Direkt zum Inhalt
Laser texturing on a battery casing

Laserschweißen – Die Alternative zum Ultraschalldrahtbonden

Beim Herstellen von Verbindungen in Batteriemodulen ist das Laserschweißen schneller als das herkömmliche Ultraschalldrahtbonden. Bei zylindrischen Zellen können die Sammelschienen sogar direkt mit den Zellen verschweißt werden, anstatt sie über Drähte zu verbinden, wodurch sich die Anzahl der Schweißnähte im Modul um die Hälfte verringert. Single-Mode-Glasfaser-Laser bieten außerdem einen ausgezeichneten und kontrollierten Einbrand mit minimalen Spritzern und geringerer Hitze.

Während beim Ultraschallschweißen Sonotroden verwendet werden, die speziell für jede Anwendung entwickelt wurden und auf einfache Formen beschränkt sind, können die Schweißsysteme von Laserax im Handumdrehen angepasst werden, um verschiedene Schweißmuster und -größen zu erzeugen.

Übersicht über Batterieschweißanwendungen

  • Materialien: Kupfer, Nickel, Aluminium und Edelstahl, ungleiche Metalle
  • Arten von Zellen: Zylindrisch und prismatisch
  • Batteriekomponenten: Klemmen, Terminals, Folien, Sammelschienen, Zellengehäuse, Sicherheitsventile, Abdeckplatten

Fragen Sie einen Experten

Das schnellste Schweißverfahren

Beim Herstellen von Zelle-Sammelschiene-Verbindungen dauert das Ultraschalldrahtbonden in der Regel zwischen 500 und 1000 ms pro Schweißnaht. Das Laserschweißen ist viel schneller, weil es weniger und sanftere mechanische Bewegungen erfordert: Nur die ultraschnellen Spiegel im Laserkopf müssen bewegt werden, um den Laserstrahl zu positionieren. Dadurch wird die Positionierungszeit für jede Schweißnaht drastisch reduziert. Bei der Integration mit unseren Robotern kann die durchschnittliche Schweißzeit einschließlich der mechanischen Bewegungen zwischen den Zellen Werte unter 100 ms pro Zelle erreichen.

ZellentypDicke der SammelschieneZellendickeArt der SchweißnahtAbmessungen der SchweißnahtLaserleistungWiderstand (µΩ)Schertest (N)Zeit (ms)Eindringtiefe (µm)
21700 zylindrisch250 µm Al 1100500 µm vernickelter StahlPluspolSpirale 2,4 mm450 W519540100–150
21700 zylindrisch250 µm Al 1100300 µm vernickelter StahlMinuspolS-Form 3,6 x 0,5 mm450 W515040100–150
4680 zylindrisch600 µm Al 10500,8 mm Al 1100PluspolSpirale 4 mm750 W465085100–150
4680 zylindrisch600 µm Al 10500,8 µm vernickelter StahlMinuspolSpirale 4 mm750 W1,280085100–150
Prismatisch2,32 mm Al1,62 mm AlPluspolSpirale 7 x 5 mm2.000 W3,52.200283300–500
Prismatisch2,32 mm Al1,62 mm vernickeltes KupferMinuspolSpirale 7 x 5 mm2.000 W42.500236300–500

 

Querschnittsansicht des Laserschweißens von Sammelschienen – Negative Klemme (Mikroskopaufnahme)

Querschnittsansicht des Laserschweißens von Sammelschienen – Negative Klemme (Mikroskopaufnahme)

  • 250 um Al auf 300 um vernickeltem Stahl
  • Form: S-Form
  • Abstand: 200 um
  • Abmessungen: 3,6 x 0,5 mm
  • Geschwindigkeit: 500 mm/s
  • Kein Hilfsgas
Querschnittsansicht des Laserschweißens von Sammelschienen – Negative Klemme (Mikroskopaufnahme)

Querschnittsansicht des Laserschweißens von Sammelschienen – Negative Klemme (Mikroskopaufnahme)

  • 600 um Al auf 500 um vernickeltem Stahl
  • Form: Spirale
  • Abstand: 200 um
  • Abmessungen: 4 mm
  • Geschwindigkeit: 700 mm/s
  • Kein Hilfsgas
Querschnittsansicht des Laserschweißens von Sammelschienen (REM-Bild)

Querschnittsansicht des Laserschweißens von Sammelschienen (REM-Bild)

  • 2,32 mm Al auf 1,62 mm Al
  • Geschwindigkeit: 230 mm/s
  • 51/min Argon-Hilfsgas

Schweißnahtüberwachung in Echtzeit zur Erkennung schlechter Schweißnähte

Geräte zur Laserschweißüberwachung (LWM) können eingesetzt werden, um schlechte Schweißnähte während des Laserschweißens in Echtzeit zu erkennen. So wird sichergestellt, dass jede einzelne Schweißnaht in der Batterie einwandfrei ist und dass fehlerhafte Schweißnähte sofort nachgearbeitet werden.

Optische Sensoren, die in den Laser eingebaut sind, verwenden die von der Schweißnaht reflektierte und emittierte Strahlung, um festzustellen, ob die Schweißnaht gut ist. Sie können verschiedene Arten von Schweißfehlern wie Spalten oder Verunreinigungen erkennen.

  • Jede Zeile steht für eine Wellenlänge, die vom LWM erfasst wird (Plasma, Wärme, Laserrückstrahlung).
  • Die blaue Linie in jeder Zeile stellt die in Echtzeit verfolgten abgestrahlten, reflektierten Lichtsignale für die aktuelle Schweißung dar.
  • Die beiden grünen Linien in jeder Zeile stellen die ± Akzeptanzgrenzen für die Wellenlänger zu einem bestimmten Zeitpunkt dar.
  • Blaue Linien, die für eine bestimmte Zeit über die grünen Akzeptanzgrenzen hinausgehen, können mit Schweißfehlern in Verbindung stehen.
Schweißnahtüberwachung in Echtzeit

Revolutionierung der Effizienz

Aufgrund unserer höheren Schweißgeschwindigkeit kann ein einziges Laserschweißgerät problemlos wie 10 Ultraschall-Drahtbonder arbeiten. Dadurch wird die Anzahl der in den Produktionsstätten benötigten Geräte minimiert, wodurch Sie:

  • Quadratmeter sparen
  • Energie sparen
  • Den Wartungsaufwand verringern
REVOLUTIONIERUNG DER EFFIZIENZ

Zylindrische Zellen: Von 4 Schweißnähten zu 2 Schweißnähten

Während beim Ultraschalldrahtbonden in der Regel vier Schweißnähte pro Zelle erforderlich sind, benötigt das Laserschweißen nur zwei. Dies bietet mehrere Vorteile:

  • Eine größere Kontaktfläche
  • Halb so viele potenzielle Fehlerquellen
  • Eine Schweißnaht trägt den gesamten Strom (höherer Strom pro Schweißnaht)
  • Weniger mechanische Belastung für das Modul
  • Geringerer Widerstand (weniger Wärme und elektrischer Verlust)
  • Bessere Stromverteilung
  • Bessere Wärmeübertragung von den Zellen zu den Sammelschienenleitern

 

2 Schweißnähte pro Zelle (anpassbares Schweißmuster)

2 Schweißnähte pro Zelle (anpassbares Schweißmuster)

Ultraschalldrahtbonden mit 2 Drähten pro Zelle (oben und unten) und 2 kleinen Schweißnähten

Ultraschalldrahtbonden mit 2 Drähten pro Zelle (oben und unten) und 2 kleinen Schweißnähten

 

ZYLINDRISCHE ZELLEN

Vorteile mit Laserax

  • Die schnellsten Laser auf dem Markt mit unübertroffenner Scangeschwindigkeit
  • Schlüsselfertige Lösungen (zertifizierte Lasersicherheit Klasse 1, Rauchabsaugung, Bildverarbeitung, Automatisierung usw.)
  • Optische Konfiguration, die Überhitzung verhindert
  • Schnelle Konfiguration für verschiedene Batterietypen (automatischer Wechsel der Laserkonfiguration)
  • Minimale Wärmeeinflusszone (WEZ)
ZYLINDRISCHE ZELLEN

Erfahrungsbericht eines Kunden

Für unser Projekt zum Laserschweißen von zylindrischen 21700-Zellenmodulen im Jahr 2022 suchte NorthVolt eine schnelle und flexible Maschine, die unseren Anforderungen an einen hohen Durchsatz und die kontinuierliche Weiterentwicklung unseres Produktdesigns gerecht wird. Die Technologie von Laserax schien uns die perfekte Lösung für unseren Bedarf zu sein, da sie mit ihrem robotergestützten dynamischen Spannsystem Schnelligkeit und Flexibilität ermöglicht und gleichzeitig eine hohe Schweißqualität gewährleistet. Laserax unterstützte uns von der frühen Entwicklung des Schweißprozesses bis hin zur Anpassung des Produktdesigns. Jetzt, wo das Gerät geliefert wurde und sehr gut funktioniert, sind wir froh, dass wir Laserax vertraut haben, die ihr Versprechen gehalten haben. Laserax war nicht nur ein Lieferant, sondern ein echter Partner für NorthVolt und hat unserem Unternehmen ungemein geholfen, seine Ziele zu erreichen.

– Karl Fahlström – Leiter der Technologieentwicklung, NorthVolt Systems AB

Northvolt-Logo

Den Fachbeitrag herunterladen

Auf eine gute Zusammenarbeit

Möchten Sie Loslegen?

Fragen Sie unsere Experten