Laserschweißen Wie eine Laser-Anlage den Lithiumbrand verhindern kann

Bei der Fertigung von Lithium-Ionen-Batterien hat sich das Laserschweißen als Alternative zu herkömmlichen Fügemethoden bewährt. Dennoch besteht Brand- oder sogar Explosionsgefahr der Batterie, wenn die Materialtemperatur zu hoch ist. Eine Laser-Anlage, die speziell auf das Laserschweißen ausgelegt ist, kann dabei helfen.

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Bei Lithium-Ionen-Batterien ist eines entscheidend: die Leistung. Damit diese möglichst hoch ist, sind bei der Herstellung der Batterien an den Elektroden die Verbindungen zwischen den Batteriezellen zu schweißen. Hier hat sich das Laserschweißen vor allem durch seine berührungslose und präzise Bearbeitungstechnik als Alternative zu herkömmlichen Fügemethode durchgesetzt. „Mittels genauer Führungssysteme lassen sich präzise Positionierungen in sehr kurzer Zeit auf weniger als 0,05 mm durchführen, was in der Batterietechnik völlig ausreichend ist“, betont Peter Schlüter, Geschäftsführer der LMB Automation GmbH. Andere Fügeverfahren wie das Crimpen, Schrauben oder Ultraschall sind deutlich langsamer, kostenintensiver oder bei dickeren Material ungeeignet.

Aber auch beim Laserschweißen von Batterien werden stark reflektierende Materialien wie Kupfer und Aluminium eingesetzt, die eine geringe Oberflächenabsorption und einen hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Eigenschaften, die bei der Batteriefertigung schnell zur Gefahr werden können. Denn beim Schweißen entsteht einiges an Wärme. Steigt die Materialtemperatur auf über 80° C, kann sich beispielsweise das Lithium der Batterie entzünden und einen Brand oder eine Explosion verursachen. Daher ist es sinnvoll eine speziell auf das Laserschweißen der Kontaktverbindungen bei Batterien ausgelegte Anlage einzusetzen.

Lasergerechte Schweißtechnik für anspruchsvolles Material

Die LMB Automation GmbH entwickelt solche speziellen Laserschweißlösungen, die auf verschiedene Batteriegrößen wie auch für LKW und Flurförderfahrzeuge angepasst sind. Aber auch für andere Aufgaben in der E-Mobilität wie das Schweißen von Rotoren bietet das Unternehmen Anlagen. Damit das Laserschweißen von Batterien möglichst gefahrfrei und effektiv ist, komme es laut Schlüter auf die richtige Kombination von Laserwerkzeug und Überwachung an. „Sinnvoll ist daher eine Maschinenkonstruktion mit spezieller Gehäuseausführung, einer kombinierten Bewegungseinheit mit einem schnellen optischen Präzisions-Führungssystem und einer zusätzlichen schnellen Strahlführung mit Scanner-Optik“, erklärt Schlüter.

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Der verwendete Laser sollte mit einer hohen Strahlqualität arbeiten und dennoch ausreichend Leistung erbringen. Denn um einen Wärmestau an der Schweißstelle zu vermeiden, muss das Schweißen schnell erfolgen. Faser- oder Scheibenlaser mit einer mittleren Leistung von 4 bis 6 kW haben sich bei LMB bewährt. Sie haben eine reproduzierbare Strahlqualität, sodass ihre Leistung in eine Faser von 0,1 bis 0,2 mm Durchmesser eingekoppelt werden kann. Damit wird ein sehr präzises und reproduzierbares Punkt- und Nahtschweißen sichergestellt, was bei Nahtlängen von bis zu 30 mm pro Bauteil von Vorteil ist.

Selbstentwickelte Bildverarbeitung

Um den Laser zu positionieren, eignet sich eine Bewegungseinheit mit Scanner-Optik. Diese kann sehr unterschiedliche Geometrien und Bewegungsprofile ruckelfrei ausführen – selbst bei beengten Platzverhältnissen. Dadurch lassen sich auch in einem kleinen Bereich beispielsweise Kreisbahnen oder Achterlinien präzise mit bis zu 10 m/s realisieren. Ein Scanner-System kann den Laserstrahl dabei in der Bearbeitungsposition um eine Zehnerpotenz genauer positionieren als eine herkömmliche Optik. Diese flexible Bewegungseinheit ergänzen die Anlagenbauer von LMB um eine selbstentwickelte Bildverarbeitung. „Da bei modernen Batterien die Lage der Schweißpunkte aufgrund der auf den einzelnen Zellen liegenden Verbindungsplatte nicht immer direkt sichtbar ist, muss die definierte Schweißstrategie noch vor der Positionierung des Lasers mit Echtzeitbildern abgeglichen werden“, erläutert Schlüter. Die softwarebasierte Bildverarbeitung sorge für einen Abgleich der Ist- und der Soll-Position, woraufhin der Laser automatisch ausgerichtet wird, so Schlüter weiter.

Materialreaktion mit der Umgebungsluft verhindern

Bei Batterien sind temperatursensibles Aluminium, Kupfer und Lithium verbaut. Dafür müssen Sicherheits- und Überwachungskomponenten wie Schutzgaszufuhr und Temperatursonden in die Anlage integriert werden, ohne den Laser zu behindern oder das Gehäuse zu überdimensionieren. Hier greift LMB auf Materialerfahrungen aus anderen Schweißarbeiten dieser Werkstoffe in der eigenen Lohnfertigung zurück. So sollte das Schutzgas, welches die Zufuhr von Sauerstoff auf dem Aluminium verhindern soll, verwirbelungsfrei in den Schweißbereich eingebracht werden. Denn durch das Verwirbeln wird Luft mitgerissen. Die Folge: Sauerstoff gelangt auf die Schweißstelle. Damit sich das Lithium nicht entzündet, sorgen Temperatursensoren in Kombination mit hohen Schweißgeschwindigkeiten des Lasers dafür, dass die Materialtemperatur nicht über 80 °C steigt. Zudem ist das Gehäuse des Arbeitsraums so ausgelegt, dass es komplett abgeschottet werden kann, um den Brandherd zu isolieren und dem Feuer den Sauerstoff zu entziehen.

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Einzelne Batteriebauteile in Produktionstestläufen vorab simulieren

Wie bei den entscheidenden Komponenten für Positionierung, Überwachung und Sicherheit passt LMB die Anlagen auch in Bezug auf Bauteiltyp und Standort entsprechend der Kundenanforderungen an. Dies umfasst neben der Laserstation auch Peripherieergänzungen zum Sortieren, Zuführen, Spannen und zur Qualitätssicherung. „Da wir eine Lohnfertigung mit 16 Laseranlagen betreiben, können wir die Bearbeitung der einzelnen Batteriebauteile in Produktionstestläufen vorab simulieren“, berichtet Schlüter. „Somit ist eine Anpassung des Prozesses sowie der Anlagenkomponenten exakt auf das Bauteil möglich. Gleichzeitig können wir prüfen, wie sich der Laser verhält und ob Spalte durch möglichen Verzug auftreten.“ Um die Nahtqualität zu überprüfen und Einschlüsse und Poren auszuschließen, werden nach Absprache mit dem Kunden Schliffbilder angefertigt. Dabei dienen Dummies mit denselben Materialeigenschaften und Geometrien häufig als Bauteilersatz. (jup)

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