Schweißnähte am Zellkontaktiersystem nach dem Schweißen messen: Kontaktplatte, Busbar und Zellverbinder im Batteriemodul

Zwischen den Zellen eines Batteriemoduls und seinem Zellkontaktiersystem liegen Dutzende bis Hunderte Schweißstellen, und jede davon führt Strom. Dieser Beitrag richtet sich an Planer von Modullinien und an Integratoren, die die Prüfung in eine Laserschweißanlage einbauen. Er beginnt, wenn die Naht gesetzt ist. Höhe, Lage und Koplanarität des Zellkontaktiersystems vor dem Schweißen behandelt der Beitrag zu Zellkontaktiersystemen und Busbars; Loch, Fehlstelle und Schmauch als reines Erscheinungsbild stehen im Beitrag zu Busbars und Zellverbindern. Die Beispiele stammen aus dokumentierten Anwendungen. An einer davon ist eine Kamera von KEYENCE im Einsatz, alle anderen sind Anfragen, Konzepte und Versuche.

Wichtige Punkte im Überblick

Ob ein Schweißpunkt vorhanden ist, sagt wenig darüber, ob er trägt, erst ein Messwert wie Höhe, Durchmesser oder der Höhenschritt zwischen geschweißter und ungeschweißter Fläche erlaubt eine Toleranz.
Bei einer Stichprobe von Hand bleibt ein Teil unbemerkt, dessen Höhe zwischen zwei Stichproben nicht passt, eine Inline-Messung derselben Höhe würde jedes Teil erfassen.
Der 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 erfasst ein Feld bis 640 x 640 mm ohne Bewegung des Kopfes und eignet sich, wo viele Schweißpunkte in einer Aufnahme liegen.
Den Spalt unter der Naht am Zellverbinder erfasst ein schräg auf die Verbindung gerichteter Kopf oder ein Paar von Köpfen aus zwei Richtungen, weil eine senkrechte Laserlinie nicht unter eine Kante sieht.
Der Prüfort entscheidet über Takt und Zugriff: An der Scaneinheit der Schweißanlage liegt das Teil noch in derselben Spannung, eine nachgelagerte Roboterzelle entkoppelt dagegen den Takt.

Hunderte Verbindungen je Modul: warum jede Schweißstelle einen Messwert braucht

Ob ein Schweißpunkt vorhanden ist, sagt wenig darüber, ob er trägt. Ein zu flacher Punkt, ein zu kleiner Durchmesser oder eine Naht, die nur auf einem Teil ihrer Länge bindet, sieht im Bild oft genauso aus wie eine gute Verbindung. Erst ein Messwert erlaubt eine Toleranz: Höhe und Durchmesser eines Punkts, Länge, Breite und Lage einer Naht, der Höhenschritt zwischen geschweißter und ungeschweißter Fläche.

In den Anfragen steht die vollständige Prüfung meist als feste Vorgabe. Ein Betrieb, der Terminal Plates mit Batteriekontakten aufbaut, nennt eine 100-Prozent-Kontrolle als Vorgabe seines Kunden und will schon die Kleinserie direkt mit Prüfung fahren. Bei einem Integrator, der die Kontakte auf Rundzellen prüfen soll, sind rund tausend Zellen in wenigen Minuten zu schaffen; rechnerisch bleibt damit deutlich weniger als eine Sekunde je Zelle. Eine Stichprobe würde dort nur einen kleinen Teil der Verbindungen sehen.

Weil Kupfer, Aluminium und vernickelte Flächen glänzen und die Naht sich im Farbton kaum abhebt, setzt der Batterie-Leitfaden von KEYENCE auf Höhendaten. Anschlussfahnen prismatischer Zellen prüft der 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 nach dem Fügen auf Kontaktierfehler, auch wenn kein großer Farbkontrast zum Hintergrund besteht. Ein Profil umfasst 3.200 Punkte, das X-Feld reicht je nach Messkopf von 7,0 bis 510 mm.

Rundzellenmodul: Höhe und Durchmesser der Schweißpunkte auf der Kontaktplatte

Bei Rundzellen liegt die Kontaktplatte über vielen Zellköpfen, und jede Zelle hat ihre eigene kurze Naht. In einem Konzept für eine Laseranlage drückt eine Hubeinheit die Zellen eines Werkstückträgers gegen die Platte, dann wird geschweißt. Die Oberfläche wird vorher erfasst, danach sollen Wölbung und Höhenunterschied zwischen geschweißter und ungeschweißter Fläche bestimmt werden. Die Nähte sind nur wenige Millimeter lang, mehrere Zellen stehen in einer Reihe von rund 200 mm. Für diese Aufgabe kommen der Profilsensor oder der 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 in Frage.

In einer weiteren Anfrage sollte an den Kontaktplatten eines Batteriegehäuses geprüft werden, ob alle Schweißpunkte die richtige Höhe und den richtigen Durchmesser haben; im Kern ging es um die Höhe der Pins, auf einem Bildfeld von rund einem halben Meter Kantenlänge. Gefordert war auch, die Messwerte als CSV-Datei an einen Laptop zu übertragen.

Eine Forschungseinrichtung für Batterien sucht ein zerstörungsfreies Konzept für die Laserschweißnähte zwischen Rundzellen und Sammelschiene: Abmaße, Poren und innen liegende Fehler, halbautomatisch über die ganze Batterie. Für Abmaße und Poren an der Oberfläche kommt der Snapshot-Sensor in Frage, der ein Feld bis 640 x 640 mm ohne Bewegung des Kopfes erfasst. Innen liegende Fehler beantwortet eine Messung der Oberfläche nicht; sie bleiben dem Schliff im Labor vorbehalten.

Prismatische und Pouch-Module: Busbarnähte entlang des Stapels

An prismatischen und Pouch-Modulen verläuft die Verbindung als Busbarnaht über die Pole eines Zellstapels. In einem Modulprogramm mit Stapelfertigung sind für die Busbarnähte Aufnahmezeiten von unter einer halben Sekunde je Zellverbinder genannt, geprüft von beiden Seiten des Stacks. Eine der beiden genannten Varianten sieht je Seite einen Profilsensor an der High-End Bildverarbeitung mit ultimativer Flexibilität der Modellreihe XG-X als Controller vor. Für Stacks, die verspannt in ein Gehäuse montiert werden, gelten dort dieselben Anforderungen wie an der Busbar.

Für eine Pouch-Linie mit Stapeln, Array und Modul ist bei einem Integrator eine Schweißnahterkennung mit Profilsensoren angefragt, die zum Teil im Roboter geführt werden. Wie ein Sensor am Roboterarm Nähte abfährt, beschreibt der Beitrag zur 3D-Inline-Inspektion am Roboter. Für einen Zellblock mit zentraler Verbindereinheit und Prüfbereichen von wenigen Zentimetern ist offen, ob ein 2D-Bild der All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS genügt oder ob es Höhendaten braucht.

Kupfer- und Aluminiumniete, Mischverbindungen und Handstichprobe

Auf Terminal Plates sitzen Niete aus Kupfer und aus Aluminium, und an beiden soll die Schweißnaht geprüft werden. Im dokumentierten Konzept trägt ein Werkstückträger mehrere Batterien, rechnerisch steht rund eine Sekunde je Batterie zur Verfügung. Die Anlage baut der Betrieb selbst. Zwei Werkstoffe mit unterschiedlichem Glanz in einem Bild sind für die Beleuchtung einer Kamera schwierig; der Profilsensor wertet dagegen Höhendaten aus, die laut Batterie-Leitfaden auch bei wechselnden Materialien und Farben stabile Prüfungen erlauben.

Wo heute ein Mitarbeiter in festem Abstand Teile vom Band nimmt, etwa an den Kupferkontakten einer Hybridbatterie, prüft er die Höhe unter den Kontakten nach dem Punktschweißen von Hand. Passt die Höhe bei einem Teil zwischen zwei Stichproben nicht, bleibt das unbemerkt. Eine Inline-Messung derselben Höhe würde jedes Teil erfassen und die Stichprobe ersetzen.

Spalt unter der Naht und Hinterschneidung: schräg auf den Zellverbinder schauen

Eine Laserlinie, die senkrecht von oben auf einen Zellverbinder fällt, sieht nicht unter eine Kante. In einem Konzept werden vier Zellen über Zellverbinder zu einem Verbund verschweißt, je Verbund sind mehrere WIG-Verbindungen auf Form, Länge und Breite zu prüfen. Der Sensor soll schräg auf die Verbindung schauen, um den Spalt unter Klemmen und Naht zu erfassen; Hinterschneidungen sind zu beachten, gegebenenfalls wird der Kopf gedreht. Das Bildfeld liegt bei wenigen Zentimetern, das Bild muss nicht zusammengesetzt werden, und gemessen werden soll möglicherweise im Durchlauf bei rund 100 mm/s. Die Toleranzen sind dort noch nicht definiert.

Für solche Geometrien helfen zwei Köpfe, die die Verbindung aus zwei Richtungen erfassen, oder ein geneigter Kopf, dessen Linie unter die Kante reicht. Bei der maximalen Abtastung von 16 kHz lägen bei 100 mm/s rechnerisch rund 6 µm zwischen zwei Profilen. An einer zweiten Station desselben Konzepts werden die Verbünde miteinander verschweißt; geprüft werden soll dort robotergeführt auf mehreren Bahnen von gut einem Meter Länge.

In der Schweißstation, direkt danach oder hinter dem End-of-Line-Test

Der Prüfort entscheidet über Takt und Zugriff. Misst der Sensor an der Scaneinheit der Schweißanlage, liegt das Teil noch in derselben Spannung; eine nachgelagerte Roboterzelle entkoppelt dagegen den Takt. Beide Wege sind bei dem Integrator mit rund tausend Zellen in wenigen Minuten offen.

Ein Maschinenbauer sieht im Konzept für prismatische Module eine eigene Station nach dem Verbau des Zellkontaktiersystems vor. Welche Merkmale dort mit welcher Toleranz und welcher Mindestfehlergröße zu prüfen sind, ist noch in Klärung. Ein anderer Betrieb will Module vor und nach dem Schweißen auf einer vorhandenen XY-Achse prüfen. Für die Versuche entstanden Aufnahmen im Fokus, mit einem Versatz von ein bis zwei Millimetern nach oben und unten, am Modulpol und an Spalten von 0,1 und 0,2 mm. In Versuchen sahen die Aufnahmen mit dem Snapshot-Sensor nur mit einer Kopfausführung gut aus; auf der Achse lässt sich ebenso der Profilsensor verfahren.

Hinter dem End-of-Line-Test erfasst die Prüfung alles, was in den Stationen davor entstanden ist. Eine Modullinie mit rund zwei Dutzend Nähten je Modul sieht die Station hinter dem End-of-Line-Test vor, mit bis zu zwei Minuten Zeit.

Vom Messwert zur Nacharbeit: iO/niO je Schweißstelle, Markierung und Werkerplatz

Ein Messwert nützt erst, wenn er an der richtigen Stelle ankommt. In der genannten Modullinie reicht eine iO/niO-Ausgabe, niO-Teile sollen markiert werden. Weil die Halle sehr hell ist, wurde eine Abschirmung gegen Fremdlicht vereinbart, und eine Lichtschranke soll die Prüfung auslösen. An einer Zelleneinheit ist die All-in-One Kamera von KEYENCE für die Schweißnahtprüfung im Einsatz; dort sollen die Zähler für iO- und niO-Teile künftig auch einen Spannungsausfall überstehen.

Wo die Bewertung im 2D-Bild genügt, bewertet die All-in-One Kamera die Naht mit AI-Werkzeugen und gibt das Ergebnis über EtherNet/IP, PROFINET oder EtherCAT an die Steuerung. Sind an einer Station viele Kamerapositionen nötig, führt die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G bis zu acht Kameras an einem Controller zusammen. Für Höhe, Durchmesser und Spalt bleibt der Profilsensor die Quelle, dessen Werte je Schweißstelle an die Anlage oder an den Werkerplatz für die Nacharbeit gehen.

Häufige Fragen

F Warum reicht eine Stichprobe am Zellkontaktiersystem nicht?

Weil jede Verbindung Strom führt und ein Modul Dutzende bis Hunderte davon hat. In den dokumentierten Anfragen steht die vollständige Prüfung meist als Vorgabe des Kunden. Eine Stichprobe von Hand sieht nur den Teil, der gerade vom Band genommen wird.

F Welche Merkmale werden an einem Schweißpunkt auf der Kontaktplatte gemessen?

Genannt werden Höhe und Durchmesser des Punkts, der Höhenunterschied zwischen geschweißter und ungeschweißter Fläche und die Wölbung der Oberfläche. An Nähten kommen Länge, Breite und Form hinzu. Alle diese Werte sind Höhendaten, die der 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 liefert.

F Wie wird der Spalt unter einer Naht am Zellverbinder erfasst?

Der Sensor schaut schräg auf die Verbindung oder zwei Köpfe erfassen sie aus zwei Richtungen. Eine senkrechte Laserlinie erreicht den Bereich unter einer Kante nicht. Hinterschneidungen sind bei der Auslegung zu beachten.

F Profilsensor oder Snapshot-Sensor?

Der Profilsensor misst Linie für Linie, während sich Teil oder Sensor bewegt; er passt an eine Achse oder in den Durchlauf. Der 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 erfasst ein Feld bis 640 x 640 mm ohne Bewegung des Kopfes und eignet sich, wo viele Schweißpunkte in einer Aufnahme liegen.

F Genügt eine 2D-Kamera für die Schweißnähte im Modul?

Für eine iO/niO-Bewertung im Bild kann sie genügen; an einer Zelleneinheit ist eine All-in-One Kamera von KEYENCE dafür im Einsatz. Höhe, Durchmesser und Spalt zeigt ein 2D-Bild nicht. Dafür braucht es Höhendaten.

Weiterführende Artikel

Übergeordnete Themenseite: Schweißnahtprüfung: Nahtgeometrie, Fehlstellen und Nachweis an Metall, Kunststoff und Folie in der Linie

Hauptartikel zum Thema: Schweißnahtprüfung in der Batteriefertigung: Zelle, Zellkontaktierung und Gehäuse nach dem Schweißen prüfen

Weiterer Artikel im Thema: Schweißnähte an der Batteriezelle prüfen: Tab, Ableiter, Deckel und Rundnaht