DE102022106540A1

DE102022106540A1 - Verfahren zum Laserstrahlschweißen

Info

Publication number: DE102022106540A1
Application number: DE102022106540.5A
Authority: DE
Inventors: Daniel Böhm; Jan-Philipp Weberpals
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2022-03-21
Filing date: 2022-03-21
Publication date: 2023-09-21
Also published as: CN118785992A; WO2023179900A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen zumindest zweier Fügepartner (1, 3), die im Überlappstoß übereinander gelegt sind, wobei die beiden Fügepartner (1, 3) unter Bildung einer bevorzugt geschlossenflächigen Anbindungszone (5) miteinander durch eine Liniennaht verschweißt werden. Erfindungsgemäß wird zur Ausbildung der Anbindungszone (5) der Laserstrahl (9) im Schweißprozess in einer beliebigen Bahnplanungsstrategie entlang einer Soll-Schweißspur (13) geführt, und zwar unter Bildung einer Schweißnahtbahn (19), deren nebeneinander liegenden Bahnabschnitte die bevorzugt geschlossenflächige Anbindungszone (5) aufbauen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Das Batteriesystem eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs besteht aus mehreren Batteriemodulen, die wiederum durch eine Vielzahl von einzelnen Batteriezellen zusammengesetzt werden. Die Terminals der Batteriezellen sind mittels Zellverbinder (Busbars) miteinander verschaltet. Sowohl die Terminals als auch die Zellverbinder können aus Aluminium gefertigt sein. Neben artgleichen Verbindungen aus Aluminium können auch Kombination mit beispielsweise Kupfer als artgleiche oder Mischverbindung zum Einsatz kommen. Bei Rundzellen kann es auch Stahl mit einer entsprechenden Beschichtung sein, etwa ein diffusionsgeglühter Bandstahl mit elektrolytischer Nickelbeschichtung. Die Erfindung ist auf die Kontaktierung von Batteriezellen beliebiger Zellformate (d.h. Rundzellen, prismatische Zellen oder Pouchzellen) anwendbar.
Um die Terminals mit den Zellverbindern elektrisch zu verbinden, wird die Laserstrahlschweißtechnik eingesetzt. Die Hauptanforderung an diese Verbindung ist maßgeblich der elektrische Übergangswiderstand und die mechanische Festigkeit. Um einen möglichst kleinen Übergangswiderstand sowie eine hohe mechanische Festigkeit zu erreichen, ist eine entsprechend große Verbindungsfläche (nachfolgend als großflächige Anbindungszone bezeichnet) zwischen dem Zellverbinder und dem Terminal zu erzeugen. Zudem ist die Geometrie des Schweißnahtmusters mitentscheidend für die weitere Optimierung dieser Kenngrößen.
Zur Erreichung einer damit verbundenen hohen Prozessqualität wird im aus dem Stand der Technik bekannten Laserstrahlschweißprozess eine Laserstrahloszillation eingesetzt. Dabei wird einer Soll-Schweißspur, entlang der Laserstrahl geführt wird, eine frequente laterale oder zirkulare Oszillation (oder alternativ eine beliebige Mischform daraus, etwa eine Lissajous-Figur) überlagert. Diese Art der Prozessführung ist eine ebenfalls im Karosseriebau eingesetzte Technologie. Bei der Oszillation muss die Bearbeitungsoptik in der Regel über Scannerspiegel eine an die Vorschubgeschwindigkeit angepasste Frequenz und Amplitude ausführen, um eine geschlossene Anbindungsfläche bzw. Anbindungszone zu generieren.
Bedingt durch die Trägheit der bewegten Massen des Scannerspiegels sowie der Funktionsweise der Antriebsmotoren/-einheit kann diese Amplitude bei steigender Vorschubgeschwindigkeit und damit steigender Scanfrequenz nicht mehr erreicht werden. Folglich nimmt mit der Amplitude die erreichbare Nahtbreite in der Verbindungsebene ab und die Anforderungen an elektrischem Widerstand und Festigkeit sind nicht mehr gewährleistet.
Damit ist im Stand der Technik die erreichbare Vorschubgeschwindigkeit und somit die Produktivität der Anlage durch die gewählte Prozessstrategie mittels Strahloszillation limitiert.
Wie zuvor beschrieben lassen sich im Stand der Technik die Prozessgeschwindigkeiten zur Erzeugung einer gleichmäßig ausgeprägten Schweißnahtverbindung nicht beliebig nach oben skalieren. Die Reglementierung stellt dabei das Scannersystem bezüglich erreichbarer Bahntreue bei überlagerter Strahloszillation (Scanfrequenz und Amplitude) dar. Durch die nicht fortführbare Skalierung wird damit einhergehend die Funktionalität der Verbindung (zum Beispiel Widerstand und Festigkeit) herabgesetzt.
Eine große Nahtbreite kann neben einer Strahloszillation durch einen großen Fokusdurchmesser erreicht werden. Beide Verfahren sind aufgrund ihrer Prozessauslegung nicht für eine Skalierung in die Prozessgeschwindigkeit geeignet. Die Oszillation kann die geforderte Bahntreue im Hinblick auf die Amplitude nicht halten, die großen Fokusdurchmesser erfordern eine sehr hohe Laserleistung. Eine solche hohe Laserleistung für den großen Fokusdurchmesser führt zur Überhitzung der Verbindungszone und damit zur Zersetzung elektrisch isolierender Kunststofflagen und Dichtungen.
Aus der DE 10 2013 215 362 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Einschweißtiefe beim Laserschweißen bekannt. Aus der DE 10 2010 039 893 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Fügekörpers bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen bereitzustellen, welches eine hohe Prozessgeschwindigkeit und dennoch eine sichere Schweißnahtverbindung mit minimalem Übergangswiderstand und hoher mechanischer Festigkeit ermöglicht. Gleichzeitig darf die Grenztemperatur zur Zersetzung elektrisch isolierender Kunststoffschichten und Dichtungen nicht überschritten werden.
Die Aufgabe der Erfindung ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung geht von einem Verfahren zum Laserstrahlschweißen zumindest zweier Fügepartner aus. Diese sind im Überlappstoß übereinandergelegt und werden unter Bildung einer bevorzugt geschlossenflächigen Anbindungszone bzw. Anbindungsfläche miteinander durch eine Liniennaht verschweißt. Die geschlossenflächige Anbindungszone bildet einen elektrischen Kontakt zwischen den beiden Fügepartnern. Um einen reduzierten Übergangswiderstand an der Anbindungszone zu erzielen, ist es daher von besonderer Bedeutung, dass die beiden Fügepartner in der Anbindungszone vorzugsweise geschlossenflächig miteinander in Schweißverbindung sind. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 wird zur Ausbildung der Anbindungszone der Laserstrahl im Schweißprozess in einer beliebigen Bahnplanungsstrategie entlang einer Soll-Schweißspur geführt, und zwar unter Bildung einer Schweißnahtbahn, deren nebeneinander liegenden Bahnabschnitte die Anbindungszone aufbauen.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante, auf die die Erfindung nicht beschränkt ist, erfolgt der Schweißprozess mit einer Bahnplanungsstrategie, bei der der Laserstrahl entlang einer mäanderförmigen und/oder spiralförmigen Soll-Schweißspur geführt wird.
Eine Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit kann insbesondere durch Reduzierung des Fokusdurchmessers erzielt werden. Mit einem kleineren Fokusdurchmesser kann eine geforderte Schweißtiefe mit weniger Laserleistung als bei einem großen Fokusdurchmesser erreicht werden. Gleichzeitig lässt sich - zum Erzielen einer geforderten Schweißtiefe - die Vorschubgeschwindigkeit über die Laserleistung nach oben skalieren (Energieerhaltung: konstant eingebrachte Streckenenergie = Laserleistung pro Vorschubgeschwindigkeit). In Folge des reduzierten Fokusdurchmessers nimmt jedoch die im Schweißprozess erzielbare Nahtbreite ab. Zum Erreichen der geforderten Gesamt-Nahtbreite für die resultierende Anbindungsfläche werden gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 mehrere Bahnabschnitte der Schweißnahtbahn nebeneinandergelegt, um die Gesamt-Nahtbreite aufzubauen. Dabei ist es von Bedeutung, dass es vorzugsweise zu keinem Unterbrechen des Schweißprozesses beim Generieren der gesamten Schweißnahtgeometrie kommen darf, die eine Mäanderform, eine Spiralform oder eine Kombination daraus aufweist.
Um den Prozess bei einer zunehmenden Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit besser zu kontrollieren, bietet sich eine überlagerte Strahlformung im Vergleich zu einem einfachen Laserstrahl-Rundspot an. Damit wird einerseits die Nahtoberfläche der generierten Schweißnahtgeometrie geglättet und gleichzeitig Einfluss auf den Spurabstand der Einzelspuren genommen. Mit einer überlagerten Strahlformung kann damit die Schweißnaht in den Flanken verbreitert werden, wodurch mit einer geringeren Anzahl an nebeneinanderliegenden Spuren die gleiche Nahtbreite erzeugt werden kann. Dabei kommt es auf das Leistungsverhältnis der Strahlungsflächen an. Diese sind im Hinblick auf eine Richtungsunabhängigkeit bevorzugt aufgeteilt in eine radial innere Kreisfläche sowie eine radial äußere Ring- oder Mantelfläche, die zueinander konzentrisch ausgerichtet sind, und zwar mit oder ohne zwischengeordnetem geometrischen Spalt. Über den inneren Kreis wird die Schweißtiefe erzeugt, über den umliegenden Kreisring die Nahtbreite beeinflusst.
Infolge des Nebeneinanderlegens von mehreren Spuren/ Bahnen kommt es in Abhängigkeit der zu schweißenden Schweißnahtgeometrie zu einem akkumulieren von Wärme in der Fügezone. Dies führt dazu, dass sich die Schweißtiefe mit jeder Überfahrt entsprechend der gespeicherten Wärme vergrößert. Um dem entgegenzuwirken und eine konstante Schweißtiefe zu erreichen, bietet sich ein gezieltes Absenken der Laserleistung während des Aufbaus der geschlossenflächigen Anbindungszone an. Beispielsweise ein Absenken der Laserleistung bei der nachfolgenden Einzelspur.
Ein wesentlicher Kern der Erfindung besteht darin, dass sich alle beliebigen Schweißnahtgeometrien zur Sicherstellung einer an das Gesamtsystem angepassten widerstands- und festigkeitsoptimierten Fügeverbindung einer Hochvoltbatterie-Zellkontaktierung generieren. Die stetige Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit unterliegt dabei nur der verfügbaren Leistung, wobei die Vorschubgeschwindigkeit beliebig gesteigert werden kann. Damit kann die resultierende Gesamtzeit zum Erzeugen einer Schweißnaht um ein Vielfaches verringert werden, und zwar im Vergleich mit den im Stand der Technik beschriebenen Ansätzen.
Neben den beispielsweise beschriebenen elektrischen Zellkontakten aus vorzugsweisem Aluminium oder Kupfer bzw. deren Mischverbindung oder aus Stahl (bei Rundzellen) kann diese Idee auch für andere Schweißnahtumfänge im Antriebsstrang, der Leistungselektronik oder dem Karosseriebau angewendet werden. Die Vorteile der Erfindung liegen dabei insbesondere in der Steigerung der Prozessgeschwindigkeit beim Laserstrahlfügen von Werkstoffen mit kleinen Fokusdurchmessern zum Generieren einer Schweißnahtverbindung durch Nebeneinanderlegen von Einzelspuren.
Für die Festlegung der Strahlgeometrie muss ein ausgewogener Konsens zwischen Fokusdurchmesser, Strahlformung, Intensitätsverteilung und Vorschubgeschwindigkeit definiert werden. Wie oben angedeutet ist ein kleiner Fokusdurchmesser zum Erreichen von hohen Geschwindigkeiten von Vorteil. Eine überlagerte Strahlformung hilft bei der Einstellung des Verhältnisses der Nahtbreite zur Schweißtiefe sowie zur Glättung der Nahtoberfläche.
Die Strahlformung kann durch Anpassung bzw. Zunahme von optischen Komponenten im Betriebsmittelstrang in der Laserstrahlquelle, über die Strahlführung in der Glasfaser oder direkt in der Bearbeitungsoptik erfolgen. Durch die Auslegung der optischen Elemente wird die Geometrie der Strahlanordnung beschrieben. Für eine möglichst richtungsunabhängige Bearbeitung in der Fläche sind diese vorzugsweise konzentrisch angeordnet. Die überlagerte Leistungsverteilung (Intensität = Leistung / Fläche) kann dabei individuell durch das angewendete Strahlformungsprinzip vor und/ oder auch während des Bearbeitungsprozesses erfolgen. Überdies können neben einer runden Ausführung der Strahlen anderen Formen wie Ellipsen, Rechtecke oder Kombinationen daraus eingesetzt werden. Alle Strahlkonfigurationen lassen sich neben Fasern durch optische Elemente wie zum Beispiel ein Prisma, ein diffraktives oder refraktives optisches Element oder weitere Ausprägungen in der Bearbeitungsoptik vorzugsweise im kollimierten Strahlengang zwischen der Kollimationslinse und der Fokussierlinse erzeugen.
Eine geringe Nahtbreite in der Fügeebene resultiert in einer sehr langen Schweißnaht zum Erzeugen der geforderten Anbindungszone. Um diese Nahtlänge zu minimieren, wird die gesamte Nahtlänge auf eine definierte (zum Beispiel mäander- und/oder spiralförmige) Schweißnahtgeometrie projiziert und durch Nebeneinanderlegen/ Aufwickeln der Naht aufgebaut. Eine mögliche Strategie ist das Bilden einer Soll-Schweißspur in Mäanderform, die eine beliebige Anzahl, zum Beispiel fünf, nebeneinandergelegte Längsspurabschnitte aufweist (deren Einzellänge wird durch die geforderte Schweißnahtgeometrie bestimmt), die mit beispielsweise rechtwinkligen Verbindungen verbunden sind. Alternativ können die Verbindungen halbkreisförmig sein oder eine beliebige andere Geometrie aufweisen. Die Anzahl der Längsspurabschnitte hängt von der geforderten Nahtbreite ab (1 ... n). Der jeweilige Spurabstand ist konstant und wird in Abhängigkeit der Einzelspurbreite festgelegt. Beispielhaft kann ein Spurabstand von 0,5 mm eingestellt werden, welcher zum Beispiel mit einer Einzelnahtbreite von 0,55 mm einen Überlapp gewährleistet. Mit der Wahl der Abbildung der Bearbeitungsoptik, dem Faserdurchmesser, der Strahlformung, der Leistung und dem Vorschub kann der Spurabstand individuell festgelegt werden und ist eine adaptierbare Skalierungsgröße.
Bei der Schweißung mit einer konstanten Laserleistung bildet sich in Abhängigkeit der Schweißnahtgeometrie ein Wärmefeld welches zu einer entsprechen Akkumulation führt. Folglich führt diese Vorwärmung bei der Folgespur zu einer größeren Schweißtiefe. Um dieser wärmestaubedingten Zunahme der Schweißtiefe und gleichzeitigen Gesamtzunahme der Temperatur in der Fügeverbindung entgegenzuwirken, bietet sich eine Reduktion der Laserstrahlleistung bei jeder Einzelspur an. Beispielhaft kann die Laserstrahlleistung pro Einzelspur um einen vordefinierten Betrag reduziert werden. Diese Leistungssenkung ist abhängig von der Länge und der Geometrie der Spuren und damit vom sich einstellenden Wärmefeld. Dieses steht in unmittelbarem Zusammenhang mit den Prozessparametern.
Durch die Flexibilität des Scanners lassen sich die Schweißnahtgeometrien in allen erdenklichen Bahnplanungsstrategien aufbauen. Bevorzugt sind symmetrische Schweißspur-Formen, etwa ein Mäander oder eine Spirale. Die Spirale kann in beliebiger Geometrie ausgestaltet sein. Bevorzugt kann die Spirale rechteckig mit zueinander parallelen Längsspurabschnitten ausgebildet sein. Alternativ dazu kann sich die Spirale ausgehend von radial innen in einem kreisförmigen Verlauf mit kontinuierlich steigendem Radius nach radial außen erstrecken.
Nachfolgend werden Erfindungsaspekte nochmals im Einzelnen hervorgehoben: So kann die bevorzugt geschlossenflächige Anbindungszone mit genau einer Schweißnahtbahn ausgebildet werden, die sich unterbrechungsfrei entlang der gesamten Soll-Schweißspur erstreckt. Alternativ dazu kann die Soll-Schweißspur auch mit Unterbrechung abgesetzt werden, wenn etwa zwei Nahtbereiche in einer Geometrie oder benachbarten Geometrien alternierend aufgebaut werden. Zudem kann der Zellkontakt zwischen dem Zellterminal und dem Zellverbinder auch beispielhaft durch zwei oder mehrere voneinander unabhängige Anbindungszonen ausgebildet sein. In diesem Fall kann jeder Anbindungszone eine Schweißnahtgeometrie mit zum Beispiel unterbrechungsfreier Soll-Schweißspur zugeordnet sein.
Bevorzugt ist es, wenn der Laserstrahl im Schweißprozess ohne überlagerte oszillierende Pendelbewegung entlang der Soll-Schweißspur geführt wird. In diesem Fall stimmt der vom Laserstrahl auf einer der Fügepartneroberflächen zurückgelegte Weg mit der Länge der Soll-Schweißspur überein. Im Gegensatz dazu erfolgt im Stand der Technik eine örtliche und/oder zeitliche Laserstrahloszillation, bei der die Laserstrahl-Überfahrt entlang der Soll-Schweißspur eine frequente laterale oder zirkulare Oszillation (oder alternativ eine beliebige Mischform daraus, etwa eine Lissajous-Figur) überlagert wird. In diesem Fall ist der vom Laserstrahl zurückgelegte Weg wesentlich länger als die eigentliche Länge der Soll-Schweißspur. Bei der Laserstrahloszillation muss die Bearbeitungsoptik in der Laserstrahlschweißeinrichtung über einen Scannerspiegel über eine an die Vorschubgeschwindigkeit angepasste Frequenz und Amplitude ausführen, um die geschlossenflächige Anbindungszone zu generieren. Aufgrund der Trägheit der bewegten Massen des Scannerspiegels sowie der Funktionsweise der Antriebsmotoren/-einheit kann diese Amplitude speziell bei höheren Vorschubgeschwindigkeiten und damit steigender Scanfrequenz nicht mehr erreicht werden. Dadurch ist die Vorschubgeschwindigkeit im Hinblick auf die Massenträgheit der Bearbeitungsoptik (Scannerspiegel) begrenzt.
Im Hinblick auf eine einwandfreie Schweißnahtgeometrie ist die Einstellung eines passenden Spurabstandes zwischen nebeneinander liegenden Spurabschnitten der Soll-Schweißspur von Relevanz. Bevorzugt ist es, wenn der Spurabstand so bemessen ist, dass sich die damit korrespondierenden, im Schweißprozess bildenden Bahnabschnitte der Schweißnahtbahn mit einem Überlappmaß überlappen.
Wie oben erwähnt, führt speziell ein kleiner Fokusdurchmesser zu einer entsprechend reduzierten Nahtbreite der Schweißnahtbahn. Zur Vergrößerung der Nahtbreite an der Schweißnahtbahn-Oberfläche ist es bevorzugt, wenn eine Strahlformung erfolgt, bei der der Laserstrahl in zumindest einen ersten Teilstrahl und in einen zweiten Teilstrahl aufgeteilt wird, die jeweils eine unterschiedliche Leistung pro Strahlungsfläche aufweisen.
Im Hinblick auf eine möglichst richtungsunabhängige Laserstrahlbearbeitung ist es bevorzugt, wenn mittels der Strahlformung ein radial innerer Kernstrahl und ein dazu konzentrischer, radial äußerer Ringstrahl mit oder ohne zwischenliegendem, geometrischen Spalt erzeugt wird. In diesem Fall kann die Leistungsverteilung zwischen dem Kern- und Ringstrahl so bemessen sein, dass mittels des Kernstrahls die Schweißtiefe eingestellt wird und mittels des Ringstrahls die Nahtbreite eingestellt wird.
In einer konkreten Ausführungsvariante kann während des Schweißprozesses mit fortschreitender Prozessdauer die Laserstrahlleistung während des Aufbaus der geschlossenflächigen Anbindungszone gezielt abgesenkt werden. Eine solche Reduzierung der Laserstrahlleistung wirkt einer wärmestaubedingten Zunahme der Schweißtiefe und der Prozesstemperatur entgegen. Bevorzugt kann beispielhaft bei der Bildung jedes benachbarten Bahnabschnittes der Schweißnahtbahn die Laserstrahlleistung um einen vordefinierten Betrag reduziert werden.
Erfindungsgemäß kann die Soll-Schweißspur in beliebigen Formen verlaufen, um die geschlossenflächige Anbindungszone auszubilden. Gemäß einer ersten Ausführungsvariante kann die Soll-Schweißspur mäanderförmig mit zueinander parallelen Längsspurabschnitten ausgebildet sein. Die Längsspurabschnitte können über Querspurabschnitte in Reihe miteinander verbunden sein. Die Querspurabschnitte können eine beliebige Geometrie aufweisen. Beispielsweise können die Querspurabschnitte geradlinig ausgeführt sein, wodurch eine rechtwinklige Verbindung zwischen benachbarten Längsspurabschnitten bereitgestellt ist. Alternativ dazu können die Querspurabschnitte kreis -oder bogenförmig verlaufen.
Beispielhaft kann im Schweißprozess die Laserstrahlleistung bei der Laserstrahl-Überfahrt in der Reihenfolge vom ersten Längsspurabschnitt bis zum letzten Längsspurabschnitt jeweils pro Längsspurabschnitt um einen vordefinierten Betrag reduziert werden.
In einer alternativen Ausführungsvariante kann die Soll-Schweißspur eine Spiralform aufweisen, bei der sich die Soll-Schweißspur von einem radial inneren Startpunkt spiralförmig nach radial außen erstreckt und zwar in einem kreisförmigen Bewegungsablauf mit kontinuierlich steigendem Bewegungsradius. In einer weiteren alternativen Ausführungsvariante kann die Soll-Schweißspur in einer Mischform aus Spiralform und Mäanderform ausgebildet sein. In diesem Fall kann die Soll-Schweißspur einen radial inneren Längsspurabschnitt sowie beidseitig davon parallel angeordnete weitere Längsspurabschnitte aufweisen. Sämtliche Längsspurabschnitte sind spiralförmig über Querspurabschnitte miteinander verbunden.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:

1 eine Schweißverbindung aus zwei metallischen Fügepartnern mit teilweisem Aufriss;
2 eine Laserstrahlschweißeinrichtung zur Erzeugung der Schweißverbindung in 1;
3 bis 9 jeweils Ansichten, die unterschiedliche Ausführungsvarianten der Erfindung betreffen;
10 und 11 jeweils Ansichten gemäß einem nicht von der Erfindung umfassten Vergleichsbeispiel.

In der 1 ist eine Bauteilanordnung aus zwei Fügepartnern 1, 3 gezeigt, die im Überlappstoß übereinandergelegt sind und durch eine Liniennaht miteinander verschweißt sind. Zwischen den beiden Fügepartnern 1, 3 ist eine geschlossenflächige Anbindungszone 5 gebildet, in der die beiden Fügepartner 1, 3 miteinander verschweißt sind. Bevorzugt kann der untere Fügepartner 1 ein Zellterminal einer Batteriezelle eines Hochvoltbatteriesystems eines Fahrzeugs sein, während der obere Fügepartner 3 Bestandteil eines elektrischen Zellverbinders ist. Die geschlossenflächige Anbindungszone 5 bildet eine elektrische Kontaktierung zwischen den beiden Fügepartnern 1, 3. Es ist von Bedeutung, dass die beiden Fügepartner 1, 3 in der Anbindungszone 5 geschlossenflächig miteinander in Schweißverbindung sind, um einen elektrischen Übergangswiderstand gering zu halten.
Die in der 1 gezeigte Schweißverbindung wird mittels der in der 2 angedeuteten Laserschweißanlage erzeugt. Dieser ist nur insoweit dargestellt, als es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Demnach weist die Laserstrahlschweißeinrichtung eine elektronische Steuereinheit 10 auf, mittels der eine Laserstrahlerzeugungseinheit 7 zur Erzeugung eines Laserstrahls 9 ansteuerbar ist. Dieser wird einer Scannereinheit 11 zugeführt. Im Schweißprozess wird der Laserstrahl 9 mit Hilfe von beweglich bzw. drehbar gelagerten Scannerspiegeln 12 der Scannereinheit 11 auf der Oberfläche des oberen Fügepartners 3 geführt. Die beiden Scannerspiegel 12 werden erfindungsgemäß lediglich zur Erzeugung der Schweißnahtbahn 19 verwendet. Eine überlagerte Laserstrahloszillation, wie sie in dem Vergleichsbeispiel der 10 und 11 gezeigt ist, findet nicht statt.
Der Laserstrahl 9 bewegt sich während des Schweißprozesses entlang einer mäanderförmigen Soll-Schweißspur 13, die in der 1 in Fettdruck sowie strichpunktiert angedeutet ist. Die Soll-Schweißspur 13 erstreckt sich ausgehend von einem Startpunkt S bis zu einem Endpunkt E. In der 1 weist die Soll-Schweißspur 13 fünf nebeneinander liegende Längsspurabschnitte 15 auf, die über Querspurabschnitte 17 in Reihe miteinander verbunden sind. Die Querspurabschnitte 17 sind in der 1 beispielhaft geradlinig ausgeführt, so das rechtwinklige Verbindung zwischen benachbarten Längsspurabschnitten 15 bereitgestellt ist. Alternativ dazu können die Querspurabschnitte 17 eine beliebige andere Geometrie aufweisen, etwa kreis -oder bogenförmig verlaufen.
Im Schweißprozess bewegt sich der Laserstrahl 9 entlang der Soll-Schweißspur 13, wodurch sich eine entsprechende Schweißnahtbahn 19 bildet, die eine vordefinierte Schweißtiefe t sowie eine vordefinierte Nahtbreite b aufweist. Die nebeneinander liegenden Bahnabschnitte der Schweißnahtbahn 19 bauen die geschlossenflächige Anbindungszone 5 auf, die in der 1 mit gestrichelter Linie angedeutet ist. Gemäß der 1 ist der Spurabstand a zwischen nebeneinander liegenden Längsspurabschnitten 15 so eingestellt, dass sich damit korrespondierende, im Schweißprozess gebildete Bahnabschnitte der Schweißnahtbahn 19 mit einem Überlappmaß Δm überlappen. Alternativ zur 1 kann das Überlappmaß Δm auch bei null liegen (Δm = 0). In diesem Fall gehen die nebeneinander liegenden Bahnabschnitte der Schweißnahtbahn 19 ohne Überlappung ineinander über. In einer weiteren Alternative können die nebeneinander liegenden Bahnabschnitte der Schweißnahtbahn 19 auch mit Bahnabstand zueinander angeordnet sein (Δm < 0).
In der 1 erzeugt die Laserstrahlschweißeinrichtung im Schweißprozess einen Laserstrahl 9, der eine Strahlungskreisfläche 23 (Rundspot) auf dem oberen Fügepartner 3 bildet. Diese befindet sich in der 1 am Endpunkt E der Soll-Schweißspur 13. Demgegenüber kann in der Laserstrahlschweißanlage vorzugsweise über Faser/Lichtleitkabel eine Strahlformung erfolgen, bei der der Laserstrahl 9 in zumindest einen ersten Teilstrahl 25 und in einem zweiten Teilstrahl 27 aufgeteilt wird. Wie aus den 3 bis 5 hervorgeht, weist der Laserstrahl 9 beispielhaft einen radial inneren Kernstrahl als ersten Teilstrahl 25 sowie einen radial äußeren, konzentrisch mit gleichem Mittelpunkt angeordneten Ringstrahl als zweiten Teilstrahl 27 auf. Die Leistungsverteilung zwischen dem Kernstrahl 25 und dem Mantelstrahl 27 ist so bemessen, dass mittels des Kernstrahls 25 die Schweißtiefe t einstellbar ist, während mittels des radial äußeren Ringstrahls 27 die Nahtbreite b einstellbar ist.
Bei einer in der 3 gezeigten beispielhaften Schweißnahtausbildung beträgt das Leistungsverhältnis 40% im Kern und 60% im Ring bei einem Durchmesserverhältnis d2/d1 von 4. Die Vorschubgeschwindigkeit in der Prozessrichtung 8 liegt bei 500 mm/s bei einer Laserleistung von 5,5 kW.
Beispiele für die Strahlformung in der Glasfaser sind Faser mit einer konzentrischen Anordnung ohne bzw. mit einem geometrischen Abstand (das heißt Spalt) zwischen Kern und Ring. Variable Größen hierbei sind bei der konzentrischen Anordnung das Durchmesserverhältnis d2/d1, wobei d2 >_ d1 (d2: Außendurchmesser Ring, d1: Außendurchmesser Kern). Die 4 zeigt die Bedingung für den geometrischen Abstand ds - d1 = 0. Dieser ist damit nicht vorhanden und zeigt sich in Faser mit einem Brechungsindexunterschied in der Grenzfläche. In der 5 ist der geometrische Abstand 29 mit ds - d1 > 0 und d2 >_ ds beschrieben. Im Fall d2 = ds liegt ein einfacher Rundspot vor, wie ebenfalls bei 4, sofern d1 = d2.
In der 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, in dem lediglich die Soll-Schweißspur 13 zur Erzeugung der geschlossenflächigen Anbindungszone 5 gemäß der 1 in Alleinstellung angedeutet ist. Entlang der Soll-Schweißspur 13 bewegt sich ein (nicht gezeigter) Laserstrahl 9 mit Kernstrahl 25 und dazu konzentrischem Ringstrahl 27 oder alternativ ein Rundstrahl. Bei einem Schweißprozess mit durchgängig konstanter Laserleistung zwischen dem Startpunkt S und dem Endpunkt E kann sich ein Wärmefeld bilden, das zu einer entsprechenden Wärme-Akkumulation führt. Die Vorwärmung kann bei der Überfahrt eines folgenden Längsspurabschnittes 15 zu einer nachteilig großen Schweißtiefe t führen. Um eine solche wärmestaubedingte Zunahme der Schweißtiefe t sowie einer gleichzeitigen Zunahme der Prozesstemperatur in der Schweißverbindung entgegenzuwirken, ist in der 6 folgende Maßnahme ergriffen: So ist die Laserstrahlleistung bei der Laserstrahl-Überfahrt in der Reihenfolge vom ersten (linken) Längsspurabschnitt 15 bis zum letzten (rechten) Längsspurabschnitt 15 schrittweise reduziert, und zwar beispielhaft pro Längsspurabschnitt 15 um einen vordefinierten Betrag von 5%. Beispielhaft beträgt in der 6 bei der Laserstrahl-Überfahrt des ersten Längsspurabschnittes 15 die Laserstrahlleistung noch 100%. Bei der Überfahrt des zweiten bis fünften Längsspurabschnittes 15 wird die Laserstrahlleistung jeweils um 5% reduziert, so dass bei der Laserstrahl-Überfahrt des letzten (rechten) Längsspurabschnittes 15 die Laserstrahlleistung bei 80% liegt.
In der 6 wird die Laserleistung beispielsweise abrupt in den Ecken um jeweils 5 % bezogen auf die Maximalleistung des ersten Längsspurabschnittes 15 je weiterem Längsspurabschnitt 15 gesenkt. Neben einem sprunghaften Absenken der Laserleistung in einem Punkt kann die Leistungsreduktion ebenfalls über vorzugsweise lineare Leistungsrampen zwischen den Leistungslevel erfolgen. Hierfür bietet sich vorzugsweise die Verbindungsstrecke (Querspurabschnitte 17) zwischen den Längsspurabschnitten 15 an. Die Länge der Leistungsrampe ist aber nicht auf diese Länge begrenzt.
Der Auslegung der Schweißnahtgeometrie ist ebenfalls aufgrund der Flexibilität des Scanners keine Grenze gesetzt. Beispiele für die resultierende Schweißnahtgeometrie im Falle von Hochvoltbatterie-Zellkontakten zeigen die folgenden 7 bis 9. In den 7 bis 9 sind jeweils Soll-Schweißspuren 13 in unterschiedlicher geometrischer Form gezeigt. Gemäß der 7 weist die Soll-Schweißspur 13 eine Spiralform auf, bei der sich die Soll-Schweißspur 13 von einem radial inneren Startpunkt S im Gegenuhrzeigersinn spiralförmig nach außen erstreckt, und zwar mit einem kreisförmigen Bewegungsablauf mit kontinuierlich steigendem Bewegungsradius r. In der 7 werden durch die eingeklammerten Zahlen (1 - 9) Schaltpunkte für die Laserleistung symbolisiert. Sofern die Laserstrahl-Überfahrt über die komplette Spirale mit konstanter Leistung erfolgt, nimmt die Schweißtiefe t nach radial außen zu. Sofern dagegen die Leistung abschnittsweise reduziert wird, ergibt sich eine konstante Schweißtiefe t über die gesamte Schweißnahtgeometrie.
Alternativ dazu ist in der 8 die Soll-Schweißspur 13 in einer Mischung aus Spiralform und Mäanderform ausgebildet, und zwar unter Bildung eines radial inneren Längsspurabschnittes 15 sowie beidseitig davon parallel angeordneten weiteren Längsspurabschnitten 15. Sämtliche Längsspurabschnitte 15 sind spiralförmig über Querspurabschnitte 17 miteinander verbunden. Die in der 8 gezeigte Soll-Schweißspur 13 weist insgesamt fünf Längsspurabschnitte 15 auf. Gemäß der 8 ist die Soll-Schweißspur 13 von einem radial inneren Startpunkt S (wie in der 7) im Gegenuhrzeigersinn spiralförmig nach außen bis zum Endpunkt E geführt.
Die in der 9 gezeigte Soll-Schweißspur 13 ist aus insgesamt vier Längsspurabschnitten 15 aufgebaut. Anstelle einer rechtwinkligen Querlinienverbindung zwischen den Längsspurabschnitten 15 verlaufen in der 9 die Querspurabschnitte 17 kreis- oder bogenförmig. Dies ermöglicht ein genaueres Einhalten der Bahngeschwindigkeit des Laserstrahls 9 und ist einem rechtwinkligen Umsetzen vorzuziehen. Demnach kann die zuvor erwähnte Leistungsrampe ebenfalls auf die Kreisbahn übertragen werden. Für einen kontrollierten Prozessbeginn bzw. -ende empfiehlt sich eine überlagerte Leistungsrampe.
In der 9 soll die anvisierte geschlossenflächige Anbindungszone 5 nicht als Reckeckfläche gebildet werden, sondern vielmehr beispielhaft als eine U-profilförmige Fläche. Demnach weist die Soll-Schweißspur 13 einen inneren Längsspurabschnitt 15 sowie beidseitig davon parallel angeordnete Längsspurabschnitte 15 auf. Im Unterschied zur 8 sind in der 9 die Längsspurabschnitte 15 zweifach um 90° abgewinkelt, um die U-förmige Anbindungszone 5 zu erzeugen. Gemäß der 9 ist die Soll-Schweißspur 13 (wie in der 7 oder 8) von einem radial inneren Startpunkt S im Gegenuhrzeigersinn spiralförmig nach außen bis zum Endpunkt E geführt.
In den 7 bis 9 liegen die Startpunkte S der Soll-Schweißspur 13 beispielhaft im Inneren der Schweißspur-Geometrie und wird die Soll-Schweißspur 13 im Gegenuhrzeigersinn nach außen geführt. Alternativ dazu kann sich die Soll-Schweißspur 13 ausgehend vom Startpunkt S auch im Uhrzeigersinn erstrecken. Als weitere Alternative kann - je nach gewünschter Wärmeausbreitung - der Endpunkt E auch im Inneren der Schweißspur-Geometrie liegen, während der Startpunkt S außerhalb liegt.
Die Erfindung ist nicht auf eine spezielle Flächengeometrie der Anbindungszone 5 beschränkt. Alternativ zur 9 kann die Anbindungszone 5 auch beispielhaft eine ringförmige Flächengeometrie aufweisen.
Ein Kern der Erfindung besteht darin, dass der Laserstrahl 9 im Schweißprozess ohne oszillierende Pendelbewegung P (11) entlang der Soll-Schweißspur 13 geführt wird. Der vom Laserstrahl 9 auf der Fügepartneroberfläche zurückgelegte Weg stimmt daher mit der Länge der Soll-Schweißspur 13 überein.
Demgegenüber ist in den 10 und 11 ein nicht von der Erfindung umfasstes Vergleichsbeispiel gezeigt. Der grundsätzliche Aufbau sowie die Funktionsweise der in der 10 gezeigten Laserstrahlschweißeinrichtung entspricht dem Aufbau sowie der Funktionsweise der in der 2 gezeigten Laserstrahlschweißeinrichtung. Von daher wird auf die Vorbeschreibung verwiesen.
Die Ausbildung der in der 11 angedeuteten geschlossenflächigen Anbindungszone 5 zwischen den Fügepartnern 1, 3 erfolgt mittels einer nicht von der Erfindung umfassten Bahnplanungsstrategie: Demnach weist die Anbindungszone 5 (in der 11 mit gestrichelter Linie angedeutet) insgesamt drei Soll-Schweißspuren 13 auf, die voneinander separat sowie zueinander parallel sind. Jede der drei Soll-Schweißspuren 13 wird vom Laserstrahl 9 jeweils in einer separaten Laserstrahl-Überfahrt vom jeweiligen Startpunkt S zum jeweiligen Endpunkt E entlanggeführt. Zudem ist jeder Laserstrahl-Überfahrt eine laterale räumliche Laserstrahloszillation (kann auch eine beliebig andere Oszillationsform sein) überlagert, bei der der Laserstrahl 9 in oszillierender Pendelbewegung P (11) um die jeweilige Soll-Schweißspur 13 mit einer Amplitude A (11) quer zur Soll-Schweißlinie 13 ausgelenkt wird. Der vom Laserstrahl 9 zurückgelegte Weg ist dadurch wesentlich größer als die eigentliche Länge der jeweiligen Soll-Schweißspur 13.
Bei der Laserstrahloszillation muss die Bearbeitungsoptik in der Regel über Scannerspiegel 12 eine an die Vorschubgeschwindigkeit angepasste Frequenz und Amplitude A ausführen, um eine geschlossene Anbindungsfläche bzw. Anbindungszone 5 zu generieren. Bedingt durch die Trägheit der bewegten Massen des Scannerspiegels 12 und die Funktionsweise der Antriebsmotoren kann die Amplitude A bei steigender Vorschubgeschwindigkeit und damit steigender Scanfrequenz nicht mehr erreicht werden. Folglich nimmt mit der Amplitude A die erreichbare Nahtbreite b in der Verbindungsebene ab und die Anforderungen an elektrischem Widerstand und Festigkeit sind nicht mehr gewährleistet.
BEZUGSZEICHENLISTE

1, 3: Fügepartner
5: geschlossenflächige Anbindungszone
7: Laserstrahlerzeugungseinheit
8: Prozessrichtung
9: Laserstrahl
10: Steuereinheit
11: Scannereinheit
12: Scannerspiegel
13: Soll-Schweißspur
15: Längsspurabschnitt
17: Querspurabschnitt
19: Schweißnahtbahn
23: Strahlungskreisfläche
25: erster Teilstrahl, zum Beispiel Kernstrahl
27: zweiter Teilstrahl, zum Beispiel Ringstrahl
29: Ringspalt bzw. Abstand
a: Spurabstand
Δm: Überlappmaß
b: Nahtbreite
S: Startpunkt
E: Endpunkt
r: Bewegungsradius
t: Schweißtiefe
P: Pendelbewegung
A: Amplitude

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013215362 A1 [0009]
DE 102010039893 A1 [0009]

Claims

Verfahren zum Laserstrahlschweißen zumindest zweier Fügepartner (1, 3), die im Überlappstoß übereinander gelegt sind, wobei die beiden Fügepartner (1, 3) unter Bildung einer bevorzugt geschlossenflächigen Anbindungszone (5) miteinander durch eine Liniennaht verschweißt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung der Anbindungszone (5) der Laserstrahl (9) im Schweißprozess in einer beliebigen Bahnplanungsstrategie entlang einer Soll-Schweißspur (13) geführt wird, und zwar unter Bildung einer Schweißnahtbahn (19), deren nebeneinander liegenden Bahnabschnitte die bevorzugt geschlossenflächige Anbindungszone (5) aufbauen, und dass insbesondere der Schweißprozess mit einer Bahnplanungsstrategie erfolgt, bei der der Laserstrahl (9) entlang einer mäanderförmigen und/oder spiralförmigen Soll-Schweißspur (13) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindungszone (5) mit genau einer durchgängigen Schweißnahtbahn (19) ausgebildet wird, die sich vorzugsweise unterbrechungsfrei entlang der gesamten Soll-Schweißspur (13) erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (9) im Schweißprozess ohne oszillierende Pendelbewegung (P) entlang der Soll-Schweißspur (13) geführt wird, so dass der vom Laserstrahl (9) auf einer der Fügepartneroberflächen zurückgelegte Weg mit der Länge der Soll-Schweißspur (13) übereinstimmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spurabstand (a) zwischen nebeneinander liegenden Spurabschnitten (15) der Soll-Schweißspur (13) so eingestellt ist, dass sich die damit korrespondierenden, im Schweißprozess bildenden Bahnabschnitte der Schweißnahtbahn (19) mit einem Überlappmaß (Δm) überlappen, oder dass alternativ das Überlappmaß (Δm) bei null liegt (Δm = 0), so dass die nebeneinander liegenden Bahnabschnitte der Schweißnahtbahn (19) ohne Überlappung ineinander übergehen, oder dass alternativ die nebeneinander liegenden Bahnabschnitte der Schweißnahtbahn (19) mit Bahnabstand zueinander angeordnet sind (Δm < 0).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vergrößerung der Nahtbreite (b) an der Schweißnahtbahn-Oberfläche eine Strahlformung erfolgt, bei der der Laserstrahl (9) in zumindest einen ersten Teilstrahl (25) und einen zweiten Teilstrahl (27) aufgeteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Strahlformung ein radial innerer Kernstrahl (25) und ein dazu konzentrischer, radial äußerer Ringstrahl (27) mit oder ohne zwischenliegendem, geometrischen Spalt (29) erzeugt wird, und dass insbesondere die Leistungsverteilung zwischen dem Kern- und Ringstrahl (25, 27) so bemessen ist, dass mittels des Kernstrahls (25) die Schweißtiefe (t) einstellbar ist und mittels der Ringstrahls (27) die Nahtbreite (b) einstellbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schweißprozess mit fortschreitender Prozessdauer die Laserstrahlleistung während des Aufbaus der geschlossenflächigen Anbindungszone (5) gezielt abgesenkt wird, um einer wärmestaubedingten Zunahme der Schweißtiefe (t) und der Prozesstemperatur entgegenzuwirken, und dass insbesondere bei der Bildung jedes benachbarten Bahnabschnitts der Schweißnahtbahn (19) die Laserstrahlleistung um einen Betrag reduziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung der geschlossenflächigen Anbindungszone (5) die Soll-Schweißspur (13) mäanderförmig mit zueinander parallelen Längsspurabschnitten (15) ausgebildet ist, die über Querspurabschnitte (17) in Reihe miteinander verbunden sind, und dass insbesondere im Schweißprozess die Laserstrahlleistung bei der Laserstrahl-Überfahrt in der Reihenfolge vom erstem bis zum letzten Längsspurabschnitt (15) pro Längsspurabschnitt (15) um einen Betrag reduziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung der geschlossenflächigen Anbindungszone (5) die Soll-Schweißspur (13) eine Spiralform aufweist, bei der sich die Soll-Schweißspur (13) von einem radial inneren Startpunkt (S) spiralförmig nach radial außen erstreckt, und zwar in einem kreisförmigen Bewegungsablauf mit kontinuierlich steigendem Bewegungsradius (r), oder sich die Soll-Schweißspur (13) von einem radial äußeren Startpunkt (S) spiralförmig nach radial innen erstreckt, und zwar in einem kreisförmigen Bewegungsablauf mit sich kontinuierlich reduzierendem Bewegungsradius (r)..
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung der geschlossenflächigen Anbindungszone (5) die Soll-Schweißspur (13) in einer Mischung aus Spiralform und Mäanderform ausgebildet ist, und zwar unter Bildung eines radial inneren Längsspurabschnitts (15) sowie beidseitig davon parallel angeordneten weiteren Längsspurabschnitten (15), die allesamt spiralförmig über Querspurabschnitte (17) miteinander verbunden sind.