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EP-4415919-B1 - METHOD FOR LASER WELDING A WORKPIECE, THE METHOD SWITCHING QUICKLY BETWEEN WELDING ZONES HAVING DIFFERENT MATERIALS TO BE WELDED

EP4415919B1EP 4415919 B1EP4415919 B1EP 4415919B1EP-4415919-B1

Inventors

  • BOCKSROCKER, Oliver

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20220930

Claims (16)

  1. A method for laser welding a workpiece (17), wherein a laser beam (8) is directed onto the workpiece (17) by means of scanner optics (13), wherein, using the laser beam (8) and in any order, a first component (21) is welded to a base part (20) at least in a first welding zone (31) and a second component (22) is welded to the base part (20) in a second welding zone (32), and wherein the first component (21) and the second component (22) consist of different materials, at least in the region of the first and the second welding zone (21, 22), characterized in that a laser energy of the laser beam (8) can be variably split up at least between a core portion (KA) corresponding to a core beam (9) of the laser beam and an annular portion corresponding to an annular beam (10) surrounding the core beam (9), and in that the splitting-up of the laser energy into the core portion (KA) and the annular portion is selected differently during the welding of the first welding zone (31) and during the welding of the second welding zone (32).
  2. The method according to claim 1, characterized in that a position of the scanner optics (13) relative to the workpiece (17) remains the same during welding of the first welding zone (31) and during welding of the second welding zone (32).
  3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the core portions (KA) of the laser energy differ by at least 20%, preferably at least 30%, as a time average, during the welding of the first welding zone (31) and the welding of the second welding zone (32).
  4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the following applies for the core portion KA1, as a time average and/or in a main phase during the welding of the first welding zone (31): 0%≤KA1≤60%, preferably 20%≤KA1≤50%, and in that the following applies for the core portion KA2, as a time average and/or in a main phase during the welding of the second welding zone (32): 40%≤KA2≤100%, preferably 50%≤KA2≤70%.
  5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the first component (21) consists of Al or an Al alloy, at least in the region of the first welding zone (31), and the second component (32) consists of Cu or a Cu alloy, at least in the region of the second welding zone.
  6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that , the workpiece (17) is a part of an electric battery, in particular a cover (20a) for a prismatic cell of the electric battery, and in that the first component (21) forms a cathode (21a) and the second component (22) forms an anode (22a) for the electric battery, in particular wherein the first component (21) and the second component (22) are each designed as fork-like soft connectors (21b, 22b) for the prismatic cell.
  7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that , during the welding of the first welding zone (31) and/or during the welding of the second welding zone (32) the core portion (KA) of the laser energy is increased during an initial phase (AP) and/or the core portion (KA) of the laser energy is reduced during an end phase (EP).
  8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that in order to generate the laser beam (8) a starting laser beam (1) is split up into the core beam (9) and the annular beam (10) using a variable splitting device (26).
  9. The method according to claim 8, characterized in that , using the variable splitting device (26) the starting laser beam (1) is fed in in correspondence to the desired splitting up of the laser energy, with corresponding portions, into a core fiber (5) and into an annular fiber (6) surrounding the core fiber (5), in particular wherein the variable splitting device (26) comprises a displaceable optical wedge (4).
  10. The method according to claim 8, characterized in that , using the variable splitting device (26), the starting laser beam (1) is guided, in correspondence to the desired splitting up of the laser energy, with corresponding portions, past the DOE or ROE and through the DOE or ROE, in particular wherein the DOE or ROE is displaceable.
  11. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that to generate the laser beam (8) the core beam (9) is generated using a first laser module and the annular beam (10) is generated using a second laser module, wherein the power of the first laser module and the power of the second laser module are variably adjustable, in particular wherein the first laser module feeds in a first pre-laser beam into a core fiber (5) and the second laser module feeds in a second pre-laser beam into an annular fiber (6) surrounding the core fiber (5).
  12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the following applies for the diameters KSD' of the core beam (9) and ARSD' of the annular beam (10), measured at a workpiece surface (18) facing the laser beam (8): 1 / 10 ≤ KSD ' / ARSD ' ≤ 1 / 2 , preferably 1/3 ≤ KSD'/ARSD' ≤ 1/5, particularly preferably KSD'/ARSD'=1/4.
  13. The method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the diameters KSD' of the core beam (9) and ARSD' of the annular beam (10), measured on a workpiece surface (18) facing the laser beam, remain constant during the welding of the first welding zone (31) and the second welding zone (32).
  14. The method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the scanner optics (13) are designed as 3D scanner optics and that the diameters KSD' of the core beam (9) and ARSD' of the annular beam (10), measured on a workpiece surface (18) facing the laser beam (8), are changed during the welding of the first welding zone (31) and the second welding zone (32) by means of the 3D scanner optics by changing the focal length in the direction of propagation (SA) of the laser beam (8).
  15. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that for the laser beam (8), during welding of the first welding zone (31) and/or the second welding zone (32) in a focal plane (FE), - the core beam (9) has a core beam diameter KSD within which 86% of the laser power of the core beam (9) exists, - the annular beam (10) has an outer annular beam diameter ARSD within which 86% of the laser power of the annular beam (10) exists, and - the annular beam (10) has an inner annular beam diameter IRSD at which a beam density of the annular beam (10), averaged over the circumference, is the same as that existing at the outer annular beam diameter ARSD such that an intensity gap results between the inner annular beam diameter IRSD and the core beam diameter KSD, with an intensity gap width ILB=(IRSD-KSD)/2, and that ILB≤0.3*KSD and ILB<10µm*AV, where AV is the imaging ratio of the scanner optics (13), in particular wherein the laser beam (8) is provided at a fiber end (7) of a fiber optic cable (3), and the fiber optic cable (3) is designed at least with a core fiber (5) with a core fiber diameter KFD, an annular fiber (6) surrounding the core fiber (5) annularly, with an outer annular fiber diameter ARFD and a sheath layer (11) lying between the core fiber (5) and the annular fiber (6) and surrounding the core fiber (5), with a sheath layer thickness MSD, where MSD≤0.3*KFD and MSD<10µm.
  16. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the welding of the first welding zone (31) and the welding of the second welding zone (32) takes place such that - for a welding penetration depth ET, the following applies: 100µm ≤ ET ≤ 5mm, and/or - for an aspect ratio T:B of a depth T relative to a width B of a generated weld seam, the following applies: T:B ≥ 0.5:1, and/or - for a beam parameter product SPP of the laser beam (8) in single mode, 0.38mm*mrad≤SSP≤16mm*mrad applies, preferably at SSP≤0.6mm*mrad, or in multi mode, SSP≤100mm*mrad applies, preferably at SSP≤32mm*mrad, and/or - for a total diameter GD' of the laser beam (8) on the workpiece surface (18) facing the laser beam (8) in single mode, 10µm≤GD'≤300µm applies, preferably at 30µm≤GD'≤70µm, or in multi mode 50µm≤GD'≤1200µm applies, and/or - the laser beam (8) with at least one IR laser, is generated with an average wavelength MWL at 800nm≤MWL≤1200nm, preferably 1030nm≤MWL≤1070nm, or with at least one VIS laser, in particular with an average wavelength MWL at 400nm≤MWL≤450nm or 500nm≤MWL≤530nm, and/or - the scanner optics (13) have an imaging ratio AV at 1:1 ≤ AV ≤ 5:1, preferably 1.5:1 ≤ AV ≤ 2:1.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstücks, wobei ein Laserstrahl mittels einer Scanneroptik auf das Werkstück gerichtet wird,wobei mit dem Laserstrahl in beliebiger Reihenfolge zumindest in einer ersten Schweißzone eine erste Komponente an ein Grundbauteil geschweißt wird und in einer zweiten Schweißzone eine zweite Komponente an das Grundbauteil geschweißt wird,und wobei die erste Komponente und die zweite Komponente zumindest im Bereich der ersten und zweiten Schweißzone aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Laserschweißen ist ein leistungsfähiges Verfahren zum Fügen von Werkstückteilen zu einem Werkstück. Das Laserschweißen wird vor allem eingesetzt, wenn eine hohe Schweißgeschwindigkeit, eine schmale Schweißnaht oder auch ein geringer thermischer Verzug im Werkstück gewünscht werden. In vielen Fällen sollen beim Laserschweißen mehrere Komponenten an ein Grundbauteil angeschweißt werden. Beispielsweise besteht bei Zellen für Elektrobatterien die Kathode oft aus Aluminium (Al) oder einer Aluminiumlegierung, und die Anode aus Kupfer (Cu) oder einer Kupferlegierung, und diese beiden Komponenten sollen an ein gemeinsames Grundbauteil der Zelle angeschweißt werden. Üblicherweise wird für das Laserschweißen das zu schweißende Werkstück (bzw. dessen Werkstückteile, die miteinander verschweißt werden sollen) vor einer Scanneroptik angeordnet. Die Scanneroptik umfasst in der Regel einen Eingang für Laserstrahlung, an dem typischerweise ein Lichtleitkabel angeschlossen wird, diverse optische Elemente (meist eine Kollimationslinse oder Kollimationslinsensystem und eine Fokussierlinse oder Fokussierlinsensystem) und eine verstellbare Ablenkeinrichtung (meist einen mit Piezoelementen verstellbaren Spiegel), mit der die Ausrichtung des aus der Scanneroptik austretenden Laserstrahls relativ zum Werkstück verändert werden kann, insbesondere um den Laserstrahl entlang einer gewünschten Schweißbahn (Schweißnaht) zu führen oder auch um den Laserstrahl nacheinander auf unterschiedliche Schweißzonen auszurichten, an denen die unterschiedlichen Komponenten an das Grundbauteil angeschweißt werden. Für das Laserschweißen von Komponenten unterschiedlicher Materialien sind in vielen Fällen unterschiedliche Spotgrößen des schweißenden Laserstrahls vorteilhaft, insbesondere um Spritzer und Poren zu minimieren. Zu diesem Zwecke kann der Abstand der Scanneroptik bzw. des Laser-Bearbeitungskopfs zum Werkstück in Strahlausbreitungsrichtung verändert werden. Wenn beispielsweise in einer ersten relativen Stellung der Scanneroptik zum Werkstück sich die dem Laserstrahl zugewandte Werkstückoberfläche in der Fokusebene des Laserstrahls befindet, ist die Spotgröße des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche am kleinsten. Durch relatives Herausfahren der Werkstückoberfläche aus der Fokusebene in eine zweite relative Stellung kann die Spotgröße des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche vergrößert werden. Das Verfahren der Scanneroptik relativ zum Werkstück ist jedoch aufwändig und benötigt relativ viel Zeit. Wenn also an einem Werkstück Komponenten verschiedener Materialien an ein gemeinsames Grundbauteil hintereinander angeschweißt werden sollen, wird bei oben beschriebenen Vorgehen die Fertigung des Werkstücks vergleichsweise langsam; bei der Fertigung von solchen Werkstücken in Serie tritt die durch eine Verstellung der Scanneroptik bedingte Verzögerung bei jedem Werkstück auf. Aus der DE 10 2010 003 750 A1 ist es bekannt, die Strahlprofilcharakteristik eines Laserstrahls mittels einer Multiclad-Faser umfassend zumindest eine Kernfaser und eine Ringfaser zu verändern. Ein Ausgangslaserstrahl wird zu einem Anteil (Kernanteil) in eine Kernfaser und zu einem weiteren Anteil (Ringanteil) in eine Ringfaser eingespeist; die Anteile können beispielsweise durch die Position eines optischen Keils im Ausgangslaserstrahl vor dem Faserende der Multiclad-Faser verändert werden. Mit der Multiclad-Faser kann entsprechend ein umgeformter Laserstrahl mit einem Kernstrahl und einem Ringstrahl mit einstellbaren Anteilen bereitgestellt werden. Die CN 207 353 371 U, die die Grundlage für den Oberbegriff des Anspruchs 1 bildet, zeigt eine Verbindungsstruktur für Batterien, insbesondere von elektrischen Fahrzeugen. Die Verbindungsstruktur umfasst beispielhaft zwei Verbindungsbleche, die mittels Laserschweißen mit einer Deckplatte verbunden sein können. Aus der CN 102 637 835 A ist eine Abdeckplatte für eine Lithium-Ionen-Batterie bekannt. Zumindest ein Anschlusspol kann mittels Laserschweißen mit der Abdeckplatte verbunden sein. In der DE 10 2019 218398 A1 ist ein Verfahren zum Fügen von Stromschienen offenbart, wobei die Stromschienen durch Laserschweißen miteinander verbunden werden. Aufgabe der Erfindung Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstücks vorzustellen, mit dem die Fertigung von Werkstücken, wobei Komponenten aus unterschiedlichen Materialien auf ein Grundbauteil aufgeschweißt