DE102020127499A1

DE102020127499A1 - Method and laser welding device for manufacturing a heat sink

Info

Publication number: DE102020127499A1
Application number: DE102020127499.8A
Authority: DE
Inventors: Viktor Dupper; Dave Andre
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-10-19
Filing date: 2020-10-19
Publication date: 2022-04-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Laserschweißvorrichtung zur Herstellung eines Kühlkörpers (10). Das Verfahren umfasst die Schritte: Bereitstellen einer ersten Kühlplatte (11) und einer zweiten Kühlplatte (12), Verspannen der Kühlplatten (11, 12) in einer Spannvorrichtung (20) derart, dass die Kühlplatten (11, 12) zumindest abschnittsweise in Kontakt miteinander gebracht werden,Verschweißen der Kühlplatten (11, 12) miteinander mittels Laserstrahlung unter Ausbildung von Schweißnähten,wobei das Verschweißen von beiden Außenseiten der Kühlplatten (11, 12) erfolgt und auf jeder Außenseite zeitgleich zwei oder mehr Laserstrahlen (L1 bis L5) zum Verschweißen verwendet werden.The invention relates to a method and a laser welding device for producing a heat sink (10). The method comprises the steps: providing a first cooling plate (11) and a second cooling plate (12), clamping the cooling plates (11, 12) in a clamping device (20) in such a way that the cooling plates (11, 12) are in contact with one another at least in sections be brought, welding the cooling plates (11, 12) to one another by means of laser radiation to form weld seams, with the welding of both outer sides of the cooling plates (11, 12) taking place and using two or more laser beams (L1 to L5) simultaneously on each outer side for welding will.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Laserschweißvorrichtung zur Herstellung eines Kühlkörpers.The invention relates to a method and a laser welding device for producing a heat sink.

Batterieelektrische Fahrzeuge sind meist mit Kühlkörpern für die Zellen ausgestattet, die aus Kühlplatten zu flächigen Kühlkörpern gefügt werden. gelöteten großen Blechen - mit oder ohne stranggepressten Elementen - zu flächigen Kühlkörpern gefügt werden. Die Kühlkörper sollen dabei möglichst an der Außenfläche der Batterie anliegen, um die Wärme bestmöglich abführen und leiten zu können. Durch die immer größer werdenden Speicher und den erhöhten Energiebedarf wird versucht den Bauraum so effizient wie möglich zu nutzen. Hierbei soll auch die Anzahl der Schnittstellen reduziert werden, da diese wiederum Störstellen darstellen können. Größere Kühlkörper lassen sich nicht mehr kostengünstig durch gelötete Extrusionsprofile herstellen. Ebenso steigt bei gelöteten Kühlplatten das Risiko, dass das Lot im innenliegenden Bereich nicht mit dem benötigten Stoffschluss über die gewünschte Fläche fügt.Battery electric vehicles are mostly equipped with heat sinks for the cells, which are joined from cooling plates to form flat heat sinks. soldered large metal sheets - with or without extruded elements - are joined to flat heat sinks. The heat sinks should be as close as possible to the outer surface of the battery in order to be able to dissipate and conduct the heat in the best possible way. Due to the ever-growing memory and the increased energy requirements, attempts are made to use the installation space as efficiently as possible. The number of interfaces should also be reduced here, since these in turn can represent fault points. Larger heat sinks can no longer be produced inexpensively using soldered extrusion profiles. In the case of soldered cooling plates, the risk also increases that the solder in the inner area does not join with the required material bond over the desired surface.

Bei einer geschweißten Lösung ist der zu schweißende Bereich sehr groß und kann je nach geplanter Zellauslegung mehrere Meter Schweißnaht aufweisen. Hierbei wird die Schweißzeit, trotz immer schneller werdender Schweißverfahren, zu einem Engpass für die zukünftig benötigten Stückzahlen.With a welded solution, the area to be welded is very large and, depending on the planned cell design, can have several meters of weld seam. Here, the welding time, despite ever faster welding processes, becomes a bottleneck for the quantities required in the future.

Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers anzugeben, das die voranstehend beschriebenen Nachteile nicht oder in vermindertem Maße aufweist. In einem weiteren Aspekt soll das Verfahren die großseriengerechte Herstellung großer Kühlkörper ermöglichen und insbesondere das Herstellen von Kühlkörpern mit nicht ebenen Oberflächen.Against this background, it is the object of the invention to specify an improved method for producing a heat sink which does not have the disadvantages described above or has them to a reduced extent. In a further aspect, the method should enable large-scale production of large heat sinks and in particular the production of heat sinks with non-planar surfaces.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und eine Laserschweißvorrichtung nach Patentanspruch 7. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.The object is achieved by a method according to patent claim 1 and a laser welding device according to patent claim 7. Further advantageous configurations result from the dependent claims and the following description.

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers angegeben mit den Schritten:

Bereitstellen einer ersten Kühlplatte und einer zweiten Kühlplatte,
Verspannen der Kühlplatten in einer Spannvorrichtung derart, dass die Kühlplatten zumindest abschnittsweise in Kontakt miteinander gebracht werden,
Verschweißen der Kühlplatten miteinander mittels Laserstrahlung unter Ausbildung von Schweißnähten, wobei das Verschweißen von beiden Außenseiten der Kühlplatten erfolgt und auf jeder Außenseite zeitgleich zwei oder mehr Laserstrahlen zum Verschweißen verwendet werden.

A method for manufacturing a heat sink is specified with the steps:

providing a first cooling plate and a second cooling plate,
Clamping the cooling plates in a clamping device in such a way that the cooling plates are brought into contact with one another at least in sections,
Welding the cooling plates together by means of laser radiation to form weld seams, with the welding taking place from both outsides of the cooling plates and two or more laser beams being used simultaneously for welding on each outside.

Die Kühlplatten sind vorgeformte flächige Bauteile, die aneinander liegend miteinander gefügt werden. Die Kühlplatten können vorzugsweise strukturiert sein, so dass sich zwischen ihnen ein Hohlraum oder Kanalstrukturen bilden, der oder die über Anschlüsse mit einem Kühlmedium durchströmbar ist/sind. Die Kühlplatten leiten die Temperatur weiter Die Kühlplatten können eine ebene Außenfläche aufweisen. Weiterhin kann die Außenfläche einen dreidimensional geformten Oberflächenverlauf aufweisen, wie z.B. einen gewellten Oberflächenverlauf.The cooling plates are preformed, flat components that are joined together while lying next to one another. The cooling plates can preferably be structured so that a cavity or channel structures are formed between them, through which a cooling medium can flow via connections. The cooling plates transfer the temperature. The cooling plates can have a flat outer surface. Furthermore, the outer surface may have a three-dimensionally shaped surface configuration, such as a corrugated surface configuration.

Die Kühlplatten sind aus Metall ausgebildet und können z.B. vorzugsweise aus einem Aluminiumwerkstoff, einem Stahlwerkstoff oder aus Edelstahl ausgebildet sein. Die Kühlplatten können in einer Ausgestaltung insbesondere als dünne Blechbauteile bzw. Metallfolien vorliegen mit einer Dicke im Bereich von 0,05 mm bis 0,6 mm.The cooling plates are made of metal and can, for example, preferably be made of an aluminum material, a steel material or stainless steel. In one configuration, the cooling plates can be present in particular as thin sheet metal components or metal foils with a thickness in the range from 0.05 mm to 0.6 mm.

Weiterhin wird eine Laserschweißvorrichtung zum Herstellen eines Kühlkörpers angegeben, die mindestens eine Laserquelle aufweist, die Laserstrahlung zum Verschweißen einer ersten und einer zweiten Kühlplatte bereitstellt. Weiterhin weist die Laserschweißvorrichtung eine Spannvorrichtung auf, die ausgebildet ist um die erste und zweite Kühlplatte während des Schweißvorgangs zu halten. Die Laserschweißvorrichtung beinhaltet weiterhin mindestens zwei erste Laseroptiken, die dazu eingerichtet sind, in einer Arbeitsposition ihre Laserstrahlen auf eine Außenseite der ersten Kühlplatte zu richten und zwei oder mehr zweiten Laseroptiken die dazu eingerichtet sind, in einer Arbeitsposition ihre Laserstrahlen auf eine Außenseite der zweiten Kühlplatte zu richten.Furthermore, a laser welding device for producing a cooling body is specified, which has at least one laser source that provides laser radiation for welding a first and a second cooling plate. Furthermore, the laser welding device has a clamping device that is designed to hold the first and second cooling plates during the welding process. The laser welding device also includes at least two first laser optics, which are set up to direct their laser beams onto an outside of the first cooling plate in a working position, and two or more second laser optics which are set up to direct their laser beams onto an outside of the second cooling plate in a working position judge.

Die Spannvorrichtung ist dazu ausgebildet, die zwei Kühlplatten relativ zueinander in vorgegebener Position zu fixieren. Weiterhin werden die Kühlplatten durch die Spannvorrichtung verspannt, so dass vorzugsweise der für die Schweißung notwendige technische Nullspalt an den Fügestellen sichergestellt wird. Die Kühlplatten liegen in der Spannvorrichtung mit ihren Innenseiten zueinander, die Außenseiten der Kühlplatten weisen nach außen.The clamping device is designed to fix the two cooling plates in a predetermined position relative to one another. Furthermore, the cooling plates are braced by the clamping device, so that preferably the technical zero gap required for the weld is ensured at the joints. The cooling plates lie in the clamping device with their inner sides facing each other, the outer sides of the cooling plates point outwards.

Die Laserstrahlung der Laserquelle wird an die Laseroptiken weitergeleitet, dort zu jeweils einem Strahl geformt und auf die zu verschweißenden Kühlplatten gerichtet. Durch das Verschweißen werden die Kühlplatten mittels Schweißnähten miteinander verbunden. Hierzu werden zwei oder mehr Laserstrahlen auf die Außenseite der ersten Kühlplatte gerichtet, wobei jeder Laserstrahl mindestens eine Schweißnaht erzeugt, welche die erste mit der zweiten Kühlplatte verbindet. Zeitgleich werden zwei oder mehr Laserstrahlen auf die Außenseite der zweiten Kühlplatte gerichtet, wobei auch dort jeder Laserstrahl mindestens eine Schweißnaht erzeugt, welche die zweite mit der ersten Kühlplatte verbindet. Vorzugsweise sind alle Schweißnähte zueinander versetzt. Die Schweißnähte können z.B. beabstandet zueinander oder teilweise überlappend zueinander angeordnet werden. Die Schweißnähte können sich überkreuzen. Sie können z.B. gleiche Anfangspunkte und unterschiedliche Endpunkte aufweisen oder unterschiedliche Anfangspunkte und gleiche Endpunkte. Unter den Begriff „zueinander versetzt“ sollen jedoch keine Schweißnähte fallen, die den gleichen Anfangs- und Endpunkt bei gleichem Verlauf haben und nur von unterschiedlichen Außenseiten der Kühlplatten erzeugt werden.The laser radiation from the laser source is passed on to the laser optics, where it is formed into a beam and directed onto the cooling plates to be welded. By welding, the cooling plates are mitei by means of welds connected to each other. To this end, two or more laser beams are directed onto the outside of the first cooling plate, with each laser beam producing at least one weld seam which connects the first to the second cooling plate. At the same time, two or more laser beams are directed onto the outside of the second cooling plate, with each laser beam also producing at least one weld seam there, which connects the second cooling plate to the first cooling plate. All weld seams are preferably offset from one another. The weld seams can, for example, be arranged at a distance from one another or partially overlapping one another. The welds can cross each other. For example, they can have the same starting points and different end points, or different starting points and the same end points. However, the term "staggered" does not include weld seams that have the same start and end point with the same course and are only produced from different outsides of the cooling plates.

Durch das beidseitige Verschweißen in Kombination mit dem Einsatz mehrerer Laserstrahlen pro Außenseite des Kühlkörpers kann die Fertigungszeit zur Herstellung des Kühlkörpers erheblich reduziert werden. Die Laserstrahlen können in kleineren Arbeitsbereichen arbeiten, wodurch die Positioniergenauigkeit erhöht und die Positioniergeschwindigkeit gesteigert werden kann. Weiterhin ermöglicht es das Verfahren auch große Kühlplatten prozesssicher zu einem Kühlkörper zu verschweißen. Indem die Laserschweißnähte nicht sequentiell eine nach der anderen ausgebildet werden, sondern mehrere Lasernähte gleichzeitig erzeugt werden, kann der lokale Energieeintrag in das Bauteil optimiert und der Bauteilverzug reduziert werden. Auf ein Umspannen oder eine Umpositionierung der Kühlplatten während der Schweißung kann verzichtet werden, wodurch die Taktzeit weiter reduziert werden kann und die Prozessqualität gesteigert werden kann.Welding on both sides in combination with the use of several laser beams per outside of the heat sink can significantly reduce the production time for manufacturing the heat sink. The laser beams can work in smaller working areas, which increases the positioning accuracy and the positioning speed can be increased. Furthermore, the process also enables large cooling plates to be welded to form a heat sink in a process-reliable manner. Since the laser weld seams are not formed sequentially one after the other, but several laser seams are produced simultaneously, the local energy input into the component can be optimized and component distortion reduced. There is no need to reclamp or reposition the cooling plates during welding, which means that the cycle time can be further reduced and the process quality can be increased.

In einer Ausgestaltung erfolgt das Verschweißen durch Durchgangsöffnungen in der Spannvorrichtung hindurch. In dieser Ausgestaltung sind in der Spannvorrichtung Durchgangsöffnungen vorgesehen, durch die die Laserstrahlen der ersten bzw. zweiten Laseroptiken auf die Kühlplatten gerichtet werden können. Die Laserstrahlen treten folglich durch die Durchgangsöffnungen in der Spannvorrichtung hindurch und gelangen so auf die Kühlplatten, wo die Schweißung erfolgt. Die Durchgangsöffnungen können jede Form aufweisen und sind vorzugsweise entlang des geplanten Schweißnahtverlaufs angeordnet. Da die Schweißenergie in Form von Laserstrahlen zugeführt wird, können die Aussparungen sehr schmal gehalten werden. Die Spannfunktion wird folglich durch die Aussparungen nicht oder nur geringfügig beeinträchtigt. Vorzugsweise sind die Ränder der Kühlplatten zumindest bereichsweise, vorzugsweise vollständig, durch die Spannvorrichtung fixiert. Durch eine derartige Spannvorrichtung kann auf ein Umspannen während der Herstellung des Kühlkörpers verzichtet werden. Der Verzug kann durch eine verbesserte Temperierung minimiert werden und es können sich Fertigungszeit und Fertigungskosten verringern.In one embodiment, the welding takes place through through openings in the clamping device. In this embodiment, passage openings are provided in the clamping device, through which the laser beams of the first and second laser optics can be directed onto the cooling plates. The laser beams consequently pass through the through openings in the clamping device and thus reach the cooling plates, where the welding takes place. The through openings can have any shape and are preferably arranged along the planned course of the weld seam. Since the welding energy is supplied in the form of laser beams, the gaps can be kept very narrow. Consequently, the clamping function is not or only slightly impaired by the recesses. The edges of the cooling plates are preferably fixed at least in regions, preferably completely, by the clamping device. Such a clamping device makes it possible to dispense with re-clamping during the manufacture of the heat sink. The distortion can be minimized by improved temperature control and manufacturing time and manufacturing costs can be reduced.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Kühlplatten in horizontaler Lage in der Spannvorrichtung verspannt werden und die Spannvorrichtung mit den Kühlplatten zum Schweißen in eine vertikale Position bewegt wird. In horizontaler Lage ist das positionsgenaue Einbringen der Kühlplatten in die Spannvorrichtung besonders einfach möglich, insbesondere wenn diese z.B. aus einem Aluminiumwerkstoff bestehen und nicht mittels Magnetkraft an der Spannvorrichtung fixierbar sind. Durch die Umpositionierung in die vertikale Position verbessert sich die Lage für die nachfolgende Schweißung, weil weder über Kopf geschweißt werden muss, noch die Laseroptik direkt über der Schweißstelle positioniert werden muss, was zu einer Verschmutzung durch aufsteigenden Schmauch führen könnte. Vorzugsweise wird auf beiden Außenseiten der Kühlplatten in PC-Lage geschweißt. Als PC-Lage wird eine Quernaht bezeichnet, die durch waagerechtes Schweißen an senkrechter Wand erfolgt. Zusätzlich können kurze Schweißnahtabschnitte als Steig- oder Fallnaht geschweißt werden. Durch diese Positionierung wird die Prozessführung vereinfacht, da auf beiden Seiten in derselben Position geschweißt werden kann. Der Einfluss von Dämpfen und Gasen wird minimiert und die Prozessqualität optimiert. Zur Umsetzung dieses Verfahrens kann die Spannvorrichtung schwenk- oder drehbar ausgestaltet sein, z.B. kann die Spannvorrichtung um wenigstens 90 Grad um eine Längsachse drehbar gestaltet sein, so dass in der Spannvorrichtung aufgenommene Kühlplatten von einer horizontalen in eine vertikale Lage schwenkbar sind. Für eine Entnahme des geschweißten Kühlkörpers kann die Spannvorrichtung dann zunächst wieder in die horizontale Lage zurückbewegt und anschließend geöffnet werden.In one embodiment of the method, it is provided that the cooling plates are clamped in the horizontal position in the clamping device and the clamping device with the cooling plates is moved into a vertical position for welding. In a horizontal position, the precise positioning of the cooling plates in the clamping device is particularly easy, especially if they are made of an aluminum material, for example, and cannot be fixed to the clamping device by means of magnetic force. The repositioning to the vertical position improves the situation for the subsequent welding, because welding does not have to be done overhead, nor does the laser optics have to be positioned directly above the welding point, which could lead to contamination from rising smoke. Welding is preferably carried out on both outsides of the cooling plates in the PC layer. A cross-seam that is made by horizontal welding on a vertical wall is referred to as a PC layer. In addition, short weld seam sections can be welded as a vertical or vertical weld. This positioning simplifies process management, since welding can take place in the same position on both sides. The influence of vapors and gases is minimized and the process quality is optimized. To implement this method, the clamping device can be designed to be pivotable or rotatable, e.g. the clamping device can be designed to be rotatable by at least 90 degrees about a longitudinal axis, so that cooling plates accommodated in the clamping device can be pivoted from a horizontal to a vertical position. To remove the welded heat sink, the clamping device can then first be moved back into the horizontal position and then opened.

Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass die Schweißstellen in einer Ausgestaltung zusätzlich mit Schutz- oder Schweißgas umspült werden. Hierzu kann die Spannvorrichtung vorteilhafter Weise Gaskanäle aufweisen, über die ein Schweiß- oder Schutzgas bis zu den in der Spannvorrichtung aufgenommenen Kühlplatten zuführbar ist. Die Gaskanäle können sich z.B. von einer Anschlussöffnung bis zu den Kühlplatten erstrecken oder in den Durchgangsöffnungen zum Durchführen des Laserstrahls enden. An der Anschlussöffnung kann über Leitungen ein Schweiß- oder Schutzgas zugeführt werden, das dann in der Nähe der Kühlplatten austritt und diese umströmt. Durch die Verwendung eines Schutz- oder Schweißgases lässt sich z.B. eine Oxidation oder die Bildung von Schweißspritzern verringern und das Schweißergebnis verbessern.Furthermore, it can be provided that the welding points are additionally flushed with protective or welding gas in one embodiment. For this purpose, the clamping device can advantageously have gas ducts, via which a welding or protective gas can be fed up to the cooling plates accommodated in the clamping device. The gas channels can, for example, extend from a connection opening to the cooling plates or end in the through-openings for passing the laser beam through. At the connection opening, a welding or protective gas can be supplied via lines, which then exits near the cooling plates and flows around them. By using a protection or Welding gas can, for example, reduce oxidation or the formation of welding spatter and improve the welding result.

Zur Erzielung hoher Schweißgeschwindigkeiten ist es besonders vorteilhaft, wenn die Laserstrahlen mittels Remote-Optiken über die Kühlplatten geführt werden. Eine Remote-Optik beinhaltet u.a. Spiegel, mit denen der Laserstrahl ausgelenkt und so in x- und y-Richtung mit hoher Geschwindigkeit über das Bauteil bewegt werden kann. Darüber hinaus ist die Remote-Optik üblicherweise auch eingerichtet, um die Fokuslage des Laserstrahls in z-Richtung - also senkrecht zur Bauteiloberfläche - zu verändern. Dies ermöglicht eine Anpassung des Laserstrahls an eine 3D-Geometrie des Bauteils und das Verschweißen von Kühlplatten, die mit einer nicht ebenen Kontur, wie z.B. einer gewellten Oberfläche ausgebildet sind.In order to achieve high welding speeds, it is particularly advantageous if the laser beams are guided over the cooling plates using remote optics. A remote optic contains, among other things, mirrors with which the laser beam can be deflected and thus moved over the component in the x and y directions at high speed. In addition, the remote optics are usually also set up to change the focal position of the laser beam in the z-direction, ie perpendicular to the component surface. This enables the laser beam to be adapted to a 3D geometry of the component and the welding of cooling plates that are designed with a non-planar contour, such as a corrugated surface.

Durch das Aneinanderreihen der Arbeitsbereiche der Remote-Optiken lässt sich die Schweißung parallel durchführen und beliebig der Geometrie vom Bauteil anpassen.By lining up the working areas of the remote optics, the welding can be carried out in parallel and adapted to the geometry of the component as desired.

Es ist besonders bevorzugt, wenn zwei oder mehr Teilnähte, die von unterschiedlichen Laserstrahlen erzeugt werden, eine gemeinsame umlaufende Schweißnaht bilden. Die gemeinsame umlaufende Schweißnaht ist vorzugsweise eine Dichtnaht, die eine fluiddichte Verbindung zwischen den beiden Kühlplatten ausbildet. Eine solch umlaufende Schweißnaht kann beispielsweise eine Rechteckform aufweisen, z.B. mit gerundeten Ecken. Besonders bevorzugt ist es, wenn die umlaufende Schweißnaht sowohl mindestens eine Teilnaht aufweist, die von der ersten Außenseite her ausgebildet wird, als auch mindestens eine Teilnaht aufweist, die von der zweiten Außenseite her ausgebildet wird. Derart ist es möglich, dass ein Innenbereich innerhalb der umlaufenden Schweißnaht während der gesamten Schweißdauer durch die Spannvorrichtung gestützt wird. Ein Bauteilverzug wird verringert.It is particularly preferred if two or more partial seams, which are produced by different laser beams, form a common circumferential weld seam. The common circumferential weld is preferably a sealing seam that forms a fluid-tight connection between the two cooling plates. Such a circumferential weld seam can, for example, have a rectangular shape, e.g. with rounded corners. It is particularly preferred if the circumferential weld seam has both at least one partial seam that is formed from the first outside and at least one partial seam that is formed from the second outside. In this way it is possible for an inner region within the circumferential weld seam to be supported by the clamping device for the entire duration of the welding. Component distortion is reduced.

Die Bewegung der Laserstrahlen relativ zu den Kühlplatten erfolgt vorzugsweise allein durch Ablenken der Laserstrahlen mittels der Spiegel innerhalb der Remote-Optiken. Die Remote-Optiken selbst werden folglich während des Schweißverfahrens vorzugsweise nicht bewegt, bleiben also stationär. Die Remote-Optiken können dabei vorteilhafter Weise relativ zueinander so angeordnet sein, dass sich die Arbeitsbereiche benachbarter Remote-Optiken teilweise überlappen bzw. aneinander angrenzen und die Arbeitsbereiche der Remote-Optiken gemeinsam den zu schweißenden Bereich abdecken. Derart kann sichergestellt werden, dass auch bei Verwendung mehrerer Laser-Optiken umlaufende Dichtnähte ausgebildet werden können.The laser beams are preferably moved relative to the cooling plates solely by deflecting the laser beams using the mirrors within the remote optics. Consequently, the remote optics themselves are preferably not moved during the welding process, ie they remain stationary. The remote optics can advantageously be arranged relative to one another in such a way that the working areas of adjacent remote optics partially overlap or adjoin one another and the working areas of the remote optics together cover the area to be welded. In this way it can be ensured that circumferential sealing seams can be formed even when using a plurality of laser optics.

In einer Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass die Laseroptiken gegenüber der Spannvorrichtung verfahrbar sind. Die Laseroptiken können insbesondere zwischen einer Arbeitsposition, in der geschweißt wird, und einer Parkposition, in der keine Schweißung stattfindet, verfahrbar sein. Sind die Laseroptiken in die Parkposition gefahren, so ist z.B. ein Wechsel der Spannvorrichtung oder eine Drehung der Spannvorrichtung möglich. Derart wird ein taktzeitgebundener Wechsel der Spannvorrichtungen erleichtert, da diese bei zurückgefahrenen Laseroptiken besser zugänglich ist.In one embodiment, it is provided that the laser optics can be moved relative to the clamping device. In particular, the laser optics can be moved between a working position, in which welding takes place, and a parking position, in which no welding takes place. If the laser optics are in the parking position, it is possible, for example, to change the clamping device or rotate the clamping device. This makes it easier to change the clamping devices based on the cycle time, since they are more accessible when the laser optics are retracted.

Für eine Verringerung von Fehlertoleranzen ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die ersten Laseroptiken jeweils ortsfest an einem gemeinsamen ersten Träger angeordnet sind und die zweiten Laseroptiken jeweils ortsfest an einem gemeinsamen zweiten Träger angeordnet sind und der erste und zweite Träger gegenüber der Spannvorrichtung verfahrbar ist.To reduce error tolerances, it is also advantageous if the first laser optics are each arranged stationary on a common first carrier and the second laser optics are each arranged stationary on a common second carrier and the first and second carrier can be moved relative to the clamping device.

Das Verfahren ist besonders zeiteffizient in einer Fertigung, wie z.B. in einer Linienfertigung oder an einem Rundtakttisch umsetzbar. Das Befüllen der Spannvorrichtung, das Schweißen der Kühlplatten zum Kühlkörper und eine Entnahme des Kühlkörpers finden vorzugsweise in separaten Fertigungsschritten statt. Durch das vorgeschlagene Verfahren und die Vorrichtung kann die für das Schweißen benötigte Zeit erheblich reduziert werden, so dass die Taktzeit der gesamten Fertigung entsprechend angepasst werden kann. Das Verfahren ermöglicht somit die Fertigung hoher Stückzahlen bei niedrigen Kosten. Es wird ein paralleles Schweißen in einer Vorrichtung und in einer Position möglich, wodurch Handlingszeiten und Toleranzprobleme (durch Umspannen) auf ein Minimum reduziert werden.The process can be implemented particularly time-efficiently in production, such as in line production or on a rotary indexing table. The filling of the clamping device, the welding of the cooling plates to the cooling body and a removal of the cooling body preferably take place in separate manufacturing steps. The proposed method and the device can significantly reduce the time required for welding, so that the cycle time of the entire production can be adjusted accordingly. The method thus enables the production of large quantities at low costs. Parallel welding is possible in one fixture and in one position, which reduces handling times and tolerance problems (clamping) to a minimum.

Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der Schweißvorrichtung beschrieben sind, gelten auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.Features and details that are described in connection with the welding device also apply in connection with the method according to the invention and vice versa, so that the disclosure of the individual aspects of the invention is or can always be referred to reciprocally.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff „kann“ verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.Further advantages, features and details of the invention result from the following description, in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. The features mentioned in the claims and in the description can each be essential to the invention individually or in any combination. If the term "can" is used in this application, it is both the technical possibility and the actual technical implementation.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:

1 einen beispielhaften Kühlkörper in einer Draufsicht,
2 den Kühlkörper aus 1 in einer Schnittansicht,
3 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Fertigungskonzepts zur Erläuterung des Verfahrens und
4 eine Schnittansicht einer beispielhaften Spannvorrichtung.

Exemplary embodiments are explained below with reference to the enclosed drawings. It shows in a schematic representation:

1 an exemplary heat sink in a plan view,
2 off the heatsink 1 in a sectional view,
3 a schematic representation of an exemplary manufacturing concept to explain the method and
4 a sectional view of an exemplary clamping device.

1 und 2 zeigen einen beispielhaften Kühlkörper 10, wie er in einem Batteriemodul mit Rundzellen 2 Verwendung finden kann. Der Kühlkörper weist zwei Kühlplatten 11, 12 auf, die durch eine umlaufende Dichtnaht 13 miteinander verschweißt sind. In dem Kühlkörper 10 sind weitere Schweißnähte 14, 15, 16, 17 ausgebildet, welche die zwei Kühlplatten miteinander verbinden. Zwischen den Schweißnähten verbleibt im Kühlkörper ein Hohlraum 18, der z.B. Fließkanäle bildet, durch die ein Kühlfluid hindurchgeleitet werden kann. Der Kühlkörper weist weiterhin zwei Anschlussstutzen auf 19, welche z.B. an einer der Kühlplatten 11 angeordnet sind und zur Zu- und Abführung des Kühlfluids in den Hohlraum 18 dienen. 1 and 2 show an exemplary heat sink 10, as can be used in a battery module with round cells 2. The cooling body has two cooling plates 11, 12 which are welded to one another by a circumferential sealing seam 13. Further weld seams 14, 15, 16, 17 are formed in the heat sink 10 and connect the two cooling plates to one another. A cavity 18 remains in the heat sink between the weld seams, which cavity forms flow channels, for example, through which a cooling fluid can be conducted. The heat sink also has two connecting pieces 19 which are arranged, for example, on one of the cooling plates 11 and are used to supply and discharge the cooling fluid into the cavity 18 .

Die Rundzellen 2 sind oben auf dem Kühlkörper 10 angeordnet. Um eine möglichst große Auflagefläche zu erzielen und hierdurch die Kühlwirkung zu steigern, können die Kühlplatten 11, 12, wie in 2 gezeigt, mit einer gewellten Oberfläche ausgebildet sein.The round cells 2 are arranged on top of the heat sink 10 . In order to achieve the largest possible contact surface and thereby increase the cooling effect, the cooling plates 11, 12, as in 2 shown may be formed with a corrugated surface.

3 zeigt eine Linienfertigung, in der das Verfahren und die Vorrichtung Verwendung finden. Ebenso wäre auch eine Verwendung an einem Rundtakttisch umsetzbar. Der Haupttakt der Fertigung wird durch die geplanten Fahrzeugstückzahlen und die möglichen Arbeitsbereiche der Laseroptiken definiert. Dementsprechend ist die Anzahl an dargestellten Laseroptiken rein beispielhaft und kann entsprechend der Anforderungen angepasst werden. 3 shows a production line in which the method and the device are used. It could also be used on a rotary indexing table. The main production cycle is defined by the planned number of vehicles and the possible working areas of the laser optics. Accordingly, the number of laser optics shown is purely exemplary and can be adjusted according to the requirements.

In ersten Fertigungsschritten werden die Kühlplatten 11, 12 mit vormontierten Anschlussstutzen 19 in eine Spannvorrichtung 20 eingebracht und miteinander verspannt. Hierzu können z.B. mehrere nicht dargestellte Industrieroboter vorgesehen sein. 3 zeigt hierzu rein beispielhaft vier Schritte I bis IV.In the first production steps, the cooling plates 11, 12 with the pre-assembled connection pieces 19 are placed in a clamping device 20 and clamped together. For this purpose, for example, several industrial robots (not shown) can be provided. 3 shows four steps I to IV purely as an example.

Die Spannvorrichtung 20, dargestellt in 4, weist eine erste Spannplatte 21 und eine zweite Spannplatte 22 auf, die gegeneinander verspannbar sind. Die erste und zweite Spannplatte 21, 22 sind eingerichtet, um die Kühlplatten 11, 12 in vorgegebener Position aufzunehmen und gegeneinander zu pressen, so dass diese zumindest teilweise in Kontakt miteinander gelangen. Um einen möglichst gleichmäßigen Krafteintrag und eine gute Wärmeableitung durch die Spannplatten 21, 22 sicherzustellen, sind diese vorzugsweise geometrienah zur Oberfläche der Kühlplatten 11, 12 ausgestaltet und liegen möglichst vollflächig an diesen an. Dies ist in den Figuren nicht gezeigt, vielmehr sind die Spannplatten 21, 22 hier aus Gründen der Anschaulichkeit als plane Platten dargestellt.The clamping device 20 shown in 4 , Has a first clamping plate 21 and a second clamping plate 22 which can be braced against one another. The first and second clamping plates 21, 22 are set up to receive the cooling plates 11, 12 in a predetermined position and to press them against one another, so that they at least partially come into contact with one another. In order to ensure the most uniform possible application of force and good heat dissipation through the clamping plates 21, 22, these are preferably designed geometrically close to the surface of the cooling plates 11, 12 and rest against them over the full area as possible. This is not shown in the figures, rather the clamping plates 21, 22 are shown here as flat plates for reasons of clarity.

Sind die Kühlplatten 11, 12 in der Spannvorrichtung 20 aufgenommen, so wird diese für den nächsten Fertigungsschritt in die Schweißzelle verfahren, siehe Schritt V in 3. In der Schweißzelle sind mehrere (beispielhaft fünf) Laseroptiken 30 bis 34 vorgesehen, die mit mindestens einer - nicht dargestellten - Laserquelle in Verbindung stehen. Die Laseroptiken 30 bis 34 sind jeweils als Remote-Laseroptik ausgebildet. Die von den Laseroptiken abgestrahlten Laserstrahlen L1 bis L5 werden in Richtung auf die Kühlplatten 11, 12 gerichtet. Die Laserstrahlen L1 bis L5 können mittels der Laseroptiken jeweils in einem Arbeitsbereich AB1 bis AB5 bewegt werden. Die Arbeitsbereiche der Laseroptiken sind so gelegt, dass eine kleine Überlappung existiert. So können die von benachbarten Laseroptiken erzeugten Schweißnähte gekreuzt werden bzw. sich überlappen um z.B. umlaufende Dichtnähte zu erzeugen. Während der Schweißung wird nicht umgespannt und das Bauteil in einer Position gehalten, um Verzüge zu minimieren.Once the cooling plates 11, 12 have been accommodated in the clamping device 20, this is moved into the welding cell for the next production step, see step V in 3 . In the welding cell, several (eg five) laser optics 30 to 34 are provided, which are connected to at least one laser source (not shown). The laser optics 30 to 34 are each designed as remote laser optics. The laser beams L1 to L5 emitted by the laser optics are directed towards the cooling plates 11, 12. The laser beams L1 to L5 can each be moved in a working area AB1 to AB5 by means of the laser optics. The working areas of the laser optics are arranged in such a way that there is a small overlap. In this way, the weld seams produced by neighboring laser optics can be crossed or overlap in order to produce circumferential sealing seams, for example. There is no re-clamping during welding and the component is held in one position to minimize distortion.

Die Laserstrahlen L1 bis L5 werden durch die Spannvorrichtung 20 auf die Außenseiten der zu verschweißenden Kühlplatten 11, 12 gerichtet. Hierzu weisen die Spannplatten 21, 22 der Spannvorrichtung 20 Durchgangsöffnungen auf, die einen Durchtritt der Laserstrahlung bis an die Kühlplatten 11, 12 ermöglichen, siehe hierzu 4. Die Durchgangsöffnungen weisen vorzugweise einen Verlauf auf, der dem Verlauf der herzustellenden Schweißnähte entspricht. Die Laserstrahlen L1 bis L5 werden durch die Durchgangsöffnungen auf die Kühlplatten gerichtet und erzeugen dort die in 1 gezeigten Schweißnähte 13 bis 17. In der Schnittansicht A-A in 4 sind rein beispielhaft fünf derartige Durchgangsöffnungen 23 bis 27 dargestellt, die zur abschnittsweisen Erzeugung der Dichtnaht 13 dienen. Die Dichtnaht 13 wird folglich aus mehreren Teilnähten zusammengesetzt, die sich überlappen bzw. kreuzen und von gegenüberliegenden Seiten ausgebildet werden.The laser beams L1 to L5 are directed by the clamping device 20 onto the outsides of the cooling plates 11, 12 to be welded. For this purpose, the clamping plates 21, 22 of the clamping device 20 have passage openings which allow the laser radiation to pass through to the cooling plates 11, 12, see in this connection 4 . The through openings preferably have a course that corresponds to the course of the weld seams to be produced. The laser beams L1 to L5 are directed through the through openings onto the cooling plates and generate the in 1 shown welds 13 to 17. In the sectional view AA in 4 purely by way of example, five such through-openings 23 to 27 are shown, which serve to produce the sealing seam 13 in sections. The sealing seam 13 is consequently composed of a number of partial seams which overlap or cross one another and are formed from opposite sides.

Die Spannvorrichtung 20 kann weiterhin Gaskanäle 28, 29 aufweisen, die in den Spannplatten 21 bzw. 22 ausgebildet sind und über die ein Schweiß-oder Prozessgas bis an die Kühlplatten 11, 12 herangeführt werden kann. Die Gaskanäle 28, 29 können hierzu z.B. einen Anschlussöffnung zum Anschluss an eine Gasversorgung aufweisen und sich durch die Spannplatte 21 bzw. 22 bis zu einer der Kühlplatte 11 oder 12 benachbarten Austrittsöffnung erstrecken.The clamping device 20 can also have gas channels 28, 29, which are formed in the clamping plates 21 and 22 and via which a welding or process gas reaches the cooling plates 11, 12 can be introduced. For this purpose, the gas channels 28, 29 can have, for example, a connection opening for connection to a gas supply and can extend through the clamping plate 21 or 22 to an outlet opening adjacent to the cooling plate 11 or 12.

Für die Bestückung mit den Kühlplatten wird die Spannvorrichtung 20 vorzugsweise horizontal angeordnet, so dass die Kühlplatten 11, 12 auf die untere Spannplatte 22 aufgelegt werden können. Vor dem Beginn der Schweißung werden die Kühlplatten 11, 12 mit der Spannvorrichtung 20 in die Vertikale gekippt. Hierdurch kann gleichzeitig von beiden Seiten geschweißt werden, ohne dass über Kopf geschweißt werden muss. Zur Umpositionierung der Kühlplatten 11, 12 ist die Spannvorrichtung 20 um eine Längsachse L drehbar ausgebildet. Die Laseroptiken 30 und 31 sowie 32 bis 34 sind an jeweils einem Träger 40, 41 angeordnet und befestigt, welcher relativ zur Spannvorrichtung verfahrbar ist. Die Laseroptiken 30 bis 34 können aus der in 3 dargestellten Arbeitsposition weggefahren werden, um die Spannvorrichtung 20 in die Laserzelle einzubringen bzw. zu entnehmen oder um diese in die Schweißposition zu drehen.For equipping with the cooling plates, the clamping device 20 is preferably arranged horizontally, so that the cooling plates 11, 12 can be placed on the lower clamping plate 22. Before the start of the welding, the cooling plates 11, 12 are tilted with the clamping device 20 in the vertical. This allows welding from both sides at the same time without having to weld overhead. In order to reposition the cooling plates 11, 12, the clamping device 20 is designed to be rotatable about a longitudinal axis L. The laser optics 30 and 31 and 32 to 34 are each arranged and fastened to a carrier 40, 41, which can be moved relative to the clamping device. The laser optics 30 to 34 can be selected from the in 3 shown working position are moved away in order to introduce or remove the clamping device 20 in the laser cell or to rotate it into the welding position.

Das Fertigungskonzept kann sowohl an die Bauteilbreite als auch an die Länge der zu schweißenden Kühlplatten angepasst werden, indem weitere Laseroptiken ergänzt werden. Solang es der Bauraum in der Schweißzelle erlaubt, lassen sich zusätzliche Laseroptiken in die Schweißzelle einbringen, um die Zykluszeit noch weiter zu reduzieren, dabei wir die zu schweißende Länge jeder einzelnen Optik immer geringer.The production concept can be adapted to both the component width and the length of the cooling plates to be welded by adding additional laser optics. As long as the installation space in the welding cell allows, additional laser optics can be installed in the welding cell in order to further reduce the cycle time, while the length of each individual optic to be welded is becoming shorter and shorter.

Nachdem die Kühlplatten 11, 12 miteinander zum Kühlkörper 10 verscheißt sind, wird in umgekehrter Reihenfolge der Schritte I bis IV die Spannvorrichtung 20 und der Kühlkörper 10 entnommen. Dies ist beispielhaft als ein Schritt VI dargestellt, kann aufgrund der Taktung jedoch auch in mehreren Schritten erfolgen. Die Spannvorrichtung 20 wird zu den Stationen I bzw. IV rückgeführt und durchläuft auf dem Weg zurück z.B. eine (nicht dargestellte) Reinigungsstation (Bürsten und Absaugen) um mögliche Verunreinigungen zu entfernen. Der Kühlkörper 10 wird aus der Schweißlinie ausgeschleust und kann nachfolgend noch weitere Bearbeitungs- und Prüfstationen durchlaufen, wie z.B. eine Dichtheitsprüfung, eine geometrische Vermessung oder eine Nachbearbeitung.After the cooling plates 11, 12 are welded together to form the cooling body 10, the clamping device 20 and the cooling body 10 are removed in the reverse order of steps I to IV. This is shown by way of example as a step VI, but it can also take place in several steps due to the clocking. The clamping device 20 is returned to stations I or IV and, on the way back, it passes through, for example, a cleaning station (not shown) (brushing and vacuuming) in order to remove any contamination. The heat sink 10 is discharged from the welding line and can then go through further processing and testing stations, such as a leak test, geometric measurement or post-processing.

BezugszeichenlisteReference List

22: Rundzelleround cell
1010: Kühlkörperheatsink
11, 1211, 12: Kühlplattencold plates
1313: Dichtnahtsealing seam
14 bis 1714 to 17: Schweißnähtewelds
1818: Hohlraumcavity
2020: Spannvorrichtungclamping device
21, 2221, 22: Spannplattechipboard
23 bis 2723 to 27: Durchgangsöffnungenpassage openings
28, 2928, 29: Gaskanälegas channels
30 bis 3430 to 34: Laseroptiklaser optics
40, 4140, 41: Trägercarrier
AB1 bis AB5AB1 to AB5: ArbeitsbereichWorkspace
L1 bis L5L1 to L5: Laserstrahlenlaser beams
LL: Längsachselongitudinal axis
I bis VII to VI: Fertigungsschrittemanufacturing steps

Claims

Method for producing a heat sink (10), with the steps: Providing a first cooling plate (11) and a second cooling plate (12), clamping the cooling plates (11, 12) in a clamping device (20) in such a way, that the cooling plates (11, 12) are brought into contact with one another at least in sections, Welding the cooling plates (11, 12) together by means of laser radiation to form weld seams, the welding of both outer sides of the cooling plates (11, 12) takes place and two or more laser beams (L1 to L5) are used for welding on each outer side at the same time.

procedure after Claim 1 , in which the laser beams (L1 to L5) are guided over the cooling plates (11, 12) by means of remote optics (30 to 34).

Method according to one of the preceding patent claims, in which two or more partial seams, which are produced by different laser beams, intersect to form a common sealing seam (13).

Method according to one of the preceding patent claims, in which the welding takes place through through openings (23 to 27) in the clamping device (20).

Method according to one of the preceding claims, in which the cooling plates (11, 12) are clamped in the horizontal position in the clamping device (20) and the clamping device (20) with the cooling plates (11, 12) is moved into a vertical position for welding.

Method according to one of the preceding patent claims, in which the welding points are additionally flushed with protective or welding gas.

Laser welding device for producing a heat sink with at least one laser source that provides laser radiation for welding a first cooling plate (11) and a second cooling plate (12), a clamping device (20) which is designed to hold the first and second cooling plate (11, 12) during the welding process, two or more first laser optics (30, 31), which are set up to direct their laser beams (L1, L2) onto an outside of the first cooling plate (11) in a working position and two or more second laser optics (32 to 34) which are set up to direct their laser beams (L3 to L5) onto an outside of the second cooling plate (12) in a working position.

Laser welding device Claim 7 , wherein through-openings (23 to 27) are provided in the clamping device, through which the laser beams (L1 to L5) can be directed onto the cooling plates (11, 12).

Laser welding device Claim 7 or 8th , wherein the clamping device (20) also has gas channels (28, 29) through which a welding or protective gas can be fed up to the cooling plates (11, 12) accommodated in the clamping device (20).

Laser welding device according to one of Claims 7 until 9 , wherein the clamping device (20) can be pivoted, so that cooling plates (11, 12) accommodated in the clamping device can be pivoted from a horizontal to a vertical position.

Laser welding device according to one of Claims 7 until 10 , wherein the first laser optics (30, 31) and the second laser optics (32 to 34) relative to the clamping device (20) are movable.

Laser welding device Claim 11 , wherein the first laser optics (30, 31) are fixed in place on a common first carrier (40) and the second laser optics (32, 33, 34) are fixed in place on a common second carrier (41).