Flexibles Remote-Laserschweißen – E-Mobilität

Beim Remote-Laserschweißen von elektrischen Kontaktierungen, Batteriezellen sowie Bipolarplatten von Brennstoffzellen gibt es unterschiedliche Herausforderungen an die Laserschweißtechnik. Diese sind im Einzelnen wie folgt:

Die Herausforderungen beim Schweißen von elektrischen Kontaktierungen sind zum einen das Verschweißen unterschiedlicher Werkstoffe wie Kupfer und Aluminium, zum anderen deren flächige Anbindung auf kleinstem Raum und maximalem Verbindungsquerschnitt für eine optimale Stromübertragung. Dies bedeutet: Es muss eine Vielzahl von Verbindungen hergestellt werden, deren Verbindungsflächen eine größtmögliche Reproduzierbarkeit haben. Naturgemäß vorkommende Toleranzen sind hier Gang und Gäbe und müssen ausgeglichen werden. Hierzu ist es wichtig, dass die Bahn des Laserstrahls ­– generiert durch einen 2D-Scanner – auf Lage und Toleranz des Bauteils adaptiert werden kann. Mit einer hochfrequenten Oszillation wird zusätzlich eine präzise Steuerung der Nahtgeometrie und Einschweißtiefe ermöglicht. Eine Königsdisziplin ist das Schweißen von Stator-Hairpins in Elektromotoren, wobei absolut keine Fehler zugelassen sind.

Dichte Verbindungen sind das A und O beim finalen Verschließen von Batteriezellen und deren Integrierung in die Batteriemodule – und dies bei sehr kurzen Zykluszeiten. Für das Schweißen von Batteriezellen muss der Laserstrahl zielgenau zur Schweißkontur positioniert und geführt werden. Wird hierfür noch eine Oszillation der Schweißbewegung überlagert, ist es möglich, bei gleichbleibender Einschweißtiefe Spalte besser zu überbrücken und Toleranzen im Bauteil auszugleichen.

Bei der Bipolarplatte handelt es sich um ein Bauteil mit mehreren Funktionen. Diese hat in der Brennstoffzelle die Aufgabe der Gasführung und Gastrennung, dient sowohl als elektrische Verbindung sowie der Kühlung. Zur Herstellung einer Bipolarplatte werden zwei sehr dünne Edelstahlbleche im Überlappstoß mit dem Laser zu einer dichten Platte verschweißt. Eine hohe Schweißgeschwindigkeit sorgt dafür, dass der Energieeintrag des stark fokussierten Laserstrahls so auf die Bleche wirken kann, dass der Schweißprozess sichere Verbindungen mit wenig Verzug generiert. Mit strahlformenden optischen Elementen kann die Energieverteilung optimal gestaltet werden. Auf diese Weise werden Instabilitäten wie Humping – das sind Schweißnahtunregelmäßigkeiten – Porenbildung und Nahtauswürfe reduziert, die aus den anspruchsvollen Prozessparametern entstehen können.

Beim Laserschweißen von Hairpins ist die ScaVis-Kamera ein Muss. Beim Laserschweißen anderer Kontaktierungen ist sie eine wertvolle Bereicherung.

Hochqualitatives maschinelles Sehen sichert eine hohe Prozessqualität, die insbesondere beim Schweißen von Hairpins zu 100 Prozent garantiert sein muss. Durch die ScaVis-Kamera von Blackbird wird sichergestellt, dass jedes der bis zu 400 Pinpaaren absolut fehlerfrei geschweißt wird. Dahinter steckt ein zuverlässiges Erkennungs- und Lokalisierungssystem der Drähte, das die charakteristischen Geometrien des Bauteils definiert. Anhand der Kamerabilder wird die Schweißbahn offline festgelegt und parametriert. Bevor der Laserschweißprozess gestartet wird, vergleicht die RobotSyncUnit (RSU)-Software die tatsächlichen Bauteilkonturen mit dem im Hintergrund abgelegten Muster. Sobald eine Abweichung außerhalb der festgelegten Grenzen und somit eine nicht zulässige Bauteillage erkannt wird, erfolgt eine Warnung des Systems an die Maschinensteuerung und verhindert die Schweißung.

Selbstverständlich erfolgt eine Dokumentation der Schweißdaten auf der SPS des Anwenders und sichert somit die Nachverfolgung der Schweißergebnisse.

Aufgrund agiler und zum Teil ausgelagerter Beschaffungsprozesse kann es in der Automobilproduktion vorkommen, dass ein Bauteil von unterschiedlichen Lieferanten bezogen wird. Da hierbei auch unterschiedliche Fertigungstechnologien eingesetzt werden, sind Bauteilabweichungen in den Lieferchargen sprichwörtlich vorprogrammiert. Um auf alle Eventualitäten vorbereitet zu sein, sind in der Software des Blackbird-Technologiepakets große Mengen an Bildinformationen über eine mögliche Gestaltung des Bauteils hinterlegt. Die Simulation des Bilderkennungsprozesses ermöglicht nun die Verifizierung der programmspezifischen ScaVis-Kameraeinstellungen für die neue Charge.

Sollte ein Bauteil einmal außerhalb der festgelegten Grenzen liegen, überspringt das System einzelne Schweißungen. Dies verhindert Fehlschweißungen, denn dadurch würde ein Bauteil unwiderruflich zerstört. Eine übersprungene Schweißung hält die Möglichkeit zur Nachbesserung offen. Der Anlagenbediener kann in einem solchen Fall die Schweißnaht manuell in der ScaVis-Programmoberfläche platzieren. Ist der Prozess zeitkritisch, kann der übergeordneten Steuerung der Befehl zum Überspringen von Schweißnähten gegeben werden, um das Bauteil später nachzubearbeiten.  

Schweißt man mit einer konventionellen Festoptik ohne Scannerspiegel viele kurze Nähte an unterschiedlichen Positionen, muss jede zu schweißende Stelle angefahren und darüber gestoppt werden. Bei der On-the-fly-Technik fährt der Roboter die Scanneroptik in kontinuierlicher Geschwindigkeit und mit Abstand in einer linearen Bahn am Werkstück entlang. Durch die Spiegelsysteme wird der Laserstrahl schnell und präzise an die zu schweißenden Stellen bewegt. Mit dieser On-the-fly-Technik gelingt es, unproduktive Nebenzeiten massiv zu reduzieren.

• Abgerundetes Technologiepaket
• Internationales Expertennetzwerk
• Weltweite Applikations- und Serviceunterstützung