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Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Im Stand der Technik werden Deckel (sog. Can-Caps) von Batterien typischerweise mittels eines Laserstrahls auf den sog. Batteriegehäusen (sog. Cans) geschweißt, um die Batterien zu verschließen. Bei diesem bekannten Laserstrahlschweißverfahren wird der Laserbearbeitungskopf dabei relativ zum Bauteil verfahren. Damit wird an jedem Punkt der miteinander zu verschweißenden Batteriekomponenten ein orthogonaler Strahleinfall sichergestellt. Das ist für eine gleichmäßige Einschweißtiefe und einen gleichmäßigen Schweißnahtquerschnitt erforderlich. Im Ergebnis bildet sich eine um das Batteriegehäuse umlaufende Schweißnaht, die an der Nahtoberseite eine Verrundung aufweist. Diese Verrundung sorgt für einen nicht scharfkantigen Übergang von der Batteriegehäuse-Seite zur Deckel-Oberfläche.
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Durch das aus dem Stand der Technik bekannte Laserstrahlschweißen kann zwar eine hohe Schweißgüte erzielt werden, jedoch ist die mit dem Verfahren einhergehende Relativbewegung zwischen dem Laserbearbeitungskopf und den Batteriekomponenten ein vergleichsweise aufwändiger Vorrichtungsaufbau erforderlich. Außerdem kommt es zu einer hohen Taktzeit durch massebehaftete Beschleunigung und Abbremsung des Laserbearbeitungskopfs oder der Batteriekomponenten.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren verbessertes Verfahren vorzuschlagen, welches insbesondere einen hohe Schweißgüte bei gleichzeitig möglichst einfacher und kostengünstiger Ausführbarkeit gewährleisten kann.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Vorgeschlagen wird dementsprechend ein Verfahren zum Fügen von zwei Komponenten einer Batterie, wobei die Komponenten mittels einer Schweißvorrichtung durch Scannerschweißen miteinander verschweißt werden, wobei beim Scannerschweißen der Schweißvorrichtung ein Messstrahl eines OCT-Sensorsystems optisch koaxial zu einem Bearbeitungsstrahl der Schweißvorrichtung geführt wird, und wobei der Messstrahl und der Bearbeitungsstrahl in einem im Wesentlichen übereinstimmenden und im Wesentlichen konstanten Einstrahlwinkel relativ zu zumindest einer Bearbeitungsoberfläche der beiden Komponenten geführt werden.
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Durch das Scannerschweißen beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ermöglicht, dass die im Stand der Technik notwendige Relativbewegung zwischen den Komponenten und dem Laserbearbeitungskopf in einem Bearbeitungsfeld der Schweißvorrichtung nicht mehr notwendig ist. Unter Scannerschweißen wird dabei ein Schweißverfahren verstanden, bei dem die Bearbeitungsstrahlführung über einen oder mehrere bewegliche Spiegel innerhalb einer Scanner-Optik der Schweißvorrichtung erfolgt. Dazu muss die Schweißvorrichtung, welche insbesondere eine Laserschweißvorrichtung sein kann, mit einer derartigen Scanner-Optik ausgestattet sein. Durch die Winkeländerungen des oder der Spiegel wird der Bearbeitungsstrahl geführt. Es entsteht ein Bearbeitungsfeld, in dem hochdynamisch und präzise geschweißt werden kann. Entsprechend kann die Batterie ohne Bewegung des Laserbearbeitungskopfes oder der Komponenten der Batterie vollständig innerhalb des Bearbeitungsfeldes bearbeitet bzw. verschweißt werden. Entsprechend können aufwändige Maschinenachsen an dem Laserbearbeitungskopf und/oder an Komponentenhalterungen entfallen bzw. zumindest nicht für einen Schweißvorgang einer Batterie eingesetzt werden, sondern beispielsweise nur für den Wechsel von Schweißvorgängen an einzelnen Batterien. Dadurch lässt sich auch die Taktzeit erhöhen.
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Trotz des Scannerschweißens kann erfindungsgemäß eine hohe Schweißgüte erzielt werden, indem ein OCT-Sensorsystem bzw. optisches Kohärenztomograf-Sensorsystem eingesetzt wird (engl. OCT für „optical coherence tomography“ bzw. optische Kohärenztomographie). Durch den vom OCT-Sensorsystem erzeugten Messstrahl bzw. das Messlicht kann die korrekte Einschweißtiefe optisch überwacht werden, um Abweichungen etwa aufgrund von Laserleistungsverlust, Optikverschmutzungen und Bauteiltoleranzen automatisch entgegen zu wirken. Der Einsatz der optischen Kohärenztopographie als ein an sich bekanntes 3D-Bildgebungsverfahren ist zur Prozesskontrolle bei der Laserbearbeitung besonders vorteilhaft. Das Verfahren beruht auf der Interferometrie mit geringer Kohärenz. In dem OCT-Sensorsystem kann dabei ein Strahlteiler eingesetzt werden, welcher den OCT-Messstrahl, der von einer Lichtquelle, insbesondere einer Niedrigkohärenz-Lichtquelle, des OCT-Sensorsystems ausgehen kann, in einen Referenzarm und einen Tastarm teilen kann. Das Licht des Tastarms kann dabei koaxial zum Bearbeitungsstrahl in die Scanner-Optik eingekoppelt werden. Das Licht des Referenzarms wiederum kann von einem feststehenden Spiegel reflektiert werden, während das Licht des Tastarms von der Bearbeitungsoberfläche reflektiert werden kann. Das Interferenzmuster der beiden Arme kann dann von einem Spektrometer des OCT-Sensorsystems analysiert werden, welches Informationen über die optische Weglängendifferenz des Tastarms gegenüber dem Referenzarm liefert. Durch Ablenkung des OCT-Messstrahls an der Scanner-Optik oder an einem zusätzlich daran angebrachten Scanner, insbesondere Kleinfeldscanner, kann ein Tiefenprofil des Werkstücks erhalten werden.
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Dabei werden der Messstrahl und der Bearbeitungsstrahl in einem im Wesentlichen übereinstimmenden und im Wesentlichen konstanten Einstrahlwinkel relativ zu zumindest einer Bearbeitungsoberfläche der beiden Komponenten geführt. Durch den im Wesentlichen konstanten Einstrahlwinkel auf Seiten des Bearbeitungsstrahls kann eine hohe Schweißgüte erzielt werden, weil die Bearbeitungsposition auf der Bearbeitungsoberfläche im Bearbeitungsfeld der Schweißvorrichtung unabhängig ist und eine gleichmäßige Einschweißtiefe und ein gleichmäßiger Schweißnahtquerschnitt erzielbar ist. Auf Seiten des Messstrahls kann eine hohe Messqualität gewährleistet werden, weil durch optische Winkel keine Fehler der Messwerte verursacht werden und eine akkurate Qualitäts- und Positionskontrolle erfolgen kann. Positionsabhängige Fehler treten nicht auf und ortsabhängige Kompensationen sind nicht erforderlich. Außerdem können durch die im Wesentlichen übereinstimmenden Einstrahlwinkel von Messstrahl und Bearbeitungsstrahl die unterschiedlichen Wellenlängen des Bearbeitungsstrahls von beispielsweise ca. 1 µm und des Messstrahls von beispielsweise < 1 um oder > 1 µm ausgeglichen werden, die ansonsten zu unterschiedlichen Einstrahlwinkeln führen würden.
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Vorteilhafterweise liegt der im Wesentlichen konstante Einstrahlwinkel im Bereich von 80° bis 100°, ganz besonders im Bereich von 85° bis 95° und ganz besonders beträgt der Einstrahlwinkel im Wesentlichen 90°. Mit anderen Worten können ganz besonders der Bearbeitungsstrahl und der Messstrahl im Wesentlichen orthogonal auf die zumindest eine Bearbeitungsoberfläche auftreffen und bei diesem Einstrahlwinkel beim Scannerschweißen konstant geführt werden.
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Vorteilhafterweise wird ein optisch telezentrisches Bearbeitungsobjektiv in der Schweißvorrichtung eingesetzt. Das optisch telezentrische Bearbeitungsobjektiv ermöglicht auf einfache und kostengünstige Art und Weise die im Wesentlichen übereinstimmenden und im Wesentlichen konstanten Einstrahlwinkel von Messstrahl und Bearbeitungsstrahl. Dazu kann das telezentrische Bearbeitungsobjektiv in der Scanner-Optik der Schweißvorrichtung hinter dem oder den Spiegeln der Scanner-Optik angeordnet werden.
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Außerdem ist es vorteilhaft, wenn der Messstrahl dem Bearbeitungsstrahl auf der zumindest einen Bearbeitungsoberfläche örtlich nachläuft. Durch das örtliche Nachlaufen des Messstrahls kann mit dem Messstrahl infolge der Krümmung der beim Schweißen erzeugten Keyhole bzw. tiefen Dampfkapillare und unter dem gegebenen Relativvorschub zwischen dem Bearbeitungsstrahl und der Bearbeitungsoberfläche immer an der tiefsten Stelle des Keyholes gemessen werden.
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Ganz besonders können die Komponenten ein Batteriedeckel und ein Batteriegehäuse sein, was ein bevorzugtes Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt, bei dem eine hohe Schweißgüte und Messgüte erforderlich ist, um die notwendige Gasdichtheit der Batterie zu gewährleisten. Dabei kann die erzeugte Schweißnaht am umlaufenden Rand des Batteriegehäuses erzeugt werden. Das Batteriegehäuse bzw. der Batteriebecher kann dabei beispielsweise einen runden oder prismatischen Querschnitt aufweisen.
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Dabei ist möglich, dass die beiden Komponenten unter Erzeugung einer I-Naht miteinander verschweißt werden, die sich als besonders einfach und stabil für das Anwendungsfeld des Verschweißens von Komponenten von Batterien herausgestellt hat.
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Vorteilhaft ist es zudem, wenn zur Erzeugung des Bearbeitungsstrahls ein Ausgangs-Laserstrahl in ein erstes Ende einer Multiclad-Faser, insbesondere einer 2in1-Faser, eingespeist wird. Dabei kann die Multiclad-Faser zumindest eine Kernfaser und eine diese umgebende Ringfaser aufweisen. Ein erster Teil der Laserleistung des Ausgangs-Laserstrahls kann in die Kernfaser und ein zweiter Teil der Laserleistung des Ausgangs-Laserstrahls kann in die Ringfaser eingespeist werden. Schließlich kann ein zweites Ende der Multiclad-Faser auf die zumindest eine Bearbeitungsoberfläche abgebildet werden. Eine derartige, auch als Lichtleitkabel mit innerer Faser und äußerer Faser bezeichenbare Ausführung für einen Faserlaser ermöglicht das Herstellen einer glatten Oberfläche der erzeugten Schweißnaht.
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Vorteilhaft ist ferner, wenn neben den zwei Komponenten der Batterie zumindest zwei weitere Komponenten zumindest einer weiteren Batterie in einem Bearbeitungsfeld der Schweißvorrichtung angeordnet werden. Entsprechend muss das Bearbeitungsfeld der Schweißvorrichtung so groß sein, dass die jeweils zwei miteinander zu verschweißenden Komponenten je einer Batterie darin Platz finden. Durch das entsprechende Anordnen bzw. Positionieren der jeweils zwei Komponenten je einer Batterie in dem Bearbeitungsfeld kann die mittlere Taktzeit verkürzt werden, da die Wechselzeit von Batterie zu Batterie innerhalb des Bearbeitungsfelds bzw. Scanfelds durch die eingesetzte Scanner-Optik vernachlässigbar klein wird.
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Vorteilhaft ist ferner, wenn beim Scannerschweißen eine Einschweißtiefe im Bereich von 0,3 mm bis 2,5 mm, ganz besonders im Bereich von 0,4 mm bis 2 mm und ferner ganz besonders im Bereich von 0,5 mm bis 1,5 mm erzeugt wird. Es hat sich gezeigt, dass bei einer Einschweißtiefe in diesem Bereich eine hinreichend stabile Schweißnaht erzielt werden kann, um die Batterie gasdicht zu halten und gleichzeitig eine Schädigung der Batteriezellen in der Batterie verhindert werden kann.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die Laserleistung des Bearbeitungsstrahls derart geregelt wird, dass eine Einschweißtiefe im Wesentlichen konstant gehalten wird. Hierzu kann eine entsprechende Regelvorrichtung in der Schweißvorrichtung vorgesehen werden. Im Wesentlichen konstant schließt dabei technisch bedingte bzw. Toleranzen einschließende Abweichungen von einer mathematisch perfekt konstanten Einschweißtiefe. Dadurch kann die Einschweißtiefe unabhängigen von einzelnen Einflussgrößen konstant gehalten werden, sodass die Schweißqualität hochgehalten werden kann und eine Beschädigung der Batteriezellen durch eine zu hohe Einschweißtiefe verhindert werden kann.
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Außerdem ist es vorteilhaft, wenn der Messstrahl dem Bearbeitungsstrahl, insbesondere einer TCP(Tool Center Point)-Laser-Messeinheit vorlaufend, einen Scan ausführt und dieser Scan zum Einregeln einer Lage einer von dem Bearbeitungsstrahl erzeugten Schweißnaht verwendet wird. Der Vorlauf des Messstrahls kann dabei beispielsweise im Bereich von 1 bis 3 mm liegen, beispielsweise 2 mm betragen. Dabei kann insbesondere die laterale Schweißnahtlage zum Fügestoß geregelt werden. Dadurch kann eine korrekte laterale Schweißnahtposition gewährleistet werden.
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Auch vorteilhaft ist es, wenn zumindest eine der beiden Komponenten vor dem Scannerschweißen mit einem Messstrahl des OCT-Sensorsystems an zumindest einer, vorzugsweise zumindest zwei, idealer Weise zumindest oder exakt drei Positionen angetastet wird und eine Schweißtrajektorie beim Scannerschweißen an die angetasteten Positionen angepasst wird. Auch dadurch kann eine korrekte laterale Schweißnahtposition gewährleistet werden.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben und erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1 eine Bearbeitungsfeld mit darin befindlichen Komponenten von Batterien, die mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens gefügt werden sollen, und
- 2 die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Fügen der beiden Komponenten aus 1 mittels einer entsprechend eingerichteten und schematisch gezeigten Schweißvorrichtung.
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1 zeigt ein Bearbeitungsfeld 1 der Schweißvorrichtung 100 aus 2 mit jeweils zwei darin befindlichen Komponenten 41, 42 in Form eines Deckels 41 und eines Batteriegehäuses 42 je einer von zwei zu fertigenden bzw. zu verschließenden Batterie 40.
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Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren, wie es beispielhaft in der 2 gezeigt wird, werden dabei die Deckel 41 mit den Batteriegehäusen 42 verschweißt, um die Batterie 40 gasdicht zu verschließen.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird dabei eine Schweißvorrichtung 100, insbesondere Laserstrahlschweißvorrichtung, eingesetzt, die mit einer Strahlquelle 10 zur Erzeugung eines Bearbeitungsstrahls 2, vorliegend in Form eines Laserstrahls, ausgestattet ist. Die Strahlquelle, vorliegend in Form einer Laserquelle, kann beispielsweise in Form eines Festkörperlasers, z.B. eines Nd:YAG-Lasers, eines Diodenlasers, eines Faserlasers oder ähnlich ausgestaltet sein. Im vorliegenden Beispiel wird dabei ein Faserlaser mit einer Multiclad-Faser verwendet. Neben der Strahlquelle 10 weist die Schweißvorrichtung 100 einen OCT-Sensorsystem 20 zur Erzeugung eines Messstrahls 3 auf. Die Strahlquelle 10 und das OCT-Sensorsystem 20 sind vorliegend schematisch in Gestalt einer Blackbox dargestellt, aus denen der Bearbeitungsstrahl 2 und der Messstrahl 3 austreten und in einen Bearbeitungskopf 30 mit Scanner-Optik geleitet werden.
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Die Scanner-Optik des Bearbeitungskopfs 30 weist vorliegend beispielhaft einen Spiegel 31 zum Umlenken des Bearbeitungsstrahls 2 und des Messstrahls 3 auf, kann jedoch auch mehrere Spiegel 31 aufweisen. Dabei erfolgt die Umlenkung der beiden Strahlen 2, 3 durch entsprechendes Drehen des Spiegels 31. Durch die so vermittelte Umlenkung der beiden Strahlen 2, 3 kann die Schweißvorrichtung 100 das gesamte Bearbeitungsfeld 1 aus 1 abdecken und darin einen Laserstrahlschweiß- und Messvorgang ausführen, also beide Batterien 40 konsekutiv verschweißen.
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Außerdem weist die Scanner-Optik ein optisch telezentrisches Bearbeitungsobjektiv 32 auf, welches in Strahlrichtung der beiden Strahlen 2, 3 hinter dem Spiegel 31 angeordnet ist.
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Beim Verschweißen der beiden Komponenten 41, 42 durch das Scannerschweißen der Schweißvorrichtung 100 wird, wie 2 zu erkennen gibt, der Messstrahl 3 optisch koaxial zu dem Bearbeitungsstrahl 2 geführt und mittels des telezentrischen Bearbeitungsobjektivs werden der Messstrahl 3 und der Bearbeitungsstrahl 2 in einem im Wesentlichen übereinstimmenden und im Wesentlichen konstanten Einstrahlwinkel α von im Wesentlichen 90° relativ zu der Bearbeitungsoberfläche 43 der Batterie 40 geführt.
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Übereinstimmend meint dabei, dass die beiden Strahlen 2, 3 denselben Einstrahlwinkel α aufweisen. Konstant meint dabei, dass der Einstrahlwinkel α entlang der Schweißtrajektorie bzw. Schweißnaht konstant bleibt. So zeigt 2 die beiden Strahlen 2, 3 in einem linken Bearbeitungsbereich auf der Bearbeitungsoberfläche 43 bei der in 2 gezeigten Auslenkung der Strahlen 2, 3 durch den Spiegel 31. In eine demgegenüber mittigen Bearbeitungsbereich ist ein weiterer Verlauf der beiden Strahlen 2, 3 gezeigt, der durch eine entsprechende Drehung des Spiegels 31 erzeugbar ist. Gegenüber dem linken Bearbeitungsbereich bzw. den dortigen Strahlen 2, 3 ist zu sehen, dass derselbe Einstrahlwinkel α besteht, der damit konstant ist und jeweils beiden Paaren von Strahlen 2, 3 übereinstimmt.
