Abbildung 1: Laserschweißaufbau für zylindrische Lithium---Ionen-Batteriemodule. (Bildquelle: Photon Automation)
Zylindrische Lithium-Ionen-Batterien (wie 18650, 21700 und größere 4680-Modelle) werden aufgrund ihrer hohen Energiedichte, ihres standardisierten Designs und ihrer bewährten Zuverlässigkeit häufig in tragbaren Elektronikgeräten, Elektrowerkzeugen, Energiespeichersystemen und insbesondere in Elektrofahrzeugen verwendet. Bei diesen Batterien wird typischerweise vernickelter Stahl (Hilumin) als Gehäusematerial verwendet, da die Nickelbeschichtung für Korrosionsbeständigkeit sorgt, während das Stahlsubstrat für strukturelle Festigkeit sorgt, um Innendruck und mechanischer Beanspruchung standzuhalten.
Um spezifische Design- und Leistungsanforderungen zu erfüllen, verwenden einige zylindrische Zellen mit 46 mm Durchmesser unterschiedliche Gehäusematerialien wie Aluminium und vernickelten Stahl. Eine entscheidende Herausforderung bei der Herstellung von Modulen oder Batteriepacks ist das Zusammenschweißen von Aluminium und Stahl, da sich ihre thermischen Eigenschaften und ihr Schweißverhalten erheblich unterscheiden.
Bei der Konstruktion zylindrischer Batteriemodule oder -pakete werden Zellen (einzelne Batterieeinheiten) in einem bestimmten Muster angeordnet und entsprechend den Spannungs- und Stromanforderungen der Anwendung in Reihe oder parallel geschaltet. Diese Konfiguration ermöglicht es Herstellern, die Gesamtenergiekapazität und Leistungsabgabe des Batteriepakets anzupassen, um den Anforderungen spezifischer Anwendungen wie Elektrofahrzeugen oder stationären Energiespeichersystemen gerecht zu werden. Zellen werden typischerweise über Aluminium-Sammelschienen mit einer Dicke von 0,3–0,6 mm miteinander verbunden, die dann laserverschweißt werden, um zuverlässige elektrische Verbindungen zu erreichen (siehe Abbildung 1). Der für Batteriegehäuse verwendete vernickelte Stahl hat im Allgemeinen eine Dicke von 0,4–0,6 mm, je nach Zelldesign und Herstellermarke.
Bei Elektrofahrzeuganwendungen müssen die Schweißnähte, die Aluminium-Sammelschienen mit Batteriezellen verbinden, unter schwierigen dynamischen Bedingungen, einschließlich Stößen, Vibrationen und thermischen Zyklen, eine hohe strukturelle Integrität und elektrische Leitfähigkeit aufrechterhalten. Daher ist präzises und zuverlässiges Laserschweißen entscheidend für die langfristige Leistung und Sicherheit der Batterie. Für dieses Montageszenario eignet sich das Laserschweißen hervorragend-. Es erzeugt hochfeste, saubere Verbindungen mit geringem Wärmeeintrag und minimaler Verformung. Diese Eigenschaften sind entscheidend für die Bewältigung der Herausforderungen beim Schweißen von Aluminium an vernickelten Stahl.
Bildung spröder intermetallischer Verbindungen (IMCs)
Die größte Herausforderung beim Schweißen ist die Bildung spröder intermetallischer Verbindungen (IMCs), die die Festigkeit der Verbindung und die elektrische Leitfähigkeit erheblich verringern. Dieses Problem ist auf die unterschiedlichen Eigenschaften von Aluminium und Stahl zurückzuführen, insbesondere auf ihre unterschiedlichen thermischen Reaktionen: Aluminium schmilzt und dehnt sich schneller aus als Stahl und erzeugt thermische Spannungen, die das IMC-Wachstum beim Schweißen fördern. Diese IMCs-wie Eisen-Aluminiumverbindungen FeAl₃ und Fe₂Al₅-weisen typischerweise spröde Texturen auf, die die Festigkeit der Verbindung schwächen, was zur Rissbildung, verminderter Festigkeit und erhöhter Korrosionsanfälligkeit führt.
Die Bildung und das Gesamtvolumen von IMCs während des Schweißens wirken sich entscheidend auf die Schweißqualität und die Langzeitleistung aus. Mit zunehmendem IMC-Volumen nimmt die Brüchigkeit der Verbindung zu, die mechanische Festigkeit nimmt ab und die Wahrscheinlichkeit eines spannungsbedingten Versagens steigt. Eine tiefere Schweißnahtpenetration erhöht typischerweise das gesamte IMC-Volumen, was die Notwendigkeit einer präzisen Schweißparametersteuerung unterstreicht, um eine hohe Verbindungsfestigkeit, Zuverlässigkeit und Haltbarkeit sicherzustellen.
Umfangreiche Untersuchungen zeigen, dass die Aufrechterhaltung einer dünnen, gleichmäßigen IMC-Schicht (typischerweise 2 µm bis 10 µm) zu einer höheren Zugscherfestigkeit führt. Diese dünnen Schichten ermöglichen eine effektive metallurgische Verbindung und minimieren gleichzeitig die Sprödigkeit der Verbindung. Wenn die Dicke der IMC-Schicht jedoch 15 µm überschreitet, führt ihre Sprödigkeit häufig zu einer verringerten Zugfestigkeit aufgrund der Anfälligkeit für Rissbildung und -ausbreitung unter Last (siehe Abbildung 2).
Abbildung 2: Einfluss der IMC-Schichtdicke auf die Zugfestigkeit. (Bildquelle: H. He et al.) [1]
Um dieses Problem anzugehen, besteht ein wirksamerer Ansatz darin, die Schweißschnittstellenfläche zu vergrößern, anstatt sich ausschließlich auf eine größere Eindringtiefe zu verlassen. Die Erweiterung des Schnittstellenbereichs verbessert die metallurgische Bindung und begrenzt gleichzeitig das gesamte IMC-Volumen. Dies verringert die Sprödigkeit und fördert eine gleichmäßigere Spannungsverteilung an der Verbindung, wodurch die Zuverlässigkeit verbessert wird. Dieser Effekt kann durch die Kombination von Laserimpulsen mit Strahlscantechnologie erreicht werden, um den Wärmeeintrag und die Grenzflächenbildung präzise zu steuern und so das IMC-Wachstum zu minimieren.
Photon Automation hat fortschrittliche Impuls- und Leistungssteuerungen entwickelt, die eine Präzisionssteuerung im Mikrosekundenbereich-über Laser ermöglichen und so eine individuelle Impulsformung ermöglichen. Durch die Feinabstimmung der Pulsform werden lokale thermische Spannungen reduziert, die idealen mechanischen Eigenschaften des Materials bleiben erhalten, die Wärmeeinflusszone (HAZ) wird minimiert und die Lebensdauer der Teile verlängert. Das WonderBOARD des Unternehmens lässt sich auch mit Galvo-Spiegelsteuerungen verbinden und ermöglicht so eine gleichmäßige Verteilung der Laserenergie auf die Werkstücke. Dies verhindert Hotspots und ungleichmäßige Erwärmung durch schnelle Strahlbewegungen.
Laserpuls- und Strahloszillationssteuerung zur IMC-Bildung
Gepulste Laser bieten eine hervorragende Kontrolle des Wärmeeintrags und verringern das Risiko von Über{0}}schmelzen oder Spritzern. Die Abkühlintervalle zwischen den Impulsen minimieren die Wärmeansammlung und tragen so dazu bei, Defekte wie Durchbrennen oder Verformung zu verhindern. Beim Schweißen von dünnen-Materialien oder beim Verbinden unterschiedlicher Metalle (z. B. Aluminium-mit-Stahl) verbessert die Impulstechnologie auch die Schmelzbadstabilität.
Die dynamische Abtastung des Laserstrahls über die Schweißzone mittels eines Galvanometers sorgt für eine gleichmäßige Energieverteilung. Dies verhindert Kanteneffekte (übermäßige Eindringung, Hinterschneidungen oder heiße Stellen, die durch eine längere Verweildauer am Anfang/Ende des Schweißpfads verursacht werden). Die Oszillationstechnologie ermöglicht auch kundenspezifische Schweißprofile (z. B. kreisförmig, spiralförmig oder sägezahnförmig), um die mechanische Festigkeit und Gleichmäßigkeit der Verbindung zu verbessern.
Die Kombination aus Pulsieren und Oszillieren schafft eine gut kontrollierbare Schweißumgebung, die Wärmegradienten minimiert, die metallurgische Bindung optimiert und eine gleichmäßigere Spannungsverteilung gewährleistet. Dieser Ansatz ist besonders bei der Batterieherstellung von entscheidender Bedeutung, da er eine präzise Energiesteuerung ermöglicht, um Schäden an empfindlichen Komponenten oder isolierten Bereichen zu vermeiden.
Die zweite Herausforderung besteht darin, eine präzise Schweißnahtpositionierung und eine gleichbleibende Schweißqualität zu erreichen.
Bei zylindrischen Zelldesigns befinden sich sowohl positive als auch negative Elektroden auf der oberen Oberfläche. -Die mittlere Elektrodenkappe dient als positive Elektrode, während der umgebende ringförmige Bereich als negative Elektrode fungiert. Diese Anordnung schränkt den verfügbaren Schweißbereich ein und erfordert höchste Präzision bei der Laserpositionierung. Selbst eine geringfügige Fehlausrichtung kann zu unzureichender Schweißnahtfestigkeit, internen Schäden oder Kurzschlüssen führen, was das Risiko eines Zellausfalls erhöht und in schweren Fällen zu einem thermischen Durchgehen führen kann.
Bei der Montage enthalten diese Batteriemodule typischerweise Hunderte von dicht gepackten Zellen. Geringe Schwankungen der Zellenhöhe, die durch Herstellungstoleranzen oder Handhabung verursacht werden, können zu einem ungleichmäßigen Kontakt zwischen der Stromschiene oder dem Schweißwerkzeug und den Zellen führen. Wenn dieser inkonsistente Kontakt nicht ordnungsgemäß behoben wird, führt er zu schwankender Schweißqualität, schlechten elektrischen Verbindungen und langfristigen Leistungsproblemen.
Um diese Herausforderungen zu meistern, verlassen sich Hersteller auf zwei Kernsysteme: Bildverarbeitungssysteme und optische Kohärenztomographie (OCT).
Bildverarbeitungssysteme erkennen und lokalisieren den Pluspol (Mittelkappe) und den Minuspol (äußerer Ring/Rand) jeder zylindrischen Zelle. Darüber hinaus kompensieren Bildverarbeitungssysteme Zelle-zu-Variationen/Toleranzen und Abweichungen bei der Vorrichtungsausrichtung, indem sie den Laserstrahl zur richtigen Schweißposition führen und gleichzeitig den Kontakt mit Isolierschichten oder Kantenbereichen vermeiden. Dies ermöglicht ein gleichmäßiges, hochpräzises Schweißen über Module hinweg, die Hunderte von Zellen enthalten.
OCT misst die Höhe jeder Zelle vor dem Schweißen, um kleinste Höhenschwankungen zu erkennen. Es passt die Laserfokusposition dynamisch über eine elektrisch angetriebene Kollimationslinse an und stellt so sicher, dass der Laser stets auf die präzise Schweißebene fokussiert. Dies verbessert die Schweißqualität und -zuverlässigkeit in automatisierten Produktionsumgebungen, in denen geringfügige Höhenunterschiede zwischen Zellen innerhalb eines Batteriemoduls bestehen können.
Schweißprozessüberwachung und Datenerfassung: Die Grundlage der KI
Die Implementierung eines Laser Welding Monitoring (LWM)-Systems ist ein entscheidender Schritt auf dem Weg zu einer KI-gesteuerten Prozesssteuerung. Bei der Laser-{2}}Materialinteraktion wird Energie in mehreren Formen freigesetzt: Plasmastrahlung (ultraviolette Wellenlänge), Wärmestrahlung (infrarote Wellenlänge), Rückreflexion (tatsächliche Laserwellenlänge) und durch optische Komponenten übertragene Laserleistung. Jedes dieser Signale enthält wertvolle Informationen über die Parameter des Schweißprozesses.
Auf Fotodioden basierende Sensoren erfassen diese Strahlungsinformationen in Echtzeit und vergleichen sie mit Referenzdaten für hochwertige Schweißnähte. Diese kontinuierliche Datenerfassung hilft bei der Identifizierung von Fehlern wie mangelnder Verschmelzung, fehlenden Schweißnähten oder inkonsistenter Eindringtiefe. Im Laufe der Zeit bildet die Anhäufung hochauflösender Prozessdaten die Grundlage für das Training von KI-Modellen. Diese Modelle können Muster erkennen, Fehler vorhersagen und eine Optimierung des Schweißprozesses im geschlossenen Regelkreis ermöglichen.
Validierung der Prozessentwicklung für die Schweißqualität
Beim Laserschweißen von zylindrischen Lithium-Ionen-Batterien ist die Sicherstellung der Integrität der internen Schweißnähte von entscheidender Bedeutung für die Sicherheit und Leistung der Batterie. Beim Schweißen muss besonders darauf geachtet werden, alle Kunststoff- oder Gummimaterialien unter der Oberfläche zu schützen: Übermäßiger Wärmeeintrag, falsche Laserparameter oder eine zu große Eindringtiefe können darunter liegende Isolationsschichten oder Strukturkomponenten aus Kunststoff/Gummi beschädigen und zu Kurzschlüssen, Undichtigkeiten, mechanischem Versagen oder thermischem Durchgehen führen.
Abbildung 3: 3D--CT-Bild mit Details zur Schweißdurchdringung. (Bildquelle: Photon Automation)
Die Computertomographie (CT) ermöglicht eine zerstörungsfreie Inspektion von Schweißverbindungen mit hoher Auflösung und liefert 2D- und 3D-Daten, die interne Schweißfehler wie Porosität, ungleichmäßige Eindringung an der Schweißnahtschnittstelle oder unzureichende Eindringung aufdecken (siehe Abbildung 3). Diese 3D-CT-Daten unterstützen die Prozessentwicklung, indem sie die Schweißqualität validieren und ermitteln, ob die Eindringung Dichtungs- oder Isoliermaterialien erreicht, wodurch solche Probleme beim Schweißen besser verhindert werden können.
