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

Eine Batterie hält zusammen, was geschweißt ist: der Tab am Ableiter, der Deckel am Becher, die Kontaktplatte auf der Rundzelle, der Busbar auf dem Pol und die Naht am Gehäuse. Weil die Batterie sicherheitsrelevant ist, soll in vielen Linien jede dieser Verbindungen geprüft werden, nicht nur eine Stichprobe. Dieser Leitfaden richtet sich an Planer, Prozess- und Qualitätsingenieure von Zell-, Modul- und Packlinien und an Integratoren, die die Prüfstation in eine Laserschweißanlage einbauen. Er folgt der Batterie von innen nach außen. Die Beispiele stammen aus dokumentierten Anwendungen; in einer davon ist eine All-in-One Kamera von KEYENCE für die Schweißnahtprüfung an einer Zelleneinheit im Einsatz, die übrigen sind Anfragen, Konzepte und Tests.

Wichtige Punkte im Überblick

Geprüft wird die vorhandene Naht als Messgröße: Höhe und Durchmesser eines Schweißpunkts, Länge, Breite und Lage einer Naht, der Spalt darunter, Spritzer und die Anbindungsfläche am Tab.
Weil sich die Naht auf glänzendem Kupfer und Aluminium farblich oft kaum abhebt, setzt die Prüfung auf Höhendaten: An Deckel- und Kollektornähten nimmt der 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 3D-Höhendaten und Reflexionswerte zugleich auf.
Wo eine iO/niO-Aussage im 2D-Bild genügt, bewertet die All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS die Naht mit AI-Werkzeugen, an einer Zelleneinheit ist sie für die Schweißnahtprüfung im Einsatz.
Was die Oberfläche nicht zeigt, bleibt anderen Verfahren: Dichtheit der Leckprüfung, Abzugskraft dem Zugversuch, innere Poren und Einschweißtiefe dem Schliff im Labor.
Vor der Auslegung einer Station stehen exakte Prüfkriterien, Toleranzen und ein Fehlerkatalog, denn erst Grenzmuster oder eine Mindestanbindungsfläche machen eine Prüfung auslegbar.

Wenn die Naht gesetzt ist: was nach dem Schweißen an der Batterie geprüft wird

Die Prüfung beginnt, wenn die Verbindung existiert. Fokuslage, Z-Abstand und Schweißposition vor dem Tab- und Terminalschweißen behandelt der Beitrag zur Lage vor dem Schweißen, Höhe und Koplanarität des Zellkontaktiersystems davor der Beitrag zu Zellkontaktiersystemen und Busbars. Ob eine Schweißstelle überhaupt vorhanden ist, gehört zur Anwesenheitsprüfung, und Loch, Fehlstelle oder Schmauch als reines Erscheinungsbild stehen im Beitrag zu Busbars und Zellverbindern.

Hier geht es um die Naht als Messgröße: Höhe und Durchmesser eines Schweißpunkts, Länge, Breite und Lage einer Naht, der Höhenunterschied zwischen geschweißter und ungeschweißter Fläche, der Spalt unter der Naht, Spritzer als erhabener Punkt und die Anbindungsfläche am Tab.

Die folgenden Abschnitte gehen in dieser Reihenfolge vor: zuerst die Zelle mit Tab, Ableiter und Deckel, dann das Modul mit dem Zellkontaktiersystem, dann das Gehäuse des Packs. Es folgen das Messprinzip auf glänzendem Metall, die Frage nach dem Prüfkriterium und die Schweißnähte an Stacks für Wasserstoff und stationäre Speicher.

An der Zelle: Tab, Ableiter, Deckel und Rundnaht

An einem Zellrahmen, an dem die Tabs mit mehreren Laserraupen an den Busbar geschweißt werden, ist eine Mindestanbindungsfläche je Tab gefordert.

Bei einer Rundzelle sollen Poren in der Laserschweißnaht gefunden werden, Grenzmuster liegen dafür vor. In der Zellforschung sollen an Deckel und Ableiter einer zylindrischen Zelle die Höhen der Schweißpunkte gemessen werden. Ein weiteres Konzept betrifft die Naht zwischen Deckel und Becher an mehreren Zelllinien.

Am prismatischen Aluminiumgehäuse soll in einer Trockenreinigungsanlage die Innenschweißnaht geprüft werden. Ein Konzept für Zellgehäuse nennt Nadellöcher als Wunsch. An den Polen sollen Schweißspritzer und grobe Verformungen erkannt werden. An einem Entlüftungsventil zeigt sich die Schmelze einer per Ultraschall verschweißten Membran oben als schwarzer Ring.

Für solche Aufgaben kommt der 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 in Frage. Laut Batterie-Leitfaden prüft er Schweißfehler an Elektroden und Tabs von Pouchzellen anhand von Höhendaten; auch leichtes Abheben oder Ablösen verbundener Tabs lässt sich so erkennen. Die Laserschweißung der Kollektorplatte am Becher einer Rundzelle prüft er mit 3D-Daten unabhängig von Hintergrundfarbe und Umgebungslicht.

Im Modul: jede Verbindung zwischen Zelle und Zellkontaktiersystem

Im Modul vervielfacht sich die Zahl der Verbindungen. An einer Zelleneinheit ist die All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS von KEYENCE für die Schweißnahtprüfung im Einsatz.

An Rundzellenmodulen mit Kontaktplatte geht es um den Höhenunterschied zwischen geschweißter und ungeschweißter Fläche und um Nähte von wenigen Millimetern Länge. Bei einem Integrator sind rund tausend Zellen in wenigen Minuten zu prüfen, entweder an der Scaneinheit oder in einer nachgelagerten Roboterzelle. An einer Modullinie, an der rund zwei Dutzend Nähte je Modul heute mit dem Auge kontrolliert werden, soll die Station hinter der End-of-Line-Prüfung sitzen. An den Kupferkontakten einer Hybridbatterie wird die Höhe unter den Kontakten nach dem Punktschweißen heute von Hand stichprobenartig geprüft.

An prismatischen Zellen soll die Busbarnaht in einer Station geprüft werden, die an einem Portal sitzt, an dem die Busbaroberfläche mit Bürsten gereinigt wird. In einem Modulprogramm kommt an den Stacks eine Schweißnahtprüfung in Frage, deren Anforderungen noch nicht hinreichend bekannt sind. Wo vier Zellen über Zellverbinder verschweißt werden, soll der Sensor schräg auf die Verbindung schauen, um den Spalt unter der Naht zu erfassen. Ein weiterer Betrieb, der heute visuell kontrolliert, will Module vor und nach dem Prozess prüfen.

Wo mehrere Schweißpunkte in einer Aufnahme liegen, kommt der Snapshot-Sensor in Frage, der ein Feld bis 640 x 640 mm ohne Bewegung des Kopfes erfasst. Wo eine iO/niO-Aussage im 2D-Bild genügt, bewertet die All-in-One Kamera die Naht mit AI-Werkzeugen. Braucht eine Station viele Kamerapositionen, trägt die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G bis zu acht Kameras an einem Controller.

Am Pack: Längs-, Rund- und Rührreibschweißnähte an Wanne und Gehäuse

Am Batteriegehäuse werden die Teile groß und die Nähte lang. Für ein Gehäuse mit Rundnähten um Buchsen, Längsnähten und Montagenähten sollen Poren, Nahtbreite und Spritzer automatisch erfasst werden. Jeder Spritzer auf dem Dichtungsrahmen ist dort sofort niO. Im Konzept fährt ein Roboter die Rundnähte ab, alternativ dreht eine Achse das Teil; die Längsnähte laufen mit rund 100 bis 130 mm/s, die Rundnähte mit etwa 60 mm/s. Mehrere Messroboter in Scanzellen sollen ihre Daten an einen Auswerterechner geben, der dem Werker die Stellen für die Nacharbeit zeigt.

An der Unterseite eines Unterfahrschutzes sollten Durchbrenner gefunden werden, scharfkantige Auswüchse unter den Lasernähten zweier Deckel. Eine Höhe war dafür nicht nötig: Die Position sollte dem Werker angezeigt werden, der bis dahin an der Nacharbeit alles per Auge prüfte. An einer Batteriewanne steht die Schweißnahtprüfung nach dem Rührreibschweißen des Bodens als eine von mehreren Messaufgaben einer Messzelle. Ob ein Teil nach dem Schweißen wieder Raumtemperatur hat, wurde an den Nähten einer Wanne ebenfalls gefragt; das ist eine Temperatur- und keine Nahtprüfung.

Am Messroboter kommt die Modellreihe LJ-X8000 in Frage, für Bereiche ohne eigene Achse die Modellreihe LJ-S8000. Wie ein Profilsensor am Roboterarm gerade und geschwungene Nähte abfährt, beschreibt der Beitrag zur 3D-Inline-Inspektion am Roboter.

Glänzendes Kupfer und Aluminium: Höhendaten und Reflexionswerte in einer Messung

Folien, Tabs, Kontaktplatten und Busbars glänzen, und der Farbunterschied zwischen Naht und Umgebung ist oft gering. Der Batterie-Leitfaden nennt deshalb die Prüfung anhand von Höhendaten, die selbst bei geringen Farbunterschieden stabile Ergebnisse liefert; Anschlussfahnen prismatischer Zellen werden nach dem Fügen auch bei geringem Farbkontrast zum Hintergrund auf Kontaktierfehler geprüft. An Deckel- und Kollektornähten nimmt der Profilsensor 3D-Höhendaten und Reflexionswerte zugleich auf und nutzt beide für Messung und Fehlererkennung. Ein Profil umfasst 3.200 Punkte, die Abtastung reicht bis 16 kHz, die Z-Wiederholgenauigkeit liegt je nach Messkopf bei 0,3 bis 10 µm.

Was die Oberfläche nicht zeigt, bleibt anderen Verfahren: Dichtheit der Leckprüfung, Abzugskraft dem Zugversuch, innere Poren und Einschweißtiefe dem Schliff im Labor. Für diesen Schritt nennen die Anwendungsbeispiele von KEYENCE für Digitalmikroskope die Messung der Einbrandtiefe bei einer Batterie; in Frage kommt das Digitalmikroskop der Modellreihe VHX-X1.

Wenn das Prüfkriterium noch fehlt: Grenzmuster und Fehlerkatalog vor der Station

Viele Anfragen hängen weniger an der Technik als an der Definition. An Kappen in der Modulmontage soll jede kreisförmige Laserschweißung als gut oder schlecht bewertet werden. Getestet wurde dort ausführlich mit AI-Werkzeugen der All-in-One Kamera und mit dem Profilsensor an der High-End Bildverarbeitung mit ultimativer Flexibilität der Modellreihe XG-X als Controller; beide Wege zeigten ihre Prüffähigkeit, offen blieb, welche Naht als gut gilt, weil der Endkunde dafür noch keine festen Kriterien nennt.

Beim Batteriegehäuse ist die Reihenfolge ausdrücklich beschrieben: erst exakte Prüfkriterien, Toleranzen und ein Fehlerkatalog für die optische Prüfung, dann die Auslegung. An einem Stator mit Hairpin-Wicklung soll die Laserschweißstelle geprüft werden, gern sogar innen; Grenzmuster gibt es dort noch nicht, und offen ist, ob ein Blick von außen genügt. In weiteren Konzepten stehen Toleranzen als in Klärung. Grenzmuster wie an der Rundzelle oder eine Mindestanbindungsfläche wie am Tab machen eine Prüfung erst auslegbar.

Bipolarplatte und Stack: Schweißnähte an Brennstoffzelle, Elektrolyseur und Redox-Flow-Batterie

Für eine mobile Brennstoffzelle werden zwei Platten miteinander verschweißt; die Naht ist schmaler als 0,1 mm, gesucht sind Fehler von etwa 50 µm, gewünscht ist eine laterale Auflösung von etwa 5 µm, und mit Handling soll die Prüfung unter einer Minute bleiben. Offen ist, ob die ganze Naht gescannt wird oder nur kritische Positionen. In einer Machbarkeitsstudie für Stacks von Brennstoffzelle und Elektrolyseur soll die Höhe von Schweißpunkten auf Bipolarplatten gemessen werden. Bei einer stationären Redox-Flow-Batterie ist eine Membran in einen rund einen Meter langen Kunststoffrahmen geschweißt, für die Prüfung stehen etwa zehn Sekunden zur Verfügung. In einem Forschungsprojekt zu Schweißpunkten an einer Brennstoffzelle verlief ein Test zur Ausgabe ihrer XY-Koordinaten erfolgreich.

Häufige Fragen

F Was gehört zur Schweißnahtprüfung an der Batterie, was nicht?

Dazu gehört alles, was an einer vorhandenen Naht gemessen wird: Höhe und Durchmesser von Schweißpunkten, Länge, Breite und Lage der Naht, Spalt, Anbindungsfläche und Spritzer. Lage und Fokus vor dem Schweißen, die Frage, ob eine Schweißstelle vorhanden ist, und reine Erscheinungsfehler sind eigene Prüfaufgaben.

F Warum Höhendaten auf glänzendem Kupfer und Aluminium?

Weil sich Naht und Umgebung dort im Bild oft kaum unterscheiden. Der Batterie-Leitfaden nennt die Prüfung anhand von Höhendaten als stabil, selbst wenn die Farbunterschiede gering sind. Der 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 nimmt an Deckel- und Kollektornähten Höhendaten und Reflexionswerte in einer Messung auf.

F Lässt sich die Einschweißtiefe inline messen?

Eine zerstörungsfreie Messung der Einschweißtiefe wird hier keinem Gerät zugeschrieben. Inline zeigt das Profil die Oberfläche der Naht: Höhe, Breite, Lage und Spritzer. Einschweißtiefe und innere Poren bleiben dem Schliff im Labor vorbehalten, Dichtheit der Leckprüfung.

F Was tun, wenn der Endkunde kein Prüfkriterium vorgibt?

Zuerst Grenzmuster und einen Fehlerkatalog festlegen, dann die Station auslegen. In dokumentierten Anwendungen zeigten Tests an Kappenschweißungen die Prüffähigkeit zweier Wege, die Auswahl wartete aber auf die Kriterien. Eine Mindestanbindungsfläche je Tab ist ein Beispiel für ein Kriterium, das sich prüfen lässt.

F Muss jede Schweißstelle eines Moduls geprüft werden?

Die dokumentierten Anfragen verlangen das meist, weil die Batterie sicherheitsrelevant ist. Wer bei rund zwei Dutzend Nähten je Modul nur jedes zehnte Modul prüft, sieht rechnerisch ein Zehntel der Verbindungen. Wo mehrere Schweißpunkte in einem Bild liegen, kommt der 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 in Frage.

F Wo sitzt die Prüfstation: in der Schweißanlage oder danach?

Das hängt von Takt und Zugang ab. In dokumentierten Anwendungen sitzt die Messung an der Scaneinheit der Schweißanlage, in einer nachgelagerten Roboterzelle oder hinter der End-of-Line-Prüfung kurz vor der Entnahme. Wichtig ist, dass das Ergebnis je Schweißstelle die Nacharbeit oder eine niO-Markierung erreicht.

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