DE102021119907A1

DE102021119907A1 - Rührreibschweißvorrichtung, Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe mit einer Rührreibschweißvorrichtung sowie eine Baugruppe

Info

Publication number: DE102021119907A1
Application number: DE102021119907.7A
Authority: DE
Inventors: Dennis BÖHM; Alexander Breuer; Talia BATRES HERMOSILLO
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-07-30
Filing date: 2021-07-30
Publication date: 2023-02-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rührreibschweißvorrichtung (1) zum Verbinden einer Mehrzahl von, einander zumindest teilweise überlappend angeordneten Bauteilen (2, 3) durch Erzeugen von Reibungswärme und durch Rühren eines Materials zumindest eines Bauteils (2, 3). Weiter wird ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe (19) vorgeschlagen, wobei die Baugruppe (19) eine Mehrzahl von, einander in einem Verbindungsbereich (20) zumindest teilweise überlappend angeordneten Bauteilen (2, 3) umfasst und wobei die Bauteile (2, 3) in dem Verbindungsbereich (20) durch ein Rührreibschweißverfahren miteinander verbunden sind. Schließlich wird noch eine Baugruppe (19) für eine Batteriezelle angegeben, zumindest umfassend eine Vielzahl von aufeinander gestapelten Zellfolien (21) zur Speicherung elektrischer Energie und mindestens ein Kontaktblech (22); wobei die Zellfolien (21) in einem Verbindungsbereich (20) einen Folienstapel (23) ausbilden und der Folienstapel (23) mit dem Kontaktblech (22) durch mindestens eine Rührreibschweißverbindung (10) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rührreibschweißvorrichtung, ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe mit einer Rührreibschweißvorrichtung sowie eine Baugruppe, die durch die Rührreibschweißvorrichtung und/oder das Verfahren hergestellt wurde. Die hier beschriebene Baugruppe umfasst insbesondere die Elektrodenfolien und die Ableiter einer Batteriezelle.
Die Baugruppe ist insbesondere ein Bestandteil einer Batteriezelle, z. B. einer Lilonen-Batteriezelle. Die Baugruppe umfasst insbesondere eine Mehrzahl von, einander zumindest teilweise überlappend angeordneten Bauteilen, bevorzugt eine Vielzahl von aufeinander gestapelten Zellfolien zur Speicherung elektrischer Energie und mindestens ein Kontaktblech. Die Zellfolien bilden in einem Anbindungsabschnitt einen Folienstapel aus und der Folienstapel ist mit dem Kontaktblech durch mindestens eine Schweißverbindung verbunden zur elektrischen Kontaktierung der Zellfolien über das Kontaktblech. Die Erfindung kommt insbesondere bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien für beispielsweise elektrifizierte Fahrzeuge zum Einsatz.
Eine Batteriezelle ist ein Stromspeicher, der z. B. in einem Kraftfahrzeug zum Speichern von elektrischer Energie eingesetzt wird. In einer Batteriezelle sind Elektrodenfolien (im Folgenden auch als Zellfolien bezeichnet), also Anoden und Kathoden aufeinander gestapelt angeordnet, wobei unterschiedliche Elektrodenfolien durch Separatorfolien oder ein Separatormaterial voneinander getrennt angeordnet sind. Die Elektrodenfolien sind innerhalb eines Gehäuses in einem Elektrolyt angeordnet.
Die innerhalb des Gehäuses angeordneten Elektrodenfolien werden über sogenannte Ableiter mit einem elektrischen Stromkreis außerhalb des Gehäuses verbunden. Die Ableiter erstrecken sich durch das gasdichte Gehäuse nach außen. Innerhalb des Gehäuses sind die Ableiter mit der Vielzahl von Zellfolien gleicher Art, also Anoden oder Kathoden, elektrisch leitend verbunden. Dabei wird ein Ableiter (im Folgenden auch als Kontaktblech bezeichnet) mit einer Vielzahl von Zellfolien verbunden. Die Zellfolien bilden in einem Anbindungsabschnitt einen Folienstapel aus und der Folienstapel ist mit dem Kontaktblech über eine Schweißverbindung verbunden. Diese Schweißverbindung wird im Allgemeinen durch Laserschweißen und dabei über Punktschweißverbindungen realisiert.
Zur Erzeugung derartiger Schweißverbindungen sind unterschiedliche Verfahren bekannt: Laserschweißen, Ultraschallschweißen, Vor-Ultraschall-Schweißen und Laserschweißen, Crimpen, Widerstandsschweißen, Nieten, Rührreibschweißen als Punktschweißen.
Das Laserstrahlschweißen ist unter den Aspekten der Zugänglichkeit, der Wärmeintragung in das Bauteil bzw. der mechanischen Belastung der Fügepartner das zu favorisierende Fügeverfahren bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Zellen und -Batterien. Jedoch ist das reproduzierbare, fehlerfreie Herstellen von Cu-Cu, Al-Al und Al-Cu Verbindungen mittels Laserstrahlschweißen aufgrund der schlechten Einkopplung des Laserlichtes bei einer Wellenlänge von ca. 1050 nm [Nanometer] (Infrarot Laser) und der hohen Wärmeleitfähigkeit der zu schweißenden Werkstoffe stark eingeschränkt. Weiterhin weist Kupfer (Cu) einen Absorptionssprung auf, wenn sich der Aggregatzustand des Werkstoffes von fest zu flüssig ändert. Durch dieses sprunghafte Verhalten kommt es zu einer schlagartigen Überhitzung der Cu-Schmelze, was wiederum zum Verdampfen des Werkstoffes führt. In Folge dessen kommt es zu einer unregelmäßigen Ausformung der Schweißverbindung bzw. zu sehr starker Spritzerbildung. Es entstehen Fehler in der Schweißverbindung, die gerade bei der Ausbildung von längeren Schweißnähten (im Gegensatz zu kurzen Steppnähten mit weniger als 5 Millimeter Schweißnahterstreckung oder Schweißpunkten) zu Löchern, Poren, Auswürfen, Spritzern, nicht angebundenen Folien, etc. führen können. Diese Fehler verringern die Qualität der Batteriezellen und erhöhen das Risiko von Ausfällen im Betrieb der Batteriezellen.
Die für die Erzeugung derartiger Schweißverbindungen unter Großserienbedingungen (also z. B. mehr als 1.000 Bauteile pro Tag) erforderliche Prozessstabilität kann bisher nur für kurze Schweißverbindungen (also Steppnähte oder Schweißpunkte) realisiert werden. Die dabei bereits auftretenden Fehler schränken aber in oben genannter Weise die Nutzung der bisher produzierten Batteriezellen ein.
Gleichzeitig steigt aber mit wachsender Leistungsfähigkeit (z. B. Schnellladefähigkeit der Batteriezellen) der Zellchemie, insbesondere bei gleichen Größen der Batteriezellen, ein Anspruch an Güte und Länge der Schweißverbindung. Insbesondere sind also stoffschlüssige Verbindungen zwischen den Folien und dem Ableiter gefordert, die eine entsprechend große Querschnittsfläche zur Übertragung der gestiegenen Strommengen bereitstellen.
Neben der Schwierigkeit, Porosität in der Schweißverbindung gerade auf der Kathodenseite (Aluminium) zu vermeiden, können Zellfolien aufgrund von thermischen Spannungseffekten beim Abkühlen des Materials nach dem Laserschweißen abreißen. Beim Ultraschallschweißen können z. B. Metallpartikel entstehen. Beim Rührreibschweißen als Punktschweißen passt der Standard-Haltestempel der Rührreibschweißvorrichtung nicht in den kleinen, zu schweißenden Bereich.
Bisher wurde versucht diese Probleme z. B. durch die folgenden Maßnahmen zu lösen:

• durch zweifache Bearbeitung des Materials mit einem Laserstrahl,
• durch das Schweißen von Einzelfolien anstatt eines Folienstapels,
• durch das Schmelzen des Materials an den Rändern der Bauteile,
• durch ein Ultraschallschweißverfahren als Vorprozess für das Material,
• durch einen Reinigungsprozess, um eine Oxidschicht auf der Aluminiumoberfläche zu vermeiden,
• Rührreibschweißen ist bisher nicht für derartige Baugruppen vorgesehen, weil z. B. die Dimension des Haltestempels für den Anwendungsfall zu groß ist.

In der CN 104741769 A wird z. B. die Möglichkeit beschrieben, für ein Rührreibschweißverfahren zum Verschweißen von gestapelten Metallfolien ein konventionelles Werkzeug zu verwenden, das aus drei Elementen besteht, einem Haltestempel, einem zylindrischen ersten Werkzeug und einem hülsenförmigen zweiten Werkzeug. Es wird dort vorgeschlagen, dieses Verfahren für die Herstellung von Batteriezellen zu verwenden. Um jedoch zu erreichen, dass die vom Werkzeug erzeugten Schleuderkräfte und die Reibung nur im gewünschten Bereich wirken, ist die Verwendung eines starken Haltestempels notwendig. Diese Anforderung verhindert auch, dass die Werkzeuge kleiner sein können. Die verwendete Standardgröße hat daher einen Durchmesser von 12 mm [Millimeter], so dass die Verwendung des Verfahrens unmöglich ist, wenn der gewünschte Bereich z. B. weniger als 10 mm betragen würde.
Es besteht also ein Bedürfnis, ein großserientaugliches Verfahren zur Erzeugung derartiger Schweißverbindungen bereitzustellen.
Aus der EP 1 884 308 B1 ist ein Rührreibschweißverfahren zur Verbindung zweier Bauteile bekannt, bei dem ein Drehwerkzeug einen drehbaren Stift (im Folgenden erstes Werkzeug) und einen den Stift umgebenden, drehbaren Schulterteil (im Folgenden zweites Werkzeug) aufweist.
Ein zylindrisches Gratbeschränkungsteil (im Folgenden Haltestempel) umgibt das Drehwerkzeug und verhindert eine Graterzeugung um die Rührreibweißzone.
Aus der US 10,201,873 B2 ist eine Rührreibschweißvorrichtung zur Verbindung zweier Bauteile bekannt, bei dem ein Drehwerkzeug einen drehbaren Stift (im Folgenden erstes Werkzeug) und einen den Stift umgebenden, drehbaren Schulterteil (im Folgenden zweites Werkzeug) aufweist. Eine zylindrisches Klemmelement (im Folgenden Haltestempel) umgibt das Drehwerkzeug und erzeugt eine Klemmkraft um die Rührreibschweißzone.
Aus der US 20/0206840 A1 ist eine Rührreibschweißvorrichtung zur Verbindung zweier Bauteile bekannt, bei dem ein Drehwerkzeug einen drehbaren Stift (im Folgenden erstes Werkzeug) und einen den Stift umgebenden, drehbaren Schulterteil (im Folgenden zweites Werkzeug) aufweist. Eine zylindrisches Klemmelement (im Folgenden Haltestempel) umgibt das Drehwerkzeug und erzeugt eine Klemmkraft um die Rührreibschweißzone. Das Klemmelement weist einen Fortsatz auf, der in die Rührreibschweißzone eindringt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Möglichkeit der Anwendung des Verfahrens des Rührreibschweißens dahingehend zu verbessern, dass der Klemmring des üblicherweise verwendeten Werkzeugs so modifiziert wird, dass das Spinnwerkzeug in den Schweißbereich des gewünschten Prozesses passt.
Hiervon ausgehend ist es eine Aufgabe der Erfindung, die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere sollen das Verfahren des Rührreibschweißens für den Anwendungsfall Batteriezellen qualifiziert werden.
Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 7. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschlagenen Lösung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
Es wird eine Rührreibschweißvorrichtung zum Verbinden einer Mehrzahl von einander zumindest teilweise überlappend angeordneten Bauteilen durch Erzeugen von Reibungswärme und durch Rühren eines Materials zumindest eines Bauteils vorgeschlagen.
Die Rührreibschweißvorrichtung umfasst zumindest

• ein erstes Schweißwerkzeug mit einem, sich entlang einer axialen Richtung erstreckenden, zylindrischen ersten Werkzeug sowie einem sich entlang der axialen Richtung erstreckenden hohlzylindrischen zweiten Werkzeug, das sich um das erste Werkzeug herum erstreckt; sowie
• einen Haltestempel mit einer Kontaktfläche, über die der Haltestempel während der Erzeugung der Rührreibschweißverbindung die Bauteile in einer Lage gegenüber den Werkzeugen fixiert.

Die Werkzeuge sind zum Erzeugen einer Rührreibschweißverbindung der Bauteile gegenüber dem Haltestempel und unabhängig voneinander um eine sich entlang der axialen Richtung erstreckende Drehachse drehbar und entlang der axialen Richtung bewegbar. Die Kontaktfläche umschließt einen Arbeitsbereich für das erste Schweißwerkzeug, in dem das erste Schweißwerkzeug in einer quer zur axialen Richtung verlaufenden radialen Richtung relativ zu dem Haltestempel bewegbar ist.
Insbesondere ist das erste Schweißwerkzeug in bekannter Weise ausgeführt. Das Rührreibschweißen bzw. Rührreibpunktschweißen (friction stir spot welding - FSSW bzw. refill friction stir spot welding - RFSSW) ist ein Pressschweißverfahren, das insbesondere unterhalb des Schmelzpunktes der zu verbindenden Bauteile arbeitet.
Beim Rührreibpunktschweißen werden z. B. einzelne Schweißpunkte erstellt, indem ein sich drehendes stiftförmiges erstes Werkzeug und ein sich drehendes hohlzylindrisches zweites Werkzeug, dass das erste Werkzeug umgibt, mit hoher Kraft in das obere von z. B. zwei Bauteilen, z. B. Blechen, gepresst werden, die im Überlappstoß übereinanderliegen. Durch die Reibungswärme und den hohen Druck wird das Material des oberen Bauteils plastifiziert, so dass die Spitze des ersten Werkzeugs und/ oder des zweiten Werkzeugs in die Fügezone zwischen den beiden Bauteilen eintaucht und dort die Materialien der beiden Bauteile bzw. die an den Oberflächen vorliegenden Oxide verrührt. Durch den Haltestempel werden die Bauteile in ihrer Lage zueinander und zum Schweißwerkzeug fixiert. Die Werkzeuge werden in der axialen Richtung bewegt, so dass das durch das Eintauchen eines Werkzeugs in die Bauteile verdrängte Material innerhalb des durch den Haltestempel begrenzten Arbeitsbereich ausweichen kann.
Sowohl die Werkzeuge als der Haltestempel können an ihrer, das Bauteil kontaktierenden Stirnfläche profiliert ausgeführt sein, um das plastifizierte Material in eine spezielle Richtung zu fördern und um die Oxidhäute auf den aufeinanderliegenden Oberflächen effizient aufzubrechen und zu verrühren.
Beim Einsatz von einteiligen Werkzeugen, bleibt nach dem Herausziehen des ersten Werkzeugs insbesondere ein Loch in den Bauteilen zurück. Durch das zweite Werkzeug kann dieses Loch durch das Verschieben des plastifizierten Materials wiederaufgefüllt werden, so dass in dem Arbeitsbereich auch nach dem Rührreibschweißen eine im Wesentlichen konstante Materialstärke der miteinander verbundenen Bauteile vorliegt.
Die wichtigsten Verfahrensparameter beim Rührreibpunktschweißen sind die Drehzahl und Drehrichtung der einzelnen Werkzeuge und die Anpresskraft der Werkzeuge und des Haltestempels. Insbesondere ergibt sich bei vorgegebenem Material der Bauteile die Eintauchgeschwindigkeit der Werkzeuge in die Bauteile. Die Ansteuerung der Werkzeuge kann insbesondere über eine Positionsregelung und/ oder Kraftregelung erfolgen.
Das erste Werkzeug und das zweite Werkzeug können insbesondere mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten rotieren und entlang der axialen Richtung zugestellt werden. Auch die Drehrichtungen und Zustellrichtungen können voneinander unterschiedlich verlaufen.
Im Unterschied zu bekannten Rührreibschweißvorrichtungen ist der Haltestempel nicht so ausgeführt, dass er die Werkzeuge umgibt und damit zumindest an einer inneren Umfangsfläche ringförmig bzw. ringzylindrisch ausgeführt ist. Der hier vorgeschlagene Haltestempel ist insbesondere mit einem Abstand zu dem zweiten Werkzeug ausgeführt, so dass das erste Schweißwerkzeug in der quer zur axialen Richtung verlaufenden radialen Richtung relativ zum Haltestempel bewegbar ist.
Durch die Änderung in der Geometrie des Haltestempels können die Werkzeuge und auch der Haltestempel an die Anforderungen einer für eine Batteriezelle vorgesehenen Baugruppe angepasst werden. Insbesondere können die rotierenden Werkzeuge des ersten Schweißwerkzeugs verkleinert werden, ohne dass die Kontaktfläche, die zum Fixieren der Bauteile gegen eine Verdrehung erforderlich ist, verändert werden muss. Anstatt dass die Kontaktfläche die Werkzeuge unmittelbar umgibt und dabei einen ringförmigen Abdruck in den Bauteilen erzeugt, ist die Kontaktfläche nun zumindest teilweise beabstandet von der Rührreibschweißverbindung angeordnet. Insbesondere kann diese Kontaktfläche so ausgeführt sein, dass ein Abdruck der Kontaktfläche in den Bauteilen an für die Baugruppe unproblematischen Stellen der Baugruppe erzeugt wird.
Mit dem Ersatz des bekannten ringförmigen Haltestempels durch einen von der Form der Werkzeuge insbesondere abweichenden Haltestempel kann die erforderliche Fläche der Kontaktfläche auf eine längere Erstreckung verteilt werden. Mit der Möglichkeit, die Kontaktfläche nicht ringförmig ausführen, können auch die Werkzeuge im Durchmesser reduziert werden, so dass der erzeugte Schweißpunkt bzw. die Weite der erzeugten Schweißverbindung verringert werden kann. Damit kann das Verfahren Rührreibschweißen auch für die Herstellung von Baugruppen eingesetzt werden, die in Batteriezellen Verwendung finden.
Insbesondere verläuft die Kontaktfläche entlang einer den Arbeitsbereich umschließenden Linie und weist entlang der Linie eine unterschiedliche Breite der Kontaktfläche auf.
Insbesondere weist der Arbeitsbereich eine langgestreckte Form auf, so dass das erste Schweißwerkzeug ausschließlich entlang einer Geraden relativ zu dem Haltestempel bewegbar ist. Damit können mehrere Schweißpunkte entlang z. B. der Geraden nebeneinander erzeugt werden, so dass auch eine entlang der Geraden verlaufende, z. B. auch durchgehende, Schweißverbindung erzeugt werden kann, ohne dass der Haltestempel zwischen den unterschiedlichen Schweißpunkten umgesetzt werden muss.
Insbesondere umfasst die Rührreibschweißvorrichtung zusätzlich ein zweites Schweißwerkzeug, dass gemeinsam mit dem ersten Schweißwerkzeug in dem Arbeitsbereich anordenbar bzw. angeordnet und zumindest teilweise gleichzeitig mit dem ersten Schweißwerkzeug zur Ausbildung einer Rührreibschweißverbindung betreibbar ist.
Insbesondere weisen die Werkzeuge zur Ausbildung der Rührreibschweißverbindung einen größten Durchmesser auf, der höchstens 10 Millimeter beträgt.
Insbesondere umfasst die Rührreibschweißvorrichtung zusätzlich eine Einrichtung zum Erzeugen einer Schutzatmosphäre zumindest im Arbeitsbereich. Die Einrichtung umfasst z. B. eine Einhausung zumindest des Arbeitsbereichs, so dass darin ein Schutzgas, insbesondere ein inertes Gas, angeordnet oder ein Vakuum bzw. Unterdruck erzeugt werden kann.
Es wird weiter ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe vorgeschlagen, wobei die Baugruppe eine Mehrzahl von einander in einem Verbindungsbereich zumindest teilweise überlappend angeordneten Bauteilen umfasst. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen einer Rührreibschweißvorrichtung, insbesondere der beschriebenen Rührreibschweißvorrichtung; zumindest umfassend
- • ein erstes Schweißwerkzeug mit einem, sich entlang einer axialen Richtung erstreckenden, zylindrischen ersten Werkzeug sowie einem sich entlang der axialen Richtung erstreckenden hohlzylindrischen zweiten Werkzeug, das sich um das erste Werkzeug herum erstreckt; sowie
- • einen Haltestempel mit einer Kontaktfläche, die einen Arbeitsbereich des ersten Schweißwerkzeugs umschließt;
b) Bereitstellen der Mehrzahl von Bauteilen, die sich in dem Verbindungsbereich überlagern und Anordnen der Mehrzahl von Bauteilen in der Rührreibschweißvorrichtung; wobei der Haltestempel den Verbindungsbereich mit der Kontaktfläche umschließt und über die Kontaktfläche die Bauteile in einer Lage zueinander fixiert; und dann
c) Rotieren der Werkzeuge um die Drehachse und Bewegen der Werkzeuge entlang der axialen Richtung gegenüber den Bauteilen und Erzeugen einer Rührreibschweißverbindung, durch das die Mehrzahl der Bauteile miteinander verbunden werden; und dann
d) Bewegen des ersten Schweißwerkzeugs in einer quer zur axialen Richtung verlaufenden radialen Richtung relativ zu dem Haltestempel und Erzeugen einer weiteren Rührreibschweißverbindung zur Ausbildung der Baugruppe.

Die obige (nicht abschließende) Einteilung der Verfahrensschritte in a) bis d) soll vorrangig nur zur Unterscheidung dienen und keine Reihenfolge und/oder Abhängigkeit erzwingen. Auch die Häufigkeit der Verfahrensschritte z. B. kann variieren. Die Schritte b), c) und d) können nach einmaliger Ausführung des Schrittes a) mehrfach wiederholt ausgeführt werden (für eine Vielzahl gleichartiger Bauteile). Ebenso ist möglich, dass Verfahrensschritte einander zumindest teilweise zeitlich überlagern. Ganz besonders bevorzugt finden die Verfahrensschritte c) und d) zeitlich nacheinander, ggf. aber zumindest teilweise zeitlich parallel statt. Insbesondere werden die Schritte a) bis d) in der angeführten Reihenfolge durchgeführt.
Die Baugruppe ist insbesondere zur Speicherung elektrischer Energie geeignet. Bei den Bauteilen kann es sich beispielsweise um ein Bauteil für eine (wiederaufladbare) Lithium-lonen-Batterie handeln. In diesem Zusammenhang kann das Bauteil zum Beispiel einen Bestandteil für eine (Lithium-Ionen-)Zelle bilden. Die Baugruppe umfasst zumindest mindestens einen Zellstapel zur Speicherung elektrischer Energie und mindestens ein Kontaktblech zur elektrischen Kontaktierung des mindestens einen Zellstapels. In der Regel können nach dem hier beschriebenen Verbinden von Zellstapel und Kontaktblech mehrere so hergestellte Baugruppen zu einer Batteriezelle verbunden werden. Die Baugruppe kann einen einzelnen Zellstapel umfassen. Weiterhin kann die Baugruppe (genau) zwei Kontaktbleche (oder sogar mehr als zwei) umfassen.
Das Verfahren dient insbesondere dazu, das Kontaktblech mit dem (jeweils einem einzelnen) Folienstapel elektrisch leitend zu verbinden, so dass über das Kontaktblech der mindestens eine Folienstapel mit einem Stromkreis verbindbar ist. Das Kontaktblech bildet beispielswiese einen elektrischen Anschluss der Baugruppe bzw. ein elektrisches Verbindungselement der Baugruppe zur Verbindung der Baugruppe mit bauteilexternen Komponenten oder weiteren Bauteilen bzw. Baugruppen.
Gemäß Schritt a) erfolgt ein Bereitstellen einer Rührreibschweißvorrichtung, insbesondere der beschriebenen Rührreibschweißvorrichtung. Die Rührreibschweißvorrichtung umfasst insbesondere zumindest ein erstes Schweißwerkzeug mit einem, sich entlang einer axialen Richtung erstreckenden, zylindrischen ersten Werkzeug sowie einem sich entlang der axialen Richtung erstreckenden hohlzylindrischen zweiten Werkzeug, das sich um das erste Werkzeug herum erstreckt. Das zweite Werkzeug umgibt das erste Werkzeug insbesondere unmittelbar und ohne nennenswerten Abstand. Die Drehachse der beiden Werkzeuge sind koaxial zueinander angeordnet. Weiter umfasst die Rührreibschweißvorrichtung einen Haltestempel mit einer Kontaktfläche, die einen Arbeitsbereich des ersten Schweißwerkzeugs umschließt. Der Haltestempel dient der Fixierung der Lage bzw. Position der zu verbindenden Bauteile.
Gemäß Schritt b) erfolgt insbesondere ein Bereitstellen der Mehrzahl von Bauteilen, die sich in dem Verbindungsbereich überlagern und ein Anordnen der Mehrzahl von Bauteilen in der Rührreibschweißvorrichtung. Insbesondere der Haltestempel umschließt den Verbindungsbereich mit der Kontaktfläche und fixiert über die Kontaktfläche die Bauteile in einer Lage zueinander.
Die Mehrzahl von Bauteilen umfasst insbesondere den Stapel einer Vielzahl von Zellfolien und das Kontaktblech. Insbesondere sind die Zellfolien außerhalb des Verbindungsbereichs mit einer Beschichtung (z. B. Aktivmaterial) versehen, wobei die Zellfolien in dem Verbindungsbereich unbeschichtet sind. Die Zellfolien sind zu einem Stapel angeordnet, wobei zumindest die unbeschichteten Bereiche entlang der axialen Richtung fluchtend zueinander angeordnet sind. Insbesondere umfasst der Folienstapel mindestens 10, bevorzugt mindestens 20, besonders bevorzugt mindestens 30 oder sogar mindestens 50 oder mindestens 75, Zellfolien.
Das Kontaktblech wird insbesondere so angeordnet, dass es zumindest entlang der axialen Richtung teilweise fluchtend zu den unbeschichteten Bereichen der Zellfolien angeordnet ist, so dass der Stapel Zellfolien und das Kontaktblech einen gemeinsamen Verbindungsbereich bilden.
Der Haltestempel kontaktiert die Oberfläche des Kontaktblechs und/ oder die Oberfläche zumindest einer Zellfolie. Der Stapel Zellfolien und das Kontaktblech werden so durch den Haltestempel fixiert.
Zum Klemmen und Fixieren der Bauteile kann ein Gegenhalter oder eine feste Unterlage oder ein drittes Schweißwerkzeug vorgesehen sein, der/die/das entlang der axialen Richtung zumindest teilweise fluchtend zu dem Haltestempel und/ oder zu dem ersten bzw. zweiten Schweißwerkzeug angeordnet ist.
Gemäß Schritt c) erfolgt ein Rotieren der Werkzeuge um die (gemeinsame) Drehachse und ein Bewegen der Werkzeuge entlang der axialen Richtung gegenüber den Bauteilen und ein Erzeugen einer Rührreibschweißverbindung, durch das die Mehrzahl der Bauteile miteinander verbunden werden. Die Rührreibschweißverbindung umfasst insbesondere alle Bauteile, also insbesondere ein Kontaktblech und alle Zellfolien des Stapels. Die Rührreibschweißverbindung ähnelt insbesondere einer Punktschweißverbindung, da die Werkzeuge während Schritt c) nur rotieren aber insbesondere nicht entlang einer quer zur axialen Richtung verlaufenden radialen Richtung bewegt werden.
Gemäß Schritt d) erfolgt ein Bewegen des ersten Schweißwerkzeugs in einer quer zur axialen Richtung verlaufenden radialen Richtung relativ zu dem Haltestempel und ein Erzeugen einer weiteren Rührreibschweißverbindung zur Ausbildung der Baugruppe. Insbesondere wird der Haltestempel zwischen den Schritten c) und d) gerade nicht bewegt. Insbesondere werden nur die Werkzeuge gegenüber dem Haltestempel bewegt, so dass die in Schritt d) erzeugte weitere Rührreibschweißverbindung von der in Schritt c) erzeugten Rührreibschweißverbindung beabstandet oder mit dieser nur teilweise überlappend angeordnet ist. Während der Schritte c) und d) sind die Bauteile durch den Haltestempel fixiert und der Arbeitsbereich, der von dem Haltestempel umschlossen ist und in dem die Rührreibschweißverbindungen erzeugt werden, bleibt unverändert.
Insbesondere umfasst das Verfahren mehrere Schritte d), d. h. es können eine Vielzahl von Rührreibschweißverbindungen in dem Arbeitsbereich erzeugt werden, ohne dass der Haltestempel gelöst wird.
Insbesondere wird zumindest während der Schritte c) und d) zumindest in dem Arbeitsbereich eine Schutzatmosphäre erzeugt. Dafür wird der Arbeitsbereich insbesondere mit einem Schutzgas, insbesondere einem inerten Gas, oder einem Vakuum bzw. Unterdruck beaufschlagt.
Insbesondere umfasst die Rührreibschweißvorrichtung zusätzlich ein zweites Schweißwerkzeug, dass zumindest während einem der Schritte c) und d) gemeinsam mit dem ersten Schweißwerkzeug in dem Arbeitsbereich angeordnet ist und das zumindest teilweise gleichzeitig mit dem ersten Schweißwerkzeug eine Rührreibschweißverbindung herstellt.
Die Ausführungen zu dem ersten Schweißwerkzeug gelten insbesondere gleichermaßen für das zweite Schweißwerkzeug.
Es wird insbesondere eine Baugruppe für eine Batteriezelle vorgeschlagen. Die Baugruppe umfasst zumindest eine Vielzahl von aufeinander gestapelten Zellfolien zur Speicherung elektrischer Energie und mindestens ein Kontaktblech. Die Zellfolien bilden in einem Verbindungsbereich einen Folienstapel aus und der Folienstapel ist mit dem Kontaktblech durch mindestens eine Rührreibschweißverbindung verbunden. Die Rührreibschweißverbindung ist insbesondere mit der beschriebenen Rührreibschweißvorrichtung oder durch das beschriebene Verfahren hergestellt.
Die Baugruppe weist insbesondere die durch den Haltestempel bzw. dessen Kontaktfläche bewirkten Markierungen auf der Oberfläche zumindest eines der Bauteile auf.
Insbesondere wird der Haltestempel und wird das Schweißwerkzeug auf dem Kontaktblech oder auf einer der Zellfolien angeordnet. Bevorzugt erfolgt die Anordnung auf einer der Zellfolien, so dass die Anbindung des Kontaktblechs im Rahmen der Ausbildung der Rührreibschweißverbindung nur über die von der Zellfolie ausgehenden Plastifizierung des Materials der Bauteile erfolgt.
Insbesondere weist das Kontaktblech zumindest in dem Verbindungsbereich eine Dicke auf, die zwischen 0,2 und 3 Millimeter beträgt und zumindest zu 99,0 Gew.-% entweder Kupfer oder Aluminium umfasst. Insbesondere beträgt die Dicke zwischen 20 µm und 1 (einem) Millimeter, bevorzugt zwischen 50 µm und 500 µm.
Insbesondere weist das Kontaktblech eine Beschichtung auf, die eine Dicke von höchstens 2 µm aufweist und die zumindest zu 99,0 Gew.-% Nickel umfasst. Die Dicke beträgt insbesondere mindestens 0,1 µm.
Insbesondere weist jede Zellfolie eine Dicke von weniger als 0,1 Millimetern, insbesondere von weniger als 0,07 Millimetern, auf.
Insbesondere weisen die Materialien der Bauteile, insbesondere der Zellfolien und/ oder des Kontaktblechs mindestens 99,0 % Kupfer oder mindestens 99,0 % Aluminium auf.
Insbesondere ist zumindest ein System zur Datenverarbeitung vorgesehen, das Mittel aufweist, die zur Durchführung des Verfahrens geeignet ausgestattet, konfiguriert oder programmiert sind bzw. die das Verfahren ausführen.
Insbesondere umfasst die Rührreibschweißvorrichtung ein System zur Datenverarbeitung, z. B. ein Steuergerät, das Mittel zur Ausführung der Schritte des Verfahrens aufweist und/ oder das Mittel aufweist, die zur Ausführung der Schritte des Verfahrens geeignet ausgestattet, konfiguriert oder programmiert sind bzw. die das Verfahren ausführen.
Die Mittel umfassen z. B. einen Prozessor und einen Speicher, in dem durch den Prozessor auszuführende Befehle gespeichert sind, sowie Datenleitungen oder Übertragungseinrichtungen, die eine Übertragung von Befehlen, Messwerten, Daten oder ähnlichem zwischen den angeführten Elementen ermöglichen.
Es wird weiter ein Computerprogramm vorgeschlagen, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das beschriebene Verfahren bzw. die Schritte des beschriebenen Verfahrens auszuführen.
Es wird weiter ein computerlesbares Speichermedium vorgeschlagen, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, das beschriebene Verfahren bzw. die Schritte des beschriebenen Verfahrens auszuführen.
Die Ausführungen zu dem Verfahren sind insbesondere auf die Rührreibschweißvorrichtung, die Baugruppe, das System zur Datenverarbeitung und/oder das computerimplementierte Verfahren (also das Computerprogramm und das computerlesbare Speichermedium) übertragbar und umgekehrt.
Die Verwendung unbestimmter Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und der diese wiedergebenden Beschreibung, ist als solche und nicht als Zahlwort zu verstehen. Entsprechend damit eingeführte Begriffe bzw. Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und insbesondere aber auch mehrfach vorhanden sein können.
Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. Soweit ein Bauteil mehrfach vorkommen kann („mindestens ein“), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:

1: das bekannte Verfahren Rührreibschweißen in unterschiedlichen Verfahrenszuständen;
2: eine bekannte Rührreibschweißvorrichtung, in einer Seitenansicht im Schnitt;
3: die Rührreibschweißvorrichtung nach 2 in einer Ansicht entlang der axialen Richtung;
4: eine Rührreibschweißvorrichtung in einer perspektivischen Ansicht;
5: die Rührreibschweißvorrichtung nach 4 in einer Ansicht entlang der axialen Richtung;
6: eine Baugruppe mit einer Rührreibschweißverbindung in einer Seitenansicht im Schnitt;
7: die Rührreibschweißvorrichtung nach 4 und 5 in einer Seitenansicht im Schnitt;
8: eine alternative Ausführungsvariante einer Rührreibschweißvorrichtung in einer perspektivischen Ansicht;
9: die eine Rührreibschweißvorrichtung nach 8 in einer Ansicht entlang der axialen Richtung; und
10: eine weitere alternative Rührreibschweißvorrichtung in einer Seitenansicht im Schnitt.

1 zeigt das bekannte Verfahren Rührreibschweißen in unterschiedlichen Verfahrenszuständen. 2 zeigt eine bekannte Rührreibschweißvorrichtung 1, in einer Seitenansicht im Schnitt. 3 zeigt die Rührreibschweißvorrichtung 1 nach 2 in einer Ansicht entlang der axialen Richtung 5. Die 1 bis 3 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben.
Die Rührreibschweißvorrichtung 1 umfasst einen Haltestempel 8, ein zylindrisches erstes Werkzeug 6 und ein hülsenförmiges zweites Werkzeug 7. Beim Rührreibpunktschweißen werden einzelne Schweißpunkte erstellt, indem ein sich drehendes stiftförmiges erstes Werkzeug 6 und ein sich drehendes hohlzylindrisches zweites Werkzeug 7, dass das erste Werkzeug 6 umgibt, mit hoher Kraft in das obere von den zwei (in 1) bzw. den mehreren (2) dargestellten Bauteilen 2, 3, z. B. Blechen, gepresst werden, die im Überlappstoß übereinanderliegen. Durch die Reibungswärme und den hohen Druck wird das Material des oberen, ersten Bauteils 2 plastifiziert, so dass die Spitze des ersten Werkzeugs 6 und/ oder des zweiten Werkzeugs 7 in die Fügezone zwischen den Bauteilen 2, 3 eintaucht und dort die Materialien der Bauteile 2, 3 bzw. die an den Oberflächen vorliegenden Oxide verrührt. Durch den Haltestempel 8 werden die Bauteile 2, 3 in ihrer Lage zueinander und zum ersten Schweißwerkzeug 4 fixiert. Die Werkzeuge 6, 7 werden in der axialen Richtung 5 bewegt, so dass das durch das Eintauchen eines Werkzeugs 6, 7 in die Bauteile 2, 3 verdrängte Material innerhalb des durch den Haltestempel 8 begrenzten Arbeitsbereich 12 ausweichen kann.
Beim Einsatz von einteiligen Werkzeugen 6, 7, bleibt nach dem Herausziehen des ersten Werkzeugs 6 ein Loch in den Bauteilen 2, 3 zurück. Durch das zweite Werkzeug 7 kann dieses Loch durch das Verschieben des plastifizierten Materials wiederaufgefüllt werden, so dass in dem Arbeitsbereich 12 auch nach dem Rührreibschweißen eine im Wesentlichen konstante Materialstärke der miteinander verbundenen Bauteile 2, 3 vorliegt, siehe 1, rechtes Bild, in dem die erzeugte Rührreibschweißverbindung 10 dargestellt ist.
Um zu erreichen, dass die von den Werkzeugen 6, 7 erzeugten Schleuderkräfte und die Reibung nur im gewünschten Bereich wirken, ist die Verwendung eines starken Haltestempels 8 notwendig. Diese Anforderung verhindert, dass die Werkzeuge 6, 7 kleiner sein können. Die verwendete Standardgröße hat daher einen Durchmesser von 12 mm [Millimeter], so dass die Verwendung des Verfahrens unmöglich ist, wenn der gewünschte Bereich z. B. weniger als 10 mm betragen würde. Die Anforderungen bei der Herstellung von Batteriezellen umfassen jedoch kleinere Arbeitsbereiche 12 bzw. Verbindungsbereiche 20 (siehe 3). In 3 ist dargestellt, dass der Verbindungsbereich 20, also der Bereich in dem eine Verbindung aufgrund der überlappenden Anordnung der Bauteile 2, 3 erzeugt werden kann, kleiner ist als der größte Durchmesser 16 der Werkzeuge 6, 7.
4 zeigt eine Rührreibschweißvorrichtung 1 in einer perspektivischen Ansicht. 5 zeigt die Rührreibschweißvorrichtung 1 nach 4 in einer Ansicht entlang der axialen Richtung 5. 6 zeigt eine Baugruppe 19 mit einer Rührreibschweißverbindung 10 in einer Seitenansicht im Schnitt. 7 zeigt die Rührreibschweißvorrichtung 1 nach 4 und 5 in einer Seitenansicht im Schnitt. Die 4 bis 6 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben. Auf die Ausführungen zu 1 bis 3 wird verwiesen.
Die Baugruppe 19 umfasst eine Vielzahl von aufeinander gestapelten Zellfolien 21 (erstes Bauteil 2) zur Speicherung elektrischer Energie und ein Kontaktblech 22 (zweites Bauteil 3). Die Zellfolien 21 bilden in einem Verbindungsbereich 20 einen Folienstapel 23 aus und der Folienstapel 23 ist mit dem Kontaktblech 22 durch mindestens eine Rührreibschweißverbindung 10 verbunden.
Der Verbindungsbereich 20 ist in dem, durch die einander überlappenden Bauteile 2, 3 gebildeten Überlappbereich ausgebildet. Der Verbindungsbereich 20 ist bei der Baugruppe 19 benachbart zu einer Siegelnaht 25 der Batteriezelle angeordnet, durch die das Gehäuse der Batteriezelle abgedichtet wird. Der Verbindungsbereich 20 ist später innerhalb des Gehäuses der Batteriezelle angeordnet, so dass sich das Kontaktblech 22 ausgehend von dem Verbindungsbereich 20 über die Siegelnaht 25 nach außerhalb des Gehäuses erstreckt.
Der Haltestempel 8 und das erste Schweißwerkzeug 4 werden auf der obersten der Zellfolien 21 angeordnet. Die Anbindung des Kontaktblechs 22 erfolgt im Rahmen der Ausbildung der Rührreibschweißverbindung 10 nur über die von der obersten Zellfolie 21 ausgehenden Plastifizierung des Materials der Zellfolien 21.
Die Rührreibschweißvorrichtung 1 umfasst ein erstes Schweißwerkzeug 4 mit einem, sich entlang einer axialen Richtung 5 erstreckenden, zylindrischen ersten Werkzeug 6 sowie einem sich entlang der axialen Richtung 5 erstreckenden hohlzylindrischen zweiten Werkzeug 7, das sich um das erste Werkzeug 6 herum erstreckt. Weiter umfasst die Rührreibschweißvorrichtung 1 einen Haltestempel 8 mit einer Kontaktfläche 9, über die der Haltestempel 8 während der Erzeugung der Rührreibschweißverbindung 10 die Bauteile 2, 3 in einer Lage gegenüber den Werkzeugen 6, 7 fixiert.
Die Werkzeuge 6, 7 sind zum Erzeugen einer Rührreibschweißverbindung 10 der Bauteile 2, 3 gegenüber dem Haltestempel 8 und unabhängig voneinander um eine, sich entlang der axialen Richtung 5 erstreckende Drehachse 11 drehbar und entlang der axialen Richtung 5 bewegbar. Die Kontaktfläche 9 umschließt einen Arbeitsbereich 12 für das erste Schweißwerkzeug 4, in dem das erste Schweißwerkzeug 4 in einer quer zur axialen Richtung 5 verlaufenden radialen Richtung 12 relativ zu dem Haltestempel 8 bewegbar ist.
Das erste Werkzeug 6 und das zweite Werkzeug 7 können mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten rotieren und entlang der axialen Richtung 5 zugestellt werden. Auch die Drehrichtungen und Zustellrichtungen können voneinander unterschiedlich verlaufen.
Im Unterschied zu bekannten Rührreibschweißvorrichtungen 1 ist der Haltestempel 8 nicht so ausgeführt, dass er die Werkzeuge 6, 7 umgibt und damit zumindest an einer inneren Umfangsfläche ringförmig bzw. ringzylindrisch ausgeführt ist. Der hier vorgeschlagene Haltestempel 8 ist mit einem Abstand zu dem zweiten Werkzeug 7 ausgeführt, so dass das erste Schweißwerkzeug 4 in der quer zur axialen Richtung 5 verlaufenden radialen Richtung 13 relativ zum Haltestempel 8 bewegbar ist.
Durch die Änderung in der Geometrie des Haltestempels 8 können die Werkzeuge 6, 7 und auch der Haltestempel 8 an die Anforderungen einer für eine Batteriezelle vorgesehenen Baugruppe 19 angepasst werden. Die rotierenden Werkzeuge 6, 7 des ersten Schweißwerkzeugs 4 können verkleinert werden, ohne dass die Kontaktfläche 9, die zum Fixieren der Bauteile 2, 3 gegen eine Verdrehung erforderlich ist, verändert werden muss. Anstatt dass die Kontaktfläche 9 die Werkzeuge 6, 7 unmittelbar umgibt und dabei einen ringförmigen Abdruck in den Bauteilen 2, 3 erzeugt, ist die Kontaktfläche 9 nun zumindest teilweise beabstandet von der Rührreibschweißverbindung 10 angeordnet. Diese Kontaktfläche 9 kann so ausgeführt sein, dass ein Abdruck der Kontaktfläche 9 in den Bauteilen 2, 3 an für die Baugruppe 2, 3 unproblematischen Stellen der Baugruppe 2, 3 erzeugt wird.
Mit dem Ersatz des bekannten ringförmigen Haltestempels 8 durch einen von der Form der Werkzeuge 6, 7 abweichenden Haltestempel 8 kann die erforderliche Fläche der Kontaktfläche 9 auf eine längere Erstreckung verteilt werden. Mit der Möglichkeit, die Kontaktfläche 9 nicht ringförmig auszuführen, können auch die Werkzeuge 6, 7 im Durchmesser 16 reduziert werden, so dass der erzeugte Schweißpunkt bzw. die Weite der erzeugten Rührreibschweißverbindung 10 verringert werden kann. Damit kann das Verfahren Rührreibschweißen auch für die Herstellung von Baugruppen 19 eingesetzt werden, die in Batteriezellen Verwendung finden.
Die Kontaktfläche 9 verläuft entlang einer den Arbeitsbereich 12 umschließenden Linie und weist entlang der Linie eine unterschiedliche Breite 14 der Kontaktfläche 9 auf.
Der Arbeitsbereich 12 weist so eine langgestreckte Form auf, so dass das erste Schweißwerkzeug 4 ausschließlich entlang einer Geraden relativ zu dem Haltestempel 8 bewegbar ist. Damit können mehrere Schweißpunkte bzw. Rührreibschweißverbindungen 10 entlang der Geraden nebeneinander erzeugt werden, so dass auch eine entlang der Geraden verlaufende, z. B. auch durchgehende, Rührreibschweißverbindung 10 erzeugt werden kann, ohne dass der Haltestempel 8 zwischen den unterschiedlichen Rührreibschweißverbindungen 10 umgesetzt werden muss.
Die Rührreibschweißvorrichtung 1 weist zusätzlich eine Einrichtung 17 (siehe 4) zum Erzeugen einer Schutzatmosphäre 18 zumindest im Arbeitsbereich 12 auf. Die Einrichtung 17 umfasst z. B. eine Einhausung zumindest des Arbeitsbereichs 12, so dass darin ein Schutzgas, insbesondere ein inertes Gas, angeordnet oder ein Vakuum bzw. Unterdruck erzeugt werden kann.
Gemäß Schritt a) des Verfahrens erfolgt ein Bereitstellen einer Rührreibschweißvorrichtung 1. Die Rührreibschweißvorrichtung 1 umfasst ein erstes Schweißwerkzeug 4 mit einem, sich entlang einer axialen Richtung 5 erstreckenden, zylindrischen ersten Werkzeug 6 sowie einem sich entlang der axialen Richtung 5 erstreckenden hohlzylindrischen zweiten Werkzeug 7, das sich um das erste Werkzeug 6 herum erstreckt. Das zweite Werkzeug 7 umgibt das erste Werkzeug 6 unmittelbar und ohne nennenswerten Abstand. Die Drehachsen 11 der beiden Werkzeug 6, 7 sind koaxial zueinander angeordnet. Weiter umfasst die Rührreibschweißvorrichtung 1 einen Haltestempel 8 mit einer Kontaktfläche 9, die einen Arbeitsbereich 12 des ersten Schweißwerkzeugs 4 umschließt. Der Haltestempel 8 dient der Fixierung der Lage bzw. Position der zu verbindenden Bauteile 2, 3.
Gemäß Schritt b) erfolgt ein Bereitstellen der Mehrzahl von Bauteilen 2, 3, die sich in dem Verbindungsbereich 20 überlagern und ein Anordnen der Mehrzahl von Bauteilen 2, 3 in der Rührreibschweißvorrichtung 1. Der Haltestempel 8 umschließt den Verbindungsbereich 20 mit der Kontaktfläche 9 und fixiert über die Kontaktfläche 9 die Bauteile 2, 3 in einer Lage zueinander.
Die Mehrzahl von Bauteilen 2, 3 umfasst den Stapel einer Vielzahl von Zellfolien 21 und das Kontaktblech 22. Die Zellfolien 21 sind außerhalb des Verbindungsbereichs 20 mit einer Beschichtung (z. B. Aktivmaterial) versehen, wobei die Zellenfolien 21 in dem Verbindungsbereich 20 unbeschichtet sind. Die Zellfolien 21 sind zu einem Stapel angeordnet, wobei zumindest die unbeschichteten Bereiche entlang der axialen Richtung 5 fluchtend zueinander angeordnet sind. Das Kontaktblech 22 wird so angeordnet, dass es zumindest entlang der axialen Richtung 5 teilweise fluchtend zu den unbeschichteten Bereichen der Zellfolien 21 angeordnet ist, so dass der Stapel Zellfolien 21 und das Kontaktblech 22 einen gemeinsamen Verbindungsbereich bilden.
Zum Klemmen und Fixieren der Bauteile 2, 3 ist eine feste Unterlage 26 vorgesehen, die entlang der axialen Richtung 5 fluchtend zu dem Haltestempel 8 und zu dem Schweißwerkzeug 4 angeordnet ist.
Gemäß Schritt c) erfolgt ein Rotieren der Werkzeuge 6, 7 um die (gemeinsame) Drehachse 11 und ein Bewegen der Werkzeuge 6, 7 entlang der axialen Richtung 5 gegenüber den Bauteilen 2, 3 und ein Erzeugen einer Rührreibschweißverbindung 10, durch das die Mehrzahl der Bauteile 2, 3 miteinander verbunden werden. Die Rührreibschweißverbindung 10 umfasst alle Bauteile 2, 3, also das Kontaktblech 22 und alle Zellfolien 21 des Folienstapels 23. Die Rührreibschweißverbindung 10 ähnelt einer Punktschweißverbindung, da die Werkzeuge 6, 7 während Schritt c) nur rotieren aber nicht entlang einer quer zur axialen Richtung 5 verlaufenden radialen Richtung 13 bewegt werden.
Gemäß Schritt d) erfolgt ein Bewegen des ersten Schweißwerkzeugs 4 in einer quer zur axialen Richtung 5 verlaufenden radialen Richtung 13 relativ zu dem Haltestempel 8 und ein Erzeugen einer weiteren Rührreibschweißverbindung 10 zur Ausbildung der Baugruppe 19. Der Haltestempel 8 wird zwischen den Schritten c) und d) gerade nicht bewegt. Es werden nur die Werkzeuge 6, 7 gegenüber dem Haltestempel 8 bewegt, so dass die in Schritt d) erzeugte weitere Rührreibschweißverbindung 10 von der in Schritt c) erzeugten Rührreibschweißverbindung 10 beabstandet oder mit dieser nur teilweise überlappend angeordnet ist. Während der Schritte c) und d) sind die Bauteile 2, 3 durch den Haltestempel 8 fixiert und der Arbeitsbereich 12, der von dem Haltestempel 8 umschlossen ist und in dem die Rührreibschweißverbindungen 10 erzeugt werden, bleibt unverändert.
8 zeigt eine alternative Ausführungsvariante einer Rührreibschweißvorrichtung 1 in einer perspektivischen Ansicht. 9 zeigt die eine Rührreibschweißvorrichtung 1 nach 8 in einer Ansicht entlang der axialen Richtung 5. Die 8 und 9 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben. Auf die Ausführungen zu den 1 bis 7 wird verwiesen.
Die Rührreibschweißvorrichtung 1 umfasst zusätzlich ein zweites Schweißwerkzeug 15, dass gemeinsam mit dem ersten Schweißwerkzeug 4 in dem Arbeitsbereich 12 angeordnet und zumindest teilweise gleichzeitig mit dem ersten Schweißwerkzeug 4 zur Ausbildung einer Rührreibschweißverbindung 10 betreibbar ist.
10 zeigt eine weitere alternative Rührreibschweißvorrichtung 1 in einer Seitenansicht im Schnitt. Auf die Ausführungen zu den 1 bis 9 wird verwiesen.
Hier ist zum Klemmen und Fixieren der Bauteile 2, 3 ein drittes Schweißwerkzeug 24 vorgesehen, das entlang der axialen Richtung 5 zumindest teilweise fluchtend zu dem Haltestempel 8 und dem ersten Schweißwerkzeug 4 bzw. zweiten Schweißwerkzeug 15 angeordnet ist.
Bezugszeichenliste

1: Rührreibschweißvorrichtung
2: erstes Bauteil
3: zweites Bauteil
4: erstes Schweißwerkzeug
5: axiale Richtung
6: erstes Werkzeug
7: zweites Werkzeug
8: Haltestempel
9: Kontaktfläche
10: Rührreibschweißverbindung
11: Drehachse
12: Arbeitsbereich
13: radiale Richtung
14: Breite
15: zweites Schweißwerkzeug
16: Durchmesser
17: Einrichtung
18: Schutzatmosphäre
19: Baugruppe
20: Verbindungsbereich
21: Zellfolie
22: Kontaktblech
23: Folienstapel
24: drittes Schweißwerkzeug
25: Siegelnaht
26: Unterlage

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 104741769 A [0011]
EP 1884308 B1 [0013]
US 10201873 B2 [0015]
US 200206840 A1 [0016]

Claims

Rührreibschweißvorrichtung (1) zum Verbinden einer Mehrzahl von einander zumindest teilweise überlappend angeordneten Bauteilen (2, 3) durch Erzeugen von Reibungswärme und durch Rühren eines Materials zumindest eines Bauteils (2, 3), zumindest umfassend • ein erstes Schweißwerkzeug (4) mit einem, sich entlang einer axialen Richtung (5) erstreckenden, zylindrischen ersten Werkzeug (6) sowie einem, sich entlang der axialen Richtung (5), erstreckenden hohlzylindrischen zweiten Werkzeug (7), das sich um das erste Werkzeug (6) herum erstreckt; sowie • einen Haltestempel (8) mit einer Kontaktfläche (9), über die der Haltestempel (8) während der Erzeugung einer Rührreibschweißverbindung (10) die Bauteile (2, 3) in einer Lage gegenüber den Werkzeugen (6, 7) fixiert; wobei die Werkzeuge (6, 7) zum Erzeugen der Rührreibschweißverbindung (10) gegenüber dem Haltestempel (8) und unabhängig voneinander um eine, sich entlang der axialen Richtung (5) erstreckende Drehachse (11) drehbar und entlang der axialen Richtung (5) bewegbar sind; wobei die Kontaktfläche (9) einen Arbeitsbereich (12) für das erste Schweißwerkzeug (4) umschließt, in dem das erste Schweißwerkzeug (4) in einer quer zur axialen Richtung (5) verlaufenden radialen Richtung (13) relativ zu dem Haltestempel (8) bewegbar ist.
Rührreibschweißvorrichtung (1) nach Patentanspruch 1, wobei die Kontaktfläche (9) entlang einer den Arbeitsbereich (12) umschließenden Linie verläuft und entlang der Linie eine unterschiedliche Breite (14) der Kontaktfläche (9) aufweist.
Rührreibschweißvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Arbeitsbereich (12) eine langgestreckte Form aufweist, so dass das erste Schweißwerkzeug (4) ausschließlich entlang einer Geraden relativ zu dem Haltestempel (8) bewegbar ist.
Rührreibschweißvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, zusätzlich umfassend ein zweites Schweißwerkzeug (15), dass gemeinsam mit dem ersten Schweißwerkzeug (4) in dem Arbeitsbereich (12) anordenbar ist und zumindest teilweise gleichzeitig mit dem ersten Schweißwerkzeug (4) zur Ausbildung einer weiteren Rührreibschweißverbindung (10) betreibbar ist.
Rührreibschweißvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Werkzeuge (6, 7) zur Ausbildung der Rührreibschweißverbindung (10) einen größten Durchmesser (16) aufweisen, der höchstens 10 Millimeter beträgt.
Rührreibschweißvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, zusätzlich umfassend eine Einrichtung (17) zum Erzeugen einer Schutzatmosphäre (18) zumindest im Arbeitsbereich (12).
Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe (19), wobei die Baugruppe (19) eine Mehrzahl von einander in einem Verbindungsbereich (20) zumindest teilweise überlappend angeordneten Bauteilen (2, 3) umfasst; wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen einer Rührreibschweißvorrichtung (1); zumindest umfassend • ein erstes Schweißwerkzeug (4) mit einem, sich entlang einer axialen Richtung (5) erstreckenden, zylindrischen ersten Werkzeug (6) sowie einem sich entlang der axialen Richtung (5) erstreckenden hohlzylindrischen zweiten Werkzeug (7), das sich um das erste Werkzeug (6) herum erstreckt; sowie • einen Haltestempel (8) mit einer Kontaktfläche (9), die einen Arbeitsbereich (12) des ersten Schweißwerkzeugs (4) umschließt; b) Bereitstellen der Mehrzahl von Bauteilen (2, 3), die sich in dem Verbindungsbereich (20) überlagern und Anordnen der Mehrzahl von Bauteilen (2, 3) in der Rührreibschweißvorrichtung (1); wobei der Haltestempel (8) den Verbindungsbereich (20) mit der Kontaktfläche (9) umschließt und über die Kontaktfläche (9) die Bauteile (2, 3) in einer Lage zueinander fixiert; und dann c) Rotieren der Werkzeuge (6, 7) um die Drehachse (11) und Bewegen der Werkzeuge (6, 7) entlang der axialen Richtung (5) gegenüber den Bauteilen (2, 3) und Erzeugen einer Rührreibschweißverbindung (10), durch das die Mehrzahl von Bauteilen (2, 3) miteinander verbunden werden; und dann d) Bewegen des ersten Schweißwerkzeugs (4) in einer quer zur axialen Richtung (5) verlaufenden radialen Richtung (13) relativ zu dem Haltestempel (8) und Erzeugen einer Rührreibschweißverbindung (10) zur Ausbildung der Baugruppe (19); wobei während der Schritte c) und d) die Bauteile (2, 3) durch den Haltestempel (8) fixiert sind und der Arbeitsbereich (12) unverändert bleibt.
Verfahren nach Patentanspruch 7, wobei zumindest während der Schritte c) und d) zumindest in dem Arbeitsbereich (12) eine Schutzatmosphäre (18) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 7 und 8, wobei die Rührreibschweißvorrichtung (1) zusätzlich ein zweites Schweißwerkzeug (15) umfasst, dass zumindest während einem der Schritte c) und d) gemeinsam mit dem ersten Schweißwerkzeug (4) in dem Arbeitsbereich (12) angeordnet ist und zumindest teilweise gleichzeitig mit dem ersten Schweißwerkzeug (4) eine weitere Rührreibschweißverbindung (10) herstellt.
Baugruppe (19) für eine Batteriezelle, zumindest umfassend eine Vielzahl von aufeinander gestapelten Zellfolien (21) zur Speicherung elektrischer Energie und mindestens ein Kontaktblech (22); wobei die Zellfolien (21) in einem Verbindungsbereich (20) einen Folienstapel (23) ausbilden und der Folienstapel (23) mit dem Kontaktblech (22) durch mindestens eine Rührreibschweißverbindung (10) verbunden ist; wobei die Rührreibschweißverbindung (10) mit einer Rührreibschweißvorrichtung (1) nach einem der vorhergehende Patentansprüche 1 bis 6 oder durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 7 bis 9 hergestellt ist.