Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen mit adaptiver Spaltkompensation und ein Laserbearbeitungssystem, eingerichtet das Verfahren durchzuführen.

Hintergrund und Stand der Technik

In einem Laserbearbeitungssystem zum Verschweißen zweier Werkstücke mittels eines Laserstrahls (Laserschweißen) wird der von einer Laserstrahlquelle oder einem Ende einer Laserleitfaser austretende Laserstrahl mit Hilfe einer Strahlführungs- und Fokussieroptik auf die zu bearbeitenden Werkstücke fokussiert oder gebündelt, um diese lokal auf Schmelztemperatur zu erhitzen und eine Schweißnaht zu erzeugen. Das Laserbearbeitungssystem kann eine Laserbearbeitungsvorrichtung, beispielsweise einen Laserschweißkopf, umfassen.

Je nach Anwendung werden an die Schweißnaht hohe Anforderungen hinsichtlich Qualität gestellt. Insbesondere im Bereich der Elektromobilität gibt es Anwendungsfelder, welche eine hohe Schweißgüte fordern. So müssen beispielsweise im Bereich der Bat- teriekontaktierung (z.B. Zellverbinder auf Zellpol, Bus-Bar-Schweißungen (engl. bus bar = Stromsammelschiene)) die Schweißverbindungen einen niedrigen elektrischen Widerstand und zugleich eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen. Ähnliches gilt für den Bereich der Leistungselektronik, beispielsweise bei der Herstellung von Aggregaten oder Invertern. Auch hier fließen elektrische Ströme und die Anforderungen an die Schweißnaht hinsichtlich des elektrischen Widerstands und der mechanischen Festigkeit sind hoch.

Bei der Herstellung einer Schweißnaht zwischen zwei Werkstücken, insbesondere zwei Werkstückblechen, der so genannten I-Naht am Überlappstoß, kann es vorkommen, dass ein Spalt zwischen den Werkstücken vorliegt. Dies stellt ein wesentliches Problem bei der Anfertigung qualitativ hochwertiger Schweißverbindungen dar. Insbesondere hängt die Qualität einer Schweißnaht stark von der Positionierung der Fügepartner bzw. der Werkstücke und vom Vorhandensein eines Spaltes ab. Ein Spalt kann auch trotz hohen Aufwandes zur Vermeidung desselben zwischen zwei Werkstücken bzw. Fügepartnern auftreten. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn Spannvorrichtungen mit der Zeit im Betrieb verschleißen, verschmutzen oder Toleranzketten im Anlagekonzept Spalt verursachen. Je nach Größe des Spaltes kann es daher zu folgenden Fehlertypen kommen: (i) eine zu geringe Einschweißtiefe und (ii) eine zu geringes bzw. fehlendes Nahtvolumen zur Anbindung der Fügepartner. Das Nahtvolumen wird auch über die Begriffe Anbindefläche (Fläche in der Ebene, z.B. der Werkstückoberfläche) oder Anbindequerschnitt (Fläche in der Tiefe, z.B. senkrecht zur Werkstückoberfläche) definiert. Einschweißtiefe bezeichnet also die Tiefe der Schweißnaht in das Unterblech von der Oberfläche des Unterblechs aus (vgl. Fig. 1B). Anbindefläche bezeichnet die Fläche bzw. Ausdehnung der Schweißnaht auf Höhe der Oberfläche des Unterblechs und parallel dazu.. Eine Abschätzung des Nahtvolumens kann vorgenommen werden durch die Vermessung der Schweißnaht auf der Oberfläche des Oberblechs und der Einschweißtiefe. Die Einschweißtiefe und der Anbindequerschnitt haben wesentlichen Einfluss auf den elektrischen Widerstand und die mechanische Festigkeit der Kontaktierung eines Bauteils an der Schweißnaht.

Wenn bei Vorliegen eines Spalts zwischen den Fügepartnern keine Verbindung hergestellt werden kann, d.h. der Spalt ist so groß, dass beim Schweißen keine Anbindung entsteht, also keine Spaltüberbrückung gelingt, kann weder elektrischer Strom noch mechanische Kräfte übertragen werden. Dieser nicht erwünschte Zustand wird im Zusammenhang mit Nahtqualität als Schlechtschweißung bezeichnet.

Wenn bei Vorliegen eines Spalts zwischen den Fügepartnern dennoch eine Verbindung hergestellt werden kann, d.h. eine Spaltüberbrückung gelingt, weist die Verbindung in der Regel dennoch ein verringertes Nahtvolumen bzw. eine verringerte Anbindefläche als eine „Null-Spalt-Schweißung“, d.h. eine Verbindung ohne Vorliegen eines Spalts, auf. Diese verringerte Anbindefläche führt beispielsweise zu (i) einer Erhöhung des elektrischen Widerstands verbunden mit einer Erhöhung der Temperatur der Fügestelle und/oder zu (ii) einer Reduzierung der mechanischen Festigkeit. Beides hat Einfluss auf die Lebensdauer der Schweißverbindung. Der Spalt kann beispielsweise eine konstante bzw. homogene, aber sehr häufig auch eine variierende Breite aufweisen. Eine variierende Spaltbreite bedeutet, dass der Spalt an einer Stelle, an der sich zwei Werkstückbleche überlappen, breiter ist als an einer anderen Stelle. Insbesondere im Bereich der Batteriekontaktierung und der Leistungselektronik ist es nicht nur wichtig den Spalt zu überbrücken, sondern auch essenziell, eine gleichbleibende Einschweißtiefe zu gewährleisten. Ist die Einschweißtiefe zu hoch, könnte es passieren, dass die Temperatur in der Batterie während des Schweißens zu hoch wird und die Batterie dadurch Schaden nimmt. Auch könnte es im Extremfall dazu kommen, dass man in die Batterie einschweißt. Dies wäre ein fataler Fehler und sollte in der Produktion nicht vorkommen. Auch in vielen anderen Anwendungen ist es wünschenswert, eine konstante Einschweißtiefe mit einem vorgegeben Wert sicherstellen zu können. Das Vorliegen eines Spalts, insbesondere eines Spalts mit variierender Spaltbreite erschwert die Erzeugung einer qualitativ hochwertigen Schweißnaht.

In EP 3 157 706 wird ein Verfahren zur Laserleistungsmodulation beim Schweißen von Kehlnähten an hochfesten Aluminiumlegierungen beschrieben.

Zusammenfassung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Schweißnaht zwischen zwei sich überlappenden Werkstückblechen zu erzeugen, die einen Spalt zwischen den Werkstückblechen überbrückt.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Schweißnaht zwischen zwei sich überlappenden und einen Spalt bildenden Werkstückblechen zu erzeugen, die eine im Wesentlichen konstante Einschweißtiefe aufweist und/oder eine notwendige und hinreichende Einschweißtiefe aufweist, die eine maximale Einschweißtiefe nicht überschreitet.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Schweißnaht zwischen zwei sich überlappenden und einen Spalt bildenden Werkstückblechen zu erzeugen, die ausreichend großes Nahtvolumen aufweist. Überdies besteht auch eine Aufgabe darin, eine Schweißnaht zwischen zwei sich überlappenden und einen Spalt bildenden Werkstückblechen zu erzeugen, die eine im Wesentlichen homogene elektrische Leitfähigkeit und/oder eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweist.

Ferner besteht eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine qualitativ hochwertige Schweißnaht zwischen zwei sich überlappenden und einen Spalt bildenden Werkstückblechen zu erzeugen.

Eine oder mehrere dieser Aufgaben werden durch ein Verfahren und eine Laserbearbeitungsvorrichtung zum Laserschweißen gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung beruht darauf, mittels Ab Standsmessung, insbesondere optischer Abstandsmessung, beispielsweise mittels optischer Kohärenztomographie (kurz: OCT), einen Spalt zwischen einem ersten und einem zweiten Werkstückblech zu vermessen und die Prozessparameter, z.B. die Laserleistung des Bearbeitungslaserstrahls an die jeweilige Spaltbreite des Spalts entlang des Bearbeitungspfads anzupassen. Der Spalt wird vorzugsweise vor dem Schweißen vermessen. Mit den Informationen aus der Spaltvermessung kann z.B. die Laserleistung des Bearbeitungslaserstrahls oder z.B. die Schweißgeschwindigkeit adaptiv angepasst werden, dass (i) der Spalt auf jeden Fall überbrückt wird, und/oder (ii) die Anbindefläche der Schweißnaht bzw. die Breite der Schweißnaht groß genug ist, um die Anforderungen an elektrischen Widerstand und mechanische Festigkeit zu erfüllen. Das Verfahren und das Laserbearbeitungssystem können beispielsweise beim Laserschweißen von Werkstückblechen mit einer Scanneroptik eingesetzt werden, wobei der Bearbeitungsstahl durch die Scanneroptik, die beispielsweise ein oder zwei sich dynamisch bewegende Spiegel umfasst, umgelenkt und auf ausgewählte Positionen auf den Werkstückblechen geführt wird. Insbesondere können das Verfahren und das Laserbearbeitungssystem in der Metallverarbeitung, bevorzugt in der Bearbeitung von Bauteilen in der Elektromobilität, beispielsweise bei der Herstellung und/oder Bearbeitung von Batterien und/oder Batteriekontaktierung und/oder Busbar- Schweißungen und/oder bei der Herstellung von elektronischen Bauteilen, z.B. Aggregaten oder Invertern, zum Einsatz kommen.

Gemäß einem Aspekt umfasst ein Verfahren zum Laserschweißen von einem ersten Werkstückblech und einem das erste Werkstückblech zumindest teilweise überlappenden zweiten Werkstückblech entlang eines Bearbeitungspfads mittels eines Bearbeitungslaserstrahls, die Schritte: Erfassen eines Abstands, z.B. von einer Referenz, etwa von einem das Verfahren zum Laserschweißen ausführenden Laserbearbeitungskopf, zum ersten Werkstückblech und zum zweiten Werkstückblech an mehreren Positionen bzw. eines Abstands zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstückblech an mehreren Positionen; Ermitteln einer Spaltbreite eines Spalts zwischen dem ersten Werkstückblech und dem zweiten Werkstückblech basierend auf den erfassten Abständen und auf einer Dicke des zweiten Werkstückblechs; und Verschweißen der beiden Werkstückbleche durch Einstrahlen des Bearbeitungslaserstrahls entlang des Bearbeitungspfads und Ausbilden einer Schweißnaht; wobei eine Laserleistung des Bearbeitungslaserstrahls an die jeweilige Spaltbreite des Spalts entlang des Bearbeitungspfads angepasst wird. Da der Abstand für mehrere Positionen auf dem ersten Werkstückblech und/oder auf dem zweiten Werkstückblech erfasst wird, werden mehrere Abstände erfasst. Die Spaltbreite kann also indirekt vermessen werden.

Die Erfindung ermöglicht die Herstellung qualitativ hochwertiger Schweißverbindungen trotz Vorliegen eines Spaltes, insbesondere trotz eines Spaltes mit variierender Spaltbreite, zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstückblech.

Ein Spalt führt oft zu einer verringerten Anbindefläche einer Schweißnaht bis hin zu gar keiner Anbindefläche und dadurch wird das Bauteil ggf. unbrauchbar und kann eine Ausschussware darstellen. Dies kann durch das erfindungsgemäße Verfahren verringert oder gar vermieden werden. In dem Fall, in dem der Spalt beim üblichen Schweißen eine verringerte Anbindefläche verursachen würde, kann das erfindungsgemäße Verfahren den Spalt jedoch mit ausreichender Anbindefläche bzw. Schweißnahtbreite und/oder Einschweißtiefe überbrücken. Die Werkstückbleche können metallische Werkstücke, insbesondere metallische Werkstücke mit im Wesentlichen ebener Gestalt, sein. Das erste Werkstückblech kann auch als Unterblech bezeichnet werden und das zweite Werkstückblech als Oberblech. Mit anderen Worten ist hier das zweite Werkstückblech näher zum Laserbearbeitungskopf angeordnet als das erste Werkstückblech, bzw. das zweite Werkstückblech liegt in Laserstrahlausbreitungsrichtung vor dem ersten Werkstückblech. Ein Bereich, in dem das erste Werkstückblech und das zweite Werkstückblech überlappen, kann als Überlappbereich bezeichnet werden. Der Abstand bzw. die Distanz zwischen dem ersten Werkstückblech und dem zweiten Werkstückblech kann als Spalt bezeichnet werden. Insbesondere kann der Spalt der Abstand zwischen den zwei sich gegenüberliegenden Oberflächen der Werkstückbleche, d.h. der Abstand zwischen der oberen Oberfläche bzw. Fläche des Unterblechs und der unteren Oberfläche bzw. Fläche des Oberblechs, sein. Der Abstand bzw. die Spaltbreite kann im Überlappbereich variieren, beispielsweise wenn die (einander gegenüberliegenden) Oberflächen der beiden Werkstückbleche nicht parallel zueinander angeordnet sind. In diesem Fall kann der Spalt eine im Wesentlichen keilförmige räumliche Ausdehnung aufweisen. Mit anderen Worten können die beiden überlappenden Werkstückbleche mindestens einen Winkel einschließen, der dazu führt, dass ein keilförmiger Zwischenraum zwischen den Werkstückblechen entsteht. Es wird in einer Ausführungsform angenommen, dass die beiden Werkstückbleche mindestens im Überlappbereich eine im Wesentlichen planare Ausbildung bzw. Ausdehnung haben, also jeweils durch zwei zueinander parallele Ebenen der oberen und der unteren Oberflächen definiert werden können. Die beiden Werkstückbleche können also zumindest teilweise bzw. zumindest im Überlappbereich flache Platten sein.

Das Erfassen eines Abstands bzw. die Abstandsbestimmung zum ersten und/oder zum zweiten Werkstückblech an jeweils mehreren Positionen erfolgt insbesondere in Bezug auf den das Laserschweißen durchführenden Laserbearbeitungskopf und/oder auf einen Sensor als Referenz oder in Bezug auf eine Referenzebene bzw. einen Referenzpunkt als Referenz. Das Erfassen eines Abstands kann auch ein Erfassen einer räumlichen Lage des ersten Werkstückblechs und/oder des zweiten Werkstückblechs umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann das Erfassen eines Abstands das Erfassen einer relativen Lage der Werkstückbleche zueinander umfassen. Beispielsweise kann das Erfassen eines Abstands das Erfassen einer Neigung des zweiten Werkstückblechs relativ zum ersten Werkstückblech umfassen. Die Referenzebene kann auch die Oberfläche des anderen Werkstückblechs sein. Dies kann als Erfassen eines Abstands zwischen einer Oberfläche des ersten Werkstückblechs und einer Oberfläche des zweiten Werkstückblechs, insbesondere zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen der Werkstückbleche, verstanden werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird also ein Abstand zum ersten und zweiten Werkstückblech bzw. zwischen dem ersten und zweiten Werkstückblech an mindestens zwei Positionen erfasst. Darauf basierend kann die Spaltbreite eines Spalts zwischen den beiden Werkstückblechen für diese zumindest zwei Positionen ermittelt werden.

Vorzugsweise werden an mindestens drei Positionen Abstände zum ersten Werkstückblech und zum zweiten Werkstückblech bzw. zwischen dem ersten und zweiten Werkstückblech erfasst. Insbesondere können drei Abstände auf dem Oberblech und drei Abstände auf dem Unterblech erfasst werden. Da drei Punkte bzw. Positionen eine Ebene aufspannen, können drei Positionen auf dem Oberblech eine Lage des Oberblechs (insbesondere einer Oberfläche des Oberblechs) definieren und drei Punkte auf dem Unterblech können eine Lage des Unterblechs (insbesondere einer Oberfläche des Unterblechs) definieren. Insgesamt werden dazu in Summe Abstände an sechs Positionen, also auf sechs Punkten ermittelt. Es können auch mehr Abstände ermittelt werden, beispielsweise acht, zehn, zwölf, vierzehn oder mehr.

Beispielsweise können mindestens drei Abstände zwischen dem Laserbearbeitungskopf und dem Oberblech an mindestens drei unterschiedlichen Punkten bzw. Positionen auf dem Oberblech in einem Peripherie- bzw. Randbereich des Überlappbereichs erfasst werden und/oder es können mindestens drei Abstände zwischen dem Laserbearbeitungskopf und dem Unterblech an mindestens drei unterschiedlichen Punkten bzw. Positionen auf dem Unterblech angrenzend an den Überlappbereich erfasst werden. Dabei können die Punkte auf dem Oberblech jeweils in der unmittelbaren Nähe von den Punkten auf dem Unterblech gewählt sein. Mit anderen Worten kann ein Abstand an einem Punkt auf dem Oberblech erfasst werden, der im Überlappbereich liegt, insbesondere an einem Rand des Oberblechs. Der Abstand zum Unterblech wird dann bevorzugt an einem an den Überlappbereich unmittelbar angrenzenden Punkt, d.h. einen Punkt auf dem Unterblech neben der Kante des Oberblechs, erfasst, und zwar insbesondere in der Nähe eines der Punkte, an denen die Abstände zum Oberblech erfasst werden. Vorzugsweise gibt es zu jeder Position auf dem ersten Werkstückblech eine entsprechende Position auf dem zweiten Werkstückblech, die maximal 5 mm von der Position auf dem ersten Werkstückblech beabstandet ist.

Das Anpassen der Laserleistung des Bearbeitungslaserstrahls bzw. der Bearbeitungslaserleistung kann bevorzugt kontinuierlich während des Verschweißens bzw. während des Abfahrens des Bearbeitungspfades mit dem Bearbeitungslaserstrahl erfolgen. Die Bearbeitungslaserleistung kann also vorzugsweise kontinuierlich in Abhängigkeit von der Spaltbreite an der aktuellen Schweißposition auf dem Bearbeitungspfad angepasst werden. Mit anderen Worten kann die Bearbeitungslaserleistung beim Überfahren der Werkstücke bzw. des Ober- und des Unterblechs in Echtzeit bzw. in jedem Moment so angepasst werden, dass der Spalt zwischen Ober- und Unterblech derart überbrückt wird, dass bevorzugt eine Schweißnaht mit konstanter Tiefe erzeugt wird. Der Spalt zwischen Ober- und Unterblech kann beim Schweißen an jeder Stelle entlang des Bearbeitungspfades überbrückt werden. In einer Ausführungsform wird die Laserleistung so angepasst, dass die Schweißnaht entlang des Bearbeitungspfades eine vorbestimmte und konstante Einschweißtiefe aufweist.

Vorzugsweise wird vor dem Schweißen der Spalt vermessen. Mit den Informationen aus der Spaltvermessung kann die Bearbeitungslaserleistung adaptiv so angepasst werden, dass einerseits der Spalt überbrückt wird und andererseits die Schweißnaht breit und/oder tief genug ist, um vorgegebene Anforderungen an den elektrischen Widerstand und die mechanische Festigkeit der Schweißnaht zu erfüllen. Die Anbindefläche bzw. die Schweißnahtbreite kann also ausreichend groß ausgestaltet werden, um einen guten elektrischen Widerstand und/oder eine gute mechanische Festigkeit zu erzielen. Darüber hinaus kann eine vorgegebene Einschweißtiefe unabhängig von der Spaltsituation gewährleistet werden. Die Laserleistung des Bearbeitungslaserstrahls bzw. Bearbeitungslaserleistung kann proportional zu der Spaltbreite und/oder kontinuierlich während des Verschweißens und/oder gemäß einer vorgegebenen Funktion der Spaltbreite entlang des Bearbeitungspfads angepasst werden. Bevorzugt erfolgt die kontinuierliche Anpassung dabei gemäß einer stetig differenzierbaren Funktion. Die Funktion der Spaltbreite entlang des Bearbeitungspfads kann ein- oder zweidimensional sein und durch f(x) oder f(x,y) ausgedrückt werden. Hierbei kann x den Bearbeitungspfad bzw. Schweißpfad beschreiben. Alternativ können x,y Achsen eines orthogonalen Koordinatensystems bezeichnen.

Das kontinuierliche Anpassen der Bearbeitungslaserleistung an die ermittelte Spaltbreite entlang des Bearbeitungspfads führt zu einem besonders präzisen Schweißergebnis und gewährleistet an jeder Position des Bearbeitungspfads eine Anbindung bzw. Spaltüberbrückung mit hoher Qualität. Insbesondere kann eine Schweißnaht mit konstanter Einschweißtiefe und/oder ausreichender bzw. konstanter Anbindefläche erzeugt werden.

In einer Ausführungsform kann der Bearbeitungspfad basierend auf den mehreren Positionen in Bereiche aufgeteilt werden, in denen die Laserleistung des Bearbeitungslaserstrahls entsprechend der für die jeweilige Position ermittelten Spaltbreite auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird. Anstelle des Bearbeitungspfads kann auch die Oberfläche des zweiten Werkstückblechs, auf das der Bearbeitungslaserstrahl eingestrahlt wird, aufgeteilt werden. Mit anderen Worten erfolgt eine Aufteilung des Bearbeitungspfads oder der Oberfläche des Oberblechs, worauf der Bearbeitungslaserstrahl eingestrahlt wird, in Bereiche diskreter Leistungswerte des Bearbeitungslasers. Dabei kann zur Bestimmung der Leistungswerte der Mittelwert der Spaltbreite in dem entsprechenden Bereich verwendet werden. Anstatt des Mittelwerts der Spaltbreite kann auch ein Höchstwert oder ein niedrigster Wert der Spaltbreite in diesem Bereich zur Ermittlung der Bearbeitungslaserleistung verwendet werden.

Die Bearbeitungslaserleistung kann näherungsweise stufenförmig bzw. in diskreten Schritten an die Spaltbreite an der jeweiligen Position oder in dem jeweiligen Bereich angepasst werden. Dabei kann die Bearbeitungslaserleistung in verschiedenen Bereichen diskrete gleiche Werte aufweisen. Die Aufteilung in solche Bereiche kann in Form von Quadranten, in Form eines Gitters, in Form von Sektoren, Streifen oder anderen geometrischen Strukturen erfolgen. Die Werte der Bearbeitungslaserleistung können beispielsweise aus einer Tabelle entnommen werden. Insbesondere kann eine Steuervorrichtung auf die Werte in einer Tabelle zugreifen und die Bearbeitungslaserleistung des Bearbeitungslasers entlang des Bearbeitungspfades anpassen.

Die Aufteilung des Bearbeitungspfades oder der Oberfläche des Oberblechs in Bereiche diskreter Werte der Bearbeitungslaserleistung ist besonders unkompliziert und einfach und lässt sich in einfacher Weise durch Ablesen der Werte für die Bearbeitungslaserleistung aus einer Tabelle verwirklichen. Beispielsweise kann in einer Tabelle zu diskreten Werten von Spaltbreiten ein Wert für die Bearbeitungslaserleistung hinterlegt sein. Dies kann beispielsweise den Vorteil haben, dass keine oder zumindest keine komplizierten Rechenschritte erforderlich werden.

Die Laserleistung bzw. Bearbeitungslaserleistung kann bevorzugt so angepasst werden, dass die Schweißnaht entlang des Bearbeitungspfads eine konstante bzw. homogene Einschweißtiefe und/oder eine Einschweißtiefe größer als eine vorgegebene minimale Einschweißtiefe und/oder eine Einschweißtiefe kleiner als eine vorgegebene maximale Einschweißtiefe und/oder eine Anbindefläche bzw. Schweißnahtbreite größer als eine vorgegebene Mindest-Anbindefläche bzw. Mindest- Schweißnahtbreite aufweist.

Eine Schweißnaht mit konstanter bzw. homogener Einschweißtiefe entlang des Bearbeitungspfads hat den Vorteil, dass die Qualität der Schweißnaht entlang des Bearbeitungspfads konstant bzw. homogen ist. Der minimale Wert und/oder maximale Wert für die Einschweißtiefe und/oder die Anbindefläche können vorgegeben sein, beispielsweise für eine spezielle Anwendung oder durch den Benutzer.

Insbesondere können Werte für die Einschweißtiefe und/oder Anbindefläche zuvor experimentell bestimmt werden, um einer Qualitätsanforderung, z.B. einer vorgegebenen Leitfähigkeit und/oder mechanischen Festigkeit, zu entsprechen. Dazu können Testschweißungen mit unterschiedlichen Einschweißtiefen und/oder Anbindeflächen erfolgen und sich damit unterschiedlichen Qualitäten ergeben. Die jeweilige Bearbeitungslaserleistung und/oder die Einschweißtiefe und/oder die Anbindefläche kann bzw. können dann dem beobachteten Qualitätsmerkmal zugeordnet werden. Ein Qualitätsmerkmal kann beispielsweise ein Wert oder ein Wertebereich für die elektrische Leitfähigkeit, für den Widerstand und/oder für die mechanische Festigkeit sein. Die minimalen und/oder maximalen Werte der Einschweißtiefe und/oder Anbindefläche können beispielsweise anwendungsabhängig vorgegeben sein, um eine bestimmte elektrische Leitfähigkeit und/oder einen bestimmten elektrischen Widerstand und/oder eine bestimmte mechanische Festigkeit zu erzielen.

Die Schweißnaht kann zumindest eine der folgenden umfassen: eine Überlapp-L Schweißnaht, eine Kehlnaht und eine Liniennaht. Solche Schweißnähten sind gängige Schweißnähten, die vielseitig zum Einsatz kommen. Eine Kehlnaht liegt dabei in der Regel an dem Rand eines Oberblechs und verbindet das Ober- mit dem Unterblech. Eine Überlapp-LSchweißnaht liegt insbesondere innerhalb des Randes des Oberblechs, also nicht auf oder an dem Rand, sondern vollständig auf der Oberfläche des Oberblechs innerhalb des Überlappbereichs.

Vorzugsweise werden Ab stände jeweils an mindestens drei Positionen auf einer Oberfläche des ersten Werkstückblechs und auf einer Oberfläche des zweiten Werkstückblechs erfasst. Aus den erfassten Abständen zum ersten und zweiten Werkstückblech bzw. zwischen dem ersten und zweiten Werkstückblech kann eine räumliche Lage einer Oberfläche des ersten Werkstückblechs und eine räumliche Lage einer Oberfläche des zweites Werkstückblechs und/oder eine relative räumliche Lage des ersten und zweiten Werkstückblechs zueinander und/oder eine relative Neigung des zweiten Werkstückblechs zum ersten Werkstückblech bestimmt werden.

Drei Punkte bzw. Positionen spannen eine Ebene auf. Mit anderen Worten kann aus drei Punkten bzw. Positionen die Lage einer ebenen Fläche im Raum bestimmt werden. Daher kann die eine Oberfläche des ersten Werkstückblechs bzw. des Unterblechs anhand von drei Positionen definiert bzw. bestimmt werden. Ebenso kann eine Oberfläche des zweiten Werkstückblechs bzw. des Oberblechs anhand von drei Positionen definiert bzw. bestimmt werden. Insbesondere wird die jeweilige Ebene der Hauptoberfläche bzw. der dem Laserbearbeitungskopf zugewandte Oberfläche des ersten Werkstückblechs und des zweiten Werkstückblechs anhand von drei Positionen bestimmt. Die Oberfläche des ersten bzw. zweiten Werkstückblechs, für die der jeweilige Abstand bestimmt wird, kann daher als Hauptoberfläche bzw. der dem Laserbearbeitungskopf zugewandten Oberfläche bezeichnet werden.

In einer Ausführungsform wird bei dem Ermitteln der Spaltbreite des Spalts eine dreidimensionale Spaltgeometrie, insbesondere eine Spaltgeometrie innerhalb des gesamten Überlappbereichs, ermittelt. Dies erlaubt, einen Wert für die Bearbeitungslaserleistung für jede Position entlang des Pfades bzw. des Bearbeitungspfads, insbesondere in zwei Dimensionen, zu bestimmen. Der Bearbeitungspfad verläuft vorzugsweise auf der Oberfläche des Oberblechs.

Aus den ermittelten Spaltbreiten an den Positionen kann eine Spaltgeometrie innerhalb des gesamten Überlappbereichs interpoliert werden. Dies erlaubt, die Spaltbreite an jeder Position zu bestimmen und entsprechend zuverlässig die Bearbeitungslaserleistung anpassen und/oder bestimmen zu können.

Insbesondere kann die Spaltbreite des Spalts basierend auf den erfassten Abständen und einer vorgegebenen bzw. bekannten Dicke des zweiten Werkstückblechs bzw. des Oberblechs ermittelt werden. Die Spaltbreite kann durch Subtrahieren des Abstandes zum Oberblech und der Dicke des Oberblechs vom Abstand zum Unterblech ermittelt werden. Bevorzugt erfolgt das Ermitteln der Spaltbreite unter Einbeziehung der Abstände an mindestens drei Positionen auf den Hauptoberflächen des ersten und des zweiten Werkstückblechs und unter Einbeziehung von einer Blechdicke des zweiten Werkstückblechs.

Insbesondere kann das Erfassen von Abständen an mehreren Positionspaaren erfolgen, wobei ein Positionspaar eine Position in einem Randbereich des Überlappbereichs auf dem zweiten Werkstückblech und eine dazu benachbarte Position auf dem ersten Werkstückblech umfasst. Die Positionen der Abstandsmessung bzw. Distanzmessung auf Ober- und Unterblech können benachbart zueinander gewählt werden. Näherungsweise kann man dann davon ausgehen, dass sie in einem Punkt gemessen worden sind. Alternativ kann wie oben ausgeführt die Lagen der Oberflächen des Ober- und Unterblechs ermittelt und die Spaltbreite im Überlappbereich daraus berechnet werden. Im Überlappbereich kann der Abstand zum Unterblech zumindest optisch nicht ermittelt werden, da das Oberblech das Unterblech verdeckt und in der Regel lichtundurchlässig ist. Daher kann der Abstand zum ersten Werkstückblech und somit die Spaltbreite im Überlappbereich typischerweise nur durch eine Rechenoperation bestimmt werden.

Bevorzugt erfolgt das Erfassen der Abstände mittels eines optischen Verfahrens mit einem Messstrahl, insbesondere mittels optischer Kohärenztomographie, OCT, mittels eines interferometrischen Verfahrens, mittels Konoskopie, mittels chromatisch konfokaler Abstandsmessung, oder mittels Lasertriangulation.

Besonders bevorzugt kann die Abstandsbestimmung mittels optischer Kohärenztomographie erfolgen. Dazu kann eine OCT Messung beispielsweise mittels einer Ablenkoptik bzw. Scanner-Optik zum Richten des Messstrahls auf die mehreren Positionen erfolgen. Bevorzugt wird dazu eine Ablenkoptik zum Führen bzw. Ablenken des Bearbeitungslasers, z.B. entlang des Bearbeitungspfades, verwendet. Die Ablenkoptik kann zumindest einen beweglichen Spiegel, vorzugsweise zwei bewegliche Spiegel umfassen. Die Ablenkoptik ist vorzugsweise eingerichtet, den Bearbeitungslaserstrahl bzw. den Messstrahl in zumindest zwei aufeinander senkrechtstehende Raumrichtungen abzulenken. In diesem Fall kann die Ablenkoptik als 2D Scanner bezeichnet werden. Die Ablenkoptik kann auch als 3D Scanner ausgebildet sein. Die Verwendung von lediglich einer Ablenkoptik für den Bearbeitungslaserstrahl und für die Ab Standsbestimmung hat den Vorteil einer besonders kompakten, einfachen und effizienten Ausbildung einer Laserbearbeitungsvorrichtung.

Bevorzugt ist zumindest eines der beiden Werkstückbleche ein Teil einer Batterie oder eines elektronischen Bauteils und/oder es erfolgt das Laserschweißen zur Batteriekontaktierung oder zur Herstellung eines elektronischen Bauteils, beispielsweise eines Inverters oder eines Aggregats („power train“). In einer Batterie können solche Schweißungen beispielsweise Bus-Bar Schweißungen und/oder Zellverbinder-Zellpol-Schweißungen und/oder Verschweißungen von Pins umfassen. Schweißungen in Batterien unterliegen besonders hohen Qualitätsansprüchen, da es sich um besonders hochwertige Bauteile handelt, die eine lange Lebensdauer aufweisen und einwandfrei funktionieren sollen. Das Verfahren kann daher in solchen Bauteilen besonders vorteilhafte Wirkungen erzielen.

Bevorzugt wird der Bearbeitungslaserstrahl während des Schweißens durch eine Ablenkoptik bzw. Scanner-Optik entlang des Bearbeitungspfads geführt. Insbesondere kann das Laserschweißen von Werkstückblechen mittels einer Ablenkoptik erfolgen. Mit anderen Worten erfolgt das Verschweißen mittels des Bearbeitungslaserstrahls entlang des Bearbeitungspfades durch Ablenken des Bearbeitungslaserstrahls mittels einer Ablenkoptik.

Die Ablenkoptik führt insbesondere den Schritt des Auslenkens des Bearbeitungslaserstrahls entlang des Bearbeitungspfads und/oder des Auslenkens eines Messstrahls zum Erfassen der Abstände an den mehreren Positionen aus.

Vor dem Erfassen des Abstandes bzw. der Abstände kann ein räumliches Fixieren der beiden Werkstückbleche relativ zueinander erfolgen, um ein Verrutschen der Werkstückbleche gegeneinander zu verhindern. Anschließend kann das Erfassen der Abstände erfolgen.

Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst ein Laserbearbeitungssystem zum Laserschweißen von einem ersten Werkstückblech und einem zweiten Werkstückblech entlang eines Bearbeitungspfads mittels eines Bearbeitungslaserstrahls: eine Abstandsmessvorrichtung zum Erfassen eines Abstands von einer Referenz zum ersten Werkstückblech und zum zweiten Werkstückblech an mehreren Positionen; eine Ablenkoptik bzw. Scanner- Optik zum Führen des Bearbeitungslaserstrahls entlang des Bearbeitungspfads; und eine Steuervorrichtung zum Ermitteln einer Spaltbreite des Spalts zwischen dem ersten Werkstückblech und dem zweiten Werkstückblech basierend auf den erfassten Abständen; wobei die Steuervorrichtung eingerichtet ist, eine Laserleistung des Bearbeitungslaserstrahls an die jeweilige Spaltbreite des Spalts entlang des Bearbeitungspfads anzupassen.

Vorzugsweise ist die Steuervorrichtung eingerichtet, ein Verfahren gemäß einem der hierin beschriebenen Ausführungsformen durchzuführen.

Das Laserbearbeitungssystem kann eine Laserquelle zum Bereitstellen des Bearbeitungslaserstrahls aufweisen. Beispielsweise kann der Bearbeitungslaserstrahl von der Laserquelle über eine Laserleitfaser in den Laserbearbeitungskopf eingeführt werden.

Die Abstandsmessvorrichtung, die Steuervorrichtung und/oder die Ablenkoptik können in bzw. an einem Gehäuse, beispielsweise in bzw. an einem Bearbeitungslaserkopf, angeordnet sein.

Bevorzugt umfasst die Abstandsmessvorrichtung des Laserbearbeitungssystems eine optische Abstandsmessvorrichtung zum Erfassen der Abstände mittels eines optischen Verfahrens mit einem Messstrahl, insbesondere mittels optischer Kohärenztomographie. Das Laserbearbeitungssystem kann dazu ausgelegt sein, dass ein Strahlengang des Messstrahls und des Bearbeitungslaserstrahls über die Ablenkoptik verläuft. Die Ablenkoptik kann also nicht nur den Bearbeitungslaserstrahl auslenken, sondern auch den Messstrahl.

Die Abstandsmessvorrichtung kann insbesondere mindestens eine der folgenden aufweisen: einen optischen Kohärenztomographen, eine interferometrische Vorrichtung, eine Konoskopie-Vorrichtung, eine chromatisch konfokale Abstandsmessvorrichtung, eine Lasertriangulationsvorrichtung. Die Ablenkoptik bzw. Scanner-Optik kann mindestens eines der folgenden Elemente umfassen: einen Galvo-Scanner, mindestens einen, bevorzugt zwei, beweglichen Spiegel und einen 2D-Scanner. Alle Vorteile der Schritte des Verfahrens gemäß dem Aspekt oder gemäß einer bevorzugten Ausführungsform treffen auch auf das Laserbearbeitungssystem mit den entsprechenden Merkmalen zu.

Bevorzugt erfolgt das Ermitteln der räumlich variierenden Spaltbreite vollständig vor dem Schweißen und stellt damit einen Pre-Prozess-Schritt dar.

Bevorzugt weist der Bearbeitungspfad zumindest eine der folgenden Geometrien auf: eine gerade oder wellenförmige Linie, einen Kreis, eine kreisförmige oder elliptische oder eckige Spirale oder eine Mäanderform.

Bevorzugt ist die Schweißnaht eine Überlapp-I-Schweißnaht, die beispielsweise durch ein vollständiges Durchschweißen des ersten Werkstückblechs und ein teilweises Einschweißen in das zweite Werkstückblech entsteht. Die Schweißnaht kann auch eine Kehlnaht umfassen, wenn der Bearbeitungspfad beispielsweise zumindest teilweise entlang eines Grenzbereichs zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstückblech verläuft.

Bevorzugt weist der Spalt eine maximale Spaltbreite kleiner oder gleich 10 mm auf. Ein Spalt liegt dann vor, wenn an einer Stelle zwischen den beiden Werkstückblechen im Wesentlichen kein physischer Kontakt vorliegt.

Ein Werkstückblech kann eine Folie, ein Plättchen oder eine Platte umfassen. Insbesondere beträgt die Blechdicke zwischen etwa 20pm und etwa 2mm, bevorzugt zwischen etwa 20pm und etwa 200pm. Werkstückbleche, die eine Blechdicke von etwa 200pm aufweisen, können insbesondere Kollektoren sein. Werkstückbleche, die eine Blechdicke von etwa 20pm aufweisen, gelten typischerweise als im Wesentlichen dünne Folien. Werkstückbleche, die eine Blechdicke zwischen etwa 20pm und 2mm aufweisen, können insbesondere bus-bars sein.

Bevorzugt weist der Bearbeitungslaserstrahl eine variierbare, insbesondere stufenlos einstellbare Bearbeitungslaserleistung zwischen etwa 50W und etwa 5kW auf. Insbesondere wird für eine Blechdicke des zweiten Werkstückblechs von etwa 20pm eine Bearbeitungslaserleistung von etwa 50W eingestellt und für eine Blechdicke von etwa 2mm wird eine Bearbeitungslaserleistung von etwa 5kW eingestellt. Die Bearbeitungslaserleistung wird ausgehend von diesen etwaigen Werten bevorzugt an die räumlich variierende Spaltbreite angepasst, um eine möglichst homogene Einschweißtiefe zu erzielen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren im Detail beschrieben.

Fig. 1A ist eine schematische Draufsicht eines ersten und eines zweiten Werkstückblechs und zeigt einen spiralförmigen Bearbeitungspfad und jeweils drei Positionen auf dem ersten und dem zweiten Werkstückblech, an denen der Abstand zum ersten und zweiten Werkstückblech erfasst wird;

Fig. 1B ist eine schematische Darstellung der Einschweißtiefe zwischen zwei Werkstückblechen;

Fig. 2 ist eine schematische Seitenansicht des Oberblechs und des Unterblechs mit Spalt; Fig. 3-6 sind schematische Seitenansichten von Werkstückblechen mit verschiedenen Spaltsituationen und adaptiver Spaltkompensation durch angepasste Bearbeitungslaserleistung;

Fig. 7 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß Ausführungsformen der Erfindung;

Fig. 8 ist eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungssystems zum Laserschweißen von einem ersten Werkstückblech und einem zweiten Werkstückblech mittels eines Bearbeitungslaserstrahls gemäß Ausführungsformen der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Elemente und auf eine wiederholende und daher redundante Beschreibung dieser Elemente wurde verzichtet. Die in den Figuren angedeutete Raumkoordinate z entspricht der vertikalen Raumrichtung (Höhenrichtung) und die Raumkoordinaten x und y deuten jeweils eine horizontale Raumrichtung (Längsrichtung) an. Die Laserstrahlausbreitungsrichtung kann in z-Rich- tung verlaufen, d.h. ein Einfallswinkel des Bearbeitungslaserstrahls auf die Werkstückoberfläche kann im Wesentlichen ein rechter Winkel sein. Ein Spalt S bzw. die Spaltbreite 4 eines Spaltes S dehnt sich in den Figuren entlang der z-Koordinaten aus und kann entlang der x-Koordinaten und/oder entlang der y-Koordinaten variieren. Die Raumkoordinaten wurden beliebig und nur beispielhaft dargestellt zur besseren Beschreibung der Figuren.

Fig. 1 zeigt schematisch ein erstes und ein zweites Werkstückblech 1, 2, die einander überlappend angeordnet sind, sodass sie einen Überlappbereich bilden. Das in z-Rich- tung bzw. in Laserstrahlausbreitungsrichtung oben liegende Werkstückblech 2 kann auch als Oberblech bezeichnet werden. Entsprechend kann das unten liegende Werkstückblech 1 als Unterblech bezeichnet werden. Bei der Anordnung der beiden Werkstückbleche 1,2 kann ein Spalt S auftreten. Je nach relativer Lage der beiden Werkstückbleche 1,2 kann eine Spaltbreite 4 des Spalts S an verschiedenen Positionen im Überlappbereich unterschiedliche Werte aufweisen kann (vgl. Fig. 1B). Falls die Spaltbreite 4 entlang zumindest einer der horizontalen Raumrichtungen x und y variiert, also in der Regel zu oder abnimmt, hat der Spalt typischerweise eine keilförmige Ausdehnung im Überlappbereich des Oberblechs 2 und des Unterblechs 1. Diese keilförmige Ausdehnung ist Resultat einer Verkippung der beiden Werkstückbleche 1, 2 gegeneinander. Eine Verkippung des Oberblechs 2 gegen das Unterblech 1 kann auch als Verkippung des Unterblechs 1 (erstes Werkstückblech) gegen das Oberblech 2 (zweites Werkstückblech) verstanden werden. Eine Verkippung der Werkstückbleche ist dabei also immer eine relative Verkippung der Werkstückbleche 1, 2 gegeneinander.

Das zweite Werkstückblech 2 und das erste Werkstückblech 1 sind in Fig. 1 zu einer Überlapp I-Naht angeordnet. Geschweißt werden soll entlang eines spiralförmigen Bearbeitungspfads 3. Der spiralförmige Bearbeitungspfad 3 ist insbesondere ein vorgegebener Pfad, der von einem Bearbeitungslaserstrahl abgefahren wird. Der spiralförmige Bearbeitungspfad 3 liegt auf der Oberfläche O2 des zweiten Werkstückblechs 2, welches mit dem ersten Werkstückblech 1 überlappt. Mit anderen Worten wird der Bearbeitungslaserstrahl 5 in einem Überlappbereich des ersten und des zweiten Werkstückblechs 1, 2 abgefahren, um die beiden Werkstücke 1, 2 miteinander zu verschweißen und eine Schweißnaht auszubilden.

Zwischen den Werkstückblechen 1, 2 liegt also ein Spalt S vor (vgl. Fig. 2). Die Spaltbreite 4 ist nicht unbedingt konstant, beispielsweise wenn das Oberblech 2 gegenüber dem Unterblech 1 verkippt ist. Der Spalt S soll beim Schweißen überbrückt werden, um eine ausreichend große Anbindefläche herzustellen und somit einen geringen elektrischen Widerstand und eine hohe mechanische Festigkeit zu erreichen. Gleichzeitig soll die Einschweißtiefe 7 (vgl. Fig. 1B), d.h. von der Oberseite des Unterblechs 2 bis Ende der Schweißnaht 3‘, möglichst konstant bzw. homogen gehalten werden, um beispielweise zu vermeiden, dass Temperaturgrenzwerte an einem Batteriepol überschritten werden oder in die Batterie eingeschweißt wird. Eine homogene Einschweißtiefe 7 weist entlang des Bearbeitungspfades 3 eine konstante Tiefe auf. Ein Beispiel für eine homogene Einschweißtiefe ist in Fig. 1B angedeutet. Die beiden Werkstückbleche 1, 2 sind gegeneinander verkippt. Im Beispiel der Fig. 1B ist die Einschweißtiefe 7 die Tiefe, die die Schweißnaht 3‘ gegenüber der Oberfläche 01 des Unterblechs 1 hat. Um eine konstante Einschweißtiefe zu erhalten, wird die Bearbeitungslaserleistung an die Spaltbreite 4 an der jeweiligen Schweißposition entlang des Bearbeitungspfads angepasst. Hierfür wird beispielsweise, wie in Fig. 1 A angedeutet, zunächst an sechs Positionen 11, 12, 13, 21, 22, 23 ein Abstand a, b zwischen einer Referenz R und dem ersten und dem zweiten Werkstückblech 1, 2 erfasst. Die vorliegende Offenbarung ist aber nicht darauf beschränkt. Die sechs Positionen 11, 12, 13, 21, 22, 23 können als drei Paare von Positionen auf dem Ober- und dem Unterblech 1, 2 verstanden werden. Die Positionen eines Paares umfassen vorzugsweise eine erste Position auf dem ersten Werkstückblech 1 und eine zweite Position auf dem zweiten Werkstückblech 2, die nebeneinander liegen bzw. benachbart sind.

In einem ersten Schritt wird der Spalt S bzw. die Spaltbreite 4 indirekt ermittelt, indem Abstände a, b zwischen einer Referenz R, etwa dem Laserbearbeitungskopf oder einer Optik, und den Oberflächen 01, O2 der Werkstückbleche 1, 2 an den Positionen 11 und 21 erfasst werden (in z-Richtung d.h. aus der Bildebene von Fig. 1 heraus, vgl. Fig. 2). Aus der Differenz der Abstände a, b und nach Abzug der Dicke d des zweiten Werkstückblechs kann die Spaltbreite 4 ermittelt werden. Die Oberfläche 02 stellt dabei eine Hauptoberfläche des zweiten Werkstücks 2 dar, welche dem Bearbeitungslaserstrahl 5 und insbesondere einer Abstandsmessvorrichtung 101 zugewandt ist bzw. auf die der Bearbeitungslaserstrahl 5 eingestrahlt wird. Ebenso stellt die Oberfläche 01 eine Hauptoberfläche des ersten Werkstücks 1 dar, welche dem Bearbeitungslaserstrahl 5 und insbesondere einer Abstandsmessvorrichtung 101 zugewandt ist. Dieses Vorgehen wird für mehrere Positionspaare 12, 22 und 13, 23 wiederholt. Damit ergibt sich bei diesem Beispiel die Information über drei Spaltbreiten 4, also die Spaltbreite 4 an drei Positionen, und damit kann die Verkippung des zweiten Werkstückblechs 2 in Bezug auf das erste Werkstückblech 1 ermittelt werden.

In einem zweiten Schritt wird dieses Wissen genutzt, um die Bearbeitungslaserleistung I anzupassen. Ist ein Spalt S vorhanden bzw. ist eines der Werkstückbleche 1, 2 verkippt, wird die Bearbeitungslaserleistung I in Abhängigkeit der Spaltbreite 4 bzw. der Verkippung erhöht bzw. angepasst.

Das zweite Werkstückblech 2 weist in Fig. 1 eine T-Form auf und kann ein Batterie- Kontaktelement, z.B. ein Zellverbinder, sein. Eine T-Form hat einen Steg und eine Basis. Der spiralförmige Bearbeitungspfad 3 ist in Fig. 1 auf dem Steg angedeutet. Der Steg kann beispielsweise eine Breite von etwa 8mm aufweisen. Der Steg ist schmaler als die Basis. Das erste Werkstückblech 1 kann ein Zellpol einer Batterie sein. In Fig. 1 und 2 wird der Abstand a, b zwischen einer Referenz R und dem ersten und dem zweiten Werkstückblech 1, 2 mittels eines optischen Verfahrens, insbesondere mittels optischer Kohärenztomographie, an jeweils drei Positionspaaren 11, 21, 12, 22, 13, 23 erfasst. Der Abstand a, b wird also in Paaren von Positionen erfasst, und zwar an Position 11 auf dem ersten Werkstückblech 1 und Position 21 auf dem zweiten Werkstückblech 2, an Position 12 auf dem ersten Werkstückblech 1 und Position 22 auf dem zweiten Werkstückblech 2 und an Position 13 auf dem ersten Werkstückblech 1 und Position 23 auf dem zweiten Werkstückblech 2. Die Paarung dieser Positionen sind durch die örtliche Nähe der Positionspaare gekennzeichnet. Diese Nähe bzw. Distanz zwischen zwei Zentren der jeweiligen Positionen bzw. Messpositionen kann beispielsweise etwa zwischen 3cm und 0,1mm, insbesondere etwa zwischen 1cm und 0,15mm und bevorzugt etwa zwischen 0,5mm und 0,2mm liegen. Die Referenz kann dabei durch die Abstandsmessvorrichtung 101 oder ein Element der Abstandsmessvorrichtung definiert sein. Beispielsweise durch eine Referenzebene eines optischen Sensors.

Vorzugsweise liegen die Positionen 21, 22, 23, an denen die Abstände b zum zweiten Werkstückblech 2 erfasst werden, jeweils auf der Oberfläche O2 des zweiten Werkstückblechs 2 an dessen Rand und damit an einem Rand des Überlappbereichs der beiden Werkstückbleche 1, 2. Die Positionen 11, 12, 13, an denen die Abstände a zum ersten Werkstückblech 1 erfasst werden, liegen jeweils auf der Oberfläche 01 des ersten Werkstückblechs 1 in der Nähe des Randes des Überlappbereichs der beiden Werkstückbleche 1, 2.

Anhand der jeweils drei Positionspaare bzw. der sechs Positionen 11, 12, 13, 21, 22, 23 können die jeweiligen räumlichen Lagen der planaren Werkstückbleche 1, 2 ermittelt werden. Insbesondere werden die räumlichen Lagen der jeweiligen Oberflächen 01, O2 ermittelt. Beispielsweise können die jeweiligen Abstände a, b an diesen Positionen 11, 12, 13, 21, 22, 23 einer Rechen- bzw. Steuervorrichtung übermittelt werden, welche wiederum ermittelt bzw. errechnet, wie die Spaltbreite 4 eines Spaltes S im Überlappbereich verläuft bzw. sich ausdehnt.

Die Spaltbreite 4 des Spalts S kann beispielsweise im Wesentlichen keilförmig verlaufen. In diesem Fall ist es schwierig, an jeder Stelle des Bearbeitungspfades 3 eine ausreichende Einschweißtiefe 7 zu gewährleisten.

Um den Spalt S, ungeachtet der Spaltform, überbrücken zu können, wird beim Verschweißen der beiden Werkstückbleche 1, 2 durch Einstrahlen des Bearbeitungslaserstrahls 5 entlang des Bearbeitungspfads 3 und beim Ausbilden einer Schweißnaht 3 ‘ eine Laserleistung I des Bearbeitungslaserstrahls 5 an die jeweilige Spaltbreite 4 des Spalts S angepasst. Das bedeutet, dass beispielsweise bei einem Spalt S, der seine Spaltbreite 4 entlang der x-Achse kontinuierlich vergrößert, auch die Bearbeitungslaserleistung I erhöht wird. Diese Erhöhung der Leistung I bzw. Bearbeitungslaserleistung kann insbesondere kontinuierlich erfolgen und insbesondere einer stetig differenzierbaren Funktion folgen. Dies kann beispielsweise der Fall in der Fig. 1 sein, wobei die Bearbeitungslaserleistung I entlang des spiralförmigen Bearbeitungspfades 3 kontinuierlich angepasst wird.

Falls der Spalt S keine Veränderung in der Spaltbreite 4 aufweist, kann die Bearbeitungslaserleistung I auch konstant auf einem Wert gehalten werden, der sich dazu eignet, eine Schweißnaht 3' mit der gewünschten Qualität und/oder den gewünschten Eigenschaften auszubilden. Alternativ kann die Bearbeitungslaserleistung I auch in diesem Beispiel ohne Spalt S geringfügig verändert werden entlang der x- und/oder der y-Ko- ordinate.

In der Fig. 1 kann die Schweißnaht 3', die sich durch den spiralförmigen Bearbeitungspfad 3 ergibt, im Wesentlichen kreis-, punkt- und/oder kuppelartig sein. Die Schweißnaht 3‘ kann beispielsweise eine im Wesentlichen kreisförmige Schweißnaht 3 ‘ sein, die einen Durchmesser von etwa 5mm aufweist.

Fig. 2 ist eine schematische Schnittansicht der Anordnung von Fig. 1 in x-z Ebene. Der Abstand a zwischen einer Referenz R und der Oberfläche 01 des ersten Werkstückblechs 1 wird an der Position 12 und der Abstand b zwischen der Referenz R und der Oberfläche O2 des zweiten Werkstückblechs 2 wird an der Position 22 erfasst. Die Spaltbreite 4 des Spalts S kann dann mindestens näherungsweise ermittelt werden. Beispielsweise kann die Spaltbreite 4 in der unmittelbaren Nähe der Messpositionen 12, 22 durch die folgende Gleichung mindestens näherungsweise errechnet werden:

Spaltbreite 4 = Abstand a - Abstand b - Dicke des Oberblechs 2

Fig. 3-6 sind schematische Darstellungen von Werkstückblechen 1, 2 mit verschiedenen Spaltsituationen und adaptiver Spaltkompensation durch angepasste Bearbeitungslaserleistung I. In Fig. 3-6 ist ein Bearbeitungslaserstrahl 5 an mehreren Positionen entlang des Bearbeitungspfads (hier entlang der Raumkoordinate x) auf dem Oberblech 2 dargestellt. Die Oberflächen 01, O2 des Unter- und des Oberblechs 1, 2 sind den Bearbeitungslaserstrahlen 5 und den Messstrahlen 6 im Wesentlichen zugewandt. Die Bearbeitungslaserleistung I wird gegen die Raumkoordinate x bzw. gegen die Variable des Bearbeitungspfads in einem Diagramm oben in Fig. 3-6 aufgetragen.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung eines ersten Werkstückblechs 1 und eines zweiten Werkstückblechs 2, bei der kein Spalt S vorliegt (Nullspaltsituation). Der Bearbeitungslaserstrahl 5, der entlang des Bearbeitungspfades 3 verläuft bzw. gescannt wird, ist durch mehrere Strahlen angedeutet. Da kein Spalt S vorliegt, kann die Leistung I des Bearbeitungslaserstrahls 5 in der Fig. 3 entlang der Raumkoordinaten x konstant gehalten werden. Allerdings kann die Leistung I des Bearbeitungslaserstrahls 5, wie in Fig. 3 angedeutet, stufenweise oder kontinuierlich geändert werden, um am Rand des Überlappbereichs eine geringere Bearbeitungslaserleistung I einzustellen als in der Mitte des Überlappbereichs. Ohne Spalt S ist das Laserschweißen im Wesentlichen komplikationsfrei und es muss daher auch kein Spalt S kompensiert werden.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung eines ersten Werkstückblechs 1 und eines zweiten Werkstückblechs 2, bei der ein homogener Spalt S vorliegt. Da ein homogener Spalt S vorliegt, wird die Leistung I des Bearbeitungslaserstrahls 5 vorzugsweise entlang des Bearbeitungspfads angepasst, wie im Diagramm angedeutet. Insbesondere kann die Leistung I des Bearbeitungslaserstrahls 5 erhöht werden im Vergleich zu einer Nullspaltsituation. Außerdem kann die Leistung I des Bearbeitungslaserstrahls 5, wie in Fig. 4 angedeutet, stufenweise oder kontinuierlich geändert werden, um am Rand des Überlappbereichs eine geringere Bearbeitungslaserleistung I einzustellen als in der Mitte des Überlappbereichs. Beispielsweise kann im Zentrum eines spiralförmigen Bearbeitungspfades 3 eine höhere Bearbeitungslaserleistung I eingestellt werden als im äußeren Bereich der Spirale.

Fig. 5 zeigt eine Anordnung eines ersten Werkstückblechs 1 und eines zweiten Werkstückblechs 2, bei der ein Spalt S mit variierender (d.h. orts- bzw. positionsabhängiger) Spaltbreite 4 vorliegt. Mit anderen Worten ist das Oberblech, also das zweite Werkstückblech 2 gegenüber dem Unterblech, also dem ersten Werkstückblech 1, verkippt. Die Spaltbreite 4 nimmt in Fig. 5 in x-Richtung zu. Die Spaltbreite 4 nimmt dabei linear zu, was der ebenen Ausgestaltung der Werkstückbleche 1, 2 geschuldet ist. Wie in Fig. 5 angedeutet, wird die Bearbeitungslaserleistung I so angepasst, dass sie mit zunehmender Spaltbreite zunimmt. Beispielsweise kann die Bearbeitungslaserleistung I linear oder diskret, d.h. stufenweise, angepasst werden. Die Bearbeitungslaserleistung I kann also beim Abfahren eines Bearbeitungspfades 3 in x-Richtung erhöht werden, um den zu steigenden x-Werten größer werdenden Spalt S zu kompensieren.

Fig. 6 zeigt eine Anordnung eines ersten Werkstückblechs 1 und eines zweiten Werkstückblechs 2, bei der ebenfalls ein Spalt S mit variierender (d.h. orts- bzw. positionsabhängiger) Spaltbreite 4 vorliegt. Auch in diesem Fall ist das Oberblech, also das zweite Werkstückblech 2 gegenüber dem Unterblech, also dem ersten Werkstückblech 1 verkippt. Die Spaltbreite 4 nimmt in Fig. 6 allerdings in x-Richtung ab. Die Spaltbreite 4 nimmt dabei linear ab, was der ebenen Ausgestaltung der Werkstückbleche 1, 2 geschuldet ist. Wie in Fig. 6 angedeutet, wird die Bearbeitungslaserleistung I so angepasst, dass sie mit abnehmender Spaltbreite abnimmt. Beispielsweise kann die Bearbeitungslaserleistung I linear oder diskret, d.h. stufenweise, angepasst werden. Die Bearbeitungslaserleistung I kann also beim Abfahren eines Bearbeitungspfades 3 in x-Richtung verringert, um den zu steigenden x-Werten kleiner werdenden Spalt S zu kompensieren.

Damit kann der Spalt S auch im Falle einer Verkippung der Werkstückbleche 1, 2 gegeneinander zuverlässig überbrückt werden. Insbesondere kann damit erreicht werden, dass die Schweißnaht 3 ‘eine konstante Einschweißtiefe 7 aufweist.

Alternativ zu einer linearen kontinuierlichen Erhöhung der Bearbeitungslaserleistung I entlang der x-Richtung kann der Verlauf der Bearbeitungslaserleistung I auch einer anderen Funktion folgen. Insbesondere kann die Bearbeitungslaserleistung I einer stetig differenzierbaren Funktion folgen. Die Funktion kann unter Umständen auch nicht linear sein. Die Bearbeitungslaserleistung I kann auch einer stufenförmigen Funktion folgen, beispielsweise wenn der Überlappbereich in Sektoren eingeteilt wird, in denen die Bearbeitungslaserleistung I diskrete Werte aufweist. Fig. 7 ist ein Flussdiagramm der Verfahrensschritte, die zur Realisierung der Erfindung verwendet werden können. Das Verfahren zum Laserschweißen von einem ersten Werkstückblech 1 und einem das erste Werkstückblech 1 zumindest teilweise überlappenden zweiten Werkstückblech 2 entlang eines Bearbeitungspfads 3 mittels eines Bearbeitungslaserstrahls 5, umfasst die Schritte: Erfassen 30 eines Abstands a, b von einer Referenz R zum ersten Werkstückblech 1 und zum zweiten Werkstückblech 2 an mehreren Positionen 11, 21, 12, 22, 13, 23. Es folgt ein Ermitteln 40 einer Spaltbreite 4 eines Spalts S zwischen dem ersten Werkstückblech 1 und dem zweiten Werkstückblech 2 basierend auf den erfassten Abständen a, b. Daran schließt sich ein Verschweißen 50 der beiden Werkstückbleche 1, 2 durch Einstrahlen des Bearbeitungslaserstrahls 5 entlang des Bearbeitungspfads 3 und Ausbilden einer Schweißnaht 3‘ an. Dabei wird eine Laserleistung I des Bearbeitungslaserstrahls 5 an die jeweilige Spaltbreite 4 des Spalts S entlang des Bearbeitungspfads 3 angepasst.

Fig. 8 zeigt ein Laserbearbeitungssystem 100 mit einem Laserbearbeitungskopf 500 zum Laserschweißen von einem ersten Werkstückblech 1 und einem zweiten Werkstückblech 2 mittels eines Bearbeitungslaserstrahls 5. Das Laserbearbeitungssystem 100 weist eine Abstandsmessvorrichtung 101 auf, die zum Erfassen eines Abstands a, b zum ersten Werkstückblech 1 und zum zweiten Werkstückblech 2 an mehreren Positionen 11, 21, 12, 22, 13, 23 eingerichtet ist. Das Laserbearbeitungssystem 100 weist außerdem eine Steuervorrichtung 102 auf, die zum Ermitteln einer Spaltbreite 4 des Spalts S zwischen dem ersten Werkstückblech 1 und dem zweiten Werkstückblech 2 basierend auf den erfassten Abständen a, b eingerichtet ist. Überdies umfasst das Laserbearbeitungssystem 100 auch eine Ablenkoptik 103 zum Führen des Bearbeitungslaserstrahls 5 entlang eines Bearbeitungspfads 3. Dabei ist die Steuervorrichtung 102 dazu eingerichtet, die Laserleistung I des Bearbeitungslaserstrahls 5 an die jeweilige Spaltbreite 4 des Spalts S entlang des Bearbeitungspfads 3 anzupassen. Die Steuervorrichtung 102 und die Abstandsmessvorrichtung 101 können drahtlos oder drahtgebunden miteinander kommunizieren.

Das Laserbearbeitungssystem 100 weist in der Fig 8 überdies einen Faserkoppler 104 auf, mit dem der Bearbeitungslaserstrahl 5 von einer Laserquelle (nicht gezeigt) in den Laserbearbeitungskopf 500 eingekoppelt werden kann. Das Laserbearbeitungssystem 100 kann die Laserquelle zur Erzeugung des Bearbeitungslaserstrahls 5 umfassen.

In Fig. 8 umfasst die Abstandsmessvorrichtung 101 eine optische Abstandsmessvorrichtung zum Erfassen der Abstände a, b mittels eines optischen Verfahrens mit einem Messstrahl 6, insbesondere mittels optischer Kohärenztomographie. Dabei ist das Laserbearbeitungssystem 100 insbesondere dazu ausgelegt, dass der Messstrahl 6 die Ablenkoptik 103 zum Führen des Bearbeitungslaserstrahls 5 sowie die Fokussieroptik 106 zum Fokussieren des Bearbeitungslaserstrahls 5 passiert. Somit kann durch die Ablenkoptik 103 sowohl der Bearbeitungslaserstrahl 5 als auch der Messstrahl 6 auf verschiedene Positionen gerichtet bzw. ausgelenkt werden. Die Ablenkoptik 103 kann beispielsweise zwei schwenkbare Spiegel 103‘, 103“ umfassen.

Als Abstandsmessvorrichtung 101 kann insbesondere ein OCT-Sensor dienen, um Abstände a, b mittels optischer Kohärenztomographie zu bestimmen. Aus den Abständen a, b kann auf die Spaltsituation bzw. die Verkippung der Werkstückbleche 1, 2 gegeneinander rückgeschlossen werden.

Die Abstandsmessvorrichtung 101, insbesondere ein Sensor der Abstandsmessvorrichtung 101, der Abstände a, b erfassen kann, kann beispielsweise im Bearbeitungslaserkopf 500 des Laserbearbeitungssystems 100 integriert sein. Alternativ kann ein Sensor auch eine „Stand-Alone“-Komponente, also eine vom Schweißkopf distanzierte und/oder separate Komponente darstellen.

Zusammenfassend wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Spaltsituation durch Abstandsmessungen erfasst. Die Verkippung zwischen Oberblech 2 und Unterblech 1 kann dadurch ermittelt werden. Auf Basis dieses Wissens wird die Bearbeitungslaserleistung I angepasst, so dass die folgenden Qualitätskriterien der Schweißnaht erfüllt werden können: So sollte der Spalt S überbrückt sein. Überdies sollte die Einschweißtiefe 7 nicht zu klein sein, d.h. absolut und/oder in Relation zu einem der Messpunkte des oberen Blechs. Ferner sollte die Anbindefläche ausreichend groß sein, insbesondere hinsichtlich des elektrischen Widerstandes und/oder der mechanischen Festigkeit. Die Einschweißtiefe 7 sollte überdies nicht zu groß sein, hinsichtlich der maximal zulässigen Temperatur an einem Batteriepol und/oder hinsichtlich der Gefahr des Einschweißens in die Batterie. Zur Erfüllung dieser Qualitätskriterien erfolgt eine Laserleistungsmodulation während des Schweißens, um den Spalt S adaptiv auszugleichen.

Somit kann durch ein erfindungsgemäßes Verfahren bzw. durch ein erfindungsgemäßes Laserbearbeitungssystem sichergestellt werden, dass beim Schweißen ein Spalt S zwischen zwei Fügepartnern an jeder Stelle entlang des Bearbeitungspfades 3 überbrückt und eine Schweißnaht 3‘ mit vorbestimmter und konstanter Einschweißtiefe 7 bzw. mit einer vorgegebenen Breite bzw. Anbindefläche erzeugt wird.

Bezugszeichenliste

1 erstes Werkstückblech bzw. Unterblech

2 zweites Werkstückblech bzw. Oberblech

3 Bearbeitungspfad

3‘ Schweißnaht

4 Spaltbreite

5 Bearbeitungslaserstrahl

6 Messstrahl

7 Einschweißtiefe

11 erste Position zur Erfassung eines Abstandes zwischen einer Referenz und der Oberfläche des ersten Werkstückblechs bzw. Unterblechs

12 zweite Position zur Erfassung eines Abstandes zwischen einer Referenz und der Oberfläche des ersten Werkstückblechs bzw. Unterblechs

13 dritte Position zur Erfassung eines Abstandes zwischen einer Referenz und der Oberfläche des ersten Werkstückblechs bzw. Unterblechs

21 erste Position zur Erfassung eines Abstandes zwischen einer Referenz und der Oberfläche des zweiten Werkstückblechs bzw. Unterblechs

22 zweite Position zur Erfassung eines Abstandes zwischen einer Referenz und der Oberfläche des zweiten Werkstückblechs bzw. Unterblechs 23 dritte Position zur Erfassung eines Abstandes zwischen einer Referenz und der Oberfläche des zweiten Werkstückblechs bzw. Unterblechs

30 Verfahrensschritt "Erfassen eines Abstandes"

40 Verfahrensschritt "Ermitteln einer Spaltbreite"

50 Verfahrensschritt "Verschweißen der Werkstücke"

100 Laserbearbeitungssystem

101 Ab stand sme ssvorri chtung

102 Steuervorrichtung

103 Ablenkoptik

103’, 103” Spiegel

104 Faserkoppler

106 Fokussieroptik

500 Laserbearbeitungskopf a Abstand von einer Referenz zum ersten Werkstückblech b Abstand von einer Referenz zum zweiten Werkstückblech d Dicke des zweiten Werkstückblechs bzw. des Oberblechs

I Leistung des Bearbeitungslasers bzw. Bearbeitungslaserleistung

01 Oberfläche des ersten Werkstückblechs bzw. des Unterblechs

O2 Oberfläche des zweiten Werkstückblechs bzw. des Oberblechs

R Referenz

S Spalt x Raumkoordinate y Raumkoordinate z Raumkoordinate