WO2021105344A1 - Verfahren zum laserschweissen von stromschienen mit strahlformung, und stromschienen-anordnung - Google Patents

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WO2021105344A1
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welding
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busbar
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Steven WEIDGANG
Johannes SEEBACH
Oliver BOCKSROCKER
Joerg SMOLENSKI
Nicolai Speker
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Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a method for joining busbars, in particular busbars containing Cu, the busbars being connected to one another by laser welding.
  • busbars For example, high-performance batteries are required for electromobility. Batteries typically consist of a large number of battery cells, the electrical poles of which are interconnected via so-called busbars. Likewise, electrical consumers, such as power electronics systems, can be connected to a power source such as a battery via busbars. As a rule, busbars have to be connected (joined) to one another. The connection point should have the lowest possible electrical resistance and be mechanically robust.
  • the object of the invention is to provide a method for joining busbars with which joint connections of high mechanical strength and low electrical resistance can be produced. Description of the invention
  • a reshaped laser beam is obtained from a raw laser beam by beam reshaping, and the reshaped laser beam is directed onto the power rails to be joined, so that the Busbars are welded to one another along at least one weld seam, and that the beam shaping in the reshaped laser beam generates a core focus portion and at least one ring focus portion, the core focus portion and the ring focus portion being coaxial with one another and the ring focus portion being the core focus Share surrounds.
  • the problems described above when using a conventional high-performance N IR laser beam and only a single laser spot (single spot), as has typically been used to date when joining busbars, in particular busbars containing Cu can be avoided.
  • the laser beam is subjected to beam shaping, with a core focus portion and at least one surrounding ring focus portion being set up in the reshaped laser beam.
  • These two parts are used coaxially and directed towards the power rails to be welded. Setting up the two parts reduces the generation of splashes during welding and also reduces the formation of pores in the weld seam.
  • the welding pool dynamics can be reduced during the welding process through beam shaping.
  • the welding process according to the invention typically takes place in the deep welding regime, i.e. with the formation of a vapor capillary, usually in the area of the core focus portion.
  • a mechanically strong and electrically highly conductive connection can be established between the busbars.
  • the process is particularly useful for busbars made of copper or alloys containing copper and well suited for material thicknesses typically occurring in busbars, in particular from 2 mm to 10 mm.
  • the joining can be done in a simple manner from one side; in particular, access from opposite sides is generally not necessary.
  • the method according to the invention is highly productive and, in particular, can take place at higher feed rates than when using a conventional single laser spot.
  • the low pore and spatter formation leads to a constant connection cross-section, which reliably keeps the electrical resistance low and reliably keeps the mechanical strength high. In addition, fewer splashes lead to a lower risk of short circuits.
  • the intensity of the reshaped laser beam preferably has a double top-hat profile, the laser intensity being approximately constant over the area of the core focus portion (and preferably fluctuating around a mean intensity IK of the core focus portion by a maximum of 25%), and furthermore the laser intensity is approximately constant over the area of the ring focus portion (and preferably fluctuates around a mean intensity IR of the ring focus portion by a maximum of 25%), the intensity IK being significantly higher than the intensity IR, usually with IK> 3 * IR or IK> 6 * IR.
  • the shaping of the raw laser beam to be used according to the method according to the invention is preferably carried out by feeding the raw laser beam into a multiclad fiber (see below), but can also be done using other beam-shaping elements, such as diffractive optical elements, beam splitters and / or lens systems respectively.
  • the busbars can be used in particular for power electronics or in the area of e-mobility. In particular, the busbars can be used to interconnect battery cells or connect electrical ones Consumers to a battery or another power source.
  • the busbars are typically made of copper (e.g. of the ETP type, uncoated) or an alloy containing Cu.
  • a typical Cu content in a Cu-containing alloy of a busbar is 25% by weight or more, mostly 50% by weight or more, and often 75% by weight or more.
  • the beam is formed by means of a multiclad fiber, a first part of the raw laser beam in a core fiber of the multiclad fiber and at least a second part of the raw laser beam in a ring fiber of the multiclad fiber an input end is fed, wherein the ring fiber surrounds the core fiber, and the reshaped laser beam is obtained at an output end of the multiclad fiber.
  • a variant is preferred in which a laser power used is first reduced during the welding of an initial section of the weld seam and then increased again, and the laser power used is reduced during the welding of an end section of the weld seam.
  • These performance ramps can cause material ejection and spattering as well as the formation of pores and Reduce notches on the weld seam, especially when welding the starting section and the end section of the weld seam, but also in the middle section lying in between.
  • the use of power ramps has proven particularly useful for busbars containing Cu.
  • the laser power used typically remains constant, typically at the maximum laser power used within the welding process.
  • the starting section extends over 25% or less of the length of the entire weld seam
  • the end section also extends over 25% or less of the length of the entire weld seam.
  • the starting section and the end section are of similar length, for. B. where the length of the fan section and the length of the end section differ by a maximum of a factor of 2.
  • the laser power used is initially reduced by 30-50% and increased again by 30-50% during the welding of the initial section, and during the welding of the end section is lowered by 50-70%. This resulted in a particularly good weld seam quality.
  • a further development is also advantageous which provides that a division of the laser power used between the core focus portion and the at least one ring focus portion during the welding of the starting section and the End section compared to welding a middle section the weld seam between the start section and the end section remains the same. This simplifies the process and has proven itself in practice for a good weld seam quality.
  • the power component of the core focus section can first be increased in the initial section and then lowered again, left constant in the middle section, and increased again in the end section in order to achieve an essentially uniform penetration depth of the vapor capillary in all sections at a constant feed rate guarantee.
  • a variant is also preferred in which the following applies to the proportion AK of the total laser power used in welding for the core focus portion: 50% ⁇ AK ⁇ 80%, preferably 55% ⁇ AK ⁇ 75%.
  • DR and DK can be determined and compared, for example, at a focus of the deformed laser beam, typically near the surface of the busbar (s) facing the laser beam.
  • the welding can thus take place in this variant "piercing” or "dragging".
  • the reflection of laser radiation on the surface of the busbar (s) facing the laser beam can be reduced, which increases the laser power used for the welding process , especially when laser radiation in the near infrared range (e.g. 1000 nm-1100 nm) is used in busbars containing Cu.
  • laser radiation in the near infrared range e.g. 1000 nm-1100 nm
  • a variant is also advantageous in which a protective gas, in particular argon, is passed onto a weld pool on the surface of the conductor rail or rails during welding.
  • the protective gas avoids oxidation processes in the weld pool and can help calm the melt pool dynamics.
  • the inert gas argon can be used in particular when shiny weld seams are to be obtained.
  • a variant is particularly advantageous in which the position of at least parts of the busbars is determined with a camera system, and that the reshaped laser beam is directed onto the busbars with scanner optics, the alignment of the scanner optics with the help of the camera system correct position of the busbars takes place automatically during the welding process. This enables a particularly high level of precision and reproducibility of the welding process to be achieved.
  • a first busbar and a second busbar are arranged overlapping in an overlapping area, in particular are pressed onto one another, and the at least one weld seam is set in the overlap area, so that the weld seam through the first busbar into the second Busbar protrudes into or through the second busbar.
  • a particularly stable mechanical connection can be achieved with overlapping busbars.
  • the electrical resistance can be reduced by enlarging the overlap area and, if necessary, several adjacent weld seams.
  • a further development of this variant is preferred in which several, in particular two or three, weld seams are placed next to one another in the overlapping area of the first and second busbars, so that the welds each pass through the first busbar into the second busbar or through the second busbar protrude.
  • the mechanical strength can be increased and the electrical resistance can be reduced by several weld seams.
  • the plurality of welds are typically laterally spaced from one another by unmelted material.
  • the (smallest) lateral distance between the weld seams is typically at least 1.5 mm.
  • a front end of a first busbar and a front end of a second busbar are arranged adjacent to one another, in particular pressed against one another, and the weld seam is set along the joint of the front ends.
  • welding is usually carried out as a through-weld, ie the weld seam protrudes to the underside of the busbars.
  • a wire can be inserted on the underside of the seam in the case of through-welding, which is welded in during the welding process and can prevent a notch (also called "seam collapse").
  • the material of the wire is typically chosen to be the same as the material of the busbars.
  • - a feed speed v, with 2m / min ⁇ v ⁇ 4m / min;
  • AK a proportion AK of the total laser power used during welding, with AK> 70%, preferably AK> 75%;
  • a focal position FL of the reshaped laser beam with -4mm ⁇ FL ⁇ + 1mm, preferably -3mm ⁇ FL ⁇ 0mm; a protective gas flow SGF of argon, with SGF> 15 l / min, preferably SGF> 25 l / min;
  • a protective gas flow SGF of argon with SGF> 15 l / min, preferably SGF> 25 l / min;
  • the scope of the present invention also includes a busbar arrangement comprising at least two busbars, the busbars being joined by laser welding by means of a method according to the invention described above.
  • the busbar arrangement has a high mechanical strength and a low electrical resistance.
  • FIG. 1 is a schematic view of an apparatus for reshaping a raw laser beam for the invention
  • Fig. 2 shows a schematic cross section of a reshaped laser beam for the invention
  • FIG. 3 shows a schematic intensity distribution of a reshaped laser beam, along a direction x transverse to the direction of propagation of the reshaped laser beam;
  • FIG. 4 shows a schematic oblique view of overlap seams from FIG.
  • FIG. 5 shows schematically an end view of a butt weld of busbars which was produced with the method according to the invention
  • FIG. 6 shows schematically a welding process according to the invention with a reshaped laser beam incident at a pivot angle ⁇ ; 7 shows schematically the laser power used in a welding process according to the invention as a function of the location along the weld seam.
  • 1 illustrates an exemplary apparatus 1 which can be used for reshaping a raw laser beam 2 according to the invention.
  • a laser source 3 generates the raw laser beam 2, which is directed here via a focusing lens 5 onto the input end 4a of a multiclad fiber 4, here a 2-in-1 fiber, see the direction of propagation AR.
  • a first part 2a of the cross section of the raw laser beam 2 is fed into a core fiber 8 of the multiclad fiber 4 without being deflected.
  • a second part 2b of the cross section of the raw laser beam 2 is deflected by means of a wedge plate 6 and fed into a ring fiber 7 of the multiclad fiber 4.
  • the laser power of the two parts 2a, 2b is distributed evenly as it progresses in the ring fiber 7 and in the core fiber 8; it should be noted that the length of the multiclad fiber 4 is shown shortened in FIG. 1.
  • a reshaped laser beam is provided at an output end 4b of the multiclad fiber (not shown in more detail, but see FIGS. 2 and 3 in this regard); the reshaped laser beam is typically imaged onto the busbars to be welded via a lens system, mostly comprising a collimation lens and a focusing lens (likewise not shown in more detail, but see FIG. 6 in this regard).
  • the wedge plate 6 can be moved here in the direction R transversely to the direction of propagation AR.
  • FIG. 2 illustrates the beam cross section of the reshaped laser beam 10, as it can be observed, for example, on the surface of an irradiated busbar.
  • the reshaped laser beam 10 has a core focus portion 11 which is coaxially surrounded by a ring focus portion 12. Between the
  • Core focus portion 11 and the ring focus portion 12 is typically a region 13 with a lower laser intensity.
  • the diameter DR of the ring focus portion 12 is here approximately 3.5 times as large as the diameter DK of the core focus portion 11.
  • 3 illustrates a typical intensity distribution of the reshaped laser beam 10 in cross section along a direction x which passes through the center of the cross section of the reshaped laser beam 10; the local laser intensity is plotted upwards, the location along the direction x to the right.
  • the laser power is approximately constant, typically with a maximum fluctuation of 25% around the mean value in the core focus portion 11.
  • the laser power in the area of the ring focus portion 12 is also approximately constant, typically also with a fluctuation of a maximum of 25% around the mean value in the ring focus portion.
  • the diagram clearly shows that the (mean) intensity of the reshaped laser beam 10 in the area of the core focus portion 11 is significantly greater than in the area of the ring focus portion 12, here approx. 8 times greater. With the geometry present here, approx. 50% of the total laser power is attributable to the core focus portion 11, and the remainder, here also approx. 50% of the total laser output, is allotted to the ring focus portion.
  • concentric ring focus components can also be provided in the beam cross-section of the reshaped laser beam, in particular by using a multiclad fiber with two or more ring fibers for reshaping (not shown in detail).
  • busbar arrangement 20 of two busbars 21, 22 which overlap in an overlap region 23, that is to say are arranged on top of one another.
  • the busbars 21, 22 were welded in the context of the invention by laser welding with a reshaped laser beam (see. Fig. 1-3 above) and thus joined (joined together).
  • the reshaped laser beam was directed onto the upper, first busbar 21 and guided a total of three times over the full width of the busbars 21, 22, whereby three adjacent welds 24a, 24b, 24c one respective total length GEL were generated.
  • the first, upper busbar 21 was melted over its full thickness t, and the lower, second busbar 22 over approximately 60% of its thickness t.
  • the weld seams 24a-24c here only protrude into the second busbar 22 (“weld-in”), but not through it. It should be noted that in other variants of the invention the weld seams also extend completely through the lower, second busbar can protrude through (“weld through”) (not shown in more detail, but see FIG. 5).
  • weld seams 24a-24c are separate from one another here, so that the associated melted areas do not adjoin one another, but are separated from one another by unmelted material, cf. the (smallest) lateral distances LA on the top of the first busbar 21.
  • FIG. 5 shows an end view of a busbar arrangement 30 with a first busbar 31 and a second busbar 32, which were arranged in a butt joint with end faces 33, 34 lying on one another (cf. dashed structures).
  • the busbars 31, 32 were in turn welded in the context of the invention by laser welding with a reshaped laser beam (see. Fig. 1-3 above) and thus joined (joined).
  • the front ends 33, 34 of the busbars 31, 32 were melted over the full thickness t of the two busbars 31, 32, as a result of which a weld seam 35 was obtained.
  • the reshaped laser beam was guided along the length of the joint 36, that is to say the contact surface of the front ends 33, 34 (here perpendicular to the plane of the drawing). If necessary, a seam collapse on the underside 37 of the weld seam 35 can be prevented by feeding an additional material, for example a wire, on the underside 37 during the welding process (not shown in more detail).
  • FIG. 6 illustrates the geometric relationships on the incident, umgeform th laser beam 10 during laser welding of busbars according to the invention, here using the example of the welding of two busbars 31, 32 in the butt joint (see FIG. 5 above); the joint 36 lies here in the plane of the drawing.
  • the reshaped laser beam 10 is directed by laser optics 45 along its (middle) beam direction SR onto the conductor rail surface 40 and is pivoted by a pivot angle a of here approx. 8 ° with respect to the surface normal ON, which is perpendicular to the conductor rail surface 40.
  • the beam direction SR runs in a main plane HE which contains the surgeonnnor male ON and the feed direction VR of the laser beam 10; the main plane HE lies in the plane of the drawing in FIG. 6.
  • the laser optics 45 can be moved with respect to resting busbars 31,32, or vice versa.
  • the beam direction SR is inclined towards the weld seam 35 that has already been made (this is only shown schematically with respect to the side in FIG. 6) ("piercing welding”); alternatively, the beam direction can also move away from the weld seam that has already been made be inclined (“dragging the welding", not shown in detail).
  • a protective gas feed is provided which, along a gas feed axis 41, directs a protective gas flow onto the point 43 of the laser beam 10 on the conductor rail surface 40 or the melt pool.
  • the gas feed axis 41 is here pivoted away from the weld seam 35 that has already been made by a gas feed pivot angle ⁇ of approximately 40 ° with respect to the surface normal ON; generally preferred is 20 ° ⁇ ⁇ 60 °.
  • the gas supply axis 41 is also here in the main plane HE.
  • the reshaped laser beam 10 is focused on the busbar surface 40, corresponding to a focus position FL of 0 mm.
  • the focus of the reshaped laser beam can also be below the busbar surface (that is, in the material of the busbars 31, 32) (“negative focus position”, not shown in more detail).
  • a camera system 44 is provided here, which monitors the position of the busbars 31, 32 and the joint 35 before and during the welding process, and can be used to align the reshaped laser beam 10 or the contact point 43 with the joint 36 to control and correct if necessary.
  • the laser beam 10 can be aligned with a scanner optics (not shown in detail), which is integrated into the laser optics 45, for example. Fig.
  • FIG. 7 illustrates an example of an instantaneous laser power Pav typically used during the welding process according to the invention, expressed in% of the maximum laser power used, as a function of the location (welding path) L of the point of contact of the reshaped laser beam along the weld seam, expressed in% of the total Length of the weld seam to be produced (L indicates the welding path covered so far from the starting point or part of the total length of the weld seam).
  • L indicates the welding path covered so far from the starting point or part of the total length of the weld seam.
  • the instantaneous laser power in the case of a pulsed laser beam is given averaged over pulses and pulse pauses.
  • the laser power is first reduced in a first part 51, here from 100% to approx. 60%, and in a second part 52 the laser output is increased again, here from approx. 60% back to 100%.
  • the starting section 50 here comprises approximately 20% of the total length of the weld seam, and the two parts 51, 52 are approximately the same length
  • the middle section 53 here comprises approximately 70% of the total length of the weld seam.
  • the laser power is finally reduced again, specifically here from 100% to approx. 40%.
  • the end section 54 here comprises approximately 10% of the total length of the weld seam. All changes in performance are made here linearly with the location (welding path) L, which is particularly easy to control.
  • the feed rate remains constant when welding the entire weld seam.
  • the power distribution between the core focus portion and the ring focus portion (or ring focus portions) typically remains constant when welding the entire weld seam.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Stromschienen (21, 22; 31, 32), insbesondere Cu-haltige Stromschienen (21, 22; 31, 32) wobei die Stromschienen (21, 22; 31, 32) durch Laserschweißen miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dassaus einem Roh- Laserstrahl (2) durch Strahlumformung ein umgeformter Laserstrahl (10) erhalten wird, und der umgeformte Laserstrahl (10) auf die zu fügenden Stromschienen (21, 22; 31, 32) gerichtet wird, so dass die Stromschienen (21, 22; 31, 32) entlang wenigstens einer Schweißnaht (24a-24c; 35) miteinander verschweißt werden, und dass durch die Strahlformung im umgeformten Laserstrahl (10) ein Kernfokus-Anteil (11) und wenigstens ein Ringfokus-Anteil (12) erzeugt wird, wobei der Kernfokus-Anteil (11) und der Ringfokus-Anteil (12) koaxial zueinander sind und der Ringfokus-Anteil (12) den Kernfokus-Anteil (11) umgibt. Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Fügen von Stromschienen zur Verfügung, mit welchem Fügeverbindungen von hoher mechanischer Festigkeit und niedrigem elektrischen Widerstand erzeugt werden können.

Description

VERFAHREN ZUM LASERSCHWEISSEN VON STROMSCHIENEN MIT STRAHLFORMUNG, UND STROMSCHIENEN-ANORDNUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Stromschienen, insbesondere Cu-haltigen Stromschienen, wobei die Stromschienen durch Laserschweißen miteinander verbunden werden.
Beispielsweise für die Elektromobilität werden leistungsfähige Batterien benötigt. Batterien bestehen typischerweise aus einer Vielzahl von Batteriezellen, deren elektrische Pole über so genannte Stromschienen zusammengeschaltet werden. Ebenso können elektrische Verbraucher, etwa Leistungselektronik-Systeme, über Stromschienen an eine Stromquelle wie beispielsweise eine Batterie angeschlos sen werden. Dabei müssen in der Regel Stromschienen miteinander verbunden (gefügt) werden. Die Verbindungsstelle sollte dabei einen möglichst geringen elektrischen Widerstand aufweisen und mechanisch robust sein.
Zum Fügen von Stromschienen ist es üblich, zu verbindende Stromschienen mit einander zu verschrauben. Die Verschraubung ist einfach durchzuführen, jedoch wird für die Montage eine nicht unerhebliche Zeit benötigt, und es muss ein Zu gang zur Verschraubungsstelle von zwei gegenüberliegenden Seiten eingerichtet werden. Zudem ist der elektrische Widerstand an der Kontaktstelle in der Regel relativ hoch.
Weiterhin ist es bekannt, die Fügeverbindung von Stromschienen mit einem NIR- Laser (Laser mit Wellenlänge im nahen infraroten Spektralbereich, NIR= near infrared) mit hoher Leistungsklasse zu erzeugen. Insbesondere beim Verschwei ßen von Cu-haltigen Stromschienen und bei den für Stromschienen typischen Di cken der Stromschienen treten dabei jedoch oft Spritzer und Poren auf, was zu einer erheblichen Querschnittsverminderung an der Schweißnaht führen kann, wodurch die mechanische Festigkeit beeinträchtigt und der elektrische Wider stand erhöht wird.
Aus der DE 10 2010 003 750 Al ist es bekannt, die Strahlprofilcharakteristik ei nes Laserstrahls mittels einer Multiclad-Faser zu verändern.
Aufgabe der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Fügen von Stromschienen zur Verfügung zu stellen, mit welchem Fügeverbindungen von hoher mechanischer Festigkeit und niedrigem elektrischen Widerstand erzeugt werden können. Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs ge nannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass aus einem Roh-Laserstrahl durch Strahlumformung ein umgeformter Laser strahl erhalten wird, und der umgeformte Laserstrahl auf die zu fügenden Strom schienen gerichtet wird, so dass die Stromschienen entlang wenigstens einer Schweißnaht miteinander verschweißt werden, und dass durch die Strahlformung im umgeformten Laserstrahl ein Kernfokus- Anteil und wenigstens ein Ringfokus-Anteil erzeugt wird, wobei der Kernfokus- Anteil und der Ringfokus-Anteil koaxial zueinander sind und der Ringfokus-Anteil den Kernfokus-Anteil umgibt.
Im Rahmen der Erfindung wurde herausgefunden, dass die oben beschriebenen Probleme bei Anwendung eines herkömmlichen N IR- Laserstrahls mit hoher Leis tung und lediglich einem einzelnen Laserspot (single spot), wie er typischerweise bisher beim Fügen von Stromschienen, insbesondere Cu-haltigen Stromschienen, eingesetzt wird, vermieden werden können. Dafür wird der Laserstrahl einer Strahlformung unterzogen, wobei im umgeformten Laserstrahl ein Kernfokus-An teil und wenigstens ein umgebender Ringfokus-Anteil eingerichtet wird. Diese beiden Anteile werden koaxial eingesetzt und auf die zu schweißenden Strom schienen gerichtet. Die Einrichtung der beiden Anteile verringert die Spritzerbil dung beim Schweißen und verringert auch das Entstehen von Poren in der Schweißnaht. Durch die Strahlumformung kann die Schweißbaddynamik während des Schweißprozesses vermindert werden. Typischerweise erfolgt der erfindungs gemäße Schweißprozess im Tiefschweiß-Regime, d.h. mit Ausbildung einer Dampfkapillare, in der Regel im Bereich des Kernfokus-Anteils.
Erfindungsgemäß kann eine mechanisch feste und elektrisch gut leitfähige Ver bindung zwischen den Stromschienen eingerichtet werden. Das Verfahren ist ins besondere für die Stromschienen aus Kupfer oder kupferhaltigen Legierungen und für bei Stromschienen typischerweise auftretenden Materialdicken, insbeson dere von 2 mm bis 10 mm, gut geeignet.
Im Rahmen der Erfindung kann das Fügen in einfacher Weise von einer Seite aus erfolgen; insbesondere ist im Allgemeinen kein Zugang von einander gegenüber liegenden Seiten nötig. Das erfindungsgemäße Verfahren ist hoch produktiv, und kann insbesondere mit höheren Vorschubgeschwindigkeiten erfolgen als bei Ein satz eines herkömmlichen einzelnen Laserspots (single spot). Die geringe Poren- und Spritzerbildung führt zu einem konstanten Anbindungsquerschnitt, was zu verlässig den elektrischen Widerstand gering hält und zuverlässig die mechani sche Festigkeit hoch hält. Zudem führen weniger Spritzer zu einer geringeren Gefahr von Kurzschlüssen.
Bevorzugt hat die Intensität des umgeformten Laserstrahls ein doppeltes top-hat Profil, wobei die Laserintensität über die Fläche des Kernfokus-Anteils näherungs weise konstant ist (und bevorzugt um eine mittlere Intensität IK des Kernfokus- Anteils um maximal 25% schwankt), und weiterhin auch die Laserintensität über die Fläche des Ringfokus-Anteils näherungsweise konstant ist (und bevorzugt um eine mittlere Intensität IR des Ringfokus-Anteils um maximal 25% schwankt), wobei die Intensität IK deutlich höher ist als die Intensität IR, meist mit IK>3*IR oder IK>6*IR.
Die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren anzuwendende Umformung des Roh-Laserstrahls erfolgt bevorzugt mittels Einspeisung des Roh-Laserstrahls in eine Multiclad-Faser (siehe unten), kann aber auch durch andere strahlumfor- mende Elemente, etwa diffraktive optische Elemente, Strahlteiler und/oder Lin sensysteme erfolgen.
Die Stromschienen können insbesondere für eine Leistungselektronik oder im Be reich der E-Mobilität eingesetzt werden. Insbesondere kann mit den Stromschie nen eine Verschaltung von Batteriezellen oder ein Anschließen von elektrischen Verbrauchern an eine Batterie oder eine andere Stromquelle erfolgen. Die Strom schienen sind typischerweise aus Kupfer (etwa vom Typ ETP, unbeschichtet) oder einer Cu-haltigen Legierung gefertigt. Ein typischer Cu-Gehalt in einer Cu-halti- gen Legierung einer Stromschiene liegt bei 25 Gew% oder mehr, meist 50 Gew% oder mehr, und oft bei 75 Gew% oder mehr.
Bevorzugte Varianten der Erfindung
Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Strahlumformung mittels einer Multiclad-Faser, wobei ein erster Teil des Roh-La- serstrahls in eine Kernfaser der Multiclad-Faser und wenigstens ein zweiter Teil des Roh-Laserstrahls in eine Ringfaser der Multiclad-Faser an einem Eingangs ende eingespeist wird, wobei die Ringfaser die Kernfaser umgibt, und an einem Ausgangsende der Multiclad-Faser der umgeformte Laserstrahl erhalten wird. Mit diesem Vorgehen können auf einfache Weise der Kernfokus-Anteil und der Ring fokus-Anteil eingerichtet werden. Zudem ist es über die Einspeisung von erstem Teil und zweitem Teil relativ einfach möglich, die Energieverteilung zwischen den Strahlanteilen im umgeformten Laserstrahl zu verändern und an eine konkrete Fügeaufgabe anzupassen. Schließlich kann mittels der Multiclad-Faser eine inner- halb des Kernfokus-Anteils und Ringfokus-Anteils sehr gleichmäßige Leistungs dichte erhalten werden, was sich für die Qualität der Schweißnaht beim Fügen der Stromschienen bewährt hat.
Varianten betreffend Leistungsrampen
Bevorzugt ist eine Variante, bei der eine eingesetzte Laserleistung während des Schweißens eines Anfangsabschnitts der Schweißnaht zunächst gesenkt und dann wieder erhöht wird, und die eingesetzte Laserleistung während des Schwei ßens eines Endabschnitts der Schweißnaht abgesenkt wird. Diese Leistungsram- pen können Materialauswurf und Spritzerbildung sowie die Bildung von Poren und Kerben an der Schweißnaht reduzieren, insbesondere beim Schweißen des An fangsabschnitts und des Endabschnitts der Schweißnaht, aber auch im dazwi schen liegenden Mittelabschnitt. Vor allem Bei Cu-haltigen Stromschienen hat sich die Anwendung von Leistungsrampen besonders bewährt. Während des Schweißens des Mittelabschnitts der Schweißnaht (zwischen Anfangsabschnitt und Endabschnitt) bleibt die eingesetzte Laserleistung typischerweise konstant, typischerweise bei der innerhalb des Schweißprozesses maximal eingesetzten La serleistung. Beispielsweise erstreckt sich der Anfangsabschnitt über 25% oder weniger der Länge der gesamten Schweißnaht, und der Endabschnitt ebenfalls über 25% oder weniger der Länge der gesamten Schweißnaht. Meist sind der An fangsabschnitt und der Endabschnitt ähnlich lang, z. B. wobei die Länge des An fan gsabschnitts und die Länge des Endabschnitts sich um maximal einen Faktor 2 unterscheiden.
Eine vorteilhafte Weiterentwicklung dieser Variante sieht vor, dass die einge setzte Laserleistung während des Schweißens des Anfangsabschnitts kontinuier lich, insbesondere linear mit der Zeit oder linear mit dem Schweißweg, zunächst gesenkt und wieder erhöht wird, und während des Schweißens des Endabschnitts kontinuierlich, insbesondere linear mit der Zeit oder linear mit dem Schweißweg, abgesenkt wird. Dies ist hat sich in der Praxis bewährt und ist einfach anzusteu ern.
Bei einer besonders bevorzugten Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass, jeweils verglichen mit einer maximal eingesetzten Laserleistung, während des Schwei ßens des Anfangsabschnitts die eingesetzte Laserleistung um zunächst um 30- 50% abgesenkt und wieder um 30-50% erhöht wird, und während des Schwei ßens des Endabschnitts um 50-70% abgesenkt wird. Dadurch hat sich eine be sonders gute Schweißnahtqualität eingestellt.
Vorteilhaft ist auch eine Weiterentwicklung, die vorsieht, dass eine Aufteilung der eingesetzten Laserleistung zwischen dem Kernfokus-Anteil und dem wenigstens einen Ringfokus-Anteil während des Schweißens des Anfangsabschnitts und des Endabschnitts verglichen mit dem Schweißen eines Mittelabschnitts der Schweiß naht zwischen dem Anfangsabschnitt und dem Endabschnitt gleich bleibt. Dies vereinfacht das Verfahren und hat sich in der Praxis für eine gute Schweißnaht qualität bewährt. Alternativ ist es auch möglich, die Aufteilung der eingesetzten Laserleistung über den Anfangsabschnitt, den Mittelabschnitt und/oder den End abschnitt zu verändern; hierbei kann beispielsweise der Leistungsanteil des Kern fokus-Abschnitts im Anfangsabschnitt zunächst erhöht und dann wieder abge senkt werden, im Mittelabschnitt konstant gelassen werden, und im Endabschnitt nochmals erhöht werden, um in allen Abschnitten eine im Wesentlichen gleich mäßige Eindringtiefe der Dampfkapillare bei konstanter Vorschubgeschwindigkeit zu gewährleisten.
Varianten betreffend den umgeformten Laserstrahl
Bevorzugt ist weiterhin eine Variante, bei der für den auf den Kernfokus-Anteil entfallenden Anteil AK der beim Schweißen insgesamt eingesetzten gesamten La serleistung gilt: 50%<AK<80%, bevorzugt 55%<AK<75%. Mit diesem Leistungsanteil des Kernfokus-Anteil kann ein besonders ruhiges Schmelzbad beim Schweißprozess und eine qualitativ hochwertige Schweißnaht erreicht werden.
Ebenso bevorzugt ist eine Variante, bei der für einen Durchmesser DR des Ring fokus-Anteils und einen Durchmesser DK des Kernfokus-Anteils gilt: 1,5<DR/DK<6, bevorzugt mit 2<DR/DK<5, besonders bevorzugt 2,5<DR/DK<4,5, ganz besonders bevorzugt DR/DK=4. Diese Größenverhältnisse haben sich eben falls bewährt, um eine spritzerreduzierte und porenarme Verschweißung zu er halten. DR und DK können beispielsweise an einem Fokus des umgeformten La serstrahls bestimmt und verglichen werden, typischerweise nahe der Oberfläche der dem Laserstrahl zugewandten Stromschiene(n). Ebenso bevorzugt ist eine Variante, die vorsieht, dass der umgeformte Laser strahl beim Schweißen entlang einer Strahlrichtung auf die Stromschienen ge richtet wird, wobei die Strahlrichtung gegenüber einer Oberflächennormalen des oder der dem umgeformten Laserstrahl zugewandten Stromschienen in einer Hauptebene, die die Oberflächennormale und eine Vorschubrichtung des Schweißprozesses enthält, um einen Schwenkwinkel a der bereits gefertigten Schweißnaht zugeneigt oder von dieser weg geneigt ist, mit 3°<a<8°, bevorzugt 4°<a<7, besonders bevorzugt a=5°.
Das Schweißen kann somit in dieser Variante „stechend" oder „schleppend" erfol gen. Durch die Anwendung des Schwenkwinkels kann die Reflektion von Laser strahlung an der Oberfläche der dem Laserstrahl zugewandten Stromschiene(n) reduziert werden, was die genutzte Laserleistung für den Schweißprozess erhöht, insbesondere wenn Laserstrahlung im nahen Infrarot-Bereich (z.B. 1000 nm- 1100 nm) bei Cu-haltigen Stromschienen angewandt wird. Zudem kann eine Re flektion von Laserstrahlung in die Laseroptik hinein vermieden werden, und so eine Beschädigung der Laseroptik ausgeschlossen werden. Vorteilhaft ist auch eine Variante, bei der während des Schweißens ein Schutz gas, insbesondere Argon, auf ein Schmelzbad an der Oberfläche des oder der Stromschienen geleitet wird. Das Schutzgas vermeidet Oxidationsprozesse am Schmelzbad, und kann bei der Beruhigung der Schmelzbaddynamik mithelfen. Das Schutzgas Argon kann insbesondere eingesetzt werden, wenn glänzende Schweißnähte erhalten werden sollen.
Besonders vorteilhaft ist eine Variante, bei der die Position zumindest von Teilen der Stromschienen mit einem Kamerasystem bestimmt wird, und dass der umge formte Laserstrahl mit einer Scanneroptik auf die Stromschienen gerichtet wird, wobei die Ausrichtung der Scanneroptik mit Hilfe der mit dem Kamerasystem be- stimmten Position der Stromschienen während des Schweißprozesses automati siert erfolgt. Dadurch kann eine besonders hohe Präzision und Reproduzierbar keit des Schweißprozesses erreicht werden.
Varianten mit Uberlappungsnaht
Bei einer bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass eine erste Stromschiene und eine zweite Stromschiene in einem Überlappungsbereich überlappend angeordnet werden, insbesondere aufeinander gepresst werden, und die wenigstens eine Schweißnaht im Überlappungsbereich gesetzt wird, so dass die Schweißnaht durch die erste Stromschiene hindurch bis in die zweite Stromschiene hinein oder durch die zweite Stromschiene hindurch ragt. Mit überlappenden Stromschienen kann eine besonders stabile mechanische Verbindung erreicht werden. Zudem kann durch Vergrößerung des Überlappungsbereichs und ggf. mehrere nebenei nander liegende Schweißnähte der elektrische Widerstand reduziert werden. Bei Verfahrensführung in Einschweißung, also wenn die Schweißnaht die Unterseite der unteren Stromschiene nicht erreicht, besteht keine Gefahr eines Nahteinfalls an der Unterseite. Diese Variante kann auch gut mit kostengünstigen, gestanzten Stromschienen verwendet werden.
Bevorzugt ist eine Weiterbildung dieser Variante, bei der im Uberlappungsbereich der ersten und zweiten Stromschiene mehrere, insbesondere zwei oder drei, Schweißnähte nebeneinander gesetzt werden, so dass die Schweißnähte jeweils durch die erste Stromschiene hindurch bis in die zweite Stromschiene hinein oder durch die zweite Stromschiene hindurch ragen. Durch mehrere Schweißnähte kann die mechanische Festigkeit vergrößert und der elektrische Widerstand ver ringert werden. Die mehreren Schweißnähte sind typischerweise durch nicht-auf- geschmolzenes Material voneinander lateral beabstandet. Typischerweise beträgt der (kleinste) laterale Abstand der Schweißnähte wenigstens 1,5 mm.
Verfahren mit Stumpfnaht Bei einer alternativen Variante ist vorgesehen, dass ein stirnseitiges Ende einer ersten Stromschiene und ein stirnseitiges Ende einer zweiten Stromschiene anei nander anliegend angeordnet werden, insbesondere aneinander gepresst werden, und die Schweißnaht entlang des Stoßes der stirnseitigen Enden gesetzt wird. Dieses Vorgehen erlaubt einen kompakten, materialsparenden Aufbau der Ab folge von Stromschienen. Das Schweißen erfolgt in dieser Variante in der Regel als Durchschweißung, d.h. die Schweißnaht ragt bis zur Unterseite der Strom schienen. Falls gewünscht, kann bei Durchschweißung an der Nahtunterseite ein Draht eingefügt werden, der beim Schweißprozess eingeschweißt wird und eine Kerbung (auch genannt „Nahteinfall") verhindern kann. Das Material des Drahtes wird typischerweise gleich dem Material der Stromschienen gewählt.
Varianten betreffend bevorzugte Parameter Bei einer bevorzugten Variante erfolgt das Verfahren mit
- Cu-Stromschienen einer Dicke t, mit 6mm<t<12mm, bevorzugt 8mm<t<10mm,
- einer gesamten eingesetzten maximalen Laserleistung GL, mit 12kW<GL<20kW, bevorzugt GL=16kW; - einer Vorschubgeschwindigkeit v, mit 2m/min<v<4m/min;
- einem auf den Kernfokus-Anteil entfallenden Anteil AK der beim Schweißen ins gesamt eingesetzten gesamten Laserleistung, mit AK>70%, bevorzugt AK>75%;
- einer Fokuslage FL des umgeformten Laserstrahls, mit -4mm<FL< + lmm, be vorzugt -3mm<FL<0mm; - einem Schutzgasfluss SGF von Argon, mit SGF>15 l/min, bevorzugt SGF>25 l/min;
- einer Wellenlänge l des umgeformten Laserstrahls, mit 1000hhΊ<l<1100 nm;
- einem Strahlparameterprodukt BPP des Roh -Laserstrahls, mit 4mm*mrad<BPP<16mm*mrad; und - einem Durchmesser DR des Ringfokus-Anteils und einem Durchmesser DK des
Kernfokus-Anteils an einem Fokus, mit 150pm<DK<250pm und 500 pm<DR<900pm. Mit diesen Parametern haben sich dickere Cu-Stromschienen sehr gut fügen lassen.
Bei einer alternativen, ebenfalls bevorzugten Variante erfolgt das Verfahren mit
- Cu-Stromschienen einer Dicke t, mit 2mm<t<4mm, - einer gesamten eingesetzten maximalen Laserleistung GL, mit 5kW<GL<10kW, bevorzugt 6kW<GL<8kW;
- einer Vorschubgeschwindigkeit v, mit v>3m/min; bevorzugt v>6m/min;
- einem auf den Kernfokus-Anteil entfallenden Anteil AK der beim Schweißen ins gesamt eingesetzten gesamten Laserleistung, mit 50%<AK<75%, bevorzugt AK=55%;
- einer Fokuslage FL des umgeformten Laserstrahls, mit -3mm<FL<0mm;
- einem Schutzgasfluss SGF von Argon, mit SGF>15 l/min, bevorzugt SGF>25 l/min;
- einer Wellenlänge l des umgeformten Laserstrahls, mit 1000hhΊ<l<1100 nm; - einem Strahlparameterprodukt BPP des Roh -Laserstrahls, mit
2mm*mrad<BPP<8mm*mrad; und
- einem Durchmesser DR des Ringfokus-Anteils und einem Durchmesser DK des Kernfokus-Anteils an einem Fokus, mit 35pm<DK<200pm und 120 pm<DR<700pm. Mit diesen Parametern haben sich dünnere Cu-Stromschienen sehr gut fügen lassen.
S trom schien en -Anordn un g
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch eine Stromschienen-Anord- nung, umfassend wenigstens zwei Stromschienen, wobei die Stromschienen mit tels eines erfindungsgemäßen, oben beschriebenen Verfahrens durch Laser schweißen gefügt sind. Die Stromschienen-Anordnung weist eine hohe mechani sche Festigkeit und einen geringen elektrischen Widerstand auf. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeich nung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführ- ten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in be liebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, son dern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eine Apparatur zum Umformen eines Roh-Laserstrahls, für die Erfindung;
Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt eines umgeformten Laserstrahls, für die Erfindung;
Fig. 3 zeigt eine schematische Intensitätsverteilung eines umgeformten Laser strahls, entlang einer Richtung x quer zur Ausbreitungsrichtung des um geformten Laserstrahls; Fig. 4 zeigt eine schematische Schrägansicht von Uberlappungsnähten von
Stromschienen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigt wur den;
Fig. 5 zeigt schematisch eine Stirnansicht einer Stumpfnaht von Stromschienen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigt wurde;
Fig. 6 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Schweißprozess mit einem unter einem Schwenkwinkel a einfallenden umgeformten Laserstrahl; Fig. 7 zeigt schematisch die bei einem erfindungsgemäßen Schweißprozess ein gesetzte Laserleistung als Funktion des Ortes entlang der Schweißnaht. Die Fig. 1 illustriert eine beispielhafte Apparatur 1, die zum Umformen eines Roh-Laserstrahls 2 gemäß der Erfindung eingesetzt werden kann.
Eine Laserquelle 3 erzeugt den Roh-Laserstrahl 2, der hier über eine Fokussier- linse 5 auf das Eingangsende 4a einer Multiclad-Faser 4, hier einer 2inl-Faser, gerichtet ist, vgl. die Ausbreitungsrichtung AR.
Ein erster Teil 2a des Querschnitts des Roh-Laserstrahls 2 wird ohne Ablenkung in eine Kernfaser 8 der Multiclad-Faser 4 eingespeist. Mittels einer Keilplatte 6 wird ein zweiter Teil 2b des Querschnitts des Roh-Laserstrahls 2 abgelenkt und in eine Ringfaser 7 der Multiclad-Faser 4 eingespeist.
In der Multiclad-Faser 4 verteilt sich die Laserleistung der beiden Teile 2a, 2b beim Fortschreiten in der Ringfaser 7 und in der Kernfaser 8 jeweils gleichmäßig; man beachte, dass die Länge der Multiclad-Faser 4 in Fig. 1 verkürzt dargestellt ist. An einem Ausgangsende 4b der Multiclad-Faser wird ein umgeformte Laser strahl bereitgestellt (nicht näher dargestellt, vgl. aber Fig. 2 und Fig. 3 hierzu); der umgeformte Laserstrahl wird typischerweise über ein Linsensystem, meist umfassend eine Kollimationslinse und eine Fokussierlinse, auf die zu schweißen- den Stromschienen abgebildet (ebenfalls nicht näher dargestellt, vgl. aber Fig. 6 hierzu).
Zur Einstellung der Teile 2a, 2b bzw. der Leistungsanteile des Kernfokus-Anteils und des Ringfokus-Anteils kann die Keilplatte 6 hier in der Richtung R quer zur Ausbreitungsrichtung AR verfahren werden.
Die Fig. 2 illustriert den Strahlquerschnitt des umgeformten Laserstrahls 10, wie er zum Beispiel an der Oberfläche einer bestrahlten Stromschiene beobachtet werden kann. Der umgeformte Laserstrahl 10 weist einen Kernfokus-Anteil 11 auf, der koaxial von einem Ringfokus-Anteil 12 umgeben ist. Zwischen dem
Kernfokus- Anteil 11 und dem Ringfokus-Anteil 12 liegt typischerweise ein Bereich 13 mit geringerer Laserintensität. Der Durchmesser DR des Ringfokus-Anteils 12 ist hier ca. 3,5mal so groß wie der Durchmesser DK des Kernfokus-Anteils 11. Die Fig. 3 illustriert eine typische Intensitätsverteilung des umgeformten Laser strahls 10 im Querschnitt entlang einer Richtung x, die durch das Zentrum des Querschnitts des umgeformten Laserstrahls 10 führt; die lokale Laserintensität ist nach oben aufgetragen, der Ort entlang der Richtung x nach rechts.
Innerhalb des Kernfokus-Anteils 11 ist die Laserleistung näherungsweise kon stant, typischerweise mit einer Schwankung von maximal 25% um den Mittel wert im Kernfokus-Anteil 11. Ebenso ist die Laserleistung im Bereich des Ringfo- kus-Anteils 12 näherungsweise konstant, typischerweise ebenfalls mit einer Schwankung von maximal 25% um den Mittelwert im Ringfokus-Anteil. Im Dia gramm ist gut erkennbar, dass die (mittlere) Intensität des umgeformten Laser strahls 10 im Bereich des Kernfokus-Anteils 11 deutlich größer ist als im Bereich des Ringfokus-Anteils 12, hier ca. 8mal größer. Mit der hier vorliegenden Geo- metrie entfällt ca. 50% der gesamten Laserleistung auf den Kernfokus-Anteil 11, und der Rest, hier ebenfalls ca. 50% der gesamten Laserleistung, entfällt auf den Ringfokus-Anteil.
Man beachte, dass auch mehrere, konzentrische Ringfokus-Anteile im Strahl- querschnitt des umgeformten Laserstrahls vorgesehen sein können, insbeson dere indem eine Multiclad-Faser mit zwei oder mehr Ringfasern zur Umformung eingesetzt wird (nicht näher dargestellt).
Die Fig. 4 zeigt in einer schematischen Schrägansicht eine Stromschienen-An- Ordnung 20 von zwei Stromschienen 21, 22, die in einem Überlappungsbereich 23 überlappen, also aufeinander angeordnet sind. Die Stromschienen 21, 22 wurden im Rahmen der Erfindung durch Laserschweißen mit einem umgeformten Laserstrahl (vgl. Fig. 1-3 oben) verschweißt und damit gefügt (zusammenge fügt).
Auf die obere, erste Stromschiene 21 wurde dabei der umgeformte Laserstrahl gerichtet und insgesamt dreimal über die volle Breite der Stromschienen 21, 22 geführt, wodurch drei nebeneinander liegende Schweißnähte 24a, 24b, 24c einer jeweiligen Gesamtlänge GEL erzeugt wurden. In den Schweißnähten 24a-24c wurde dabei die erste, obere Stromschiene 21 über ihre volle Dicke t aufge schmolzen, und die untere, zweite Stromschiene 22 über ca. 60% ihrer Dicke t. Die Schweißnähte 24a-24c ragen hier also nur in die zweite Stromschiene 22 hin- ein („Einschweißung"), nicht aber durch diese hindurch. Man beachte, dass in an deren Varianten der Erfindung die Schweißnähte auch vollständig durch die un tere, zweite Stromschiene hindurch ragen können („Durchschweißung") (nicht näher dargestellt, vgl. aber Fig. 5). Weiterhin sind die Schweißnähte 24a-24c hier voneinander separat, so dass die zugehörigen aufgeschmolzenen Bereiche nicht aneinander grenzen, sondern von unaufgeschmolzenem Material voneinan der getrennt sind, vgl. die (kleinsten) lateralen Abstände LA an der Oberseite der ersten Stromschiene 21.
Die Fig. 5 zeigt eine Stirnansicht einer Stromschienen-Anordnung 30 mit einer ersten Stromschiene 31 und einer zweiten Stromschiene 32, die im Stumpfstoß mit aneinander liegenden stirnseitigen Enden 33, 34 angeordnet wurden (vgl. gestrichelte Strukturen). Die Stromschienen 31, 32 wurden wiederum im Rah men der Erfindung durch Laserschweißen mit einem umgeformten Laserstrahl (vgl. Fig. 1-3 oben) verschweißt und damit gefügt (zusammengefügt).
Dabei wurden die stirnseiteigen Enden 33, 34 der Stromschienen 31, 32 über die volle Dicke t der beiden Stromschienen 31, 32 aufgeschmolzen, wodurch eine Schweißnaht 35 erhalten wurde. Hierbei wurde der umgeformten Laserstrahl ent lang des Stoßes 36, also der Berührfläche der stirnseitigen Enden 33, 34, geführt (hier senkrecht zur Zeichenebene). Falls nötig, kann ein Nahteinfall an der Unter seite 37 der Schweißnaht 35 durch Zuführen eines Zusatzmaterials, etwa eines Drahts, an der Unterseite 37 während des Schweißprozesses verhindert werden (nicht näher dargestellt). Die Fig. 6 illustriert die geometrischen Verhältnisse am einfallenden, umgeform ten Laserstrahl 10 beim erfindungsgemäßen Laserschweißen von Stromschienen, hier am Beispiel des Schweißens von zwei Stromschienen 31, 32 im Stumpfstoß (vgl. Fig. 5 oben); der Stoß 36 liegt hier in der Zeichenebene. Der umgeformte Laserstrahl 10 ist von einer Laseroptik 45 entlang seiner (mitt leren) Strahlrichtung SR auf die Stromschienenoberfläche 40 gerichtet und dabei um einen Schwenkwinkel a von hier ca. 8° gegenüber der Oberflächennormalen ON, die senkrecht auf der Stromschienenoberfläche 40 liegt, verschwenkt. Die Strahlrichtung SR verläuft dabei in einer Hauptebene HE, die die Oberflächennor male ON und die Vorschubrichtung VR des Laserstrahls 10 enthält; die Haupt ebene HE liegt in der Zeichenebene von Fig. 6. Allgemein bevorzugt ist 3°<a<8°, besonders bevorzugt ca. a=5°. Man beachte, dass für den Vorschub des Laser strahls 10 gegenüber den Stromschienen 31,32 die Laseroptik 45 gegenüber ru henden Stromschienen 31,32 bewegt werden kann oder umgekehrt.
In der gezeigten Variante ist die Strahlrichtung SR auf die bereits gefertigte Schweißnaht 35 (diese ist nur bezüglich der Seite in Fig. 6 schematisch einge zeichnet) zu geneigt („stechendes Schweißen"); alternativ kann auch die Strahl richtung von der bereits gefertigten Schweißnaht weg geneigt sein („schleppen des Schweißen", nicht näher dargestellt).
Weiterhin ist eine Schutzgaszuführung vorgesehen, die entlang einer Gaszufüh rungsachse 41 einen Schutzgasstrom auf den Aufpunkt 43 des Laserstrahls 10 auf der Stromschienenoberfläche 40 bzw. das Schmelzbad richtet. Die Gaszufüh rungsachse 41 ist hier um einem Gaszuführungs-Schwenkwinkel ß von ca. 40° gegenüber der Oberflächennormalen ON von der bereits gefertigten Schweißnaht 35 weg geschwenkt; allgemein bevorzugt gilt 20°<ß<60°. Die Gaszuführungs achse 41 liegt hier ebenfalls in der Hauptebene HE. Eine Mündung 42 der Gaszu führung liegt um einen Gaszuführungsabstand GA entfernt vom Aufpunkt 43, wo bei allgemein bevorzugt 3cm<GA<10cm ist, vorliegend wurde GA=6cm gewählt.
In der gezeigten Variante ist der umgeformte Laserstrahl 10 auf die Stromschie nenoberfläche 40 fokussiert, entsprechend einer Fokuslage FL von 0 mm. In an deren Varianten kann der Fokus des umgeformten Laserstrahls auch unterhalb der Stromschienenoberfläche (also im Material der Stromschienen 31, 32) liegen („negative Fokuslage", nicht näher dargestellt). Zudem ist hier ein Kamerasystem 44 vorgesehen, welches die Position der Stromschienen 31, 32 und des Stoßes 35 vor und während des Schweißprozes ses überwacht, und dazu eingesetzt werden kann, die Ausrichtung des umge- formten Laserstrahls 10 bzw. des Aufpunkts 43 auf den Stoß 36 zu steuern und ggf. zu korrigieren. Der Laserstrahl 10 kann dabei mit einer Scanneroptik (nicht näher dargestellt), die beispielsweise in die Laseroptik 45 integriert ist, ausge richtet werden. Die Fig. 7 illustriert beispielhaft eine während des erfindungsgemäßen Schweiß verfahrens typischerweise angewandte, momentane Laserleistung Pav, ausge drückt in % der maximal eingesetzten Laserleistung, als Funktion des Ortes (Schweißwegs) L des Aufpunkts des umgeformten Laserstrahls entlang der Schweißnaht, ausgedrückt in % der gesamten Länge der zu fertigenden Schweiß- naht (L indiziert also den bisher vom Aufpunkt zurückgelegten Schweißweg bzw. Teil der Gesamtlänge der Schweißnaht). Man beachte, dass die momentane La serleistung im Falle eines gepulsten Laserstrahls über Pulse und Pulspausen ge mittelt angegeben wird. Zu Beginn des Schweißprozesses wird in einem Anfangsabschnitt 50 zunächst in einem ersten Teil 51 die Laserleistung abgesenkt, hier von 100% auf ca. 60%, und in einem zweiten Teil 52 die Laserleistung wieder angehoben, hier von ca. 60 % wieder auf 100%. Der Anfangsabschnitt 50 umfasst hier ca. 20% der Gesamt länge der Schweißnaht, und die beiden Teile 51, 52 sind etwa gleich lang.
In einem Mittelabschnitt 53 bleibt die Laserleistung hier konstant bei 100%. Der Mittelabschnitt 53 umfasst hier ca. 70% der Gesamtlänge der Schweißnaht.
In einem Endabschnitt 54 wird schließlich die Laserleistung wieder abgesenkt, und zwar hier von 100% auf ca. 40%. Der Endabschnitt 54 umfasst hier ca. 10% der Gesamtlänge der Schweißnaht. Alle Leistungsänderungen werden hier linear mit dem Ort (Schweißweg) L vorge nommen, was besonders einfach anzusteuern ist. Typischerweise bleibt die Vor schubgeschwindigkeit beim Schweißen der gesamten Schweißnaht konstant. Weiterhin bleibt typischerweise die Leistungsverteilung zwischen Kernfokus-An- teil und Ringfokus-Anteil (oder Ringfokus-Anteilen) beim Schweißen der gesam ten Schweißnaht konstant.
Bezuaszeichenliste:
1 Apparatur
2 Roh-Laserstrahl
2a erster Teil (Roh-Laserstrahl)
2b zweiter Teil (Roh-Laserstrahl) 3 Laserquelle
4 Multiclad-Faser 4a Eingangsende 4b Ausgangsende
5 Fokussierlinse 6 Keilplatte
7 Ringfaser
8 Kernfaser
10 umgeformter Laserstrahl
11 Kernfokus-Anteil 12 Ringfokus-Anteil
13 Bereich mit geringerer Laserintensität
20 Stromschienen-Anordnung
21 erste Stromschiene
22 zweite Stromschiene 23 Überlappungsbereich
24a-24c Schweißnähte
30 Stromschienen-Anordnung
31 erste Stromschiene 32 zweite Stromschiene
33 stirnseitiges Ende
34 stirnseitiges Ende
35 Schweißnaht 36 Stoß
37 Unterseite
40 Stromschienenoberfläche
41 Gaszuführungsachse
42 Mündung der Gaszuführung 43 Aufpunkt
44 Kamerasystem
45 Laseroptik
50 Anfangsabschnitt
51 erster Teil (Anfangsabschnitt) 52 zweiter Teil (Anfangsabschnitt)
53 Mittelabschnitt
54 Endabschnitt AR Ausbreitungsrichtung DK Durchmesser Kernfokus-Anteil DR Durchmesser Ringfokus-Anteil GA Gaszuführungs-Abstand GEL Gesamtlänge (Schweißnaht) HE Hauptebene L Ort (Länge) entlang der Schweißnaht ON Oberflächennormale
Pav momentane (mittlere) Laserleistung
SR Strahlrichtung t Dicke (Stromschiene)
VR Vorschubrichtung X Richtung quer zur Strahlrichtung a Schwenkwinkel ß Gaszuführungs-Schwenkwinkel

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Fügen von Stromschienen (21, 22; 31, 32), insbesondere Cu-haltige Stromschienen (21, 22; 31, 32), wobei die Stromschienen (21, 22; 31, 32) durch Laserschweißen miteinan der verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Roh-Laserstrahl (2) durch Strahlumformung ein umge formter Laserstrahl (10) erhalten wird, und der umgeformte Laserstrahl
(10) auf die zu fügenden Stromschienen (21, 22; 31, 32) gerichtet wird, so dass die Stromschienen (21, 22; 31, 32) entlang wenigstens einer Schweißnaht (24a-24c; 35) miteinander verschweißt werden, und dass durch die Strahlformung im umgeformten Laserstrahl (10) ein
Kernfokus-Anteil (11) und wenigstens ein Ringfokus-Anteil (12) erzeugt wird, wobei der Kernfokus-Anteil (11) und der Ringfokus-Anteil (12) koa xial zueinander sind und der Ringfokus-Anteil (12) den Kernfokus-Anteil
(11) umgibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlum formung mittels einer Multiclad-Faser (4) erfolgt, wobei ein erster Teil (2a) des Roh-Laserstrahls (2) in eine Kernfaser (8) der Multiclad-Faser (4) und wenigstens ein zweiter Teil (2b) des Roh-Laserstrahls (2) in eine Ringfaser (7) der Multiclad-Faser (4) an einem Eingangsende (4a) eingespeist wird, wobei die Ringfaser (7) die Kernfaser (8) umgibt, und an einem Ausgangs ende (4b) der Multiclad-Faser (4) der umgeformte Laserstrahl (10) erhal ten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine ein gesetzte Laserleistung (Pav) während des Schweißens eines Anfangsab schnitts (50) der Schweißnaht (24a-24c; 35) zunächst gesenkt und dann wieder erhöht wird, und die eingesetzte Laserleistung (Pav) während des Schweißens eines Endabschnitts (54) der Schweißnaht (24a-24c; 35) ab gesenkt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzte Laserleistung (Pav) während des Schweißens des Anfangsabschnitts (50) kontinuierlich, insbesondere linear mit der Zeit oder linear mit dem Schweißweg (L), zunächst gesenkt und wieder erhöht wird, und während des Schweißens des Endabschnitts (54) kontinuierlich, insbesondere linear mit der Zeit oder linear mit dem Schweißweg (L), abgesenkt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass, jeweils verglichen mit einer maximal eingesetzten Laserleistung, während des Schweißens des Anfangsabschnitts (50) die eingesetzte La serleistung (Pav) um zunächst um 30-50% abgesenkt und wieder um 30- 50% erhöht wird, und während des Schweißens des Endabschnitts (54) um 50-70% abgesenkt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aufteilung der eingesetzten Laserleistung (Pav) zwischen dem Kernfokus-Anteil (11) und dem wenigstens einen Ringfokus-Anteil (12) während des Schweißens des Anfangsabschnitts (50) und des Endab schnitts (54) verglichen mit dem Schweißen eines Mittelabschnitts (53) der Schweißnaht (24a-24c; 35) zwischen dem Anfangsabschnitt (50) und dem Endabschnitt (54) gleich bleibt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass für den auf den Kernfokus-Anteil (11) entfallenden Anteil AK der beim Schweißen insgesamt eingesetzten gesamten Laserleistung (Pav) gilt: 50%<AK<80%, bevorzugt 55%<AK<75%.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass für einen Durchmesser DR des Ringfokus-Anteils (12) und einen Durchmesser DK des Kernfokus-Anteils (11) gilt:
1,5<DR/DK<6, bevorzugt mit 2<DR/DK<5, besonders bevorzugt 2,5<DR/DK<4,5, ganz besonders bevorzugt DR/DK=4.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass der umgeformte Laserstrahl (10) beim Schweißen entlang einer Strahlrichtung (SR) auf die Stromschienen (21, 22; 31, 32) gerichtet wird, wobei die Strahlrichtung (SR) gegenüber einer Oberflächennormalen (ON) des oder der dem umgeformten Laserstrahl (10) zugewandten Stromschienen (21; 31, 32) in einer Hauptebene (HE), die die Oberflä chennormale (ON) und eine Vorschubrichtung (VR) des Schweißprozesses enthält, um einen Schwenkwinkel a der bereits gefertigten Schweißnaht (24a-24c; 35) zu geneigt oder von dieser weg geneigt ist, mit 3°<a<8°, bevorzugt 4°<a<7, besonders bevorzugt a=5°.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass während des Schweißens ein Schutzgas, insbesondere Ar gon, auf ein Schmelzbad an der Oberfläche (40) des oder der Stromschie nen (21, 22; 31, 32) geleitet wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Position zumindest von Teilen der Stromschienen (21, 22; 31, 32) mit einem Kamerasystem (44) bestimmt wird, und dass der umgeformte Laserstrahl (10) mit einer Scanneroptik auf die Stromschie nen (21, 22; 31, 32) gerichtet wird, wobei die Ausrichtung der Scannerop tik mit Hilfe der mit dem Kamerasystem (44) bestimmten Position der Stromschienen (21,22; 31,32) während des Schweißprozesses automati siert erfolgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Stromschiene (21) und eine zweite Stromschiene (22) in einem Überlappungsbereich (23) überlappend angeordnet werden, insbe sondere aufeinander gepresst werden, und die wenigstens eine Schweiß naht (24a-24c) im Überlappungsbereich (23) gesetzt wird, so dass die Schweißnaht (24a-24c) durch die erste Stromschiene (21) hindurch bis in die zweite Stromschiene (22) hinein oder durch die zweite Stromschiene (22) hindurch ragt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Überlap pungsbereich (23) der ersten und zweiten Stromschiene (21, 22) mehrere, insbesondere zwei oder drei, Schweißnähte (24a-24c) nebeneinander ge setzt werden, so dass die Schweißnähte (24a-24c) jeweils durch die erste Stromschiene (21) hindurch bis in die zweite Stromschiene (22) hinein o- der durch die zweite Stromschiene (22) hindurch ragen.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein stirnseitiges Ende (33) einer ersten Stromschiene (31) und ein stirnseitiges Ende (34) einer zweiten Stromschiene (32) aneinander anlie gend angeordnet werden, insbesondere aneinander gepresst werden, und die Schweißnaht (35) entlang des Stoßes (36) der stirnseitigen Enden (33, 34) gesetzt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren erfolgt mit
- Cu-Stromschienen (21, 22; 31, 32) einer Dicke t, mit 6mm<t<12mm, bevorzugt 8mm<t<10mm,
- einer gesamten eingesetzten maximalen Laserleistung GL, mit 12kW<GL<20kW, bevorzugt GL=16kW;
- einer Vorschubgeschwindigkeit v, mit 2m/min<v<4m/min; - einem auf den Kernfokus-Anteil (11) entfallenden Anteil AK der beim
Schweißen insgesamt eingesetzten gesamten Laserleistung, mit AK>70%, bevorzugt AK>75%;
- einer Fokuslage FL des umgeformten Laserstrahls (10), mit - 4mm<FL< + lmm, bevorzugt -3mm<FL<0mm; - einem Schutzgasfluss SGF von Argon, mit SGF>15 l/min, bevorzugt
SGF>25 l/min;
- einer Wellenlänge l des umgeformten Laserstrahls (10), mit 1000hhΊ<l<1100hGh;
- einem Strahlparameterprodukt BPP des Roh-Laserstrahls (2), mit 4mm*mrad<BPP<16mm*mrad; und
- einem Durchmesser DR des Ringfokus-Anteils (12) und einem Durchmes ser DK des Kernfokus-Anteils (11) an einem Fokus, mit 150pm<DK<250pm und 500pm<DR<900pm.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren erfolgt mit
- Cu-Stromschienen (21, 22; 31, 32) einer Dicke t, mit 2mm<t<4mm,
- einer gesamten eingesetzten maximalen Laserleistung GL, mit 5kW<GL<10kW, bevorzugt 6kW<GL<8kW; - einer Vorschubgeschwindigkeit v, mit v>3m/min; bevorzugt v>6m/min;
- einem auf den Kernfokus-Anteil (11) entfallenden Anteil AK der beim Schweißen insgesamt eingesetzten gesamten Laserleistung, mit 50%<AK<75%, bevorzugt AK=55%;
- einer Fokuslage FL des umgeformten Laserstrahls (10), mit -3mm<FL<0mm;
- einem Schutzgasfluss SGF von Argon, mit SGF>15 l/min, bevorzugt SGF>25 l/min;
- einer Wellenlänge l des umgeformten Laserstrahls (10), mit 1000hGP<l< 1100hGh;
- einem Strahlparameterprodukt BPP des Roh-Laserstrahls (2), mit 2mm*mrad<BPP<8mm*mrad; und
- einem Durchmesser DR des Ringfokus-Anteils (12) und einem Durchmes- ser DK des Kernfokus-Anteils (11) an einem Fokus, mit 35pm<DK<200pm und 120pm<DR<700pm.
17. Stromschienen-Anordnung (20; 30), umfassend wenigstens zwei Strom schienen (21, 22; 31, 32), wobei die Stromschienen (21, 22; 31, 32) mit- tels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche durch
Laserschweißen gefügt sind.
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