Harmonische Verbindungen halten deutlich länger

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Zwei Schweißverfahren als Sieger

Nach dem Durchrechnen vieler Prozessparameter und detaillierten Laborversuchen haben sich die Manz-Ingenieure schließlich auf eine Reihe von Schweißtechniken festgelegt, die sich je nach Kundenanforderung in eine flexibel konfigurierbare Standardmaschinenplattform namens BLS 500 integrieren lassen. Die beiden wichtigsten Verfahren, die bei der Lithium-Ionen-Batteriefertigung zum Einsatz kommen, sind der sogenannte P1-Prozess, der mit kurzen Pulsen arbeitet und der sogenannte P2-Prozess, der auf einem in vielen Aspekten weiterentwickelten Wobbling-Prozess basiert.

Wobbling-Schweißen bezeichnet ursprünglich eine spiralförmige, überlappende Modulation des Laserstrahls. Herkömmlichen Laserschweißprozessen, für die vor allem Multimode-Laserquellen eingesetzt werden, ist das P2-Verfahren von Manz weit überlegen. „Besonders bei bimetallischen Verbindungen ist die Durchmischung der Schmelze äußerst kritisch, weil sich dadurch spröde Phasen ausbilden“, merkt Dr. Dmitrij Walter, Abteilungsleiter Laserprozesstechnik bei Manz, an. Beim Wobbling werde die Durchmischung der Schmelze signifikant reduziert. Das Ergebnis sind Schweißnähte mit sehr hoher Festigkeit. „In Tests haben wir verschweißte Kontaktelemente von einer Batterie abgezogen. Dabei hat das Ableitermaterial um die Schweissnaht versagt, nicht aber die Schweißnaht selbst, was für die Qualität des Verfahrens spricht“, betont Gaiser.

Mit dem P2-Verfahren konnte das Manz-Team den thermischen Eintrag in bestimmten Batteriezellen auf unter 65 °C reduzieren. Nahezu konstante Einschweißtiefen von weniger als 150 µm sind möglich. Das brachte den Durchbruch für den Einsatz der BLS 500 in der Massenproduktion von Batteriemodulen, weil der Laser die chemisch wirksame Masse im Innern der Batterie bei nur 300 µm Wandstärke natürlich nicht schädigen darf. Die Tiefe und die Breite der Schweißnähte lassen sich unabhängig voneinander einstellen.

Toleranzausgleich per 3D-Scanner

Um diese hohe Präzision und Qualität zu erreichen, nutzt Manz eine weitere Kernkompetenz: Außer der Automation und der Laserbearbeitung ist das die Integration von Messtechnik. In der BLS 500 sorgen ein voll kalibrierter 3D-Scanner, Kameratechnik und Topografiemessungen für eine präzise Bearbeitung in allen Raumrichtungen. Um die in der Batteriefertigung auftretenden Bauteiltoleranzen der Ableiter, Zellen und Zellgehäuse auszugleichen, verfügen die Laserprozessköpfe über eine optische Z-Achse. Die präzise Positionierung der Arbeitsebene des Scanners in Z-Richtung dauert nur wenige Millisekunden.

Außer dem P2-Prozess bietet Manz für nahezu beliebige Bimetall-Kombinationen einen weiteren Schweißprozess an, der auf einer hochfrequenten zeitlichen Modulation der Spitzenleistung mit bis zu mehreren 100 kHz basiert: Das kurzpulsige P1-Laserschweißen.

Damit lassen sich beliebige Schweißnaht- oder Schweißpunktgeometrien erzeugen – von 50 µm breiten Mikronähten bis hin zu Schweißpunkten beliebiger Form mit mehreren Millimetern Durchmesser. Im Gegensatz zum P2-Schweißen wird beim P1-Verfahren – speziell bei Kupfer und Stahl – eine besonders stabile Verbindung erzeugt, indem sich die Materialien ineinander verhaken beziehungsweise verklammern. Auch dabei sorgt der sehr geringe Energieeintrag für eine minimale Wärmebelastung.

Damit empfiehlt sich der P1-Prozess besonders bei thermisch empfindlichen Bauteilen und für die immer kleiner werdenden Batteriegehäuse. Schweißen lassen sich nahezu beliebige Materialkombinationen, etwa aus Aluminium, Kupfer, Stahl, Hilan, Messing oder Edelstahl. Auch hinsichtlich der Oberflächengüte ist das P1-Schweißverfahren sehr flexibel: Hochreflektierende Werkstoffe, wie chemisch geätztes oder poliertes Kupfer, Silber und Gold oder extreme Verschmutzungen von Öl- und Laugenrückstände stellen keine Hürde dar.

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