Schweißnähte an der Batteriezelle prüfen: Tab, Ableiter, Deckel und Rundnaht

Tab und Ableiter: Anbindungsfläche und Abheben statt Sichtprüfung

Am Tab entscheidet die Fläche, über die zwei Metalle tatsächlich verbunden sind. An einem Zellrahmen werden die Tabs mit mehreren Laserraupen je Tab auf einen Busbar geschweißt. Die Vorgaben des Kunden sind ungewöhnlich genau: eine Mindestanbindungsbreite je Raupe, eine Mindestanbindungsfläche je Tab und ein Mindestanteil der Nahtlänge, der diese Werte erfüllen muss, für kurze und lange Raupen verschieden. Daneben stehen eine Mindesteinschweißtiefe und eine Mindestabzugskraft in den Vorgaben. Diese beiden Werte zeigt keine Oberflächenmessung; sie gehören dem Zugversuch und dem Schliff.

Dieselbe Station kennt eine zweite Fehlerart. Die runde Schweißung der Senseline ist niO, wenn sie nur halb geschweißt ist; als Ursache ist dort eine Maske genannt, die die Kontakte verschoben hatte. Aufnahmen mit dem 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 wurden dort als vielversprechend bewertet. Im Konzept sieht der Sensor jeweils mehrere Tabs in einem Bild und wird von Position zu Position getaktet; als Alternative ist ein Profilsensor genannt, der die Raupen abfährt.

Laut Batterie-Leitfaden von KEYENCE prüft der 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 Schweißfehler an Elektroden und Tabs von Pouchzellen anhand von Höhendaten. Auch ein leichtes Abheben oder Ablösen verbundener Tabs lässt sich so erkennen, also genau der Zustand, in dem eine Raupe zwar sichtbar ist, aber nicht trägt.

Dünne Folie, starker Glanz: Schweißungen in der Zellforschung und an der Stapellinie

In der Zellforschung soll die Schweißqualität einer Batteriefolie bewertet werden. Die Teile sind fein, zwischen etwa 5 x 5 und 50 x 50 mm groß, ihre Strukturen reichen von einigen zehn Mikrometern bis rund einen Millimeter Tiefe. Bisher wird mikroskopisch geprüft, was für eine Fertigung im Takt zu langsam ist; gewünscht ist eine Prüfung unter fünf Sekunden je Teil, die sich später auf eine Prototypenlinie übertragen lässt.

An Stapellinien fallen beide Fügeverfahren zusammen: Ultraschallschweißen und Laserschweißen von Anode und Kathode. Für die Kontakte ist dort eine Nahtprüfung an zahlreichen Stationen angefragt, mit rund drei Sekunden Takt und einem Prüfbereich in der Größenordnung von 10 x 50 mm. In einem getakteten Prozess an einem Elektrodenpaket aus Kathode und Anode sollen die Verschweißung und die Parallelität der Lagen erkannt werden.

Folien und Tabs sind dünn und glänzen stark, Naht und Umgebung unterscheiden sich im Farbton kaum. Der Batterie-Leitfaden nennt die Prüfung anhand von Höhendaten deshalb als stabil, auch wenn die Farbunterschiede gering sind. Wo eine Folienschweißung mehrere Tabs in einem Bildfeld umfasst, erfasst der Snapshot-Sensor sie ohne Bewegung des Kopfes.

Deckel und Becher: die Rundnaht an der drehenden Zelle

Die Rundnaht schließt die Zelle. Ist sie fehlerhaft, kann Inhalt austreten; deshalb sollen an einer Rundzelle Poren in der Laserschweißnaht zu 100 Prozent gefunden werden. Die Naht ist schmaler als ein Millimeter, die Oberfläche glänzt, Grenzmuster liegen vor. Die Zelle wird eigens für den Sensor gedreht, die Taktzeit soll bei gut einer Sekunde liegen. An einer zweiten Linie ist wenig Bauraum, für gröbere Abfragen wird überlegt, gleich einen ganzen Tray mit einem breiten Kopf zu erfassen.

Wie dicht die Profile auf einer solchen Naht liegen, lässt sich abschätzen. Eine Zelle von 30 mm Durchmesser hat rechnerisch knapp 95 mm Umfang; nimmt man für eine Umdrehung 1,2 s an, entspricht das knapp 80 mm/s. Bei der maximalen Abtastung des Profilsensors von 16 kHz lägen rechnerisch rund 5 µm zwischen zwei Profilen, deutlich weniger als die Breite der Naht.

Für eine zylindrische Zelle in der Forschung sollen die Höhen der Schweißpunkte an Deckel und Ableiter gemessen werden, mit Toleranzen zwischen 0,05 und 0,2 mm. Der Sensor ist fest montiert, das Produkt fährt mit rund 10 mm/s vorbei, als Schnittstelle ist EtherCAT genannt. An mehreren Zelllinien soll an der Station für das Verschweißen von Deckel und Becher die Nahtqualität zum Becher geprüft werden, neben Breite, Länge und Dicke der Zelle. Für die Rundzelle beschreibt der Leitfaden die Laserschweißung zwischen Kollektorplatte und Becher als Aufgabe des Profilsensors; weil er mit 3D-Daten arbeitet, spielen Hintergrundfarbe und Umgebungslicht keine Rolle.

Prismatisches Gehäuse: Innennaht, kleinste Löcher und Spritzer am Pol

Am prismatischen Aluminiumgehäuse soll in einer Trockenreinigungsanlage die Innenschweißnaht geprüft werden, mit wenigen Sekunden für den ganzen Messvorgang im Stillstand. Welche Fehler zählen, ist noch nicht spezifiziert; zuerst steht die Frage, was überhaupt prüfbar ist. In einem Konzept für Zellgehäuse sind Nadellöcher in der Naht ab wenigen Hundertstelmillimetern gewünscht, mit einem schmalen Messbereich, kleinem Z-Bereich und einer Achse, die den Kopf nachführt; Kantenbeschädigungen kommen hinzu.

An solchen Zahlen zeigt sich, warum Grenzmuster vor der Auslegung stehen. Der Profilsensor arbeitet je nach Messkopf mit einem Datenabstand ab 2,5 µm in X. Ein Loch von 20 µm überspannt rechnerisch nur wenige Messpunkte eines Profils. Ob es sicher erkannt wird, klärt erst ein Versuch an Mustern mit echten Fehlern.

An den Polen sollen Schweißspritzer und grobe Verformungen erkannt werden, mit mehreren Kameras je Seite. Für eine solche Bewertung im 2D-Bild kommt die All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS in Frage. Sind viele Kamerapositionen an einem Controller nötig, trägt die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G bis zu acht Kameras. Laut Leitfaden nimmt der Profilsensor an der Deckelnaht prismatischer Zellen 3D-Höhendaten und Reflexionswerte zugleich auf und nutzt beide für Messung und Fehlererkennung.

Die Entlüftung: Membran auf dem Ventil verschweißt

Ein Entlüftungsventil für Batterien der Elektromobilität trägt eine Membran aus PET, die per Ultraschall mit einem schwarzen Kunststoffkörper verschweißt wird. Der aufgeschmolzene Kunststoff drückt sich durch die Membran und bildet oben einen schwarzen Ring, der die Membran festhält. Das Produkt ist neu, eine Prüfung gibt es noch nicht; üblich ist an solchen Teilen eine Durchflussprüfung über den Volumenstrom. Die Membrandurchmesser reichen von unter 2 bis 6 cm, der höhere Rand kann Schatten werfen, drei bis vier Sekunden Takt gelten als realistisch. Nach dem letzten Stand wird, wenn überhaupt, eine einfachere 2D-Prüfung des Rings benötigt; dafür kommt die All-in-One Kamera in Frage.

Bei einer großen Membran für Autobatterien geht es um die Dichtheit der Schweißnaht und der Membran selbst, auf einer Fläche von rund 300 x 800 mm und mit möglichst hoher Auflösung. Diskutiert wurden Zeilenkameras, die an der High-End Bildverarbeitung mit ultimativer Flexibilität der Modellreihe XG-X laufen. Ein Bild zeigt Fehler an der Oberfläche; ob die Naht dicht ist, beantwortet die Dichtheitsprüfung. Die Grundlagen des Kunststoffschweißens behandelt der Beitrag zu Kunststoffschweißnähten.

Was die Oberfläche nicht zeigt: Dichtheit, innere Poren und Einschweißtiefe

Eine Profilmessung sieht Höhe, Breite, Lage, Spritzer und Löcher an der Oberfläche. Ob eine Zelle dicht ist, zeigt die Leckprüfung; die Abzugskraft eines Tabs zeigt der Zugversuch. Innere Poren und die Einschweißtiefe sieht nur der Schnitt durch die Naht. Keinem Gerät wird hier zugeschrieben, die Einschweißtiefe zerstörungsfrei zu messen.

Der Schliff einer Laserschweißnaht an Tab, Busbar oder Zellgehäuse beantwortet im Labor die Fragen, die die Linie offen lässt. Gerade an Verbindungen aus Kupfer und Aluminium zeigt der Querschnitt, wie tief die Naht in das untere Blech reicht, ob im Inneren Poren liegen und wie die Übergangszone zwischen den beiden Metallen aussieht. Für diesen Laborschritt nennen die Anwendungsbeispiele von KEYENCE für Digitalmikroskope die Messung der Einbrandtiefe bei einer Batterie, eine Aufgabe für das Digitalmikroskop der Modellreihe VHX-X1. Aus solchen Schliffen können die Grenzmuster entstehen, gegen die die Inline-Prüfung ausgelegt wird: Eine Mindestanbindungsfläche am Tab oder eine Porengrenze in der Rundnaht wird im Labor festgelegt und in der Linie an der Oberfläche überwacht. Die Präparation des Schliffs behandelt der Beitrag zur mikroskopischen Prüfung von Fügestellen.

Häufige Fragen

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