KUPFER-ALUMINIUM-VERBINDUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen einer Kupfer-Aluminium-Ver- bindung,

wobei ein erstes, insbesondere oberes Werkstück, welches aus einem Kupfer-hal tigen Werkstoff besteht, insbesondere mit wenigstens 80 Gew% Cu, und ein zweites, insbesondere unteres Werkstück, welches aus einem Aluminium-halti gen Werkstoff besteht, insbesondere mit wenigstens 80 Gew% AI, mittels eines Laserstrahls verschweißt werden,

wobei der Laserstrahl auf eine Oberfläche des erstes Werkstücks, insbesondere von oben, gerichtet ist und das zweite Werkstück bezüglich des Laserstrahls hin- ter dem ersten Werkstück, insbesondere unter dem ersten Werkstück, angeord net ist, mit einem größten Spotdurchmesser SD des Laserstrahls auf der Oberflä che des ersten Werkstücks mit SD< 120pm,

wobei der Laserstrahl relativ zu den Werkstücken entlang eines Schweißpfades bewegt wird und dadurch die Werkstücke in einem Flächenbereich miteinander verschweißt werden. Ein solches Verfahren ist bekannt geworden aus dem Konferenzbeitrag von K. Mathivanan und P. Plapper,„Laser overlap joining from copper to aluminum and analysis of failure zone", Lasers in Manufacturing Conference 2019, Munich (DE), June 24-27, 2019, Wissenschaftliche Gesellschaft für Lasertechnik e.V..

Für die Fertigung von Zellverbindern von Batteriezellen, etwa für Elektrofahr zeuge, werden elektrisch gut leitfähige Verbindungen von Bauteilen aus Kupfer mit Bauteilen aus Aluminium benötigt. Solche Verbindungen können beispiels weise durch Verschrauben eingerichtet werden, was jedoch zeitaufwändig ist; zu- dem kann sich die Verbindung unter Rüttelbelastung, wie sie in Fahrzeugen häu fig vorkommt, lösen.

In dem Konferenzbeitrag von A. Haeusler et al.,„Laser micro welding - a flexible and automatable joining technology for the challange of electromobility", Lasers in Manufacturing Conference 2019, Munich (DE), June 24-27, 2019, Wissen schaftliche Gesellschaft für Lasertechnik e.V., wird vorgeschlagen, Verbindungen von Bauteilen aus Kupfer und Bauteilen aus Aluminium durch Laserschweißen zu fertigen. Allerdings verhalten sich durch Laserschweißen erhaltene Verbindungen von Bauteilen aus Kupfer und Bauteilen aus Aluminium oft recht spröde und gehen bereits unter geringer äußerer Krafteinwirkung kaputt.

Aus dem oben erwähnten Konferenzbeitrag von K. Mathivanan und P. Plapper ist ein Schweißaufbau bekannt geworden, bei dem ein oben angeordnetes Bauteil aus Kupfer und ein darunter angeordnetes Bauteil aus Aluminium mit einem La serstrahl, der von oben auf das Bauteil aus Kupfer gerichtet ist, entlang einer Naht verschweißt wird. Der Laserstrahl hat einen Durchmesser von 89 pm und wird während des Schweißens gewobbelt, wobei der Laserstrahl entlang seines Schweißpfads eine Vielzahl von achtförmigen Schleifen durchläuft, die entlang der Nahtrichtung mit gegenseitiger Überlappung aufeinanderfolgen. Durch das Wobbeln kann während des Schweißprozesses ein Schmelzbad erzeugt werden, dass quer zur Nahtrichtung deutlich breiter ist als das um den Laser strahl herum entstehende Schmelzbad; der Laserstrahl dringt also immer wieder in flüssige Schmelze vor, die von ihm selbst beim Durchlaufen eines zurücklie genden Schweißpfadabschnitts geschaffen wurde. Zwar lässt sich bei diesem Vorgehen mit einem dünnen Laserstrahl eine vergleichsweise große Nahtbreite fertigen, was die Festigkeit der Verschweißung verbessert. Die Verschweißung selbst ist aber auch in diesem Fall recht spröde.

Aus der US 2017/0106470 Al ist es bekannt geworden, zwei zinkbeschichtete Bleche entlang einer spiralförmigen Schweißbahn in Durchschweißung zu ver schweißen. Dieses Verfahren soll eine Zink-bedingte Porosität vermeiden, Sprit zer reduzieren und eine glatte Schmelzoberfläche bewirken.

Aufgabe der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Verschweißen einer Kupfer-Alu- minium-Verbindung vorzustellen, mit dem eine weniger spröde Verschweißung erhalten werden kann.

Beschreibung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist,

dass der Schweißpfad so gewählt ist und der Laserstrahl so entlang des Schweiß pfads bewegt wird, dass der Laserstrahl entlang des Schweißpfades fortwährend in festes Werkstückmaterial vordringt.

Im Rahmen der Erfindung wurde herausgefunden, dass mit dem erfindungsge mäßen Verfahren Verschweißungen zwischen dem ersten Werkstück aus einem Kupfer-haltigen Werkstoff und dem zweiten Werkstück aus einem Aluminium-hal- tigen Werkstoff mit sehr geringer Sprödigkeit erhalten werden können. Der erfin dungsgemäß verschweißte Flächenbereich weist eine hohe mechanische Festig keit auf, und kann zuverlässig einen guten elektrischen Kontakt zwischen dem ersten und zweiten Werkstück gewährleisten, wie er bei Anwendungen zum Ver binden von Batteriezellen gewünscht wird.

Beim Verschweißen von Kupfer und Aluminium können in der erkalteten

Schmelze, die Kupfer und Aluminium enthält, i nte rkrista Minie Phasen entstehen, die die Verschweißung spröde machen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, den Anteil von Aluminium in der Schmelze gering zu halten, wodurch die Bildung von die Sprödigkeit vergrößernden interkristallinen Phasen verringert wird. Im Ergebnis wird dadurch der verschweißte Flächenbereich me chanisch besonders fest und robust.

Die Energie des Laserstrahls wird beim Schweißen für das Erwärmen und Auf schmelzen von Werkstückmaterial und das Erzeugen einer Dampfkapillare einge setzt.

Im Rahmen der Erfindung wird, soweit es das Aufschmelzen von Werkstückmate rial betrifft, die Energie des Laserstrahls zum größten Teil zum Aufschmelzen des Kupfers über die volle Dicke des ersten Werkstücks eingesetzt, und ein kleinerer Teil der Laserenergie wird zum Aufschmelzen von Aluminium des zweiten Werk stücks eingesetzt. Um eine feste Verschweißung zu erhalten, genügt es, das zweite Werkstück nur über eine geringe Einschweißtiefe, insbesondere deutlich kleiner (z.B. 50% oder weniger oder auch 30% oder weniger oder auch 20% o- der weniger) als die Dicke des ersten Werkstücks und als die Dicke des zweiten Werkstücks, aufzuschmelzen. Entsprechend der geringen Einschweißtiefe im zweiten Werkstück wird nur wenig Aluminiummaterial in die Schmelze einge bracht. Dadurch, dass der Laserstrahl auf seinem Schweißpfad immer wieder in festes Werkstückmaterial Vordringen muss, bleibt dieses Verhältnis von mit der Energie des Laserstrahls aufgeschmolzenen Tiefen von erstem Werkstück (bzw. Cu-haltigem Werkstoff) und zweitem Werkstück (bzw. Al-haltigem Werkstoff) er halten, und die Zusammensetzung des Schmelzbads kann günstig auf der Seite des Kupfers im Cu-Al-Zustandsdiagramm gehalten werden, so dass nur ein ge ringer Anteil von interkristallinen Phasen im verschweißten Flächenbereich ent steht.

Würde hingegen mit dem Laserstrahl entlang seines Schmelzpfads in bereits vor handene flüssige Schmelze, erzeugt beim Durchlaufen eines vorherigen Schweiß pfadabschnitts, vorgedrungen, so brauchte in diesem Bereich keine Energie für das Erwärmen und Aufschmelzen von festem Kupfer aufgewendet werden, und der Laserstrahl würde in unerwünschter Weise zusätzlich festes Aluminium auf schmelzen und in die Schmelze einbringen. Die Erfindung kann dies durch den vorgesehenen Verlauf des Schmelzpfads (und die Ausführung der Bewegung des Laserstrahls entlang des Schweißpfads) vermeiden. Erfindungsgemäß dringt der Laserstrahl nicht in ein flüssiges Schmelzbad vor, das vom Laserstrahl zuvor beim Durchlaufen eines zurückliegenden Schweißpfadabschnitt geschaffen wurde. Bevorzugt dringt der Laserstrahl auch nicht in einen noch stark vorge wärmten Werkstückbereich (z.B. vorgewärmt auf 80% der Schmelztemperatur in K oder mehr, oder auf 200°C oder mehr) vor, der vom Laserstrahl zuvor beim Durchlaufen eines zurückliegenden Schweißpfadabschnitt aufgeschmolzen oder stark erwärmt wurde.

Im Rahmen der Erfindung wird ein vergleichsweise kleiner Spotdurchmesser des Laserstrahls auf der Oberfläche des ersten Werkstücks und eine hohe Brillanz des Laserstrahls eingesetzt, um hohe Temperaturgradienten im Werkstück zu erzie len. Dadurch werden die Schmelzprozesse auf einen engen Raum begrenzt, was hilft, die Einbringung von Aluminium in die Schmelze gering zu halten. Der (größte) Spotdurchmesser SD des Laserstrahls auf der Oberfläche des ersten Werkstücks beträgt typischerweise SD<100pm, bevorzugt SD<65pm, besonders bevorzugt SD<50pm. Der Laserstrahl weißt weiterhin typischerweise ein Strahl- parameterprodukt SPP von <2,2 mm*mrad, bevorzugt <0,4 mm*mrad auf.

Man beachte, dass für den Laserstrahl im Rahmen der Erfindung meist eine ver gleichsweise hohe Vorschubgeschwindigkeit gewählt wird; dies trägt ebenfalls dazu bei, ein Aufschmelzen von Aluminium zu begrenzen, und den Aluminiuman teil in der Schmelze gering zu halten. Typische Vorschubgeschwindigkeiten des Laserspots auf dem Werkstück („Geometriegeschwindigkeit") bei typischen La serleistungen (um 0,3-0, 8 kW) und Dicken (jeweils um 0, 2-0,4 mm) der beiden Werkstücke sind im Bereich von 400 mm/s und mehr, oft von 600 mm/s und mehr. Um eine entsprechend große Vorschubgeschwindigkeit zu erreichen, wird der Laserstrahl typischerweise durch einen Scanner geführt, bevorzugt umfas send einen piezogesteuerten Spiegel.

Der Schweißpfad kann zusammenhängend oder auch aus separaten Teilstücken zusammengesetzt sein. Der verschweißte Flächenbereich kann bevorzugt zusam menhängend sein oder auch aus mehreren separaten Teilflächenbereichen zu sammengesetzt sein. Typischerweise hat der Flächenbereich, der mittels des Schweißpfads gefertigt wird, insgesamt einen kleinsten äußeren Durchmesser KAD, mit KAD>3*SB, bevorzugt KAD>20*SB, mit SB: lokale Breite („Spur breite") eines durch einen Schweißpfadabschnitt mit dem Laserstrahl geschaffe nen verschweißten Teilflächenbereichs. Mit anderen Worten, der verschweißte Flächenbereich insgesamt ist in jeder Richtung mindestens dreimal so groß, be vorzugt mindesten 8 mal so groß, besonders bevorzugt mindestens 20 mal so groß, wie die Spurbreite SB. Man beachte, dass im Rahmen der Erfindung typi scherweise gilt: SB< 150pm, bevorzugt SB< 100pm.

Die absolute Festigkeit des verschweißten Flächenbereichs kann über die Länge des insgesamt verschweißten Schweißpfads praktisch beliebig eingestellt werden (soweit die Werkstücke groß genug sind); dabei kann eine für die Verschweißung vorgesehene Zone mit dem Schweißpfad als Muster abgefahren werden, bei spielsweise mit einer Schraffur („hatching") oder mit Mäandern überdeckt wer den.

Das erfindungsgemäße Schweißverfahren wird in der Regel als Tiefschweißen ausgeführt, um eine gute Energieeinkopplung des Laserstrahls in das dem Laser strahl zugewandte Kupfermaterial zu erreichen. Dabei können kostengünstig Festkörperlaser bzw. Faserlaser mit einer Wellenlänge im Infraroten (z.B. mit ei ner Wellenlänge zwischen lOOOnm und 1100 nm) eingesetzt werden.

Bevorzugte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens

Besonders bevorzugt ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der der Schweißpfad kreuzungsfrei ist. Dies vereinfacht die Prozessführung, und gestattet allgemein eine schnelle Vorschubgeschwindigkeit. Wären im Schweiß pfad Kreuzungen vorhanden, so müsste durch ausreichende Abkühlzeiten bzw. ausreichend langsame Prozessführung sichergestellt werden, dass der zuvor vom Laserstrahl passierte Schweißpfadabschnitt beim erneuten Passieren schon so weit erkaltet ist, dass das Werkstückmaterial dort bereits wieder (über die volle Dicke beider Werkstücke) erstarrt ist, und am besten auch im Wesentlichen wie der abgekühlt ist. Bei einer Wahl von kreuzungsfreien Schweißpfaden kann bei typischen Größen von verschweißten Flächenbereichen, etwa mit einem kleinsten Außendurchmesser KAD von 2mm oder mehr, ohne weiteres eine Überfahren von bereits zuvor geschaffenem flüssigen Schmelzbad mit dem Laserstrahl vermieden werden.

Ebenfalls besonders bevorzugt ist eine Variante, die vorsieht, dass das Verfahren wenigstens zwei, bevorzugt genau zwei, aufeinander folgende Schweißdurch gänge umfasst, wobei in den verschiedenen Schweißdurchgängen verschweißte Durchgangs-Flächenbereiche der Werkstücke zumindest teilweise, bevorzugt zu mindestens 50%, besonders bevorzugt zu mindestens 80%, überlappen, und dass innerhalb eines jeden Schweißdurchgangs der Schweißpfad kreuzungsfrei ist. Durch mehrfaches Verschweißen in den überlappenden Durchgangs-Flächen bereichen kann die Festigkeit der Verschweißung erhöht werden. Durch die Kreu zungsfreiheit des Schweißpfads innerhalb der Durchgänge kann wiederum die Prozessführung vereinfacht und beschleunigt werden.

Vorteilhaft ist dabei eine Weiterentwicklung dieser Variante, bei der die Schweiß pfade der verschiedenen Schweißdurchgänge einander entsprechen. Mit anderen Worten, der Schweißpfad des zweiten Schweißdurchgangs stellt eine Wiederho lung des Schweißpfads des ersten Schweißdurchgangs dar. Dadurch kann gezielt der gleiche Flächenbereich erneut verschweißt werden, um die Festigkeit zu ver bessern.

Bei einer anderen, vorteilhaften Weiterentwicklung sind die Schweißpfade der verschiedenen Schweißdurchgänge gegeneinander um einem Winkel a rotiert, insbesondere mit 30°<a< 150°, bevorzugt a=60° oder a=90°. Dadurch kann ins besondere bei Schraffur-artigen Mustern des Schweißpfads eine Gitterstruktur o- der Vernetzung der verschweißten Durchgangs-Flächenbereiche erreicht werden, wodurch besonders hohe Festigkeiten zugänglich werden. Insbesondere bei auf Spiralen oder konzentrischen Kreisen beruhenden Mustern des Schweißpfads kann alternativ oder zusätzlich auch eine Verschiebung der ansonsten einander entsprechenden Schweißpfade der verschiedenen Durchgänge eingesetzt werden.

Eine weitere, vorteilhafte Weiterbildung der obigen Ausführungsform sieht vor, dass der Schweißpfad so gewählt ist und der Laserstrahl so entlang des Schweiß pfads bewegt wird, dass eine Vorwärmung aus einem jeweiligen vorhergehenden Schweißdurchgang so weit abgeklungen ist, dass eine maximale Einschweißtiefe MT in das zweite Werkstück in einem nachfolgenden Schweißdurchgang maximal 10% größer ist als im vorhergehenden Schweißdurchgang, bevorzugt maximal genauso groß ist wie im vorhergehenden Durchgang. Dadurch wird erreicht, dass die Festigkeitssteigerung aus der doppelten Verschweißung nicht merklich durch eine Zusammensetzungsverschiebung im Cu-Al-Phasendiagramm auf das AI zu (und entsprechend höhere Sprödigkeit) wieder eingebüßt wird.

Bei einer vorteilhaften Variante umfasst der Schweißpfad eine Vielzahl von

Schweißpfadabschnitten, die in einer Richtung quer zur lokalen Verlaufsrichtung des Schweißpfades nebeneinander liegen. Typischerweise sind wenigstens drei oder wenigstens fünf oder wenigstens sieben oder wenigstens zwölf nebeneinan der liegende Schweißpfadabschnitte eingerichtet. Dadurch können größere Flä- chenbereiche bzw. Zonen auf den Werkstücken für eine Verschweißung im Rah men des erfindungsgemäßen Verfahrens erschlossen werden, und die Festigkeit der Schweißverbindung der Werkstücke kann in Hinblick auf erwartete Belas tungsrichtungen oder Belastungsarten gezielt verbessert werden.

Besonders bevorzugt ist eine Weiterentwicklung dieser Variante, bei der die ne beneinanderliegenden Schweißpfadabschnitte, insbesondere deren Abstand AB in der Richtung quer zur lokalen Verlaufsrichtung, so gewählt sind, dass ver schweißte Teilflächenbereiche, die entlang der jeweiligen nebeneinanderliegen den Schweißpfadabschnitte entstehen, unmittelbar aneinander grenzen oder überlappen. Mit anderen Worten, AB<SB (mit SB: Spurbreite der Verschwei ßung). Dadurch kann eine zur Verfügung stehende Zone optimal für eine Ver schweißung ausgenutzt werden, und es werden besonders gute Festigkeiten auf kleiner Fläche erzielt.

Alternativ ist in einer anderen Weiterentwicklung vorgesehen, dass die nebenei nanderliegenden Schweißpfadabschnitte, insbesondere deren Abstand AB in der Richtung quer zur lokalen Verlaufsrichtung, so gewählt sind, dass verschweißte Teilflächenbereiche, die entlang der jeweiligen nebeneinanderliegenden Schweiß pfadabschnitte entstehen, durch unverschweißte Zwischenbereiche getrennt blei ben. Mit anderen Worten, AB>SB (mit SB: Spurbreite der Verschweißung). Typi scherweise wird dabei SB<AB<4*SB gewählt. Dadurch kann der verschweißte Flächenbereich über eine größere Zone der Werkstücke verteilt werden, was bei einigen Belastungsarten der Werkstücke im Einsatz eine bessere mechanische Festigkeit ergeben kann.

Bevorzugt ist auch eine Weiterentwicklung, bei der nach Verschweißen eines Schweißpfadabschnitts zunächst ein weiter entfernter Schweißpfadabschnitt ver schweißt wird, bevor ein benachbarter Schweißpfadabschnitt verschweißt wird. Mit anderen Worten, zwischen das Verschweißen von zwei (in Richtung quer zur Verlaufsrichtung des Schweißpfads) benachbarten Schweißpfadabschnitten wird zunächst wenigstens ein anderen Schweißpfadabschnitt eingeschoben, der zu keinem der beiden ersten Schweißpfadabschnitte (in Richtung quer zur Verlaufs richtung des Schweißpfads) benachbart ist; bevorzugt ist die Länge LA des ande ren, weiter entfernten Schweißpfadabschnitt wenigstens so groß wie der dreifa che Abstand AB der beiden benachbarten Schweißpfadabschnitte (in Richtung quer zur Verlaufsrichtung des Schweißpfads). Dadurch wird eine Mindest-Abkühl- zeit nach dem Schweißen eines Schweißpfadabschnitts gewährleistet, so dass eine etwaige Wärmeausbreitung in den benachbarten Schweißpfadabschnitt schon wieder merklich abgekühlt ist, wenn dieser geschweißt wird. Dies verhin dert oder vermindert einen unbeabsichtigten Eintrag von Aluminium in die

Schmelze.

Bevorzugt ist zudem eine Variante, bei der der Flächenbereich als Schweißpunkt ausgebildet ist. Schweißpunkte können auf kleinem Raum eine hohe Festigkeit und insbesondere einen guten elektrischen Kontakt erzielen; zudem sind sie (im Vergleich zu lang gezogenen Schweißnähten) vergleichsweise einfach und schnell zu fertigen. Der Schweißpunkt ist typischerweise nach außen hin überall (über seinen gesamten Umfang) von unverschweißtem Werkstückmaterial umgeben. Typischerweise weist der Schweißpunkt ein Aspektverhältnis (Verhältnis lange Seite zu kurzer Seite bei rechteckförmigen verschweißten Flächenbereichen, oder Verhältnis größter Durchmesser zum Durchmesser senkrecht dazu bei anderen verschweißten Flächenbereichen) von 3 oder weniger, meist 2 oder weniger, und oft von 1 auf. Der Schweißpunkt ist typischerweise außen kreisrund, kann aber auch eckig, insbesondere quadratisch oder rechteckig, oder auch unregelmäßig ausgebildet sein. Der Schweißpunkt kann in seinem Inneren einen unverschweiß- ten Innenbereich enthalten. Zur Stärkung der Verbindung der beiden Werkstücke können mehrere Schweißpunkte nebeneinander gesetzt werden.

Vorteilhaft ist eine Variante, bei der der Flächenbereich ringförmig, insbesondere kreisringförmig, ausgebildet ist. Ringförmige Verschweißungen sind im Rahmen der Erfindung gut zu fertigen, und sind insbesondere bei Rüttelbelastungen, die Kraftstöße in verschiedene Richtungen mit sich bringen können, besonders ro bust. Bevorzugt ist eine Variante, bei der der Schweißpfad zumindest teilweise spiral förmig ist, insbesondere in Form einer Archimedischen Spirale. Die Spiralform er möglicht es, mit einem durchgehenden Schweißpfad einen großen verschweißten Flächenbereich zu erschließen. Der Laserstrahl braucht nicht abgeschaltet oder abgeschattet zu werden, und der Scanner hat keine ungenutzten Nebenzeiten zur Umpositionierung des Laserstrahls.

Bevorzugt ist zudem eine Variante, bei der der Schweißpfad mehrere konzentri sche, kreisförmige Schweißpfadabschnitte umfasst. Mit diesen können sehr große und isotrope Festigkeiten erzielt werden.

Vorteilhaft ist auch eine Variante, bei der der Schweißpfad mehrere parallel zuei nander liegende, gerade verlaufende Schweißpfadabschnitte umfasst. Ein solcher Schweißpfad ist besonders einfach zu programmieren. Meist wird damit eine Zone auf den zu verschweißenden Werkstücken schraffiert. Die zueinander paral lelen, geraden Schweißpfadabschnitte können separate Teilstücke des Schweiß pfads sein, oder auch meanderartig miteinander im Schweißpfad verbunden sein.

Besonders bevorzugt ist eine Variante, die vorsieht, dass das Verschweißen der Werkstücke als Einschweißung erfolgt, wobei das zweite Werkstück nur bis zu ei ner maximalen Einschweißtiefe MT aufgeschmolzen wird, mit

MT < 0,5*D2,

bevorzugt MT<0,3*D2,

besonders bevorzugt MT<0,2*D2,

wobei D2: Dicke des zweiten Werkstücks. Im Rahmen der Erfindung können ge ringe Einschweißtiefen zuverlässig realisiert werden, so dass nur wenig Alumi nium-Material in die Schmelze gelangt und der verschweißte Flächenbereich eine geringe Sprödigkeit und hohe Festigkeit, insbesondere Zugfestigkeit, aufweist.

Bevorzugt ist eine Variante, die vorsieht,

dass der Laserstrahl mit einem cw-Laser erzeugt wird, und/oder dass der Laserstrahl eine Wellenlänge l im infraroten Spektralbereich aufweist, insbesondere mit 1000 nm< l < 1100 nm. Mit einem cw-Laser lässt sich der Energieeintrag in die Werkstücke besser kontrollieren, und es kann ein geringerer Eintrag von Aluminium in die Schmelze zuverlässig erreicht werden. Im Infrarotbereich stehen kostengünstig hoch brillante Laser kommerziell zur Verfügung, die sich in der Praxis mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bewährt haben.

Besonders bevorzugt ist eine Variante, die vorsieht,

dass das erste Werkstück eine Dicke Dl aufweist mit

0,2mm < Dl < 0,4mm, insbesondere 0,25mm < Dl < 0,35mm,

dass das zweite Werkstück eine Dicke D2 aufweist mit

0,2mm < D2 < 0,4mm, insbesondere 0,25mm < D2 < 0,35mm,

dass der Laserstrahl eine Leistung P aufweist, mit

300 W < P < 800 W, insbesondere 400 W < P < 600 W,

dass der Laserstrahl eine Spotdurchmesser SD auf der Oberfläche des ersten Werkstücks aufweist mit

25 pm < SD < 65 pm, insbesondere 30 pm < SD < 50 pm,

und dass der Laserstrahl eine relative Vorschubgeschwindigkeit V zu den Werk- stücken hat, mit

400 mm/s < V < 1000 mm/s, insbesondere 600 mm/s < V < 850 mm/s. Mit die sen Parametern haben sich Kupfer-Aluminium-Verschweißungen mit hoher Zug kraft und hoher Schälkraft fertigen lassen. Bevorzugt ist auch eine Variante, bei der der Laserstrahl eine Fokuslage aufweist, die gegenüber der Werkstückoberfläche des ersten Werkstücks defokussiert ist, insbesondere mit einer Defokussierung DF mit 0,3mm < DF < 0,7mm oder -0,3mm < DF < -0,7mm. Damit hat sich ein Spiking der verschweißten Oberflä che vermeiden lassen, und eine gleichmäßige Einschweißtiefe erzielen lassen. Bevorzugt ist zudem eine Variante, bei der das Schweißen unter einer Argon-At mosphäre erfolgt. Durch Verwendung von Argon als Schutzgas konnte eine er hebliche Reduzierung von Schweißspritzern erzielt werden, und die Qualität der verschweißten Oberfläche konnte insgesamt verbessert werden.

In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch die Verwendung des erfin dungsgemäßen Verfahrens zur Fertigung von elektrischen Kontakten an Batterie zellen. Die Batteriezellen können insbesondere in Elektrofahrzeugen genutzt wer den. Für die gefertigten Batteriezellen ist die hohe Festigkeit und Zuverlässigkeit einer elektrischen Verbindung am verschweißten Flächenbereich besonders nütz lich.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeich nung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführ- ten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in be liebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, son dern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung

Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein erstes Werkstück und ein zweites Werkstück während eines erfindungsgemäßen Schweißverfah rens, senkrecht zur Vorschubrichtung;

Fig. 2a zeigt schematisch einen meandrierenden Schweißpfad für ein erfindungs gemäßes Verfahren, mit einem Abstand von benachbarten Schweiß pfadabschnitten entsprechend einer geschweißten Spurbreite;

Fig. 2b zeigt schematisch einen verschweißten Flächenbereich, der erfindungsge mäß mit dem Schweißpfad von Fig. 2a gefertigt werden kann;

Fig. 3a zeigt schematisch einen meandrierenden Schweißpfad für ein erfindungs gemäßes Verfahren, mit einem Abstand von benachbarten Schweiß pfadabschnitten größer als eine geschweißte Spurbreite;

Fig. 3b zeigt schematisch einen verschweißten Flächenbereich, der erfindungsge mäß mit dem Schweißpfad von Fig. 3a gefertigt werden kann;

Fig. 4a zeigt schematisch einen aus geraden, parallelen, separaten Schweiß pfadabschnitten zusammengesetzten Schweißpfad für ein erfindungsge mäßes Verfahren, mit einem Abstand von benachbarten Schweißpfadab schnitten größer als eine geschweißte Spurbreite;

Fig. 4b zeigt schematisch einen aus separaten Teilflächenbereichen zusammen gesetzten verschweißten Flächenbereich, der erfindungsgemäß mit dem Schweißpfad von Fig. 4a gefertigt werden kann;

Fig. 5 zeigt schematisch eine Abfolge des Schweißens von nebeneinander lie genden, hier parallelen, geraden Schweißpfadabschnitten eines Schweiß pfads für die Erfindung; Fig. 6 zeigt schematisch einen aus mehreren konzentrischen, kreisförmigen

Schweißpfadabschnitten zusammengesetzten Schweißpfad für die Erfin dung;

Fig. 7 zeigt schematisch einen spiralförmigen Schweißpfad für die Erfindung;

Fig. 8 zeigt schematisch einen aus zueinander parallelen, geraden, separaten

Schweißpfadabschnitten zusammengesetzten Schweißpfad für eine ersten Schweiß-Durchgang, für die Erfindung;

Fig. 9 zeigt schematisch einen Gesamt-Schwei ßpfad von zwei Schweiß-Durch gängen, wobei einer der Schweiß-Durchgänge den Schweißpfad von Fig. 8 nutzt, und der andere Schweiß-Durchgang einen gegenüber Fig. 8 um 40° gedrehten Schweißpfad nutzt, für die Erfindung.

Die Fig. 1 illustriert schematisch das Schweißen einer Kupfer-Aluminium-Verbin- dung gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ein erstes, oberes Werkstück 1 aus einem Cu-haltigen Werkstoff, etwa metalli schem Kupfer, soll auf ein zweites, unteres Werkstück 2 aus einem Al-haltigen Werkstoff, etwa metallischem Aluminium, aufgeschweißt werden. Die beiden Werkstücke 1, 2 werden dazu überlappend aufeinander gelegt, und im Überlap- pungsbereich mit einem Laserstrahl 3 bestrahlt. Der Laserstrahl 3 bestrahlt dabei eine Oberfläche 4 des ersten Werkstücks 1 hier von oben, und das zweite Werk stück 2 ist bezüglich der Ausbreitungsrichtung AR des Laserstrahls 3 hinter dem ersten Werkstück 1 hier unten angeordnet. Der Laserstrahl 3 wird während des Schweißvorgangs in einer Vorschubrichtung entlang eines Schweißpfads vorge- schoben; die (lokale) Vorschubrichtung liegt hier senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1. Auf der Werkstückoberfläche 4 hat der Laserstrahl 3 einen Spotdurchmes ser SD. Der Fokus des Laserstrahls 3 liegt etwas über oder (hier) unter der Werkstückoberfläche (Defokussierung). Der Laserstrahl 3 schmilzt das erste Werkstück 1 über seine volle Dicke Dl auf, vgl. die Schmelze 5 (zur Vereinfachung ist die durch den Laserstrahl 3 erzeugte Dampfkapillare nicht dargestellt). Man beachte, dass der Cu-haltige Werkstoff bei ca. 1100 °C schmilzt. Wärme breitet sich zum einen in die Umgebung der

Schmelze 5 im ersten Werkstück 1 aus, vgl. die Isotherme 6 bei ca. 700°C.

Zum anderen breitet sich Wärme auch in das anliegende zweite Werkstück 2 aus. Der Al-haltige Werkstoff des zweiten Werkstücks 2 schmilzt bei einer Temperatur von ca. 700°C, und es bildet sich auch im zweiten Werkstück 2 eine Schmelze 7 aus. Diese reicht bis zu einer maximalen Einschweißtiefe MT in das zweite Werk stück hinein. In der illustrierten Variante gilt ca. MT = 0,2*D2.

Man beachte, dass sich die Schmelzen 5 und 7 beim Schweißen vermischen.

Durch den nur geringen Anteil von AI in der vermischten Schmelze (im Folgenden vereinfachend als Schmelze 5 bezeichnet) kann im Rahmen der Erfindung nach dem Erstarren der Schmelze eine Verschweißung von nur geringer Sprödigkeit und hoher Festigkeit erreicht werden.

Die Fig. 2a illustriert einen Schweißpfad 10 (gestrichelt dargestellt), entlang dem im Rahmen der Erfindung der Laserstrahl 3 auf der Oberfläche des ersten Werk stücks 1 in einer Variante geführt werden kann.

Der Schweißpfad 10 ist hier meandrierend ausgebildet, und weist hier vier in ei ner Richtung QR quer zur lokalen Verlaufsrichtung VR (die der Vorschubrichtung entspricht) nebeneinanderliegende, parallel zueinander liegende Schweißpfadab schnitte 111, 112, 113, 114 auf. Die nebeneinander liegenden Schweißpfadab schnitte 111-114 werden hier durch in Richtung QR verlaufende, weitere

Schweißpfadabschnitte 15-17 zu einem zusammenhängenden Schweißpfad 10 miteinander verbunden. Die in Richtung QR benachbarten Schweißpfadabschnitte 111-114 weisen einen gegenseitigen Abstand AB in der Richtung QR auf.

Der entlang der Verlaufsrichtung VR relativ zum ersten Werkstück 1 voranschrei tende Laserstrahl 3 erzeugt um sich herum und vor allem hinter sich eine Schmelze (Schmelzbad) 5; diese Schmelze 5 erstarrt an ihrem hinteren Ende und bildet hinter sich einen verschweißten Teilflächenbereich 18a aus. Der Laser strahl hinterlässt sozusagen eine verschweißte„Spur". Die Breite des Teilflächen bereichs 18a in Richtung QR beträgt SB, auch genannt„Spurbreite". Die Spur- breite SB ist deutlich größer als der Spotdurchmesser SD, hier mit ca. SB=2*SD.

Der Schweißpfad 10 und die Schweißparameter sind so gewählt, dass der Last strahl 3 stets bei seinem Voranschreiten auf dem Werkstück 1 sich in festes Werkstückmaterial 20 vorarbeitet, das in Verlaufsrichtung VR des Schweißpfads 10 vor ihm liegt, und insbesondere niemals in die flüssige Schmelze 5, die er hin ter sich herzieht, eindringt (wie es beim Wobbeln der Fall ist, um die Schweiß naht zu verbreitern). Zu diesem Zweck ist der Schweißpfad 10 bevorzugt kreu zungsfrei ausgebildet. Zudem weist der Schweißpfad 10 bevorzugt innerhalb ei ner jeweiligen kontinuierlichen Vorschubstrecke entsprechend der Spurbreite SB Richtungsänderungen von maximal 90° gegenüber der bisherigen Verlaufsrich tung VR auf.

In der gezeigten Variante sind die Schweißparameter und der Schweißpfad 10 so gewählt, dass die Spurbreite SB gleich dem Abstand AB ist. Dadurch wird er- reicht, dass die verschweißten Teilflächenbereiche 18a-18d, die aus den in Rich tung QR benachbarten Schweißpfadabschnitten 111-114 stammen, zu einem zu sammenhängenden, durchgehenden, lückenlosen verschweißten Flächenbereich 19 vereint werden, vgl. Fig. 2b, insbesondere ohne unverschweißte Zwischenbe reiche zwischen den Teilflächenbereichen 18a-18d. Der verschweißte Flächenbe- reich 19 bildet hier einen rechteckförmigen Schweißpunkt aus, mit einem Aspekt verhältnis (lange Seite zu kurze Seite) von ca. 2.

In der gezeigten Variante ist der kleinste Außendurchmesser KAD des insgesamt verschweißten Flächenbereichs 19 ca. 4-mal so groß wie die Spurbreite SB.

Man beachte, dass der gleiche zusammenhängende, verschweißte Flächenbereich 19 erhalten würde, wenn im Schweißpfad 10 die weiteren Schweißpfadabschnitte 15-17 weggelassen würden, also der Schweißpfad 10 nur aus den separaten Schweißpfadabschnitten 111-114 bestehen würde (nicht näher dargestellt).

Der in Fig. 2a, 2b gezeigte Schweißpfad 10 kann für sich allein zur Verschwei- ßung eines ersten und zweiten Werkstücks dienen, oder zweimal in aufeinander folgenden Schweißdurchgängen angewandt werden, wobei der gleiche Schweiß pfad 10 zeitlich nacheinander zweimal durchlaufen wird. Bevorzugt werden die beiden Schweißdurchgänge dabei in identischer Richtung durchlaufen, so dass am Ort des Laserstrahls 3 im zweiten Durchgang das Werkstückmaterial jeweils zuvor problemlos vollständig erstarren und abkühlen konnte, so dass die Ein schweißtiefen in beiden Durchgängen praktisch gleich sind.

Die in Fig. 3a gezeigten Variante eines Schweißpfads 10 für die Erfindung ist ähnlich der Variante von Fig. 2a-2b, so dass nur die wesentlichen Unterschiede erläutert werden.

In der gezeigten Variante ist der Abstand AB der in Richtung QR der benachbar ten Schweißpfadabschnitte 111-114 des Schweißpfads 10 deutlich größer als die Spurbreite SB eingerichtet, hier mit ca. AB=2,5*SB.

Dadurch verbleiben in Richtung QR zwischen den verschweißten Teilflächenberei chen 18a-18d jeweils unverschweißte Zwischenbereiche 21, vgl. Fig. 3b. Da auch in den weiteren Schweißpfadabschnitten 15-17 die Werkstücke verschweißt werden und entsprechende verschweißte Teilflächenbereiche 22 erzeugt werden, ist der verschweißte Flächenbereich 19 auch in dieser Variante zusammenhän gend, hat aber Lücken an den Zwischenbereichen 21.

In der gezeigten Variante ist der kleinste Außendurchmesser KAD des insgesamt verschweißten Flächenbereichs 19 ca. 8-mal so groß wie die Spurbreite SB. Der verschweißte Flächenbereich 19 bildet einen Schweißpunkt mit einem Aspektver hältnis des verschweißten Flächenbereichs von ca. 1,1 aus. Die in Fig. 4a gezeigten Variante eines Schweißpfads 10 für die Erfindung ist ähnlich der Variante von Fig. 3a-3b, so dass nur die wesentlichen Unterschiede erläutert werden. Bei dieser Variante besteht der Schweißpfad 10 nur aus den in Richtung QR quer zur (lokalen) Verlaufsrichtung VR benachbarten Schweißpfadabschnitten 111- 114.

Aufgrund des Abstands AB, der ca. 2,5 mal so groß ist wie die Spurbreite SB, verbleibt zwischen den verschweißten Teilflächenbereichen 18a-18d jeweils ein unverschweißter Zwischenbereich 21, und die verschweißten Teilflächenbereiche 18a-18d sind voneinander separat. Der verschweißte Flächenbereich 19 besteht aus vier nicht zusammenhängenden Teilflächenbereichen 18a-18d, mit dazwi schen liegenden Lücken.

Der durch den (mehrstückigen) verschweißten Flächenbereich 19 gebildete Schweißpunkt hat wiederum ein Aspektverhältnis von ca. 1,1.

In der Praxis umfasst ein Schweißpfad im Rahmen der Erfindung meist eine gro- ßen Zahl von nebeneinander liegenden Schweißpfadabschnitten, beispielsweise mehr als acht nebeneinanderliegende Schweißpfadabschnitte. Vor allem bei ge ringem Abstand AB und großen Vorschubgeschweindigkeiten besteht die Gefahr, dass bei zeitlich unmittelbar aufeinander folgender Verschweißung von benach barten Schweißpfadabschnitten durch Wärmeeintrag vom benachbarten Schweiß- pfadabschnitt eine Einschweißtiefe unbeabsichtigt vergrößert wird. Dies kann dadurch vermeiden werden, dass zwischen (direkt) benachbarten Schweiß pfadabschnitten zunächst ein oder mehrere andere, nicht (direkt) benachbarte Schweißpfadabschnitte geschweißt werden, wie nachfolgend in Fig. 5 beispielhaft erläutert.

Der Schweißpfad 10 besteht hier aus einer Vielzahl von in Richtung QR quer zur lokalen Verlaufsrichtung VR benachbart angeordneten Schweißpfadabschnitten 101-109. Die Schweißpfadabschnitte 101-109 sind hier gerade und parallel zu ei nander sowie gleich lang; es ist aber auch möglich, dass die Schweißpfadab schnitte gekrümmt und/oder ungleich lang sind.

Gemäß dem hier vorgesehenen Prozessablauf wird zunächst der Schweißpfadab schnitt 101 von links nach rechts geschweißt. Sodann springt der Laserscanner (über die Schweißpfadabschnitte 102 und 103 hinweg) zum Schweißpfadab schnitt 104, der von rechts nach links geschweißt wird. Als nächstes springt der Laserscanner (über den Schweißpfadabschnitt 103 hinweg) zurück zum Schweiß pfadabschnitt 102, der von links nach rechts geschweißt wird. Es folgt sodann ein Sprung zum Schweißpfadabschnitt 105 (über die Schweißpfadabschnitte 103 und 104 hinweg), der von rechts nach links geschweißt wird. Danach springt der La serscanner zurück zum Schweißpfadabschnitt 103 (also über den Schweißpfadab schnitt 104 hinweg), der von links nach rechts geschweißt wird. Schließlich springt der Laserscanner zum Schweißpfadabschnitt 106 (also über die Schweiß pfadabschnitte 104 und 105 hinweg), der von rechts nach links geschweißt wird.

Gemäß diesem Schema kann das Verschweißen von weiteren Schweißpfadab schnitten 107-109 usw. beliebig weit fortgesetzt werden. Es wechseln sich je weils Sprünge um drei Schweißpfadabschnitte vor und Sprünge um zwei Schweif pfadabschnitte zurück ab. Falls gewünscht, können auch andere Sprungmuster, insbesondere mit größeren Sprüngen, eingesetzt werden. Jeder Einzelsprung sollte aber über mindestens zwei Schweißpfadabschnitte vor oder zurück gehen, um eine unmittelbar aufeinanderfolgende Verschweißung von benachbarten Schweißpfadabschnitten zu vermeiden.

Die Fig. 6 zeigt einen bevorzugten Schweißpfad 10 (auch genannt Schweißmus ter) für die Erfindung, bestehend aus hier neun konzentrischen, kreisförmigen Schweißpfadabschnitten; beispielhaft sind der äußerste Schweißpfadabschnitt 101, der zweitäußerste Schweißpfadabschnitt 102 und der innerste Schweiß pfadabschnitt 109 näher bezeichnet. Bevorzugt ist der Abstand AB der Schweißpfadabschnitte 101, 102, 109 in Rich tung QR quer zur lokalen Verlaufsrichtung des Schweißpfads 10 gleich (oder klei ner) der Spurbreite gewählt, so dass durch das Verschweißen entlang des Schweißpfads 10 ein lückenloser, ringförmiger, verschweißter Flächenbereich er- halten wird. Der kleinste Außendurchmesser KAD des verschweißten Flächenbe reichs (der hier dem Durchmesser des äußersten kreisförmigen Schweißpfadab schnitts 101 zuzüglich einer Spurbreite SB beträgt) ist dann ca. 40-mal so groß wie die Spurbreite SB (nicht näher eingezeichnet). Im Innenbereich 30 innerhalb des innersten Schweißpfadabschnitts 109 sind keine weiteren Schweißpfadabschnitte mehr vorgesehen, um das Innere des Schweißpunkts nicht zu heiß werden zu lassen, und dort eine Durchschweißung (also ein Aufschmelzen des zweiten Werkstücks bis zu seiner dem Laserstrahl ab gewandten Rückseite) zu verhindern.

Man beachte, dass die kreisförmigen Schmelzpfadabschnitte 101, 102, 109 grundsätzlich in beliebiger Reihenfolge verschweißt werden können. Durch Schweißen der Reihe nach bevorzugt von innen nach außen (oder alternativ von außen nach innen) kann eine besonders hohe Fertigungsgeschwindigkeit erzielt werden. Alternativ ist es auch möglich, durch geeignete Sprünge die zeitlich un mittelbar aufeinanderfolgende Verschweißung von benachbarten Schweißpfadab schnitten 101, 102, 109 zu vermeiden (vgl. Fig. 5 oben analog).

Mit dem Schweißpfad von Fig. 6 kann ein Schweißpunkt mit einem Aspektver- hältnis von 1 erhalten werden.

In Experimenten konnten mit einem gemäß dem Schweißpfad 10 von Fig. 6 ge schweißten Schweißpunkt, bei einem Durchmesser des äußersten Schweiß pfadabschnitts 101 von ca. 3,2 mm, bei Verschweißung von Cu- und Al-Blechen mit einer Dicke von jeweils 3 mm, eine Zugfestigkeit von ca. 250 N und eine Schälfestigkeit von ca. 50 N erreicht werden. Die Fig. 7 zeigt einen Schweißpfad 10 für die Erfindung ähnlich wie in Fig. 6 dar gestellt; es werden nur die wesentlichen Unterscheide erläutert.

Der Schweißpfad 10 ist hier als eine durchgehende Spirale ausgebildet. Die ein- zelnen Windungen der Spirale können jeweils als ein Schweißpfadabschnitt auf gefasst werden; beispielhaft sind die radial äußerste und zweitäußerste Windung als Schweißpfadabschnitte 101, 102 markiert. Die Windungen bzw. Schweiß pfadabschnitte 101, 102 folgen in Richtung QR quer zur (lokalen) Verlaufsrich tung des Schweißpfads 10 aufeinander. Die Spirale kann besonders schnell und einfach geschweißt werden.

Mit dem Schweißpfad von Fig. 7 kann ein Schweißpunkt mit einem Aspektver hältnis von 1 erhalten werden. Die Fig. 8 zeigt einen Schweißpfad 10 für die Erfindung, der wiederum aus sepa raten, geraden, zueinander parallelen Schweißpfadabschnitten besteht; beispiel haft sind die Schweißpfadabschnitte 101 und 102 markiert. Die Schweißpfadab schnitte 101, 102 sind in Richtung QR benachbart und aufeinanderfolgend ange ordnet. Der Schweißpfad 10 von Fig. 8 überdeckt nach Art einer Schraffur eine etwa kreisförmige Zone des Werkstücks 1.

Typischerweise wird der Schweißpfad von Fig. 8 für einen ersten Schweißdurch gang verwendet, und mit einem anschließenden zweiten Schweißdurchgang kom biniert, in welchem der Schweißpfad von Fig. 8 gedreht um hier ca. a=40° in der gleichen kreisförmigen Zone eingesetzt wird. Es ergibt sich dann der (Gesamt-) Schweißpfad 10 bzw. das Schweißmuster von Fig. 9. Innerhalb eines jeden Schweißdurchgangs ist der Schweißpfad 10 kreuzungsfrei. Zwischen den

Schweißdurchgängen vergeht genügend Zeit, so dass die vorhergehende Erwär mung des ersten Durchgangs im zweiten Durchgang keinen merklichen Einfluss mehr auf die Einschweißtiefe im zweiten Werkstück hat, also die Einschweißtiefen in beiden Durchgängen näherungsweise gleich sind. Die im jeweiligen Schweißdurchgang geschweißten Teilflächbereiche überlappen zumindest in erheblichem Umfang, wodurch eine besonders feste Verschweißung erreicht wird. Durch die Rotation kann auch dann, wenn die verschweißten Teilflächenbereiche der Schweißpfadabschnitte 101, 102 aus einem Durchgang nicht Zusammenhän gen oder Zusammenstößen, insgesamt ein zusammenhängender verschweißter Flächenbereich erhalten werden.

Bezuaszeichenliste

1 erstes Werkstück (Cu-haltig)

2 zweites Werkstück (Al-haltig)

3 Laserstrahl

4 Oberfläche des ersten Werkstücks

5 Schmelze (Schmelzbad) (erstes Werkstück)

6 Isotherme 700°C

7 Schmelze (zweites Werkstück)

10 Schweißpfad

15-17 weiterer Schweißpfadabschnitt

18a-18d verschweißter Teilflächenbereich

19 verschweißter Flächenbereich

20 festes Werkstückmaterial

21 unverschweißter Zwischenbereich

22 verschweißter Teilflächenbereich

30 Innenbereich

101-114 in Richtung QR benachbarte Schweißpfadabschnitte AB Abstand

AR Ausbreitungsrichtung (Laserstrahl)

Dl Dicke erstes Werkstück

D2 Dicke zweites Werkstück

KAD kleinster Außendurchmesser

MT maximale Einschweißtiefe

QR Richtung quer zur Verlaufsrichtung/Vorschubrichtung SB Spurbreite

SD Spotdurchmesser (Laserstrahl)

VR Verlaufsrichtung/Vorschubrichtung

Winkel