließend werden in einem dem in 2c dargestellten Verfahrensschritt entsprechenden Verfahrensschritt der Stapel 66 übereinander angeordneter Elektrodenfolien 64 und das elektrische Kontaktelement 68 mittels Pressschweißen miteinander verschweißt, wobei das Schweißwerkzeug 60 in dem mit der Schutzschicht 62 versehenen Teilbereich auf die oberste Elektrodenfolie 64 des Stapels 66 aufgesetzt ist.
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Durch die über das Schweißwerkzeug eingekoppelten Schwingungen bewegen sich die einzelnen Elektrodenfolien 64 des Stapels 66 und das Kontaktelement 68 gegeneinander, so dass die einzelnen Elektrodenfolien 64 untereinander und mit dem Kontaktelement 68 verschweißt werden.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel werden demnach mehr als zwei Halbzeuge miteinander verschweißt. Es ist auch denkbar, dass die Halbzeuge nacheinander miteinander verschweißt werden, beispielsweise zunächst die Elektrodenfolien 64 des Stapels 66 miteinander, wobei die oberste Elektrodenfolie 64 zuvor mit der Schutzschicht 62 beschichtet wird, und anschließend das dadurch entstandene Folienstapelhalbzeug mit dem Kontaktelement.
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Durch das Versehen der mit dem Schweißwerkzeug 60 kontaktierten Bereiche der obersten Elektrodenfolie 64 des Stapels 66 mit einer Schutzschicht 62 kann ein Loslösen von Partikeln von der Elektrodenfolie 64 durch das Schweißwerkzeug 60 weitgehend oder sogar vollständig verhindert werden. Auf diese Weise können eine Kontamination der Oberfläche der geschweißten Komponente und, bei Herstellung eines Akkumulators aus dieser Komponente, daraus resultierende Fehlfunktionen beim Betrieb eines daraus hergestellten Akkumulators weitgehend oder sogar vollständig vermieden werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016125699 A1 [0031]
