Battery Welding

Einleitung

Die Batterieindustrie ist ein dynamischer Bereich, der ständig nach Optimierung und Präzision strebt. Insbesondere das Schweißen von Batteriezellen ist eine technologische Herausforderung, die höchste Präzision erfordert. Hier kommt das Weldmetrix-System ins Spiel, das seine Leistungsfähigkeit in einem kürzlich durchgeführten Versuch am 19. und 20. Juni 2023 unter Beweis gestellt hat.

Kernstück des Systems ist ein Lichtsensor, der die emittierte und reflektierte Strahlung während der Wechselwirkung des Lasers mit dem Werkstück erfasst. Dabei wird der Wellenlängenbereich von 320 bis 1100 nm berücksichtigt. Das System folgt einem einfachen, aber wirkungsvollen Prinzip: Wenn die Prozessparameter konstant bleiben, ist auch die Lichtemission konstant. Änderungen in der Lichtemission deuten auf Prozessunregelmäßigkeiten hin, die mit Hilfe mathematischer Algorithmen analysiert werden.

Die Anwendungen sind vielfältig, aber in diesem Versuch konzentrierten wir uns auf das Schweißen von Samsung-Batteriezellen zu Mikromodulen. Jeder Zellpol wurde mit einer ringförmigen Naht von 6 mm Durchmesser verschweißt. Dabei wurde die Laserleistung in den ersten 8 mm von 0 auf 100 % erhöht und am Ende wieder reduziert. Besonders interessant: Da der Minuspol der empfindlichere der beiden Pole ist, konzentrierten sich die Tests auf diesen.

Die Versuche wurden mit einem 4 kW Faserlaser der Firma Laserline und zwei Scanneroptiken der Firma Raylase durchgeführt. Um die Sensoren mit Strom zu versorgen und die Messdaten in ein digitales Signal umzuwandeln, wurde ein Kundentestsystem der Firma Weldmetrix neben der Laserzelle platziert. Die Testsoftware lief auf dem Laptop eines Weldmetrix-Technikers und ermöglichte eine genaue Visualisierung und Parametrierung des gesamten Prozesses.

Dieser Versuchsaufbau zeigt nicht nur die technologische Reife des Weldmetrix-Systems, sondern auch seine Anwendbarkeit in einer Branche, die für ihre hohen Qualitätsanforderungen bekannt ist. Es ist ein spannender Schritt in Richtung einer effizienteren und zuverlässigeren Batterieproduktion.

Der Testablauf

Das Weldmetrix WLDR System ist ein vergleichendes System, das auf der Analyse der Lichtemission basiert. Bei der Durchführung der Tests werden die Lichtemissionen aller IO-Nähte aufgezeichnet. Diese Daten dienen als Referenz für die Festlegung eines Toleranzbandes. In der zugehörigen Grafik ist eine IO-Naht blau dargestellt, während die Toleranzgrenzen gelb markiert sind. Die x-Achse zeigt die Messpunkte und die y-Achse die Sensorspannung in Volt. Ein deutlicher Ausschlag vor dem eigentlichen Schweißsignal ist aufgrund der Laserleistung während der Positionierung des Laserpunktes erkennbar, liegt aber außerhalb des Auswertebereichs.

Für die Bewertung werden zwei verschiedene Algorithmen verwendet. Der erste ist der Algorithmus der „absoluten Grenzen“. Hier werden alle IO-Daten überlagert und ein Toleranzband definiert, das alle Punkte der Kurven umfasst. Ein Fehler wird nur dann visualisiert, wenn eine bestimmte Anzahl von Messpunkten außerhalb dieses Toleranzbandes liegt. In diesem Fall wird an der entsprechenden Stelle ein roter Balken, auch „Trip“ genannt, eingezeichnet.

Der zweite Algorithmus ist die so genannte “ Noise Evaluation „. Dieser Algorithmus bewertet das Rauschverhalten des Signals im Verhältnis zum Mittelwert. Man kann dies als eine Art mathematische Ableitung betrachten. Je steiler die Signalflanke, desto höher der Wert. Dieser Algorithmus kann auch als eine Art Signalrauschbewertung angesehen werden. Die weitere Auswertung erfolgt analog zu den absoluten Grenzwerten.

Die Abtastrate für die Messungen ist fest auf 500 kHz eingestellt, was eine genaue zeitliche Zuordnung der Messpunkte ermöglicht. Das System ist so konzipiert, dass es flexibel auf die spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung reagieren kann, sei es in Bezug auf die Fügequalität, die Nahtgeometrie oder die Schweißparameter.

Dieser mehrschichtige Ansatz zur Datenanalyse und Fehlererkennung macht das Weldmetrix WLDR-System zu einem äußerst zuverlässigen Werkzeug zur Überwachung von Schweißprozessen, insbesondere in einer so anspruchsvollen Branche wie der Batterieproduktion.

Warum eine hohe Abtastrate im Battery Welding entscheidend ist

In der Batterieindustrie, wo Präzision und Zuverlässigkeit von höchster Bedeutung sind, spielt die Abtastrate eine entscheidende Rolle. Eine hohe Abtastrate, wie sie im Weldmetrix WLDR System mit 500 kHz verwendet wird, ermöglicht eine extrem genaue Erfassung der Prozessparameter in Echtzeit. Aber warum ist das so wichtig?

1. Detaillierte Überwachung: Eine hohe Abtastrate ermöglicht es, selbst kleinste Unregelmäßigkeiten im Schweißprozess zu erkennen. Dies ist besonders wichtig, wenn man bedenkt, dass selbst kleinste Fehler in der Batterieproduktion zu erheblichen Qualitäts- und Sicherheitsproblemen führen können.
2. Schnelle Reaktionszeit: Je höher die Abtastrate, desto schneller kann das System auf Abweichungen reagieren. Das ist entscheidend, um den Prozess in Echtzeit zu korrigieren und so die Qualität und Effizienz zu steigern.
3. Datenreichtum für die Analyse: Eine hohe Abtastrate liefert eine Fülle von Daten, die für die nachträgliche Analyse und Optimierung des Schweißprozesses unerlässlich sind. Dies ermöglichten eine kontinuierliche Verbesserung und Anpassung an sich ändernde Produktionsbedingungen.
4. Verbesserte Fehlererkennung: Mit einer hohen Abtastrate können komplexe Algorithmen wie „Absolute Limits“ und „Noise Evaluation“ im Weldmetrix WLDR System effektiver arbeiten. Sie können schneller und genauer feststellen, ob ein Fehler vorliegt und entsprechende Korrekturmaßnahmen einleiten.
5. Flexibilität und Anpassungsfähigkeit: Eine hohe Abtastrate ermöglicht die Anpassung des Systems an unterschiedliche Werkstoffe und Schweißparameter, was in einer Branche mit einer Vielzahl von Anwendungen und Werkstoffen von unschätzbarem Wert ist.
6. Einhaltung von Qualitätsstandards: Die Batterieindustrie steht vor der Herausforderung, strenge internationale Qualitätsstandards wie ISO 26262 für funktionale Sicherheit in der Automobilindustrie zu erfüllen. Eine hohe Abtastrate ermöglicht es, diese Standards zu erreichen und die Qualität des Endprodukts sicherzustellen.

In einer Welt, in der Batterietechnologie immer mehr an Bedeutung gewinnt, ist die Fähigkeit, jeden Aspekt des Produktionsprozesses zu überwachen und zu optimieren, von unschätzbarem Wert. Eine hohe Abtastrate ist daher nicht nur ein „Nice-to-Have“, sondern ein absolutes „Must-Have“.