WO2025237992A1 - Verfahren zum herstellen einer schweissverbindung, laserschweissmaschine zum herstellen einer schweissverbindung und verwendung des verfahrens oder der laserschweissmaschine zur herstellung einer batteriezelle - Google Patents

Verfahren zum herstellen einer schweissverbindung, laserschweissmaschine zum herstellen einer schweissverbindung und verwendung des verfahrens oder der laserschweissmaschine zur herstellung einer batteriezelle

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sensor
image data
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English (en)
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Oliver BOCKSROCKER
Andrey Andreev
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Trumpf Laser GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a welded joint, a laser welding machine for producing a welded joint and a use of the method or the laser welding machine for producing a battery cell.
  • Battery cells are typically manufactured by applying electrode materials to metal foils, such as aluminum foil for the anode or copper foil for the cathode. These foils, along with a separator (usually made of a porous polymer material) that insulates the anode and cathode, are then rolled up and placed in a battery casing. The casing is sealed with a lid, which forms one of the cell's electrical terminals and is typically made of iron. Either the anode or the cathode can be electrically connected to the lid by welding.
  • the metal foil may have a section that is welded to the lid.
  • the resulting battery cell can be called a battery or accumulator.
  • DE 10 2022 203 837 A1 discloses a method for monitoring a laser welding process in which two copper-containing workpieces are joined together in the area of a joining zone by the action of a laser beam. During the action of the laser beam, optical emissions from the area of the joining point are detected and analyzed to determine whether organic contaminants are present in the area of the joining point.
  • the invention aims to provide a method for producing a welded joint, a laser welding machine for producing a welded joint, and the use of the method or the laser welding machine for producing a battery cell, each of which has improved properties, in particular enabling reliable production of the welded joint.
  • the invention solves this problem by providing a method with the features of claim 1, a laser welding machine with the features of claim 8, and a use with the features of claim 10.
  • a method according to the invention is designed for producing a welded joint between a first workpiece and a second workpiece.
  • the method comprises the following steps: producing the welded joint; generating sensor data via process lighting and/or via weld depth during, and in particular simultaneously with, the production of the welded joint; generating image data of at least one section of the welded joint; and determining, based on an analysis of the image data and sensor data, whether the first workpiece and the second workpiece are connected to each other by means of the welded joint, in particular continuously.
  • the combination of image and sensor data enables a precise and reliable determination of whether the two workpieces are joined by a weld, thus achieving a particularly reliable weld joint.
  • the image and sensor data complement each other, allowing for a reliable determination of whether the two workpieces are joined by a weld.
  • depth information about the weld can be obtained by analyzing sensor data
  • surface information about the weld can be obtained by analyzing image data.
  • Analyzing sensor data can determine whether the weld was created to a sufficient depth and/or whether both workpieces melted during the welding process.
  • Analyzing image data can determine whether material from the first workpiece and material from the second workpiece mix up to the surface of the weld.
  • the sensor data on process luminescence can encompass a spectrum of the process luminescence. Analyzing the sensor data can involve analyzing it for the presence of a specific wavelength and/or the absence of a specific wavelength.
  • the specified wavelength must be included.
  • the specified wavelength can be characteristic of the welding depth.
  • the sensor data on weld depth can include absolute values.
  • This data can be obtained, for example, using optical coherence tomography (OCT) sensors and can indicate, in particular, the depth of a vapor capillary that forms in the weld zone during the welding process.
  • OCT optical coherence tomography
  • the method can determine whether the two workpieces are joined if the analysis of image and sensor data shows that the weld depth is within the specified target depth and that the two materials have mixed, particularly up to the surface of the weld. The method can also determine whether the two workpieces are not joined if the analysis of image and sensor data shows that the weld depth is not within the target depth and/or that the two materials have not mixed, particularly up to the surface of the weld.
  • the material of the first workpiece and the material of the second workpiece can differ in their properties. These properties can include color, thermal conductivity, heat capacity, and/or process luminescence.
  • the first workpiece can be made of an iron-based, copper-based, or aluminum-based material, for example.
  • the second workpiece can also be made of an iron-based, copper-based, or aluminum-based material.
  • the materials of the first and second workpieces can differ in their base composition.
  • the first workpiece can be made of an iron-based material and the second workpiece of a copper-based material.
  • the first workpiece can be made of a material suitable for battery applications.
  • the first workpiece can be made of diffusion-annealed strip steel with an electrolytic nickel coating.
  • the first workpiece can be made of hilumin.
  • the first workpiece can be a sheet metal part.
  • the width and/or length of the first workpiece can be more than five times, and in particular more than ten times, its thickness.
  • the first workpiece can have a thickness in the range of 0.1 mm to 0.5 mm, and in particular more than 0.2 mm to 0.4 mm.
  • the second workpiece can be in the form of a film.
  • the width and/or length of the second workpiece can be more than fifty times, and especially one hundred times, its thickness.
  • the second workpiece can have a thickness in the range of 3 pm (micrometers) to 50 pm, and especially 6 pm to 20 pm.
  • the creation of sensor data, the creation of image data, and the determination based on the analysis of image and sensor data can be performed during, and especially simultaneously with, the welding process.
  • the creation of image data and the determination based on the analysis of image and sensor data can be performed after the welding process.
  • Creating the weld can involve generating a laser beam and guiding it across the two workpieces.
  • the two workpieces can be locally melted by the laser beam.
  • This welding process can be deep penetration welding. Deep penetration welding means that the laser beam melts the two workpieces in such a way that a vapor capillary forms, extending through the first workpiece and into the second. In other words, during deep penetration welding, the laser beam can penetrate the first workpiece and reach the second.
  • the laser beam can be generated using a disk laser or a fiber laser.
  • the laser beam can have a beam parameter product in a range from 0.38 mm*mrad (millimeters*milliradians) to 16 mm*mrad.
  • the laser beam can have a The beam parameter product must be in the range of 0.4 mm*mrad to 0.6 mm*mrad. If the laser beam is a single-mode laser beam, it can have a beam parameter product of less than or equal to 0.6 mm*mrad. If the laser beam is a multi-mode laser beam, it can have a beam parameter product of less than or equal to 4 mm*mrad.
  • the laser beam can have a diffraction coefficient M2 of equal to or less than 2, particularly in the range of 1 to 1.4.
  • the laser beam can have a diffraction coefficient M2 greater than 4.
  • the laser beam can have a Gaussian intensity profile or a top-hat intensity profile.
  • the beam diameter of the laser beam on the first workpiece and/or on the second workpiece can be in the range of 50 pm to 500 pm. If the laser beam is a single-mode laser beam, the beam diameter of the laser beam on the first workpiece and/or on the second workpiece can preferably be in the range of 50 pm to 90 pm. If the laser beam is a multi-mode laser beam, the beam diameter of the laser beam on the first workpiece and/or on the second workpiece can preferably be in the range of 100 pm to 300 pm.
  • the laser beam can have a wavelength in the range of 800 nm (nanometers) to 1200 nm, particularly 1030 nm to 1070 nm.
  • the laser beam can have a wavelength of 1030 nm, 1064 nm, or 1070 nm.
  • the laser beam can have a wavelength in the range of 400 nm to 450 nm or 500 nm to 550 nm.
  • the laser beam can have a wavelength of 515 nm.
  • a laser beam with a wavelength of 515 nm can be particularly suitable for producing the weld joint in copper.
  • the laser beam can have a power output in the range of 10 W (watts) to 2000 W, in particular 300 W to 900 W.
  • the laser beam can be guided across the two workpieces at a speed ranging from 100 mm/s (millimeters per second) to 5000 mm/s, particularly from 300 mm/s to 1000 mm/s.
  • Speed can be understood as the speed at which the laser beam is focused on the first workpiece or on the second workpiece relative to the two workpieces.
  • the welding process between the first and second workpieces can be used to electrically connect them. Determining, based on the analysis of image and sensor data, whether the first and second workpieces are electrically connected via the weld can be done.
  • the first workpiece can be a battery cell cover.
  • the second workpiece can be a metal foil from the battery cell.
  • the metal foil can be referred to as battery foil.
  • the welded joint can serve to electrically connect the metal foil to the cover.
  • the first workpiece and the second workpiece can be in contact with each other to create the weld.
  • the first workpiece and the second workpiece can be arranged side by side or one above the other for the purpose of creating the weld.
  • the sensor data can be generated using a sensor device designed to detect process luminescence and/or weld depth.
  • the sensor device may include a sensor for detecting process luminescence and/or weld depth.
  • Weld depth can be defined as the depth to which the laser beam penetrates the two workpieces to create the weld.
  • Process luminescence can be understood as the luminescence of the material of the first workpiece and/or the material of the second workpiece that occurs during the creation of the weld when the laser beam strikes the first and/or second workpiece.
  • Image data can be created using a camera system.
  • the image data can be referred to as a photograph.
  • the camera system can be a black and white camera or a color camera.
  • the image data can be black and white or color.
  • the image data can be created at a creation rate, in particular a recording rate, of greater than or equal to 100 Hz (Hertz), in particular greater than or equal to 1 kHz (Kilohertz).
  • the section of the weld joint from which the image data is generated can be a solidified section of the weld joint.
  • the section of the weld from which the image data is generated can have a length equal to or greater than the width of the weld section.
  • the weld section can have a length greater than three times its width.
  • the weld section can have a length in the range of 3 mm to 30 mm, particularly 5 mm to 10 mm.
  • generating the image data can involve generating image data of the entire weld.
  • Creating sensor data about process lighting can include capturing the process lighting.
  • the detection of process luminescence can be carried out in a wavelength range of 300 nm to 2000 nm, in particular 800 nm to 1100 nm.
  • the detection of process luminescence can be carried out in a first, particularly near-infrared, wavelength range and in a second, particularly visible, wavelength range.
  • the first and second wavelength ranges can differ from each other.
  • the first wavelength range can extend from 800 nm to 1000 nm.
  • the first wavelength range can have a spectral width of less than or equal to 200 nm.
  • the second wavelength range can extend from 300 nm to 700 nm.
  • the second wavelength range can have a spectral width of less than or equal to 200 nm.
  • Detecting process luminescence can involve blocking the wavelength of the laser beam. This allows the process luminescence to be detected without actually detecting a wavelength of the laser beam. For example, if the laser beam has a wavelength of 1030 nm or 1070 nm, this wavelength can be blocked. Blocking the laser beam wavelength can be achieved by spatially separating the laser beam from the process luminescence. This allows the detected process luminescence to be undisturbed or unaffected by the laser beam.
  • Another aspect of the process is that it can be determined non-destructively whether the first workpiece is connected to the second workpiece.
  • Another aspect of the procedure can be to determine whether the first workpiece and the second workpiece are connected to each other by means of the welded joint and whether they are electrically connected to each other by means of the welded joint.
  • Another aspect of the process is that it enables reliable monitoring of a continuous electrical connection between the two workpieces. Furthermore, the process allows for a reliable determination of the length of the electrical connection along the weld. Therefore, the process may be particularly suitable for the production of battery cells, as it allows for a highly reliable assessment of the electrical connection between a cover and the metal foil of the battery cell.
  • the material used for the first workpiece and the material used for the second workpiece differ.
  • material-dependent process glow occurs. Analyzing the sensor data includes determining the material composition.
  • Material-dependent process luminescence can be understood as a difference between the process luminescence of the material of the first workpiece and the process luminescence of the material of the second workpiece.
  • the spectral spectrum of the process luminescence of the material of the first workpiece and the spectral spectrum of the process luminescence of the material of the second workpiece can differ at the same temperature. Based on the spectral profile of the process luminescence, it is possible to determine the proportion of material from the first workpiece and the proportion of material from the second workpiece, preferably at the point where the weld is made.
  • Determining the material composition can involve determining the proportion of material from the first workpiece and the proportion of material from the second workpiece based on a spectral analysis of the process luminescence.
  • the laser beam may strike the first workpiece, producing process luminescence at 900 nm.
  • process luminescence at 600 nm may occur.
  • the presence of this 600 nm process luminescence indicates that the laser beam has penetrated the first workpiece and heated the second workpiece sufficiently to produce process luminescence.
  • the intensity of the process luminescence from the first and/or second workpiece can be representative of the weld depth.
  • Analyzing image and sensor data can include determining the weld depth based on the intensity of this process luminescence.
  • the sensor of the sensor device can be a power detector.
  • the sensor can be configured as a diode, for example, in the form of a photodiode.
  • the sensor device can include a wavelength filter, particularly in the form of a dichroic mirror.
  • the wavelength filter can be configured as a bandpass filter.
  • the wavelength filter can be configured to transmit or reflect a predetermined wavelength range.
  • the wavelength filter and the sensor can be arranged relative to each other such that a portion of the process light exhibiting the predetermined wavelength range is directed at the sensor.
  • the predetermined wavelength range can be from 300 nm to 1000 nm, particularly from 300 nm to 700 nm and/or 800 nm to 1000 nm.
  • the predetermined wavelength range cannot be the wavelength of the laser beam.
  • the sensor device can comprise a first sensor, a second sensor, a first wavelength filter, and a second wavelength filter.
  • the predefined wavelength range of the first wavelength filter can be 300 nm to 700 nm.
  • the predefined wavelength range of the second wavelength filter can be 800 nm to 1000 nm.
  • the first sensor and the first wavelength filter can be arranged relative to each other such that a portion of the process light exhibiting the predefined wavelength range of the first wavelength filter is incident on the first sensor.
  • the second sensor and the second wavelength filter can be arranged relative to each other such that a portion of the process light exhibiting the predefined wavelength range of the second wavelength filter is incident on the second sensor.
  • the predefined wavelength range of the first wavelength filter can be characteristic of the process luminescence of the material of the first workpiece.
  • the predefined wavelength range of the second wavelength filter can be characteristic of the process luminescence of the material of the second workpiece.
  • the sensor setup has more than two sensors and more than two wavelength filters.
  • generating sensor data on the weld depth involves measuring the weld depth using a measuring beam.
  • this allows the sensor data to provide particularly precise information about the weld depth.
  • the laser beam can melt the two workpieces in such a way that a vapor capillary forms, with the weld depth being measured by measuring the depth of this vapor capillary.
  • the weld depth measurement can be performed using optical coherence tomography or a laser interferometer.
  • the laser interferometer can achieve spatial resolution perpendicular to the welding direction, particularly along the path of the weld joint.
  • the analysis of image and sensor data includes an analysis for organic contamination of the weld joint or the section of the weld joint.
  • this can prevent an undesirable reduction in the stability of the weld joint and/or an undesirable reduction in the electrical connection between the first and second workpieces via the weld joint caused by organic contamination.
  • the weld may exhibit slag and/or black streaks.
  • Analysis for organic contamination of the weld can be performed by analyzing image data for the presence of slag and/or black streaks.
  • Organic contamination of the weld can occur during battery cell manufacturing due to the unintended melting of a battery cell separator. Therefore, organic contamination may indicate that the weld depth is too great.
  • the analysis of the image data and sensor data includes the determination of a color and/or a geometric property of the weld joint or the section of the weld joint.
  • Determining whether the first workpiece and the second workpiece are connected by means of the weld joint can be done based on the determination of the color and/or the geometric properties of the weld joint.
  • the image data can capture the discoloration and/or geometry of the weld section by means of differences in its grayscale and/or color values.
  • the material from which the first workpiece is made and the material from which the second workpiece is made may differ in color.
  • Analyzing the image and sensor data can include determining the color of the captured section of the weld. Determining whether the first and second workpieces are joined by the weld can be done by comparing the detected weld color with a target weld color, particularly based on the image data.
  • the material of the first workpiece and the material of the second workpiece may differ in their thermal conductivity and/or heat capacity.
  • This difference in thermal conductivity and/or heat capacity can determine the geometric properties of the weld.
  • Analyzing the image and sensor data can include determining the geometric properties, particularly the width, area, or scale pattern, of the captured section of the weld. Determining whether the first and second workpieces are joined by the weld can be based on a comparison of the Determining the geometric property of the weld joint with a target geometric property of the weld joint.
  • a weld dip can be determined by a reduction in the width, length and/or area of the weld joint.
  • the image and sensor data are analyzed using a trained neural network, specifically a convolutional neural network.
  • Neural networks can be particularly advantageous for the analysis of image data.
  • the neural network can perform spatially resolved qualification, particularly with a spatial resolution greater than or equal to 2 pixels.
  • the neural network can have an ll-NET architecture.
  • the neural network can be trained to detect a seam inflection.
  • the analysis of image and sensor data using the trained neural network can include semantic segmentation. Semantic segmentation can be understood as the assignment of each pixel of the image data to a predefined class.
  • the process includes the step of: changing a welding parameter for producing the weld joint based on the analysis of image and sensor data.
  • the process includes the step of: initiating the production of a repair weld joint based on the analysis of image and sensor data.
  • the welding parameters can be adjusted during the welding process to ensure a successful connection between the first and second workpieces.
  • the analysis of image and sensor data may reveal that material from a third workpiece, such as the battery cell separator, is melting.
  • the welding parameters can then be adjusted to reduce the weld depth and prevent further melting of this third workpiece.
  • the analysis of image and sensor data may reveal that the first workpiece is not bonded to the second.
  • the welding parameters can then be adjusted to increase the weld depth, thereby achieving a bond between the two workpieces.
  • the repair weld can be initiated if the analysis of image and sensor data shows that the first workpiece is not connected to the second workpiece and the weld is complete.
  • the repair weld can be located next to the original weld.
  • a laser welding machine is suitable for producing a welded joint between a first workpiece and a second workpiece.
  • the laser welding machine comprises a laser beam source for generating a laser beam for producing the weld, a sensor device for generating sensor data via a process light and/or via the welding depth during the production of the weld, a camera device for generating image data of at least one section of the weld, and a control unit.
  • the control unit is configured to analyze the image and sensor data and, based on the analyzed image and sensor data, to determine whether the first workpiece and the second workpiece are joined by means of the weld.
  • the laser welding machine can be configured to perform a previously described process.
  • the previously given description of the process can apply to identical or functionally equivalent features of the laser welding machine.
  • the laser beam source can be a fiber laser or a disk laser.
  • the laser welding machine can have a beam deflection device to direct the laser beam to the first workpiece and the second workpiece.
  • the beam deflection device can be configured as a scanner optic or a flying optic.
  • the scanner optic or the flying optic can have an imaging ratio in the range of 1:1 to 5:1, particularly 2:1 to 3:1.
  • the scanner optic can be a PFO33-2 optic.
  • the flying optic can be a BEO optic.
  • the laser welding machine can have a network connection that connects the sensor device and the camera device to the control unit.
  • the control unit may contain a computer and/or a microcontroller.
  • the sensor device is arranged such that one sensor axis of the sensor device is at least partially coaxial or aligned at an angle of up to ⁇ 15° to a beam axis of the laser beam.
  • the camera device is arranged such that one camera axis of the camera device is at least partially coaxial or aligned at an angle of up to ⁇ 15° to a beam axis of the laser beam.
  • such an arrangement of the sensor equipment and/or the camera equipment can enable particularly simple integration into the beam deflection device.
  • the beam axis of the laser beam can be an axis along which the laser beam propagates.
  • the camera axis can be referred to as the line of sight or optical axis of the camera system.
  • the camera axis can be an imaginary line passing through the center of the camera system's field of view and perpendicular to an image plane of the camera system.
  • the camera axis can also be the axis along which light travels from the first workpiece and/or the second workpiece to the camera of the camera system.
  • the sensor axis can be referred to as the line of sight or optical axis of the sensor device.
  • the sensor axis can be an imaginary line passing through the center of a detection area of the sensor device and perpendicular to a detection plane of the sensor device.
  • the sensor axis can also be an axis along which light travels from the first workpiece and/or the second workpiece to the sensor of the sensor device.
  • One use according to the invention includes carrying out the previously described method or using the previously described laser welding machine to manufacture a battery cell.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a cylindrical battery cell during the process of connecting a battery cell lid to a metal foil of the battery cell.
  • Fig. 2 is a schematic representation of a laser welding machine for producing a welded joint for joining the cover of the battery cell of Fig. 1 with the metal foils,
  • Fig. 3 is a schematic representation corresponding to Fig. 2 for a variant of the
  • Fig. 4 shows a schematic sequence of a process for manufacturing a
  • Fig. 1 shows a cylindrical battery cell 10 during the joining of a cover 12 of the battery cell with a metal foil 14 of the battery cell.
  • the metal foil 14 is made of copper. The thickness of the metal foil 14 is 8 pm. An electrode material is applied to the metal foil 14. The metal foil 14 is rolled up and, together with a separator of the battery cell 10, which electrically insulates the metal foil 14 from another metal foil of the battery cell 10, is inserted into a battery pot 16 of the battery cell 10. The metal foil 14 has connecting sections 18 that are free of electrode material and that project beyond the battery pot 16.
  • the cover 12 is made of diffusion-annealed strip steel with an electrolytic nickel coating.
  • the cover 12 has a thickness of 0.3 mm.
  • the cover 12 forms an electrode, in particular a terminal electrode, of the battery cell 10.
  • the lid 12 is joined to the metal foil 14 by means of a laser beam 20, which creates a weld between the lid 12 and the connecting sections 18. To produce this, the lid 12 is pressed against the battery pot 16 until it closes, and then the laser beam 20 is used to create the weld. In Fig. 1, for better understanding and to show the connection sections 18, the lid 12 is not shown in contact with the battery pot 16.
  • the connecting sections 18 are electrically connected to the cover 12 by means of the welding connection.
  • the lid 12 can be referred to as the first workpiece and the metal foil 14, in particular the connecting sections 18, can be referred to as the second workpiece.
  • Fig. 2 shows a laser welding machine 100 during the production of the weld connection between the cover 12 and the connecting sections 18 of the battery cell 10.
  • the laser welding machine 100 has a laser beam source 22 for generating the laser beam 20 for creating the weld joint.
  • the laser beam source 22 is a fiber laser.
  • the laser beam 20 has a diffraction coefficient M 2 in the range of 1 to 1.4.
  • the laser beam 20 has a Gaussian intensity profile.
  • the laser beam 20 has a wavelength of 1064 nm.
  • the laser beam 20 has a power in the range of 350 W to 400 W.
  • the laser welding machine 100 has a beam deflection device 24 for directing the laser beam 20 onto the cover 12.
  • the beam deflection device 24 can have a plurality of lenses and deflection mirrors.
  • the beam deflection device 24 has an imaging ratio of 2:1.
  • the beam diameter of the laser beam 20 on the cover 12 is 60 pm.
  • the beam deflection device 24 is designed to guide the laser beam 20 across the cover 12 at a speed in the range of 350 mm/s to 900 mm/s.
  • the laser beam 20 strikes the cover 12, it can locally melt the cover 12 and the connecting sections 18 to create the weld. In the molten state, the material of the cover 12 and the material of the connecting sections 18 can mix with each other.
  • the welding process is a deep penetration welding process. During the welding process, process glow is emitted from the material of the cover 12 and from the material of the joining sections 18. The process glow from the material of the cover 12 and the process glow from the material of the joining sections 18 differ from each other in their spectrum, in particular their wavelength.
  • a portion 26 of the process light impinges on a dichroic mirror 28 of the beam deflection device 24.
  • the dichroic mirror 28 is designed to be reflective with a reflectance of over 98% for one wavelength of the laser beam 20 and to be transmitting with a transmittance of over 98% for another wavelength of the process light.
  • the dichroic mirror 28 spatially separates the portion 26 of the process light, shown as a dashed line in Fig. 2, from the laser beam 20.
  • a partially transparent mirror 34 of the laser welding machine 100 is arranged downstream of the dichroic mirror 28.
  • the partially transparent mirror 34 directs 5% of the light onto a camera 36 of a camera assembly 32 of the laser welding machine 100.
  • the camera 36 is a color camera.
  • the camera device 32 is designed to create image data of at least one section of the weld joint.
  • the camera device 32 is arranged such that a camera axis of the camera device 32, shown as a dotted line in Fig. 2, is aligned coaxially with a beam axis of the laser beam 20 from the cover 12 to the dichroic mirror 28.
  • the portion 26 of the process light transmitted by the partially transparent mirror 34 strikes a deflecting mirror 40 of the laser welding machine 100.
  • the deflecting mirror 40 is designed to be reflective with a reflectance of over 98% for wavelengths in the range of 300 nm to 1000 nm.
  • the deflecting mirror 40 directs the portion 26 of the process light onto a sensor 42 of a sensor unit 38 of the laser welding machine 100.
  • the sensor 42 is a photodiode.
  • the sensor device 38 is designed to generate sensor data about the weld depth during the welding process.
  • the power component of the process luminescence detected by the sensor 42 is representative of the weld depth.
  • the sensor device 38 is arranged such that one sensor axis of the The sensor device 38 is aligned coaxially with the beam axis of the laser beam 20 from the cover 12 to the dichroic mirror 28.
  • the laser welding machine 100 has a control unit 44 in the form of a computer.
  • the control unit 44 is connected via a network connection of the laser welding machine 100 to the sensor device 38 and the camera device 32.
  • the control unit 44 is designed to analyze image and sensor data using a trained neural network.
  • the material from which the connecting sections 18 are formed is copper with a reddish color
  • the material from which the cover 12 is formed is strip steel with a silver color. Therefore, the control unit 44 can determine the degree of mixing of the material of the connecting sections 18 with the material of the cover 12 based on the color of the weld.
  • the trained neural network determines whether the cover 12 and the connecting sections 18 are connected to each other by means of the weld, in particular electrically connected.
  • the separator can melt.
  • the separator is made of an organic material. Therefore, organic material can enter the weld joint when the separator melts. This can contaminate the weld joint with organic material.
  • the organic material of the separator can reduce the stability of the weld joint and/or reduce or completely prevent an electrical connection between the cover and the connecting sections 18.
  • the control unit 44 can be configured to identify the organic contamination by analyzing image data for slag and/or black streaks. If slag and/or black streaks are identified, the control unit 44 can determine that the cover 12 and the connecting sections 18 are not connected to each other by means of the welded connection.
  • the control unit 44 can change a welding parameter for creating the weld. Changing the welding parameter can change the weld depth. The welding parameter can be changed after or during the welding process.
  • control unit 44 can initiate the creation of a repair weld.
  • the repair weld can be arranged parallel to or offset from the weld.
  • Fig. 3 shows a further embodiment of the laser welding machine 100 from Fig. 2, wherein identical and functionally equivalent elements use the same reference numerals and in this respect refer to the above descriptions of the embodiment of Fig.
  • the process glow of the material from which the lid 12 is formed has a wavelength in the range of 800 nm to 1000 nm.
  • the process glow of the material from which the connecting sections 18 are formed has a wavelength in the range of 300 nm to 700 nm.
  • the sensor assembly 38 has a first sensor 46, a second sensor 48, a first wavelength filter 52 and a second wavelength filter 54.
  • the first wavelength filter 52 is designed to be reflective with a reflectance of over 98% for wavelengths in the range of 800 nm to 1000 nm and to be transmitting with a transmittance of over 98% for wavelengths in the range of 300 nm to 700 nm.
  • the portion of the process light originating from the material of the cover 12 is directed onto the first sensor 46 by means of the first wavelength filter 52.
  • the portion of the process light emanating from the connecting sections 18 transmits through the first wavelength filter 52 and reaches the second wavelength filter 54.
  • the second wavelength filter 54 is designed to reflect wavelengths in the range of 300 nm to 700 nm with a reflectance of over 98%.
  • the portion of the process light emanating from the material of the connecting sections 18 is directed onto the second sensor 48 by means of the second wavelength filter 54.
  • the control unit 44 is designed to determine, based on the detected power of the first sensor 46 and the detected power of the second sensor 48, whether the welding depth is selected such that the material of the cover 12 and the material of the connection sections 18 are melted when making the weld connection.
  • control unit 44 determines, based on a detection of the process light with the first sensor 46 and with the second sensor 48, that the welding depth is selected such that the material of the cover 12 and the material of the connecting sections 18 are melted.
  • control unit 44 can control the beam deflection device 24 in such a way that the welding depth is changed until the material of the cover 12 and the material of the connecting sections 18 are melted.
  • Fig. 4 shows an exemplary sequence of a method for producing the welded connection between the cover 12 and the connecting sections 18 using the laser welding machine 100 described above in Fig. 2 or the laser welding machine 100 described above in Fig. 3.
  • the method comprises the following steps: a) producing the weld joint; b) generating sensor data on the weld depth during the welding process by capturing the process glow; c) generating image data of at least one section of the weld joint; d) determining, based on an analysis of the image and sensor data using the trained neural network, whether the cover 12 and the connection sections 18 are electrically connected by means of the weld joint; e) changing a welding parameter for producing the weld joint based on the analysis of the image and sensor data; and f) initiating the production of a repair weld joint based on the analysis of the image and sensor data. if in step d) it is determined that the cover 12 and the connecting sections 18 are not electrically connected to each other by means of the weld connection.

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Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Schweißverbindung zwischen einem ersten Werkstück (12) und einem zweiten Werkstück (18), wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Herstellen der Schweißverbindung; Erstellen von Sensordaten über eine Schweißtiefe während dem Herstellen der Schweißverbindung; Erstellen von Bilddaten von zumindest einem Abschnitt der Schweißverbindung; und Ermitteln basierend auf einer Analyse der Bilddaten und Sensordaten, ob das erste Werkstück (12) und das zweite Werkstück (18) mittels des Abschnitts der Schweißverbindung miteinander verbunden sind.

Description

Verfahren zum Herstellen einer Schweißverbindung, Laserschweißmaschine zum Herstellen einer Schweißverbindung und Verwendung des Verfahrens oder der Laserschweißmaschine zur Herstellung einer Batteriezelle
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Schweißverbindung, eine Laserschweißmaschine zum Herstellen einer Schweißverbindung und eine Verwendung des Verfahrens oder der Laserschweißmaschine zur Herstellung einer Batteriezelle.
Typischerweise werden Batteriezellen dadurch hergestellt, indem auf Metallfolien, wie beispielsweise Aluminiumfolie für das Bilden einer Anode der Batteriezelle oder Kupferfolie für das Bilden einer Kathode der Batteriezelle, Elektrodenmaterialien aufgetragen werden. Anschließend können die Metallfolien zusammen mit einem Separator, der die Anode und die Kathode voneinander isoliert und üblicherweise aus einem porösen Polymermaterial gebildet ist, aufgerollt und in einen Batterietopf eingesetzt werden. Der Batterietopf kann mit einem Deckel, der einen elektrischen Pol der Batteriezelle bildet und beispielsweise eisenhaltig ist, verschlossen werden. Entweder die Anode oder die Kathode kann durch Herstellen einer Schweißverbindung elektrisch mit dem Deckel verbunden werden. Hierfür kann die jeweilige Metallfolie einen Verbindungsabschnitt aufweisen, der mit dem Deckel verschweißt wird. Die Batteriezelle kann als Batterie oder Akkumulator bezeichnet werden.
DE 10 2022 203 837 A1 offenbart ein Verfahren zur Überwachung eines Laserschweißprozesses, bei dem zwei kupferhaltige Werkstücke im Bereich einer Fügezone durch Einwirkung eines Laserstrahls miteinander verbunden werden. Während der Einwirkung des Laserstrahls werden optische Emissionen aus dem Bereich der Fügestelle erfasst und analysiert, ob organischen Verunreinigungen im Bereich der Fügestelle existieren.
Der Erfindung liegt als Aufgabe die Bereitstellung eines Verfahrens zum Herstellen einer Schweißverbindung, einer Laserschweißmaschine zum Herstellen einer Schweißverbindung und die Verwendung des Verfahrens oder der Laserschweißmaschine zur Herstellung einer Batteriezelle zugrunde, die jeweils verbesserte Eigenschaften aufweisen, insbesondere ein zuverlässiges Herstellen der Schweißverbindung ermöglichen. Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Bereitstellung eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einer Laserschweißmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und einer Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Weiterbildungen und/oder Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist zum Herstellen einer Schweißverbindung zwischen einem ersten Werkstück und einem zweiten Werkstück ausgelegt. Das Verfahren weist die Schritte auf: Herstellen der Schweißverbindung; Erstellen von Sensordaten über ein Prozessleuchten und/oder über eine Schweißtiefe während, insbesondere gleichzeitig mit, dem Herstellen der Schweißverbindung; Erstellen von Bilddaten von zumindest einem Abschnitt der Schweißverbindung; und Ermitteln basierend auf einer Analyse der Bilddaten und Sensordaten, ob das erste Werkstück und das zweite Werkstück mittels der Schweißverbindung, insbesondere durchgängig, miteinander verbunden sind.
Vorteilhafterweise kann die Kombination von Bilddaten und Sensordaten ein präzises und zuverlässiges Ermitteln ermöglichen, ob die beiden Werkstücke mittels der Schweißverbindung miteinander verbunden sind, weshalb mit dem Verfahren ein besonders zuverlässiges Herstellen der Schweißverbindung erreicht wird. Insbesondere können die Bilddaten und Sensordaten sich einander ergänzen, wodurch zuverlässig ermittelt werden kann, ob die beiden Werkstücke mittels der Schweißverbindung miteinander verbunden sind.
Beispielsweise kann durch die Analyse der Sensordaten eine Tiefeninformation und durch die Analyse der Bilddaten eine Oberflächeninformation über die Schweißverbindung gewonnen werden. Durch die Analyse der Sensordaten kann ermittelt werden, ob die Schweißverbindung mit einer ausreichenden Tiefe hergestellt wurde und/oder ob die beide Werkstücke bei dem Herstellen der Schweißverbindung aufgeschmolzen werden. Durch die Analyse der Bilddaten kann ermittelt werden, ob eine Durchmischung eines Materials des ersten Werkstücks und eines Materials des zweiten Werkstücks bis zu einer Oberfläche der Schweißverbindung erfolgt.
Die Sensordaten über das Prozessleuchten können ein Spektrum des Prozessleuchtens umfassen. Das Analysieren der Sensordaten kann ein Analysieren der Sensordaten auf ein Vorhandensein einer vorgegebenen Wellenlänge und/oder auf ein Nichtvorhandensein einer vorgegebenen Wellenlänge umfassen. Die vorgegebene Wellenlänge kann charakteristisch für die Schweißtiefe sein.
Die Sensordaten über die Schweißtiefe können absolute Werte der Schweißtiefe umfassen. Die Sensordaten über die Schweißtiefe können beispielsweise unter Verwendung einer Sensorik zur optischen Kohärenztomographie (OCT) erlangt werden und insbesondere auf die Tiefe einer Dampfkapillare hinweisen, die während des Schweißprozesses in der Schweißzone ausgebildet wird.
Durch das Verfahren kann ermittelt werden, dass die beiden Werkstücke miteinander verbunden sind, wenn die Analyse der Bilddaten und Sensordaten ergibt, dass die Schweißtiefe eine vorgegebene Soll-Schweißtiefe beträgt und eine Durchmischung der beiden Materialien, insbesondere bis zu der Oberfläche der Schweißverbindung, erfolgt. Durch das Verfahren kann ermittelt werden, dass die beiden Werkstücke nicht miteinander verbunden sind, wenn die Analyse der Bilddaten und Sensordaten ergibt, dass die Schweißtiefen nicht gleich der Soll-Schweißtiefe ist und/oder eine Durchmischung der beiden Materialien, insbesondere bis zu der Oberfläche der Schweißverbindung, nicht erfolgt.
Basierend auf der Durchmischung der beiden Materialien kann auf eine Festigkeit der Schweißverbindung, insbesondere aufgrund intermetallischer Phasen, und auf eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Werkstücken mittels der Schweißverbindung geschlossen werden.
Das Material des ersten Werkstücks und das Material des zweiten Werkstücks können sich in ihren Eigenschaften voneinander unterscheiden. Die Eigenschaften können eine Farbe, eine Wärmeleitfähigkeit, eine Wärmekapazität und/oder das Prozessleuchten sein.
Das erste Werkstück kann beispielsweise aus einem Material auf Eisenbasis, Kupferbasis oder Aluminiumbasis gebildet sein. Das zweite Werkstück kann beispielsweise aus einem Material auf Eisenbasis, Kupferbasis oder Aluminiumbasis gebildet sein. Das Material des ersten Werkstücks und das Material des zweiten Werkstücks können sich in ihrer Materialbasis voneinander unterscheiden. Beispielsweise kann das erste Werkstück aus einem Material auf Eisenbasis und das zweite Werkstück aus einem Material auf Kupferbasis gebildet sein. Insbesondere kann das erste Werkstück aus einem Material gebildet sein, das für Batterieanwendungen geeignet ist. Das erste Werkstück kann aus einem diffusionsgeglühten Bandstahl mit elektrolytischer Nickelbeschichtung gebildet sein. Das erste Werkstück kann aus Hilumin gebildet sein.
Das erste Werkstück kann als ein Blech ausgebildet sein. Insbesondere kann eine Breite und/oder eine Länge des ersten Werkstücks mehr als das fünffache, insbesondere zehnfache, einer Dicke des ersten Werkstücks betragen. Das erste Werkstück kann eine Dicke in einem Bereich von 0,1 mm (Millimeter) bis 0,5 mm, insbesondere 0,2 mm bis 0,4 mm, aufweisen.
Das zweite Werkstück kann als eine Folie ausgebildet sein. Insbesondere kann eine Breite und/oder eine Länge des zweiten Werkstücks mehr als das fünfzigfache, insbesondere hundertfache, einer Dicke des zweiten Werkstücks betragen. Das zweite Werkstück kann eine Dicke in einem Bereich von 3 pm (Mikrometer) bis 50 pm, insbesondere 6 pm bis 20 pm, aufweisen.
Das Erstellen von Sensordaten, das Erstellen von Bilddaten und das Ermitteln basierend auf der Analyse der Bilddaten und Sensordaten kann während, insbesondere gleichzeitig mit, dem Herstellen der Schweißverbindung ausgeführt werden. Alternativ kann das Erstellen von Bilddaten und das Ermitteln basierend auf der Analyse der Bilddaten und Sensordaten zeitlich nach dem Herstellen der Schweißverbindung erfolgen.
Das Herstellen der Schweißverbindung kann ein Erzeugen eines Laserstrahls und ein Führen des Laserstrahls über die beiden Werkstücke umfassen. Die beiden Werkstücke können durch den Laserstrahl lokal aufgeschmolzen werden. Das Herstellen der Schweißverbindung kann ein Tiefschweißprozess sein. Unter einem Tiefschweißprozess kann verstanden werden, dass der Laserstrahl die beiden Werkstücke derart aufschmilzt, dass sich eine Dampfkapillare ausbildet, die sich durch das erste Werkstück hindurch bis in das zweite Werkstück hinein erstreckt. Anders formuliert, bei dem Tiefschweißprozess kann der Laserstrahl das erste Werkstück durchdringen und bis zu dem zweiten Werkstück gelangen.
Der Laserstrahl kann mittels eines Scheibenlasers oder eines Faserlasers erzeugt werden.
Der Laserstrahl kann ein Strahlparameterprodukt in einem Bereich von 0,38 mm*mrad (Millimeter*Milliradiant) bis 16 mm*mrad aufweisen. Vorzugsweise kann der Laserstrahl ein Strahlparameterprodukt in einem Bereich von 0,4 mm*mrad bis 0,6 mm*mrad aufweisen. Falls der Laserstrahl ein Single-Mode-Laserstrahl ist, kann der Laserstrahl ein Strahlparameterprodukt von kleiner oder gleich 0,6 mm*mrad aufweisen. Falls der Laserstrahl ein Multi-Mode-Laserstrahl ist, kann der Laserstrahl ein Strahlparameterprodukt von kleiner oder gleich 4 mm*mrad aufweisen.
Der Laserstrahl kann eine Beugungsmaßzahl M2 von gleich oder weniger als 2, insbesondere in einem Bereich von 1 bis 1 ,4, aufweisen. Alternativ kann der Laserstrahl eine Beugungsmaßzahl M2 von größer 4 aufweisen. Vorzugsweise kann der Laserstrahl ein gaußförmiges Intensitätsprofil oder ein Top-Hat-förmiges Intensitätsprofil aufweisen.
Ein Strahldurchmesser des Laserstrahls auf dem ersten Werkstück und/oder auf dem zweiten Werkstück kann ein Betrag in einem Bereich von 50 pm bis 500 pm aufweisen. Falls der Laserstrahl ein Single-Mode-Laserstrahl ist, kann der Strahldurchmesser des Laserstrahls auf dem ersten Werkstück und/oder auf dem zweiten Werkstück vorzugsweise ein Betrag in einem Bereich von 50 pm bis 90 pm aufweisen. Falls der Laserstrahl ein Multi- Mode-Laserstrahl ist, kann der Strahldurchmesser des Laserstrahls auf dem ersten Werkstück und/oder auf dem zweiten Werkstück vorzugsweise ein Betrag in einem Bereich von 100 pm bis 300 pm aufweisen.
Der Laserstrahl kann eine Wellenlänge in einem Bereich von 800 nm (Nanometer) bis 1200 nm, insbesondere 1030 nm bis 1070 nm, aufweisen. Vorzugsweise kann der Laserstrahl eine Wellenlänge von 1030 nm, 1064 nm oder 1070 nm aufweisen. Alternativ kann der Laserstrahl eine Wellenlänge in einem Bereich von 400 nm bis 450 nm oder 500 nm bis 550 nm aufweisen. Vorzugsweise kann der Laserstrahl eine Wellenlänge von 515 nm aufweisen. Vorteilhafterweise kann ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 515 nm für das Herstellen der Schweißverbindung in Kupfer besonders geeignet sein.
Der Laserstrahl kann eine Leistung in einem Bereich von 10 W (Watt) bis 2000 W, insbesondere 300 W bis 900 W, aufweisen.
Das Führen des Laserstrahls über die beiden Werkstücke kann mit einer Geschwindigkeit in einem Bereich von 100 mm/s (Millimeter/Sekunde) bis 5000 mm/s, insbesondere 300 mm/s bis 1000 mm/s, erfolgen. Unter der Geschwindigkeit kann diejenige Geschwindigkeit verstanden werden, welche ein Fokus des Laserstrahls auf dem ersten Werkstück oder auf dem zweiten Werkstück in Bezug auf die beiden Werkstücke aufweist. Das Herstellen der Schweißverbindung zwischen dem ersten Werkstück und dem zweiten Werkstück kann zum Zweck des elektrischen Verbindens des ersten Werkstücks mit dem zweiten Werkstück erfolgen. Das Ermitteln basierend auf der Analyse der Bilddaten und Sensordaten kann ein Ermitteln umfassen, ob das erste Werkstück und das zweite Werkstück mittels der Schweißverbindung miteinander elektrisch verbunden sind.
Das erste Werkstück kann ein Deckel einer Batteriezelle sein. Das zweite Werkstück kann eine Metallfolie der Batteriezelle sein. Die Metallfolie kann als Batteriefolie bezeichnet werden. Die Schweißverbindung kann zum elektrischen Verbinden der Metallfolie mit dem Deckel dienen.
Das erste Werkstück und das zweite Werkstück können für das Herstellen der Schweißverbindung einander kontaktieren. Insbesondere können das erste Werkstück und das zweite Werkstück für das Herstellen der Schweißverbindung nebeneinander oder übereinander angeordnet sein.
Das Erstellen der Sensordaten kann mittels einer Sensor-Einrichtung erfolgen, die dazu ausgebildet ist, das Prozessleuchten und/oder die Schweißtiefe zu erfassen. Die Sensor- Einrichtung kann einen Sensor zum Erfassen des Prozessleuchtens und/oder der Schweißtiefe aufweisen. Die Schweißtiefe kann eine Tiefe sein, bis zu der der Laserstrahl für das Herstellen der Schweißverbindung in die beiden Werkstücke eindringt. Unter Prozessleuchten kann ein Leuchten des Materials des ersten Werkstücks und/oder des Materials des zweiten Werkstücks verstanden werden, das während dem Herstellen der Schweißverbindung auftritt, wenn der Laserstrahl auf das erste Werkstück und/oder das zweite Werkstück trifft.
Das Erstellen der Bilddaten kann mittels einer Kamera-Einrichtung erfolgen. Die Bilddaten können als Foto bezeichnet werden. Die Kamera-Einrichtung kann eine schwarz-weiß- Kamera oder eine Farbkamera aufweisen. Die Bilddaten können schwarz-weiß Bilddaten oder farbige Bilddaten sein.
Das Erstellen der Bilddaten kann mit einer Erstellrate, insbesondere Aufnahmerate, von größer oder gleich 100 Hz (Hertz), insbesondere größer oder gleich 1 kHz (Kilohertz), erfolgen.
Der Abschnitt der Schweißverbindung, von dem die Bilddaten erstellt werden, kann ein erstarrter Abschnitt der Schweißverbindung sein. Der Abschnitt der Schweißverbindung, von dem die Bilddaten erstellt werden, kann eine Länge aufweisen, die in ihrem Betrag gleich oder größer als ein Betrag einer Breite des Abschnitts der Schweißverbindung ist. Vorzugsweise kann der Abschnitt der Schweißverbindung eine Länge aufweisen, die größer ist als das Dreifache der Breite des Abschnitts der Schweißverbindung. Der Abschnitt der Schweißverbindung kann beispielsweise eine Länge mit einem Betrag in einem Bereich von 3 mm bis 30 mm, insbesondere 5 mm bis 10 mm, aufweisen. Alternativ kann das Erstellen der Bilddaten ein Erstellen von Bilddaten der gesamten Schweißverbindung sein.
Das Erstellen von Sensordaten über das Prozessleuchten kann ein Erfassen des Prozessleuchtens umfassen.
Das Erfassen des Prozessleuchtens kann in einem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 2000 nm, insbesondere 800 nm bis 1100 nm, erfolgen.
Das Erfassen des Prozessleuchtens kann in einem ersten, insbesondere nahinfraroten, Wellenlängenbereich und in einem zweiten, insbesondere sichtbaren, Wellenlängenbereich erfolgen. Der erste Wellenlängenbereich und der zweite Wellenlängenbereich können sich voneinander unterscheiden. Der erste Wellenlängenbereich kann sich von 800 nm bis 1000 nm erstrecken. Der erste Wellenlängenbereich kann eine spektrale Breite von kleiner oder gleich 200 nm aufweisen. Der zweite Wellenlängenbereich kann sich von 300 nm bis 700 nm erstrecken. Der zweite Wellenlängenbereich kann eine spektrale Breite von kleiner oder gleich 200 nm aufweisen.
Das Erfassen des Prozessleuchtens kann ein Blocken der Wellenlänge des Laserstrahls umfassen. Dadurch kann das Erfassen des Prozessleuchtens ohne ein Erfassen einer Wellenlänge des Laserstrahls erfolgen. Wenn der Laserstrahl beispielsweise eine Wellenlänge von 1030 nm oder 1070 nm aufweist, kann die Wellenlänge des Laserstrahls von 1030 nm oder 1070 nm geblockt sein. Das Blocken der Wellenlänge des Laserstrahls kann durch ein räumliches Trennen des Laserstrahls von dem Prozessleuchten erfolgen. Dadurch kann das erfasste Prozessleuchten von dem Laserstrahl ungestört oder unbeeinflusst sein.
Ein weiterer Aspekt des Verfahrens kann sein, dass zerstörungsfrei ermittelt werden kann, ob das erste Werkstück mit dem zweiten Werkstück miteinander verbunden sind. Ein weiterer Aspekt des Verfahrens kann sein, dass ermittelt wird, ob das erste Werkstück und das zweite Werkstück mittels der Schweißverbindung miteinander verbunden und mittels der Schweißverbindung miteinander elektrisch verbunden sind.
Ein weiterer Aspekt des Verfahrens kann sein, dass das Verfahren eine sichere Überwachung einer durchgängigen elektrischen Verbindung zwischen den beiden Werkstücken ermöglicht. Des Weiteren kann durch das Verfahren eine sichere Aussage über eine Länge der elektrischen Verbindung entlang der Schweißverbindung gemacht werden. Deshalb kann das Verfahren besonders für das Herstellen von Batteriezellen geeignet sein, da mittels des Verfahrens eine besonders sichere und zuverlässige Aussage über die elektrische Verbindung zwischen einem Deckel und einer Metallfolie der Batteriezelle gemacht werden kann.
In einer Weiterbildung des Verfahrens unterscheiden sich ein Material, aus dem das erste Werkstück gebildet ist, und ein Material, aus dem das zweite Werkstück gebildet ist, voneinander. Während dem Herstellen der Schweißverbindung tritt ein materialabhängiges Prozessleuchten auf. Das Analysieren der Sensordaten umfasst ein Ermitteln einer Materialzusammensetzung.
Vorteilhafterweise können dadurch besonders einfach die Sensordaten über die Schweißtiefe erstellt werden.
Unter materialabhängiges Prozessleuchten kann verstanden werden, dass ein Prozessleuchten des Materials des ersten Werkstücks und ein Prozessleuchten des Materials des zweiten Werkstücks sich voneinander unterscheiden. Insbesondere können sich ein Spektrum des Prozessleuchtens des Materials des ersten Werkstücks und ein Spektrum des Prozessleuchtens des Materials des zweiten Werkstücks bei einer gleichen Temperatur voneinander unterscheiden. Basierend auf einem spektralen Verlauf des Prozessleuchtens kann auf einen Anteil des Materials des ersten Werkstücks und auf einen Anteil des Materials des zweiten Werkstücks, vorzugsweise an einer Stelle, an der die Schweißverbindung hergestellt wird, geschlossen werden.
Das Ermitteln der Materialzusammensetzung kann ein Ermitteln des Anteils des Materials des ersten Werkstücks und ein Anteil des Materials des zweiten Werkstücks basierend auf einer spektralen Analyse des Prozessleuchtens umfassen. Während dem Herstellen der Schweißverbindung kann der Laserstrahl auf das erste Werkstück treffen, wodurch ein Prozessleuchten von 900 nm auftritt. Wenn der Laserstrahl auf das zweite Werkstück trifft, kann ein Prozessleuchten von 600 nm auftreten. Dadurch kann aufgrund des Auftretens des Prozessleuchtens von 600 nm darauf geschlossen werden, dass der Laserstrahl das erste Werkstück durchdrungen hat und das zweite Werkstück derart erhitzt hat, dass Prozessleuchten von dem zweiten Werkstück auftritt. Eine Intensität des Prozessleuchtens von dem ersten Werkstück und/oder von dem zweiten Werkstück kann repräsentativ für die Schweißtiefe sein. Das Analysieren der Bilddaten und Sensordaten kann ein Bestimmen der Schweißtiefe basierend auf einer Intensität des Prozessleuchtens umfassen.
Beispielsweise kann der Sensor der Sensor-Einrichtung ein Leistungsdetektor sein. Der Sensor kann als Diode, beispielsweise in Form einer Fotodiode, ausgebildet sein. Die Sensor-Einrichtung kann ein Wellenlängen-Filter, insbesondere in Form eines dichroitischen Spiegels, aufweisen. Der Wellenlängen-Filter kann als ein Bandpassfilter ausgebildet sein. Der Wellenlängen-Filter kann dazu ausgebildet sein, einen vorgegebenen Wellenlängenbereich zu transmittierenden oder zu reflektieren. Der Wellenlängen-Filter und der Sensor können derart relativ zueinander angeordnet sein, dass ein Anteil des Prozessleuchtens, der den vorgegebenen Wellenlängenbereich aufweist, auf den Sensor trifft. Der vorgegebene Wellenlängenbereich kann 300 nm bis 1000 nm, insbesondere 300 nm bis 700 nm und/oder 800 nm bis 1000 nm, betragen. Der vorgegebene Wellenlängenbereich kann nicht die Wellenlänge des Laserstrahls aufweisen.
Vorzugsweise kann die Sensor-Einrichtung einen ersten Sensor, einen zweiten Sensor, einen ersten Wellenlängen-Filter und einen zweiten Wellenlängen-Filter aufweisen. Der vorgegebene Wellenlängenbereich des ersten Wellenlängen-Filters kann 300 nm bis 700 nm betragen. Der vorgegebene Wellenlängenbereich des zweiten Wellenlängen-Filters kann 800 nm bis 1000 nm betragen. Der erste Sensor und der erste Wellenlängen-Filter können derart relativ zueinander angeordnet sein, dass ein Anteil des Prozessleuchtens, der den vorgegebenen Wellenlängenbereich des ersten Wellenlängen-Filters aufweist, auf den ersten Sensor trifft. Der zweite Sensor und der zweite Wellenlängen-Filter können derart relativ zueinander angeordnet sein, dass ein Anteil des Prozessleuchtens, der den vorgegebenen Wellenlängenbereich des zweiten Wellenlängen-Filters aufweist, auf den zweiten Sensor trifft. Der vorgegebene Wellenlängenbereich des ersten Wellenlängen-Filters kann charakteristisch für das Prozessleuchten des Materials des ersten Werkstücks sein. Der vorgegebene Wellenlängenbereich des zweiten Wellenlängen-Filters kann charakteristisch für das Prozessleuchten des Materials des zweiten Werkstücks sein. Durch eine Leistungsdetektion mittels des ersten Sensors und durch eine Leistungsdetektion mittels des zweiten Sensors kann detektiert werden, ob beim Herstellen der Schweißverbindung die Schweißtiefe derart gewählt ist, dass das erste Werkstück und das zweite Werkstück aufgeschmolzen werden. Bei Bedarf kann die Schweißtiefe basierend auf den detektierten Leistungen derart verändert werden, dass beide Werkstücke aufgeschmolzen werden.
Denkbar ist auch, dass die Sensor-Einrichtung mehr als zwei Sensoren und mehr als zwei Wellenlängen-Filter aufweist.
In einer Weiterbildung des Verfahrens umfasst das Erstellen der Sensordaten über die Schweißtiefe eine Schweißtiefenmessung mittels eines Messstrahls. Vorteilhafterweise können die Sensordaten dadurch eine besonders präzise Information über die Schweißtiefe aufweisen. Weiterer kann dadurch eine höhere Ortsauflösung erreicht werden. Beispielsweise kann der Laserstrahl die beiden Werkstücke derart aufschmelzen, dass sich eine Dampfkapillare ausbildet, wobei die Schweißtiefenmessung durch eine Messung der Tiefe der Dampfkapillare erfolgt. Die Schweißtiefenmessung kann mittels optischer Kohärenztomografie oder mittels eines Laserinterferometers erfolgen. Das Laserinterferometer kann eine Ortsauflösung senkrecht zur Schweißrichtung, insbesondere entlang eines Verlaufs der Schweißverbindung, aufweisen.
In einer Weiterbildung des Verfahrens umfasst die Analyse der Bilddaten und Sensordaten eine Analyse auf eine organische Verunreinigung der Schweißverbindung oder des Abschnitts der Schweißverbindung. Vorteilhafterweise kann dadurch eine ungewünschte Reduzierung der Stabilität der Schweißverbindung und/oder eine ungewünschte Reduzierung der elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Werkstück und dem zweiten Werkstück mittels der Schweißverbindung durch die organische Verunreinigung verhindert werden.
Wenn eine organische Verunreinigung der Schweißverbindung vorliegt, kann die Schweißverbindung Schlacke und/oder schwarzen Schlieren aufweisen. Die Analyse auf organische Verunreinigung der Schweißverbindung kann durch eine Analyse der Bilddaten auf Vorhandensein von Schlacke und/oder schwarzen Schlieren erfolgen. Die organische Verunreinigung der Schweißverbindung kann bei dem Herstellen einer Batteriezelle durch ein ungewünschtes Aufschmelzen eines Separators der Batteriezelle auftreten. Daher kann die organische Verunreinigung darauf hinweisen, dass die Schweißtiefe zu groß ist.
In einer Weiterbildung des Verfahrens umfasst die Analyse der Bilddaten und Sensordaten eine Ermittlung einer Farbe und/oder einer geometrischen Eigenschaft der Schweißverbindung oder des Abschnitts der Schweißverbindung.
Das Ermitteln, ob das erste Werkstück und das zweite Werkstück mittels der Schweißverbindung miteinander verbunden sind, kann basierend auf der Ermittlung der Farbe und/oder der geometrischen Eigenschaft der Schweißverbindung erfolgen.
Durch das Erstellen der Bilddaten kann eine Verfärbung und/oder eine Geometrie des Abschnitts der Schweißverbindung erfasst werden. Die Bilddaten können die Verfärbung und/oder die Geometrie des Abschnitts der Schweißverbindung mittels eines Unterschieds in ihren Grauwerten und/oder in ihren Farbwerten erfassen.
Beispielsweise können sich ein Material, aus dem das erste Werkstück gebildet ist, und ein Material, aus dem das zweite Werkstück gebildet ist, in ihrer Farbe voneinander unterscheiden. Die Analyse der Bilddaten und Sensordaten kann das Ermitteln einer Farbe des erfassten Abschnitts der Schweißverbindung umfassen. Das Ermitteln, ob das erste Werkstück und das zweite Werkstück mittels der Schweißverbindung miteinander verbunden sind, kann basierend auf einem Vergleich der ermittelnden Farbe der Schweißverbindung mit einer Soll-Farbe der Schweißverbindung, insbesondere basierend auf den Bilddaten, erfolgen.
Beispielsweise können sich das Material des ersten Werkstücks und das Material des zweiten Werkstücks in ihrer Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärmekapazität voneinander unterscheiden. Die unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärmekapazität kann die geometrische Eigenschaft der Schweißverbindung bestimmen. Die Analyse der Bilddaten und Sensordaten kann das Ermitteln der geometrischen Eigenschaft, insbesondere einer Breite, einer Fläche oder einer Schuppung, des erfassten Abschnitts der Schweißverbindung umfassen. Das Ermitteln, ob das erste Werkstück und das zweite Werkstück mittels der Schweißverbindung miteinander verbunden sind, kann basierend auf einem Vergleich der ermittelnden geometrischen Eigenschaft der Schweißverbindung mit einer Sollgeometrischen Eigenschaft der Schweißverbindung erfolgen.
Insbesondere kann ein Nahteinfall durch eine Verringerung der Breite, der Länge und/oder der Fläche der Schweißverbindung ermittelt werden.
In einer Weiterbildung des Verfahrens erfolgt die Analyse der Bilddaten und Sensordaten mittels eines trainierten neuronalen Netzes, insbesondere ein Convolutional Neural Network (deutsch: faltendes neuronales Netzwerk), erfolgt. Neuronale Netze können besonders vorteilhaft für die Analyse von Bilddaten sein.
Das neuronale Netz kann ortsauflösend qualifizieren, insbesondere mit einer Ortsauflösung von größer oder gleich 2 Pixel. Das neuronale Netz kann eine ll-NET Architektur aufweisen. Das neuronale Netz kann darauf trainiert sein, ein Nahteinfall zu erkennen. Die Analyse der Bilddaten und Sensordaten mittels des trainierten neuronalen Netzes kann eine Semantic Segmentation (deutsch: semantische Segmentierung) umfassen. Unter einer Semantic Segmentation kann ein Zuordnen von jedem Pixel der Bilddaten zu einer vorgegebenen Klasse verstanden werden.
In einer Weiterbildung des Verfahrens weist das Verfahren den Schritt auf: Verändern eines Schweißparameters für das Herstellen der Schweißverbindung basierend auf der Analyse der Bilddaten und Sensordaten. Alternativ oder zusätzlich weist das Verfahren den Schritt auf: Initiieren einer Herstellung einer Reparaturschweißverbindung basierend auf der Analyse der Bilddaten und Sensordaten.
Vorteilhafterweise können dadurch Schweißfehler rechtzeitig erkannt und frühzeitig Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Insbesondere kann während dem Herstellen der Schweißverbindung der Schweißparameter derart korrigiert werden, dass die Verbindung des ersten Werkstücks mit dem zweiten Werkstück mittels der Schweißverbindung sichergestellt ist.
Beispielsweise kann die Analyse der Bilddaten und Sensordaten ergeben, dass ein Material eines dritten Werkstücks, beispielsweise in Form des Separators der Batteriezelle, aufgeschmolzen wird. Der Schweißparameter kann derart verändert werden, dass die Schweißtiefe reduziert wird, um das weitere Aufschmelzen des dritten Werkstücks zu verhindern. Beispielsweise kann die Analyse der Bilddaten und Sensordaten ergeben, dass das erste Werkstück nicht mit dem zweiten Werkstück verbunden ist. Der Schweißparameter kann derart verändert werden, dass die Schweißtiefe erhöht wird, um das Verbinden von beiden Werkstücken miteinander zu erreichen.
Das Initiieren der Herstellung der Reparaturschweißverbindung kann erfolgen, falls die Analyse der Bilddaten und Sensordaten ergibt, dass das erste Werkstück nicht mit dem zweiten Werkstück verbunden ist und die Herstellung der Schweißverbindung abgeschlossen ist. Die Reparaturschweißverbindung kann neben der Schweißverbindung angeordnet sein.
Eine erfindungsgemäße Laserschweißmaschine ist zum Herstellen einer Schweißverbindung zwischen einem ersten Werkstück und einem zweiten Werkstück geeignet. Die Laserschweißmaschine weist eine Laserstrahlquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls für das Herstellen der Schweißverbindung, eine Sensor-Einrichtung zum Erstellen von Sensordaten über eine Prozessleuchten und/oder über eine Schweißtiefe während dem Herstellen der Schweißverbindung, eine Kamera-Einrichtung zum Erstellen von Bilddaten von zumindest einem Abschnitt der Schweißverbindung, und eine Steuereinheit auf. Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, die Bilddaten und Sensordaten zu analysieren und basierend auf den analysierten Bilddaten und Sensordaten zu ermitteln, ob das erste Werkstück und das zweite Werkstück mittels der Schweißverbindung miteinander verbunden sind.
Die Laserschweißmaschine kann dazu ausgebildet sein, ein zuvor beschriebenes Verfahren auszuführen. Die zuvor gemachte Beschreibung zum Verfahren kann für gleiche oder funktional entsprechende Merkmale der Laserschweißmaschine gelten.
Die Laserstrahlquelle kann ein Faser-Laser oder ein Scheiben-Laser sein.
Die Laserschweißmaschine kann eine Strahlumlenkungs-Einrichtung zum Lenken des Laserstrahls auf das erste Werkstück und das zweite Werkstück aufweisen.
Die Strahlumlenkungs-Einrichtung kann als eine Scanner-Optik oder als eine fliegende Optik ausgebildet sein. Die Scanner-Optik oder die fliegende Optik kann ein Abbildungsverhältnis in einem Bereich von 1 :1 bis 5:1, insbesondere 2:1 bis 3:1, aufweisen. Die Scanner-Optik kann eine PFO33-2-Optik aufweisen. Die fliegende Optik kann eine BEO-Optik aufweisen. Die Laserschweißmaschine kann eine Netzwerkverbindung aufweisen, die die Sensor- Einrichtung und die Kamera-Einrichtung jeweils mit der Steuereinheit verbindet.
Die Steuereinheit kann einen Computer und/oder einen Mikrocontroller aufweisen.
In einer Weiterbildung der Laserschweißmaschine ist die Sensor-Einrichtung derart angeordnet, dass eine Sensor-Achse der Sensor-Einrichtung zumindest abschnittsweise koaxial oder mit einem Winkel von bis zu ±15° zu einer Strahlachse des Laserstrahls ausgerichtet ist. Zusätzlich oder alternativ ist die Kamera-Einrichtung derart angeordnet, dass eine Kamera-Achse der Kamera-Einrichtung zumindest abschnittsweise koaxial oder mit einem Winkel von bis zu ±15° zu einer Strahlachse des Laserstrahls ausgerichtet ist.
Hierdurch können Einflüsse von Störungen, die das Erstellen der Sensordaten und/oder das Erstellen von Bilddaten stören, reduziert werden. Auch kann dadurch ein direkter Blick auf eine Stelle der beiden Werkstücke ermöglicht werden, an der die Schweißverbindung hergestellt wird.
Vorteilhafterweise kann eine derartige Anordnung der Sensor-Einrichtung und/oder der Kamera-Einrichtung eine besonders einfache Integration in die Strahlumlenkungs- Einrichtung ermöglichen.
Die Strahlachse des Laserstrahls kann eine Achse sein, entlang der sich der Laserstrahl ausbreitet.
Die Kamera-Achse kann als Blickachse oder optische Achse der Kamera-Einrichtung bezeichnet werden. Die Kamera-Achse kann eine gedachte Linie sein, die durch ein Zentrum eines Blickfelds der Kamera-Einrichtung verläuft und senkrecht zu einer Bildebene der Kamera-Einrichtung ist. Die Kamera-Achse kann eine Achse sein, entlang der das Licht von dem ersten Werkstück und/oder dem zweiten Werkstück zu der Kamera der Kamera- Einrichtung gelangt.
Die Sensor-Achse kann als Blickachse oder optische Achse der Sensor-Einrichtung bezeichnet werden. Die Sensor-Achse kann eine gedachte Linie sein, die durch ein Zentrum eines Erfassungsbereichs der Sensor-Einrichtung verläuft und senkrecht zu einer Erfassungsebene der Sensor-Einrichtung ist. Die Sensor-Achse kann eine Achse sein, entlang der das Licht von dem ersten Werkstück und/oder dem zweiten Werkstück zu dem Sensor der Sensor-Einrichtung gelangt. Eine erfindungsgemäße Verwendung umfasst das Ausführen des zuvor beschriebenen Verfahrens oder die Verwendung der zuvor beschriebenen Laserschweißmaschine zur Herstellung einer Batteriezelle.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Figuren, deren Beschreibung und den Ansprüchen entnehmbar. Alle in den Figuren, deren Beschreibung und den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer zylindrischen Batteriezelle während dem Verbinden eines Deckels der Batteriezelle mit einer Metallfolie der Batteriezelle,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Laserschweißmaschine zum Herstellen einer Schweißverbindung für das Verbinden des Deckels der Batteriezelle von Fig. 1 mit den Metallfolien,
Fig. 3 eine schematische Darstellung entsprechend Fig. 2 für eine Variante der
Laserschweißmaschine, und
Fig. 4 ein schematischer Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen einer
Schweißverbindung mit der Laserschweißmaschine von Fig. 2.
Fig. 1 zeigt eine zylindrische Batteriezelle 10 während dem Verbinden eines Deckels 12 der Batteriezelle mit einer Metallfolie 14 der Batteriezelle.
Die Metallfolie 14 ist aus Kupfer gebildet. Eine Dicke der Metallfolie 14 beträgt 8 pm. Auf der Metallfolie 14 ist ein Elektrodenmaterial aufgetragen. Die Metallfolie 14 ist aufgerollt und zusammen mit einem Separator der Batteriezelle 10, der die Metallfolie 14 von einer weiteren Metallfolie der Batteriezelle 10 voneinander elektrisch isoliert, in einem Batterietopf 16 der Batteriezelle 10 eingesetzt. Die Metallfolie 14 hat Verbindungsabschnitte 18, die frei von Elektrodenmaterial sind und die über den Batterietopf 16 überstehen.
Der Deckel 12 ist aus einem diffusionsgeglühten Bandstahl mit elektrolytischer Nickelbeschichtung gebildet. Der Deckel 12 hat eine Dicke von 0,3 mm. Der Deckel 12 bildet eine Elektrode, insbesondere eine Anschlusselektrode, der Batteriezelle 10.
Das Verbinden des Deckels 12 mit der Metallfolie 14 erfolgt mittels eines Laserstrahls 20, der eine Schweißverbindung zwischen dem Deckel 12 und den Verbindungsabschnitten 18 herstellt. Hierzu wird der Deckel 12 gegen den Batterietopf 16 gedrückt, bis der Deckel 12 den Batterietopf 16 verschließt, um anschließend mit dem Laserstrahl 20 die Schweißverbindung herzustellen. In Fig. 1 ist für das bessere Verständnis und für die Sichtbarkeit der Verbindungsabschnitte 18 der Deckel 12 nicht gegen den Batterietopf 16 anliegend dargestellt.
Mittels der Schweißverbindung werden die Verbindungsabschnitte 18 mit dem Deckel 12 elektrisch verbunden.
Der Deckel 12 kann als erstes Werkstück und die Metallfolie 14, insbesondere die Verbindungsabschnitte 18, kann als zweites Werkstück bezeichnet werden.
Fig. 2 zeigt eine Laserschweißmaschine 100 während dem Herstellen der Schweißverbindung zwischen dem Deckel 12 und den Verbindungsabschnitten 18 der Batteriezelle 10.
Die Laserschweißmaschine 100 hat eine Laserstrahlquelle 22 zum Erzeugen des Laserstrahls 20 für das Herstellen der Schweißverbindung. Die Laserstrahlquelle 22 ist ein Faser-Laser.
Der Laserstrahl 20 hat eine Beugungsmaßzahl M2 in einem Bereich von 1 bis 1,4. Der Laserstrahl 20 hat ein gaußförmiges Intensitätsprofil. Der Laserstrahl 20 hat eine Wellenlänge von 1064 nm. Der Laserstrahl 20 hat eine Leistung in einem Bereich von 350 W bis 400 W.
Die Laserschweißmaschine 100 hat eine Strahlumlenkungs-Einrichtung 24 zum Lenken des Laserstrahls 20 auf den Deckel 12. Die Strahlumlenkungs-Einrichtung 24 kann eine Mehrzahl von Linsen und Umlenkspiegel aufweisen. Die Strahlumlenkungs-Einrichtung 24 hat ein Abbildungsverhältnis von 2:1. Ein Strahldurchmesser des Laserstrahls 20 auf dem Deckel 12 beträgt 60 pm. Die Strahlumlenkungs-Errichtung 24 ist dazu ausgebildet, den Laserstrahl 20 mit einer Geschwindigkeit in einem Bereich von 350 mm/s bis 900 mm/s über den Deckel 12 zu führen.
Wenn der Laserstrahl 20 auf den Deckel 12 trifft, kann der Laserstrahl 20 für das Herstellen der Schweißverbindung den Deckel 12 und die Verbindungsabschnitte 18 lokal aufschmelzen. Im aufgeschmolzenen Zustand können das Material des Deckels 12 und das Material der Verbindungsabschnitte 18 sich einander durchmischen. Das Herstellen der Schweißverbindung ist ein Tiefschweißprozess. Während dem Herstellen der Schweißverbindung tritt ein Prozessleuchten von dem Material des Deckels 12 und von dem Material der Verbindungsabschnitte 18 auf. Das Prozessleuchten von dem Material des Deckels 12 und das Prozessleuchten von dem Material der Verbindungsabschnitte 18 unterscheiden sich in ihrem Spektrum, insbesondere ihrer Wellenlänge, voneinander.
Ein Anteil 26 des Prozessleuchtens trifft auf einen dichroitischen Spiegel 28 der Strahlumlenkungs-Einrichtung 24. Der dichroitische Spiegel 28 ist mit einem Reflexionsgrad von über 98% für eine Wellenlänge des Laserstrahls 20 reflektierend und für eine Wellenlänge des Prozessleuchtens mit einem Transmissionsgrad von über 98% transmittierend ausgebildet. Der dichroitische Spiegel 28 trennt den in Fig. 2 gestrichelt dargestellten Anteil 26 des Prozessleuchtens räumlich von dem Laserstrahl 20.
In Ausbreitungsrichtung des Anteils 26 des Prozessleuchtens ist nach dem dichroitischen Spiegel 28 ein teildurchlässiger Spiegel 34 der Laserschweißmaschine 100 angeordnet. Der teildurchlässige Spiegel 34 lenkt 5% des Lichts auf eine Kamera 36 einer Kamera- Einrichtung 32 der Laserschweißmaschine 100. Die Kamera 36 ist eine Farbbildkamera.
Die Kamera-Einrichtung 32 ist zum Erstellen von Bilddaten von zumindest einem Abschnitt der Schweißverbindung ausgebildet. Die Kamera-Einrichtung 32 derart angeordnet, dass eine in Fig. 2 gepunktet dargestellte Kamera-Achse der Kamera-Einrichtung 32 von dem Deckel 12 bis zu dem dichroitischen Spiegel 28 koaxial zu einer Strahlachse des Laserstrahls 20 ausgerichtet ist.
Der von dem teildurchlässigen Spiegel 34 transmittierte Anteil 26 des Prozessleuchtens trifft auf einen Umlenkspiegel 40 der Laserschweißmaschine 100. Der Umlenkspiegel 40 ist mit einem Reflexionsgrad von über 98% für eine Wellenlänge in einem Bereich von 300 nm bis 1000 nm reflektierend ausgebildet. Der Umlenkspiegel 40 lenkt den Anteil 26 des Prozessleuchtens auf einen Sensor 42 einer Sensor-Einrichtung 38 der Laserschweißmaschine 100. Der Sensor 42 ist eine Fotodiode.
Die Sensor-Einrichtung 38 ist zum Erstellen von Sensordaten über eine Schweißtiefe während dem Herstellen der Schweißverbindung ausgebildet. Insbesondere ist der von dem Sensor 42 detektierte Leistungsanteil des Prozessleuchtens repräsentativ für eine Schweißtiefe. Die Sensor-Einrichtung 38 ist derart angeordnet, dass eine Sensor-Achse der Sensor-Einrichtung 38 von dem Deckel 12 bis zu dem dichroitischen Spiegel 28 koaxial zu der Strahlachse des Laserstrahls 20 ausgerichtet ist.
Die Laserschweißmaschine 100 hat eine Steuereinheit 44 in Form eines Computers. Die Steuereinheit 44 ist über eine Netzwerkverbindung der Laserschweißmaschine 100 mit der Sensor-Einrichtung 38 und der Kamera-Einrichtung 32 verbunden.
Die Steuereinheit 44 ist dazu ausgebildet, mittels eines trainierten neuronalen Netzes die Bilddaten und Sensordaten zu analysieren.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Material, aus dem die Verbindungsabschnitte 18 gebildet sind, Kupfer mit einer rötlichen Farbe und das Material, aus dem der Deckel 12 gebildet ist, Bandstahl mit einer silbernen Farbe. Daher kann die Steuereinheit 44 basierend auf der Farbe der Schweißverbindung ein Grad der Durchmischung des Materials der Verbindungsabschnitte 18 mit dem Material des Deckels 12 ermitteln.
In Abhängigkeit von der ermittelten Farbe der Schweißverbindung und der Schweißtiefe ermittelt das trainierte neuronale Netz, ob der Deckel 12 und die Verbindungsabschnitte 18 mittels der Schweißverbindung miteinander verbunden, insbesondere elektrisch verbunden, sind.
Zusätzlich kann bei einer zu tiefen Schweißtiefe der Separator aufgeschmolzen werden. Der Separator ist aus einem organischen Material gebildet. Daher kann organisches Material durch das Aufschmelzen des Separators in die Schweißverbindung gelangen. Dadurch kann die Schweißverbindung mit dem organischen Material verunreinigt werden. Das organische Material des Separators kann eine Stabilität der Schweißverbindung reduzieren und/oder eine elektrische Verbindung zwischen dem Deckel und den Verbindungsabschnitte 18 reduzieren oder ganz verhindern.
Falls der Separator aufgeschmolzen wird und das organische Material des Separators in die Schweißverbindung gelangt, kann dies zu Schlacke auf der Schweißverbindung und/oder zu schwarzen Schlieren in der Schweißverbindung führen. Die Steuereinheit 44 kann dazu ausgebildet sein, die organische Verunreinigung durch die Analyse der Bilddaten auf Schlacke und/oder schwarze Schlieren zu identifizieren. Falls Schlacke und/oder schwarze Schlieren identifiziert werden, kann die Steuereinheit 44 ermitteln, dass der Deckel 12 und die Verbindungsabschnitte 18 nicht mittels der Schweißverbindung miteinander verbunden sind.
Falls das trainierte neuronale Netz ermittelt, dass der Deckel 12 und die Verbindungsabschnitte 18 nicht mittels der Schweißverbindung miteinander verbunden sind, kann die Steuereinheit 44 einen Schweißparameter für das Herstellen der Schweißverbindung ändern. Das Ändern des Schweißparameters kann eine Änderung der Schweißtiefe bewirken. Der Schweißparameter kann nach dem Herstellen der Schweißverbindung oder während dem Herstellen der Schweißverbindung erfolgen.
Alternativ und/oder zusätzlich kann die Steuereinheit 44 das Herstellen einer Reparaturschweißverbindung initiieren. Die Reparaturschweißverbindung kann parallel und versetzt zu der Schweißverbindung angeordnet sein.
In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Laserschweißmaschine 100 von Fig. 2 gezeigt, wobei für identische und funktionell äquivalente Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet sind und insoweit auf die obigen Ausführungen zum Ausführungsbeispiel der Fig.
2 verwiesen werden kann, so dass im Wesentlichen nur auf die bestehenden Unterschiede eingegangen wird.
Das Prozessleuchten des Materials, aus dem der Deckel 12 gebildet ist, hat eine Wellenlänge in einem Bereich von 800 nm bis 1000 nm. Das Prozessleuchten des Materials, aus dem die Verbindungsabschnitte 18 gebildet sind, hat eine Wellenlänge in einem Bereich von 300 nm bis 700 nm.
Die Sensor-Einrichtung 38 hat einen ersten Sensor 46, einen zweiten Sensor 48, einen ersten Wellenlängen-Filter 52 und einen zweiten Wellenlängen-Filter 54.
Nach dem Umlenkspiegel 40 trifft der Anteil 26 des Prozessleuchtens auf den ersten Wellenlängen-Filter 52. Der erste Wellenlängen-Filter 52 ist für Wellenlängen in einem Bereich von 800 nm bis 1000 nm mit einem Reflexionsgrad von über 98% reflektierend ausgebildet und für Wellenlängen in einem Bereich von 300 nm bis 700 nm mit einem Transmissionsgrad von über 98% transmittierende ausgebildet. Damit wird mittels des ersten Wellenlängen-Filters 52 derjenige Anteil des Prozessleuchtens auf den ersten Sensor 46 gelenkt, der von dem Material des Deckels 12 stammt. Derjenige Anteil des Prozessleuchtens, der von den Verbindungsabschnitte 18 stammt, transmittiert den ersten Wellenlängen-Filter 52 und trifft auf den zweiten Wellenlängen-Filter 54. Der zweite Wellenlängen-Filter 54 ist für Wellenlängen in einem Bereich von 300 nm bis 700 nm mit einem Reflexionsgrad von über 98% reflektierend ausgebildet. Damit wird mittels des zweiten Wellenlängen-Filters 54 derjenige Anteil des Prozessleuchtens auf den zweiten Sensor 48 gelenkt, der von dem Material der Verbindungsabschnitte 18 stammt.
Die Steuereinheit 44 ist dazu ausgebildet, basierend auf der detektierten Leistung des ersten Sensors 46 und der detektierten Leistung des zweiten Sensors 48 zu ermitteln, ob beim Herstellen der Schweißverbindung die Schweißtiefe derart gewählt ist, dass das Material des Deckels 12 und das Material der Verbindungsabschnitte 18 aufgeschmolzen werden.
Beispielsweise ermittelt die Steuereinheit 44 basierend auf einer Detektion des Prozessleuchtens mit dem ersten Sensor 46 und mit dem zweiten Sensor 48, dass die Schweißtiefe derart gewählt ist, dass das Material des Deckels 12 und das Material der Verbindungsabschnitte 18 aufgeschmolzen werden.
Bei Bedarf kann die Steuereinheit 44 die Strahlumlenkungs-Einrichtung 24 derart ansteuern, dass die Schweißtiefe verändert wird, bis das Material des Deckels 12 und Material der Verbindungsabschnitte 18 aufgeschmolzen werden.
Fig. 4 zeigt einen beispielhaften Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen der Schweißverbindung zwischen dem Deckel 12 und den Verbindungsabschnitten 18 mittels der zuvor beschriebenen Laserschweißmaschine 100 von Fig. 2 oder der zuvor beschriebenen Laserschweißmaschine 100 von Fig. 3.
Das Verfahren weist die Schritte auf: a) Herstellen der Schweißverbindung; b) Erstellen von Sensordaten über die Schweißtiefe während dem Herstellen der Schweißverbindung durch Erfassen des Prozessleuchtens während dem Herstellen der Schweißverbindung; c) Erstellen von Bilddaten von zumindest einem Abschnitt der Schweißverbindung; d) Ermitteln basierend auf einer Analyse der Bilddaten und Sensordaten mittels des trainierten neuronalen Netzes, ob der Deckel 12 und die Verbindungsabschnitte 18 mittels der Schweißverbindung miteinander elektrisch verbunden sind; e) Verändern eines Schweißparameters für das Herstellen der Schweißverbindung basierend auf der Analyse der Bilddaten und Sensordaten; und f) Initiieren der Herstellung einer Reparaturschweißverbindung basierend auf der Analyse der Bilddaten und Sensordaten, falls im Schritt d) ermittelt wird, dass der Deckel 12 und die Verbindungsabschnitte 18 nicht mittels der Schweißverbindung miteinander elektrisch verbunden sind.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen einer Schweißverbindung zwischen einem ersten Werkstück (12) und einem zweiten Werkstück (18), wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Herstellen der Schweißverbindung,
Erstellen von Sensordaten über ein Prozessleuchten und/oder über eine Schweißtiefe während dem Herstellen der Schweißverbindung,
Erstellen von Bilddaten von zumindest einem Abschnitt der Schweißverbindung, und Ermitteln basierend auf einer Analyse der Bilddaten und Sensordaten, ob das erste Werkstück (12) und das zweite Werkstück (18) mittels des Abschnitts der Schweißverbindung miteinander verbunden sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei ein Material, aus dem das erste Werkstück (12) gebildet ist, und ein Material, aus dem das zweite Werkstück (18) gebildet ist, sich voneinander unterscheiden, wobei während dem Herstellen der Schweißverbindung ein materialabhängiges Prozessleuchten auftritt, wobei das Analysieren der Sensordaten ein Ermitteln einer Materialzusammensetzung umfasst.
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Erstellen der Sensordaten über die Schweißtiefe eine Schweißtiefenmessung mittels eines Messstrahls umfasst.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Analyse der Bilddaten und Sensordaten eine Analyse auf eine organische Verunreinigung des Abschnitts der Schweißverbindung umfasst.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Analyse der Bilddaten und Sensordaten eine Ermittlung einer Farbe und/oder einer geometrischen Eigenschaft des Abschnitts der Schweißverbindung umfasst.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Analyse der Bilddaten und Sensordaten mittels eines trainierten neuronalen Netzes, insbesondere ein Convolutional Neural Network, erfolgt.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren den Schritt aufweist: Verändern eines Schweißparameters für das Herstellen der Schweißverbindung basierend auf der Analyse der Bilddaten und Sensordaten, und/oder wobei das Verfahren den Schritt aufweist: Initiieren einer Herstellung einer Reparaturschweißverbindung basierend auf der Analyse der Bilddaten und Sensordaten.
8. Laserschweißmaschine (100) zum Herstellen einer Schweißverbindung zwischen einem ersten Werkstück (12) und einem zweiten Werkstück (18), aufweisend: eine Laserstrahlquelle (22) zum Erzeugen eines Laserstrahls (20) für das Herstellen der Schweißverbindung, eine Sensor-Einrichtung (38) zum Erstellen von Sensordaten über ein Prozessleuchten und/oder über eine Schweißtiefe während dem Herstellen der Schweißverbindung, eine Kamera-Einrichtung (32) zum Erstellen von Bilddaten von zumindest einem Abschnitt der Schweißverbindung, und eine Steuereinheit (44), die dazu ausgebildet ist, die Bilddaten und Sensordaten zu analysieren und basierend auf den analysierten Bilddaten und Sensordaten zu ermitteln, ob das erste Werkstück (12) und das zweite Werkstück (18) mittels des Abschnitts der Schweißverbindung miteinander verbunden sind.
9. Laserschweißmaschine (100) nach Anspruch 8, wobei die Sensor-Einrichtung (38) derart angeordnet ist, dass eine Sensor-Achse der Sensor-Einrichtung (38) zumindest abschnittsweise koaxial oder mit einem Winkel von bis zu ±15° zu einer Strahlachse des Laserstrahls (20) ausgerichtet ist, und/oder wobei die Kamera-Einrichtung (32) derart angeordnet ist, dass eine Kamera-Achse der Kamera-Einrichtung zumindest abschnittsweise koaxial oder mit einem Winkel von bis zu ±15° zu einer Strahlachse des Laserstrahls (20) ausgerichtet ist.
10. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder einer Laserschweißmaschine (100) nach Anspruch 8 oder 9 zur Herstellung einer Batteriezelle (10).
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