Laserschweißen unterschiedlicher Werkstoffe: Schweißen von Aluminiumfolie und Kupfer bei der Batterieherstellung

Hersteller von Batteriesystemen benötigen effiziente, schnelle und zuverlässige Verfahren zum Schweißen dünner Aluminiumfolien und Kupferplatten. Das berührungslose Laserschweißen bietet eine attraktive Möglichkeit, war jedoch in der Vergangenheit bei Folienstärken unter 200 µm nicht einsetzbar. Der Grund dafür war, dass bestehende Faserlaserquellen ihre Leistung nicht mit der erforderlichen räumlichen Verteilung abgeben konnten. Insbesondere verursachte ein Hochleistungs-Faserlaser Schäden an der oberen Folienlage, während Faserlaser mit geringer Leistung keine ausreichende Schweißnahtdurchdringung erreichten. Derzeit werden diese Einschränkungen durch einen Faserlaser mit einstellbarem kreisförmigem Modus (ARM) und einem monomodalen Zentralstrahl überwunden.

Verfahren

Eine gängige Aufgabe bei der Herstellung von Batteriemodulen ist die elektrische Reihenschaltung mehrerer Batterien durch das Überlappungsschweißen einer dünnen Aluminiumschiene an einen dickeren Kupferstab. Die Tests wurden am Schweißen eines 0,2 mm dicken Aluminiumblechs (oben) an eine 1,5 mm dicke Kupferplatte (unten) durchgeführt. Für den Test wurde die Laserquelle Coherent HighLight FL4000CSM-ARM mit einer Prozessfaser von 25 µm/170 µm (Zentralstrahl/Ring) sowie mit der Optik eines Fernschweißscanners, der eine 3-fache Vergrößerung des Strahls auf der Arbeitsfläche erzeugte. Die Leistung des Kernstrahls betrug 500–800 W und die des Ringstrahls 1000–1200 W. Die Laserleistung wurde über einen Zeitraum von 0,18–0,32 Sekunden abgegeben. Die Leistung des Kern- und des Ringstrahls wurde unabhängig voneinander geregelt.

Ergebnisse

Es gelang, eine qualitativ hochwertige, vollständig durchgeschweißte Naht zu erzielen, ohne die dünne Aluminiumfolie zu beschädigen (siehe Abbildung 2). Während des Prozesses entstanden keine Spritzer, und der Einsatz von Zusatzdraht war nicht erforderlich. Dieses positive Ergebnis ist darauf zurückzuführen, dass der ARM-Laser die Schweißtiefe durch den Ringstrahl über das Schlüsselloch stabilisiert. Ein hochleistungsfähiger, singlemodiger Zentralstrahl (mit hoher Energiedichte, aber geringer Gesamtenergie) führt den eigentlichen Schweißvorgang durch, ohne das Material durch eine zu hohe Wärmezufuhr zu beschädigen. Und schließlich ermöglicht der unabhängig gesteuerte Leistungsanstieg des Rings eine kontrollierte Abkühlung des Materials, wodurch Turbulenzen im Schmelzbad minimiert und Spritzer vermieden werden.

Anwendungsbereich

Das Laserschweißen eignet sich zum Schweißen dünner Folien und wärmeempfindlicher Werkstoffe. Vor allem die Bereiche Batterieproduktion und E-Mobilität bieten derzeit großes Potenzial für den Ausbau dieser Technologie. Dazu gehören neben dem klassischen Schweißen auch das Laserschweißen von Kupferfolien in Säulen, das Schweißen von Folien auf Platten in der Batterieindustrie sowie das Schweißen von Aluminiumblechen auf Kupferplatten bei der Herstellung von Sammelschienen.