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Die Erfindung betrifft eine Schweißverbindung zwischen zwei Bauteilen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft sie ein Verfahren zum Verschweißen zweier Bauteile mit einer solchen Schweißverbindung. Die Erfindung betrifft ferner die elektrische Verbindung zwischen den Polen von Batterieeinzelzellen sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen elektrischen Verbindung.
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Das Verschweißen von Bauteilen beispielsweise mittels Laser ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Die
DE 10 2012 206 830 A1 beschreibt beispielsweise ein Verfahren zum elektrischen Verbinden von Polen von Batteriezellen, bei welchen ein Zellverbinder in einem Schweißbereich mittels einer Laserstrahlverschweißung mit den Polen der Batteriezellen verbunden wird. Weitere Möglichkeiten zum Herstellen einer Schweißverbindung von wenigstens zwei Bauteilen mittels Laserstrahlung beschreibt die
DE 10 2021 003 011 A1 . Je nach Dicke des sogenannten Oberbauteils, also das oben aufliegenden Materials, ist es dabei häufig schwierig sicherzustellen, dass eine ausreichende Menge des Materials des darunterliegenden Bauteils, welches auch als Unterbauteil bezeichnet wird, ausreichend und prozesssicher aufgeschmolzen wird.
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Ferner beschreibt die
EP 0 771 606 B2 ein Strahlschweißverfahren, bei welchem durch eine zusätzliche Strahlführung über eine vorstehende Kante diese verrundet werden kann.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, dieser Problematik abzuhelfen und einfach und sicher ein zuverlässiges Verschweißen der Bauteile miteinander zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Schweißverbindung mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Schweißverbindung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Die Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Schweißverbindung gelöst, welches im Anspruch 4 angegeben ist. Ferner löst eine elektrische Verbindung von den Polen von Batterieeinzelzellen über einen aufgeschweißten Zellverbinder gemäß Anspruch 7 die Aufgabe. Auch ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen elektrischen Verbindung gemäß Anspruch 8 löst die Aufgabe der Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Lösungen können sich ferner aus den Unteransprüchen ergeben, welche von den genannten Ansprüchen abhängig sind.
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Die erfindungsgemäße Schweißverbindung dient zum Verschweißen zweier Bauteile. Die Schweißnaht verläuft entlang oder parallel zu einer Kante des zweiten Bauteils, welches auf einer Fläche des ersten Bauteils positioniert ist. Erfindungsgemäß ist es dabei vorgesehen, dass das zweite Bauteil im Bereich der Kante eine Fase aufweist. Die Fase ist dabei so ausgestaltet, dass das zweite Bauteil zu der das erste Bauteil berührenden Kante in einem spitzen Winkel, also einem Winkel von weniger als 90°, zuläuft. Eine solche Fase, welche gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung mit einem spitzen Winkel von 5 bis 85° ausgebildet sein kann, und welche in der Praxis vorzugsweise in der Größenordnung von 30 bis 60° liegen wird, erlaubt es, die Schweißnaht, welche insbesondere, aber nicht zwingend, als Laserschweißnaht ausgebildet sein kann, im Bereich dieser Fase zu setzen. Das Material des zweiten Bauteils ist durch den spitz zulaufenden Winkel im Bereich der Fase, also im Bereich seiner Berührung mit dem ersten Bauteil, entsprechend dünner als es im Bereich seiner nicht von der Fase betroffenen Materialstärke ist. Hierdurch wird die Schweißverbindung verbessert und es kann einfach und zuverlässig durch das dünnere Material hindurchgeschweißt und ein Aufschmelzen des Materials des ersten Bauteils erreicht werden, sodass die Qualität einer solchen erfindungsgemäßen Schweißverbindung gegenüber den Aufbauten aus dem Stand der Technik steigt.
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Die erfindungsgemäße Schweißverbindung ermöglicht es so, ein zuverlässiges prozesssicheres Schweißen auch mit geringen Laserleistungen zu realisieren. Dies führt einerseits zu einer Reduzierung der thermischen Belastung der Bauteile, was insbesondere bei der Verbindung von Batteriepolen mit Zellverbindern von entscheidendem Vorteil ist. Außerdem ermöglicht es größere Dicken des Materials des Oberbauteils, sodass dieses eine sehr gute thermische und elektrische Leitung ermöglicht und dennoch mit geringer Leistung und geringem Wärmeeintrag prozesssicher mit dem Unterbauteil verschweißt werden kann. Als weiterer Vorteil ist hier zu nennen, dass der Aufbau in einer herkömmlichen Anlagentechnik problemlos realisiert werden kann, wobei lediglich die Oberbauteile im Bereich ihrer Kanten die entsprechende Fase aufweisen müssen.
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Insbesondere kann es gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schweißverbindung dabei vorgesehen sein, dass die Materialstärke des zweiten Bauteils, also des oben aufliegenden Bauteils, größer als 1,5 mm ist, um so durch die bei der erfindungsgemäßen Schweißverbindung vorgesehene Fase an eben diesem Bauteil bzw. seiner Kante die besonderen Vorteile der sicheren und zuverlässigen Verschweißung zu ermöglichen.
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Ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Schweißverbindung sieht es dabei vor, dass die Schweißverbindung mittels eines Laserstrahls geschweißt wird, wobei der Laserstrahl gegenüber der Senkrechten auf der Oberfläche des ersten Bauteils im Bereich der aufliegenden Kante des zweiten Bauteils von dem zweiten Bauteil weg um einen Einstrahlwinkel geneigt wird. Der Laserstrahl wirkt nun also nicht mehr senkrecht zur Oberfläche des Unterbauteils auf den Bereich der Verbindung ein, so wie es im Stand der Technik üblich ist, sondern ist um einen Einstrahlwinkel von dieser Senkrechten geneigt. Die Neigung ist dabei so gestaltet, dass der Einstrahlwinkel sich von dem zweiten Bauteil und damit seiner Fase im Bereich der Kante weg neigt. Damit wird die Einstrahlung auf den Bereich der Fase des zweiten Bauteils verbessert, um so die Qualität der Schweißverbindung noch weiter steigern zu können.
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Der Einstrahlwinkel kann dabei gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des Verfahrens in einer Größenordnung von 0 bis 60° liegen. Der Laserstrahl kann zum Herstellen der Schweißverbindung dabei einfach entlang der Kante geführt werden, wobei insbesondere entlang seines Vorschubs die Laserleistung angepasst wird.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung kann außerdem eine oszillierende oder in lateraler Richtung pendelnde Bewegung des Laserstrahls um seine bzw. quer überlagert zu seiner eigentliche(-n) Vorschubrichtung vorgesehen werden. Bei diesem sogenannten „Wobbeln“ wird eine weitere Verbesserung der Schweißnaht durch eine Vergrößerung des aufgeschmolzenen Materialvolumens der beiden Bauteile ermöglicht.
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Auch wenn diese Technik nun prinzipiell bei jeder Art von Verbindung eingesetzt werden kann, liegt ihr besonderer Vorteil darin, dass durch die Schweißverbindung bzw. das Verfahren zu ihrer Herstellung insbesondere auch schwierige Schweißverbindungen, beispielsweise Schweißverbindungen von verschiedenen Materialen miteinander, beispielsweise Schweißverbindungen von Kupfer mit Aluminium oder Stahl, wie beispielsweise der unter dem Markennamen Hilumin bekannte Werkstoff (ein vernickelter Stahl, speziell für Batterieanwendungen) sowie deren Legierungen und Mischverbindungen, ermöglicht. Ein solcher sehr guter Durchmischungsgrad durch die erfindungsgemäße Schweißverbindung eignet sich nun insbesondere zur elektrischen Verbindung zwischen den Polen von Batterieeinzelzellen mit einem die Pole verbindenden Zellverbinder. Insbesondere bei einer Reihenschaltung der Batteriepole ist es dabei so, dass beispielsweise bei der Lithium-Ionen-Technologie für die Batterien die einzelnen Pole abwechselnd aus einem Kupfermaterial, also Kupfer oder einer Kupferlegierung, oder aus einem Aluminiummaterial, also Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, bestehen. Um diese über die Zellverbinder zuverlässig zu kontaktieren und die Zellverbinder mit diesen unterschiedlichen Polen zu verschweißen, lassen sich nun einerseits sehr aufwändige Zellverbinder aus jeweils mehreren verschiedenen Materialien realisieren. Andererseits kann über das erfindungsgemäße Verfahren außerordentlich einfach und effizient auch eine zuverlässige Schweißverbindung bei derartigen gemischten metallischen Werkstoffen erreicht werden. Dabei wird eine gute elektrische Leitfähigkeit über das Verfahren ermöglicht.
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Dementsprechend kann es vorgesehen sein, dass die elektrische Verbindung zwischen den Polen von Batterieeinzelzellen mit einem die Pole verbindenden Zellverbinder in der Art erfolgt, dass der Zellverbinder als zweites Bauteil und die Batteriepole als erstes Bauteil einer Schweißverbindung gemäß den oben beschriebenen Ausführungsvarianten der Erfindung ausgebildet sind.
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Sie lassen sich dann insbesondere durch das oben beschriebene Verfahren, hier zum Herstellen einer elektrischen Verbindung, miteinander verschweißen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schweißverbindung, des Verfahrens zu ihrer Herstellung sowie der bevorzugten Anwendung zur Verbindung von Polen von Batterieeinzelzellen ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
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Dabei zeigen:
- 1 die Herstellung einer Schweißverbindung gemäß dem Stand der Technik in zwei Schritten;
- 2 die analoge Herstellung einer Schweißverbindung gemäß der Erfindung in zwei Schritten;
- 3 die elektrische Verbindung von zwei Batteriepolen mit einer derartigen Schweißverbindung; und
- 4 die elektrische Verbindung von zwei Batteriepolen mit einer derartigen Schweißverbindung in einer alternativen Ausführungsform.
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In der Darstellung der 1 ist ein Aufbau gemäß dem Stand der Technik beschrieben. Ein erstes Bauteil 1, welches auch als Unterbauteil bezeichnet wird und beispielsweise ein Batteriepol 11, 12 einer Batterieeinzelzelle 13,14 (vgl. 3) sein kann, soll mit einem zweiten in der Darstellung der 1 links darüber angeordneten zweiten Bauteil 2, welches auch als Oberbauteil bezeichnet wird, verschweißt werden. Hierzu wird das Oberbauteil 2 auf das Unterbauteil 1 aufgelegt, wie es in der Darstellung der 1 rechts zu erkennen ist. Über einen Laserstrahl 3 wird dann eine angedeutete Schweißnaht 4 im Material des Oberbauteils 2, welches auf einer Fläche 6 des Unterbauteils 1 aufliegt, erzeugt. Kritisch ist dabei immer das Durchschweißen des Materials des Oberbauteils 2, insbesondere wenn die Materialstärke relativ groß ist. Dies erfordert einerseits eine hohe Laserleistung und führt damit zu einem hohen Wärmeeintrag bzw. einer hohen thermischen Belastung der Bauteile und führt andererseits zu Prozessunsicherheiten, da die Eindringendtiefe der Schweißnaht 4 in das Material des Unterbauteils 1 häufig nicht oder nicht im ausreichenden Maße prozesssicher über die gesamte Länge der Schweißnaht 4, welche hier in die Blattebene hineinragen würde, ermöglicht.
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Analog zur Darstellung in 1 ist in der Darstellung der 2 ein Aufbau zu erkennen, bei welchem dieser Problematik begegnet wird. Das Oberbauteil 2 mit der Dicke t ist hier im Bereich seiner Kante 5 mit einer Fase 7 versehen. Diese Fase ist so angeordnet, dass die von der Kante 5 ausgehenden Flächen einen Bauteilwinkel β einschließen. Zusammen mit dem hier als Fasenwinkel α bezeichneten Winkel ergänzt sich dieser Bauteilwinkel β dann zu 90° gegenüber einer parallel zur Oberbegriff 6 des Unterbauteils 1 verlaufenden Ebene 8. Die Senkrechte 9 auf dieser Ebene 8 schließt also zwischen sich und der Fase 7 auf diese zugeneigt den Fasenwinkel α ein, welcher von dem durch das Bauteil selbst ausgebildeten Bauteilwinkel β dann zu 90° ergänzt wird. Der Fasenwinkel α bzw. der Bauteilwinkel β kann dabei vorzugsweise größer oder gleich 5° und kleiner oder gleich 85° sein.
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Die Schweißverbindung entsteht nun im Bereich dieser Fase 7 entlang oder parallel der Kante 5. Wie es in der Darstellung der 2 rechts zu erkennen ist, kann dazu vorzugsweise der Laserstrahl gegenüber der Senkrechten 9 auf der Ebene 8 bzw. der Fläche 6 um einen Einstrahlwinkel δ geneigt ausgebildet sein. Auch wenn bereits bei einer senkrechten Einstrahlung des Laserstrahls 3, also einem Einstrahlwinkel von 0° und damit der herkömmlichen Technologie ein entscheidender Vorteil erzielt wird, wird dieser noch weiter vergrößert, wenn der Einstrahlwinkel nun so gewählt wird, dass der Laserstrahl 3 um bis zu 60° von der Senkrechten auf der dem Oberbauteil 2 abgewandten Seite weggeneigt wird, um so in einem möglichst großen Winkel auf die Fläche der Fase 7 zu treffen.
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Wie bereits mehrfach erwähnt eignet sich der Aufbau aufgrund der genannten Vorteile und der Möglichkeit auch verschiedene metallische Werkstoffe wie beispielsweise Aluminium und Stahl bzw. Hilumin oder Kupfer und Stahl bzw. Hilumin oder Kupfer und Aluminium miteinander zuverlässig zu verschweißen zur Verbindung von Batteriepolen. In der Darstellung der 3 ist eine solche elektrische Verbindung von Batteriepolen gezeigt. Ein Zellverbinder 10 als Oberbauteil 2 wird dabei mit zwei Batteriepolen 11, 12, welche hier jeweils das Unterbauteil 1 ausbilden, verschweißt. Diese Batteriepole 11, 12 können dabei Teil von zwei benachbarten Batterieeinzelzellen 13, 14 sein, welche hier teilweise angedeutet sind. Der Zellverbinder 10 wird nun auf die beiden Batteriepole 11, 12 aufgelegt und im Bereich seiner Fasen 7 entlang der Kanten 5 in der zuvor beschriebenen Art und Weise verschweißt, um die beiden in der Darstellung der 3 rechts erkennbaren Schweißnähte 4 auszubilden.
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Dies ist dabei sowohl bei einem flach ausgeführten Zellverbinder 10 möglich, wie es in der Darstellung der 3 zu erkennen ist, als auch bei einem gebogenen Zellverbinder 10, welcher analog zur Darstellung in 3 in 4 gezeigt ist. Auch hier ist eine einfache und effiziente Verschweißung des Zellverbinders 10 im Bereich der Fasen 7 mit den Batteriepolen 11, 12 im oben beschriebenen Sinn möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012206830 A1 [0002]
- DE 102021003011 A1 [0002]
- EP 0771606 B2 [0003]
