DE102023121905A1

DE102023121905A1 - Device and method for cutting a workpiece by means of a laser beam

Info

Publication number: DE102023121905A1
Application number: DE102023121905.7A
Authority: DE
Inventors: Nicolai Speker; Oliver Bocksrocker; Mauritz Möller
Original assignee: Trumpf Laser & Systemtechnik Se; Trumpf Laser und Systemtechnik SE
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik SE
Priority date: 2023-08-16
Filing date: 2023-08-16
Publication date: 2025-02-20
Also published as: WO2025036655A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zum Durchtrennen eines Werkstücks (12), insbesondere eines Zellverbinders einer Batteriezellenanordnung (14), mittels eines Laserstrahls (16) und ein Verfahren zum Durchtrennen eines Werkstücks (12), insbesondere eines Zellverbinders einer Batteriezellenanordnung (14), mittels eines Laserstrahls (16).

The invention relates to a device (10) for severing a workpiece (12), in particular a cell connector of a battery cell arrangement (14), by means of a laser beam (16) and to a method for severing a workpiece (12), in particular a cell connector of a battery cell arrangement (14), by means of a laser beam (16).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Durchtrennen eines Werkstücks, insbesondere eines Zellverbinders einer Batteriezellenanordnung, mittels eines Laserstrahls mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Durchtrennen eines Werkstücks, insbesondere eines Zellverbinders einer Batteriezellenanordnung, mittels eines Laserstrahls mit Merkmalen des Anspruchs 10.The invention relates to a device for severing a workpiece, in particular a cell connector of a battery cell arrangement, by means of a laser beam with the features of the preamble of claim 1 and a method for severing a workpiece, in particular a cell connector of a battery cell arrangement, by means of a laser beam with the features of claim 10.

Batteriezellen, die insbesondere in der Automobilindustrie verwendet werden, können in einer Batteriezellenanordnung angeordnet und elektrisch miteinander verbunden werden. Zum elektrischen Verbinden der einzelnen Batteriezellen werden in der Regel Zellverbinder aus Metall eingesetzt. Bei der Demontage einer solchen Batterieanordnung müssen diese Zellverbinder durchgeschnitten werden, um die einzelnen Batteriezellen voneinander trennen zu können.Battery cells, which are used in particular in the automotive industry, can be arranged in a battery cell arrangement and electrically connected to one another. Metal cell connectors are generally used to electrically connect the individual battery cells. When dismantling such a battery arrangement, these cell connectors must be cut through in order to be able to separate the individual battery cells from one another.

Das Durchschneiden der Zellverbinder kann mittels eines Lasers durchgeführt werden. Beim Durchschneiden eines Zellverbinders kann der Laserstrahl durch die Schnittfuge hindurchtreten und die meist unter dem Zellverbinder angeordneten Batteriezellen bzw. deren Komponenten beschädigen. Eine beschädigte Batteriezelle kann eine Gefahrenquelle (Brandt- und Explosionsgefahr) darstellen. Es ist daher äußerst wichtig die meist unter dem Zellverbinder angeordneten Batteriezellen bzw. deren Komponenten nicht zu beschädigen.Cutting through the cell connectors can be done using a laser. When cutting through a cell connector, the laser beam can pass through the cutting line and damage the battery cells or their components, which are usually located under the cell connector. A damaged battery cell can be a source of danger (risk of fire and explosion). It is therefore extremely important not to damage the battery cells or their components, which are usually located under the cell connector.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Durchtrennen eines Werkstücks, insbesondere eines Zellverbinders einer Batteriezellenanordnung, mittels eines Laserstrahls bereitzustellen, wobei eine Beschädigung der in Laserstrahlrichtung hinter dem Werkstück angeordneten Komponenten vermieden wird.It is therefore an object of the present invention to provide a device and a method for severing a workpiece, in particular a cell connector of a battery cell arrangement, by means of a laser beam, wherein damage to the components arranged behind the workpiece in the direction of the laser beam is avoided.

Die obige Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Durchtrennen eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bei dem Werkstück kann es sich um einen Zellverbinder einer Batteriezellenanordnung handeln.The above object is achieved by a device for cutting a workpiece by means of a laser beam with the features of claim 1. The workpiece can be a cell connector of a battery cell arrangement.

Die Vorrichtung umfasst eine Lasereinrichtung zur Erzeugung und/oder Fokussierung des Laserstrahls. Die Lasereinrichtung ist derart eingerichtet, dass der (erzeugte) Laserstrahl auf dem Werkstück einen Strahldurchmesser von kleiner gleich 100 µm (Mikrometer), insbesondere von kleiner gleich 50 µm aufweist. Die Lasereinrichtung ist weiter derart eingerichtet, dass der (erzeugte) Laserstrahl eine Divergenz aufweist, die einen halben Öffnungswinkel von größer gleich 80 mrad aufweist. Vorzugsweise weist der Laserstrahl ferner ein Strahlparameterprodukt im Bereich von 0,38 mm*mrad (Millimeter * Milliradiant) bis 16 mm*mrad auf.The device comprises a laser device for generating and/or focusing the laser beam. The laser device is set up such that the (generated) laser beam on the workpiece has a beam diameter of less than or equal to 100 µm (micrometers), in particular less than or equal to 50 µm. The laser device is further set up such that the (generated) laser beam has a divergence which has a half opening angle of greater than or equal to 80 mrad. Preferably, the laser beam also has a beam parameter product in the range of 0.38 mm*mrad (millimeters * milliradians) to 16 mm*mrad.

Die Lasereinrichtung kann derart eingerichtet sein, dass der Laserstrahl ein Strahlparameterprodukt von 0,6 mm*mrad bei einem Single-Mode-Laser(Strahl) aufweist. Die Lasereinrichtung kann derart eingerichtet sein, dass der Laserstrahl ein Strahlparameterprodukt von 6 mm*mrad, insbesondere 4 mm*mrad, bei einem Multi-Mode Laser (Strahl) aufweist.The laser device can be set up such that the laser beam has a beam parameter product of 0.6 mm*mrad for a single-mode laser (beam). The laser device can be set up such that the laser beam has a beam parameter product of 6 mm*mrad, in particular 4 mm*mrad, for a multi-mode laser (beam).

Hierdurch kann eine (Laser) Intensität bereitgestellt werden, die aufgrund des kleinen Laserspots auf der Oberfläche des Werkstücks ausreichend groß ist um dieses zu trennen. Aufgrund der großen Divergenz kann eine (Laser) Intensität auf der Oberfläche der im Laserstrahlrichtung hinter dem Werkstück liegenden Batteriezellkomponenten möglichst geringgehalten werden, um diese nicht zu beschädigen. Eine Gefahr von Entflammung von Dämmungsmaterial und/oder Brandt- bzw. Explosionsgefahr der Batteriezellen kann ausgeräumt oder zumindest reduziert werden.This makes it possible to provide a (laser) intensity that is large enough to separate the workpiece due to the small laser spot on the surface. Due to the large divergence, a (laser) intensity on the surface of the battery cell components located behind the workpiece in the direction of the laser beam can be kept as low as possible in order to avoid damaging them. The risk of insulation material catching fire and/or the risk of fire or explosion of the battery cells can be eliminated or at least reduced.

Das Durchtrennen kann vollständig automatisiert (ohne manuelle Intervention) durchgeführt werden. Dabei kann ein geringerer Wärmeeintrag ggü. anderen Verfahren (bspw. Plasmaschnitt) erzielt werden. Zudem kann eine Spanentstehung ggü. anderen Verfahren (bspw. Fräsen) verhindert werden (spanfreies Durchtrennen der Zellverbinder). Es werden keine Fremdstoffe durch bspw. Kühlmittel oder weitere Betriebsmittel, welche bei anderen Verfahren eingesetzt werden müssen, benötigt.The cutting can be carried out completely automatically (without manual intervention). This allows a lower heat input compared to other processes (e.g. plasma cutting). In addition, the formation of chips can be prevented compared to other processes (e.g. milling) (chip-free cutting of the cell connectors). No foreign substances are required, e.g. from coolants or other operating materials that must be used in other processes.

Das Strahlparameterprodukt (SPP) kann mit der folgenden Formel beschrieben werden: $SPP = α * (d 0 / 2)$

The beam parameter product (SPP) can be described with the following formula:

SPP = α * (d 0 / 2)

Dabei ist α der halbe Öffnungswinkel der Divergenz und d0 der Strahldurchmesser des (fokussierten) Laserstrahls auf dem Werkstück.Where α is half the opening angle of the divergence and d0 is the beam diameter of the (focused) laser beam on the workpiece.

Die obige Formel kann wie folgt umgeformt werden: $α = SSP / (d 0 / 2)$

The above formula can be transformed as follows:

α = SSP / (d 0 / 2)

Der halbe Öffnungswinkel α der Divergenz wird also groß, wenn entweder das Strahlparameterprodukt (SSP) groß oder der Strahldurchmesser im Fokus d0 klein wird. Dabei kann der Strahldurchmesser d0 wie folgt definiert werden: $d 0 = dLLK * m$

The half opening angle α of the divergence becomes large when either the beam parameter product (SSP) is large or the beam diameter at the focus d0 becomes small. The beam diameter d0 can be defined as follows:

d 0 = dLLK * m

Dabei stellt dLLK den Durchmesser des Lichtleitkabels und m das Abbildungsverhältnis dar. Der Strahldurchmesser im Fokus d0 wird also klein, wenn insbesondere das Abbildungsverhältnis klein wird. Für den halben Öffnungswinkel α der Divergenz lässt sich die folgende Formel aufstellen: $α = SSP / (dLLK * m / 2)$

Here, dLLK represents the diameter of the light guide cable and m the image ratio. The beam diameter in the focus d0 therefore becomes small when the image ratio in particular becomes small. The following formula can be set up for half the opening angle α of the divergence:

α = SSP / (dLLK * m / 2)

Das Abbildungsverhältnis m kann durch die folgende Formel beschrieben werden: $m = f / fC$

wobei f die Objektivbrennweite und fC die Kollimationsbrennweite darstellt. Das Abbildungsverhältnis m wird insbesondere klein, wenn die Objektivbrennweite f klein und/oder die Kollimationsbrennweite fC groß wird.The image ratio m can be described by the following formula:

m = f / fC

where f is the lens focal length and fC is the collimation focal length. The magnification ratio m becomes particularly small when the lens focal length f is small and/or the collimation focal length fC is large.

Durch das Variieren bzw. Einstellen insbesondere der Objektivbrennweite f und/oder der Kollimationsbrennweite fC lässt sich so der halbe Öffnungswinkel α bzw. die Divergenz wunschgemäß einstellen.By varying or adjusting the lens focal length f and/or the collimation focal length fC in particular, the half aperture angle α or the divergence can be adjusted as desired.

Gemäß einer Weiterbildung kann die Lasereinrichtung zur Erzeugung des Laserstrahls eine Laserstrahlquelle aufweisen. Die Laserstrahlquelle kann als eine gepulste Laserstrahlquelle ausgebildet sein. Die Laserstrahlquelle kann eine (ns(Nanosekunden) -gepulste) Laserstrahlquelle sein. Die Laserstrahlquelle kann eine Leistung in einem Bereich von 70 W (Watt) bis 1000 W, insbesondere in einem Bereich von 500 W bis 600 W, aufweisen. Die Laserstrahlquelle kann insbesondere eine Pulsdauer in einem Bereich von 3 ns bis 2000 ns, insbesondere in einem Bereich von 50 ns bis 500 ns, aufweisen. Die Laserstrahlquelle kann eine Repetitionsrate in einem Bereich von 1 kHz (KiloHertz) bis 4 MHz (MegaHertz), insbesondere in einem Bereich von 20 kHz bis 80 kHz, aufweisen.According to a further development, the laser device for generating the laser beam can have a laser beam source. The laser beam source can be designed as a pulsed laser beam source. The laser beam source can be a (ns (nanosecond) pulsed) laser beam source. The laser beam source can have a power in a range from 70 W (watts) to 1000 W, in particular in a range from 500 W to 600 W. The laser beam source can in particular have a pulse duration in a range from 3 ns to 2000 ns, in particular in a range from 50 ns to 500 ns. The laser beam source can have a repetition rate in a range from 1 kHz (kiloHertz) to 4 MHz (megaHertz), in particular in a range from 20 kHz to 80 kHz.

Hierdurch kann die Laserleistung optimal eingestellt werden. Es kann so möglichst viel Energie in das zu zerschneidende Werkstück eingebracht werden, wobei zeitgleich möglichst wenig Energie in die in Strahlrichtung hinter dem Werkstück angeordneten Batteriekomponenten eingebracht wird.This allows the laser power to be optimally adjusted. This means that as much energy as possible can be introduced into the workpiece to be cut, while at the same time as little energy as possible is introduced into the battery components arranged behind the workpiece in the beam direction.

Gemäß einer Weiterbildung kann die Lasereinrichtung zur Erzeugung des Laserstrahls eine Laserstrahlquelle aufweisen. Die Laserstrahlquelle kann als ein Faserlaser ausgebildet sein. Die Laserstrahlquelle kann als ein Single-Mode-Laser ausgebildet sein. Die Laserstrahlquelle kann als ein CW (continiuous wave)-Laser ausgebildet sein. Die Laserstrahlquelle kann eine Leistung in einem Bereich von 0,5 kW (Kilowatt) bis 5 kW, insbesondere in einem Bereich von 0,5 kW bis 2 kW, aufweisen. Die als Single-Mode-Laser ausgebildete Laserstrahlquelle kann eine Strahlqualität aufweisen, die eine Beugungsmaßzahl M² von kleiner 1,7 aufweist.According to a further development, the laser device for generating the laser beam can have a laser beam source. The laser beam source can be designed as a fiber laser. The laser beam source can be designed as a single-mode laser. The laser beam source can be designed as a CW (continuous wave) laser. The laser beam source can have a power in a range from 0.5 kW (kilowatts) to 5 kW, in particular in a range from 0.5 kW to 2 kW. The laser beam source designed as a single-mode laser can have a beam quality that has a diffraction index M ² of less than 1.7.

Gemäß einer Weiterbildung kann die Lasereinrichtung zur Erzeugung des Laserstrahls eine Laserstrahlquelle aufweisen. Die Laserstrahlquelle kann als ein Scheibenlaser ausgebildet sein. Die Laserstrahlquelle kann als ein Multi-Mode-Laser ausgebildet sein. Die Laserstrahlquelle kann als ein CW-Laser ausgebildet sein. Die Laserstrahlquelle kann eine Leistung in einem Bereich von 0,5 kW bis 24 kW, insbesondere in einem Bereich von 2 kW bis 8 kW, aufweisen.According to a further development, the laser device for generating the laser beam can have a laser beam source. The laser beam source can be designed as a disk laser. The laser beam source can be designed as a multi-mode laser. The laser beam source can be designed as a CW laser. The laser beam source can have a power in a range from 0.5 kW to 24 kW, in particular in a range from 2 kW to 8 kW.

Gemäß einer Weiterbildung kann die Laserstrahlquelle als ein Infrarotlaser ausgebildet sein. Die als ein Infrarotlaser ausgebildete Laserstrahlquelle kann eine Wellenlänge in einem Bereich von 800 nm (Nanometer) bis 1200 nm, insbesondere von 1030 nm oder 1070 nm, aufweisen.According to a further development, the laser beam source can be designed as an infrared laser. The laser beam source designed as an infrared laser can have a wavelength in a range from 800 nm (nanometers) to 1200 nm, in particular from 1030 nm or 1070 nm.

Hierdurch kann die Laserleistung weiter optimiert werden und eingestellt werden. Es kann so möglichst viel Energie in das zu zerschneidende Werkstück eingebracht werden, wobei zeitgleich möglichst wenig Energie in die in Strahlrichtung hinter dem Werkstück angeordneten Batteriekomponenten eingebracht wird.This allows the laser power to be further optimized and adjusted. This allows as much energy as possible to be introduced into the workpiece to be cut, while at the same time as little energy as possible is introduced into the battery components arranged behind the workpiece in the beam direction.

Gemäß einer Weiterbildung kann die Laserstrahlquelle als ein Laser mit einer Wellenlänge im sichtbaren Bereich ausgebildet sein. Die Laserstrahlquelle kann als ein VIS (Visible)-Laser ausgebildet sein. Die Wellenlänge des VIS-Lasers kann 551 nm (grün) betragen.According to a further development, the laser beam source can be designed as a laser with a wavelength in the visible range. The laser beam source can be designed as a VIS (visible) laser. The wavelength of the VIS laser can be 551 nm (green).

Hierdurch kann bei der Verwendung eines VIS-Lasers ein optimaler Energieeintrag in das zu zerschneidende Werkstück eingebracht werden.This allows an optimal energy input into the workpiece to be cut when using a VIS laser.

Gemäß einer Weiterbildung kann die Vorrichtung eine Scanneroptik zum Bewegen des Laserstrahls über das Werkstück umfassen. Die Scanneroptik kann eingerichtet sein, um den Laserstrahl mit einer Geschwindigkeit in einem Bereich von 10 m/min (Meter pro Minute) bis 80 m/min, insbesondere in einem Bereich von 20 m/min bis 60 m/min, über das Werkstück zu bewegen. Mittels der Scanneroptik kann der Laserspot auf dem Werkstück bewegt werden. Mittels der Scanneroptik kann der Laserstrahl auf dem Werkstück ausgerichtet werden.According to a further development, the device can comprise a scanner optics for moving the laser beam over the workpiece. The scanner optics can be set up to move the laser beam at a speed in a range of 10 m/min (meters per minute) to 80 m/min, particularly in a range of 20 m/min to 60 m/min, over the workpiece. The laser spot can be moved on the workpiece using the scanner optics. The laser beam can be aligned on the workpiece using the scanner optics.

Die Scanneroptik kann ein Abbildungsverhältnis in einem Bereich von 1:1 bis 5:1, insbesondere in einem Bereich von 1,5:1 bis 2:1, aufweisen.The scanner optics can have an imaging ratio in a range of 1:1 to 5:1, in particular in a range of 1.5:1 to 2:1.

Hierdurch kann ein optimaler Energieeintrag in das zu zerschneidende Werkstück mittels einer Scanneroptik eingebracht werden. Zudem kann mit einfachen Mitteln ein Remoteschneiden umgesetzt werden.This allows an optimal energy input into the workpiece to be cut using a scanner optic. Remote cutting can also be implemented using simple means.

Gemäß einer Weiterbildung kann die Vorrichtung eine Festoptik zum fixen Ausrichten des Laserstrahls umfassen. Dabei kann der Laserstrahl auf dem Werkstück bewegt werden, indem das Werkstück und/oder die Festoptik (relativ zueinander) bewegt werden.According to a further development, the device can comprise a fixed optics for the fixed alignment of the laser beam. The laser beam can be moved on the workpiece by moving the workpiece and/or the fixed optics (relative to each other).

Die Festoptik kann eine Schneiddüse zum Ausrichten und/oder Fokussieren des Laserstrahls (auf dem Werkstück) umfassen. Die Festoptik kann eine Gaszufuhr zum Zuführen eines (inerten) Schneidgases umfassen. Bei dem Schneidgas kann es sich insbesondere um Stickstoff handeln. Das Zuführen des Schneidgases kann insbesondere in den Bereich des fokussierten Laserstrahls auf dem Werkstück geschehen.The fixed optics can comprise a cutting nozzle for aligning and/or focusing the laser beam (on the workpiece). The fixed optics can comprise a gas supply for supplying an (inert) cutting gas. The cutting gas can in particular be nitrogen. The cutting gas can in particular be supplied in the area of the focused laser beam on the workpiece.

Die Festoptik kann ein Abbildungsverhältnis in einem Bereich von 1:1 bis 5:1, insbesondere in einem Bereich von 1,5:1 bis 2:1.The fixed optics can have an imaging ratio in a range of 1:1 to 5:1, in particular in a range of 1.5:1 to 2:1.

Hierdurch kann ein optimaler Energieeintrag in das zu zerschneidende Werkstück mittels einer Festoptik umgesetzt werden. Zudem kann aufgrund der Schneiddüse und/oder des Schneidgases das Schneidergebnis optimiert werden.This allows an optimal energy input into the workpiece to be cut using a fixed optic. In addition, the cutting result can be optimized based on the cutting nozzle and/or the cutting gas.

Gemäß einer Weiterbildung kann die Vorrichtung einen optischen Sensor zur Positionserfassung des Laserstrahls und/oder des Werkstücks umfassen. Der optische Sensor kann kamerabasiert ausgebildet sein. Der optische Sensor kann als eine Kamera ausgebildet sein. Der optische Sensor kann zur Positionskontrolle des Laserstrahls und/oder des Werkstücks eingerichtet sein.According to a further development, the device can comprise an optical sensor for detecting the position of the laser beam and/or the workpiece. The optical sensor can be camera-based. The optical sensor can be designed as a camera. The optical sensor can be set up to control the position of the laser beam and/or the workpiece.

Hierdurch kann mit einfachen Mitteln die Position des Laserstrahls und/oder des Werkstücks erfasst bzw. kontrolliert werden.This allows the position of the laser beam and/or the workpiece to be detected or controlled using simple means.

Die obige Aufgabe wird weiter durch ein Verfahren zum Durchtrennen eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bei dem Werkstück kann es sich um einen Zellverbinder einer Batteriezellenanordnung handeln.The above object is further achieved by a method for cutting a workpiece by means of a laser beam with the features of claim 10. The workpiece can be a cell connector of a battery cell arrangement.

Das Verfahren umfasst die Schritte:

Erzeugen und Fokussieren eines Laserstrahls, insbesondere mittels einer Lasereinrichtung.

The procedure includes the following steps:

Generating and focusing a laser beam, in particular by means of a laser device.

Dabei weist der Laserstrahl auf dem Werkstück einen Strahldurchmesser von kleiner gleich 100 µm, insbesondere von kleiner gleich 50 µm auf. Der Laserstrahl weist ferner eine Divergenz mit einem halben Öffnungswinkel von größer gleich 80 mrad auf. Ferner kann der Laserstrahl ein Strahlparameterprodukt in einem Bereich von 0,38 mm*mrad bis 16 mm*mrad aufweisen.The laser beam on the workpiece has a beam diameter of less than or equal to 100 µm, in particular less than or equal to 50 µm. The laser beam also has a divergence with a half-beam angle of greater than or equal to 80 mrad. Furthermore, the laser beam can have a beam parameter product in a range from 0.38 mm*mrad to 16 mm*mrad.

Der Laserstrahl kann ein Strahlparameterprodukt von 0,6 mm*mrad bei einem Single-Mode-Laser(Strahl) aufweisen. Der Laserstrahl kann ein Strahlparameterprodukt von 6 mm*mrad, insbesondere 4 mm*mrad, bei einem Multi-Mode-Laser(Strahl) aufweisen.The laser beam can have a beam parameter product of 0.6 mm*mrad for a single-mode laser (beam). The laser beam can have a beam parameter product of 6 mm*mrad, in particular 4 mm*mrad, for a multi-mode laser (beam).

Gemäß einer Weiterbildung kann das Verfahren den Schritt umfassen: According to a further development, the method may include the step:

Bewegen des Laserstrahls und/oder des Werkstücks, um einen Vorschub (Bewegung) des auf dem Werkstück fokussierten Laserstrahls zu erzeugen.Moving the laser beam and/or the workpiece to produce a feed (movement) of the laser beam focused on the workpiece.

Dabei kann der Vorschub in einem Bereich von 10 m/min bis 80 m/min, insbesondere in einem Bereich von 20 m/min bis 60 m/min, liegen.The feed rate can be in a range from 10 m/min to 80 m/min, in particular in a range from 20 m/min to 60 m/min.

Hierdurch kann das Durchtrennen des Werkstücks weiter optimiert und eine saubere Schnittfuge umgesetzt werden.This allows the cutting of the workpiece to be further optimized and a clean cutting joint to be achieved.

Gemäß einer Weiterbildung kann das Verfahren den Schritt umfassen:

Zuführen eines (inerten) Schneidgases. Das Schneidgases kann als Stickstoff ausgebildet sein. Das Schneidgases kann insbesondere in den Bereich des fokussierten Laserstrahls auf dem Werkstück zugeführt werden.

According to a further development, the method may include the step:

Supplying an (inert) cutting gas. The cutting gas can be nitrogen. The cutting gas can be supplied in particular into the area of the focused laser beam on the workpiece.

Durch das Zuführen des Schneidgases kann das Schneidergebnis bzw. die Schneidfuge optimiert werden.By supplying the cutting gas, the cutting result or the cutting gap can be optimized.

Gemäß einer Weiterbildung kann das Verfahren den Schritt umfassen:

Ermitteln der Position des (fokussierten) Laserstrahls und/oder des Werkstücks. Das Ermitteln der Position kann dabei mittels eines optischen Sensors umgesetzt werden.

According to a further development, the method may include the step:

Determining the position of the (focused) laser beam and/or the workpiece. The position can be determined using an optical sensor.

Hierdurch kann mit einfachen Mitteln eine Positionserfassung und/oder -kontrolle umgesetzt werden.This allows position detection and/or control to be implemented using simple means.

Gemäß einer Weiterbildung kann zur Durchführung des Verfahrens eine Vorrichtung gemäß obiger Ausführungen benutzt werden.According to a further development, a device according to the above statements can be used to carry out the method.

Hinsichtlich der damit erzielbaren Vorteile wird auf die diesbezüglichen Ausführungen zur Vorrichtung verwiesen. Zur weiteren Ausgestaltung des Verfahrens können die im Zusammenhang mit der Vorrichtung beschriebenen und/oder die nachfolgend noch erläuterten Maßnahmen dienen.With regard to the advantages that can be achieved, reference is made to the relevant explanations of the device. The measures described in connection with the device and/or those explained below can be used to further develop the method.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Batteriezellenanordnung mit einem Werkstück;
2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Durchtrennen des Werkstücks gemäß 1 und
3 eine schematische Darstellung eines mittels der Vorrichtung gemäß 2 erzeugten Laserstrahls.

Further features, details and advantages of the invention emerge from the wording of the claims and from the following description of embodiments with reference to the drawings. They show:

1 a schematic representation of a battery cell arrangement with a workpiece;
2 a schematic representation of a device for cutting the workpiece according to 1 and
3 a schematic representation of a device according to 2 generated laser beam.

In der nachfolgenden Beschreibung sowie in den Figuren tragen sich entsprechende Bauteile und Elemente gleiche Bezugszeichen. Der besseren Übersichtlichkeit wegen sind nicht in allen Figuren sämtliche Bezugszeichen wiedergegeben.In the following description and in the figures, corresponding components and elements have the same reference symbols. For the sake of clarity, not all reference symbols are shown in all figures.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezellenanordnung 14 mit einem Werkstück 12. Das Werkstück 12 ist vorliegend als ein Zellverbinder der Batteriezellenanordnung 14 ausgebildet. Die Batteriezellenanordnung 14 umfasst vorliegend zwei Batteriezellen 13, die mittels des Werkstücks 12 elektrisch miteinander verbunden sind. 1 shows a schematic representation of a battery cell arrangement 14 with a workpiece 12. The workpiece 12 is designed as a cell connector of the battery cell arrangement 14. The battery cell arrangement 14 comprises two battery cells 13 which are electrically connected to one another by means of the workpiece 12.

2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 10 zum Durchtrennen des Werkstücks 12 gemäß 1. Die Vorrichtung 10 ist zum Durchtrennen des Werkstücks 12 mittels eines Laserstrahls 16 eingerichtet. 2 shows a schematic representation of a device 10 for cutting the workpiece 12 according to 1 The device 10 is designed to cut the workpiece 12 by means of a laser beam 16.

Die Vorrichtung 10 umfasst eine Lasereinrichtung 18 zur Erzeugung und/oder Fokussierung des Laserstrahls 16. Die Lasereinrichtung 18 umfasst eine Laserstrahlquelle 24.The device 10 comprises a laser device 18 for generating and/or focusing the laser beam 16. The laser device 18 comprises a laser beam source 24.

Die Laserstrahlquelle 24 kann als eine (ns-)gepulste Laserstrahlquelle 24 ausgebildet sein. Die Laserstrahlquelle 24 kann eine Leistung in einem Bereich von 70 W bis 1000 W, insbesondere in einem Bereich von 500 W bis 600 W, aufweisen. Die Laserstrahlquelle 24 kann eine Pulsdauer in einem Bereich von 3 ns bis 2000 ns, insbesondere in einem Bereich von 50 ns bis 500 ns, und/oder eine Repetitionsrate in einem Bereich von 1 kHz bis 4 MHz, insbesondere in einem Bereich von 20 kHz bis 80 kHz, aufweisen.The laser beam source 24 can be designed as a (ns-)pulsed laser beam source 24. The laser beam source 24 can have a power in a range from 70 W to 1000 W, in particular in a range from 500 W to 600 W. The laser beam source 24 can have a pulse duration in a range from 3 ns to 2000 ns, in particular in a range from 50 ns to 500 ns, and/or a repetition rate in a range from 1 kHz to 4 MHz, in particular in a range from 20 kHz to 80 kHz.

Die Laserstrahlquelle 24 kann als ein Faserlaser insbesondere ein Single-Mode-Laser, ausgebildet sein. Die Laserstrahlquelle 24 kann dabei eine Leistung in einem Bereich von 0,5 kW bis 5 kW, insbesondere in einem Bereich von 0,5 kW bis 2 kW, aufweisen. Die als Single-Mode-Laser ausgebildete Laserstrahlquelle 24 kann eine Strahlqualität aufweisen, die eine Beugungsmaßzahl M² von kleiner 1,7 aufweist.The laser beam source 24 can be designed as a fiber laser, in particular a single-mode laser. The laser beam source 24 can have a power in a range from 0.5 kW to 5 kW, in particular in a range from 0.5 kW to 2 kW. The laser beam source 24 designed as a single-mode laser can have a beam quality that has a diffraction index M ² of less than 1.7.

Die Laserstrahlquelle 24 kann als ein Scheibenlaser, insbesondere ein Multi-Mode-Laser, ausgebildet sein. Die Laserstrahlquelle 24 kann dabei eine Leistung in einem Bereich von 0,5 kW bis 24 kW, insbesondere in einem Bereich von 2 kW bis 8 kW, aufweisen.The laser beam source 24 can be designed as a disk laser, in particular a multi-mode laser. The laser beam source 24 can have a power in a range from 0.5 kW to 24 kW, in particular in a range from 2 kW to 8 kW.

Die Laserstrahlquelle 24 kann als ein Infrarotlaser mit einer Wellenlänge in einem Bereich von 800 nm bis 1200 nm, insbesondere von 1030 nm oder 1070 nm, ausgebildet sein.The laser beam source 24 can be designed as an infrared laser with a wavelength in a range of 800 nm to 1200 nm, in particular 1030 nm or 1070 nm.

Die Laserstrahlquelle 24 kann als ein Laser mit einer Wellenlänge im sichtbaren Bereich, insbesondere von 515 nm, ausgebildet sein.The laser beam source 24 can be designed as a laser with a wavelength in the visible range, in particular of 515 nm.

Vorliegend weist die Vorrichtung 10 eine Scanneroptik 26 zum Bewegen des Laserstrahls 16 über das Werkstück 12 auf. Die Scanneroptik 26 ist eingerichtet, um den Laserstrahl 16 mit einer Geschwindigkeit in einem Bereich 10 m/min bis 80 m/min, insbesondere in einem Bereich von 20 m/min bis 60 m/min, über das Werkstück 12 zu bewegen.In the present case, the device 10 has a scanner optics 26 for moving the laser beam 16 over the workpiece 12. The scanner optics 26 is arranged to move the laser beam 16 over the workpiece 12 at a speed in a range of 10 m/min to 80 m/min, in particular in a range of 20 m/min to 60 m/min.

Die Scanneroptik 26 kann ein Abbildungsverhältnis in einem Bereich von 1:1 bis 5:1, insbesondere in einem Bereich von 1,5:1 bis 2:1, aufweisen. Mittels der Scanneroptik 26 kann ein Remoteschneiden des Werkstücks 12 umgesetzt werden.The scanner optics 26 can have an imaging ratio in a range from 1:1 to 5:1, in particular in a range from 1.5:1 to 2:1. Remote cutting of the workpiece 12 can be implemented by means of the scanner optics 26.

Die Vorrichtung 10 kann auch eine Festoptik zum fixen Ausrichten des Laserstrahls 16 umfassen. Die Festoptik kann eine Schneiddüse zum Ausrichten und/oder Fokussieren des Laserstrahls 16 umfassen. Die Festoptik kann eine Gaszufuhr zum Zuführen eines Schneidgases (bspw. Stickstoff), insbesondere in den Bereich des fokussierten Laserstrahls 16 auf dem Werkstück 12 umfassen.The device 10 can also comprise a fixed optics for fixed alignment of the laser beam 16. The fixed optics can comprise a cutting nozzle for aligning and/or focusing the laser beam 16. The fixed optics can comprise a gas supply for supplying a cutting gas (e.g. nitrogen), in particular in the area of the focused laser beam 16 on the workpiece 12.

Die Festoptik kann ein Abbildungsverhältnis in einem Bereich von 1:1 bis 5:1, insbesondere in einem Bereich von 1,5:1 bis 2:1, aufweisen.The fixed optics can have an imaging ratio in a range of 1:1 to 5:1, in particular in a range of 1.5:1 to 2:1.

Die Vorrichtung 10 umfasst vorliegend einen optischen Sensor 28. Mittels des optischen Sensors 28 kann die Position des Laserstrahls 16 und/oder des Werkstücks 12 erfasst bzw. kontrolliert werden.The device 10 here comprises an optical sensor 28. By means of the optical sensor 28, the position of the laser beam 16 and/or the workpiece 12 can be detected or controlled.

3 zeigt eine schematische Darstellung eines mittels der Vorrichtung 10 gemäß 2 erzeugten Laserstrahls 16. In 3 ist die optische Achse 21 des Laserstrahls 16 gestrichelt dargestellt. Die Laserstrahlrichtung 23 des Laserstrahls 16 ist in 3 mittels eines Pfeils angedeutet. 3 shows a schematic representation of a device 10 according to 2 generated laser beam 16. In 3 The optical axis 21 of the laser beam 16 is shown in dashed lines. The laser beam direction 23 of the laser beam 16 is in 3 indicated by an arrow.

Der Laserstrahl 16 wird auf dem Werkstück 12 fokussiert. Der fokussierte Laserstrahl hat auf dem Werkstück 12 einen Strahldurchmesser 20. Der Strahldurchmesser 20 kann kleiner gleich 100 µm, insbesondere kleiner gleich 50 µm sein.The laser beam 16 is focused on the workpiece 12. The focused laser beam has a beam diameter of 20 on the workpiece 12. The beam diameter 20 can be less than or equal to 100 µm, in particular less than or equal to 50 µm.

Der Laserstrahl 16 weist vorliegend einen halben Öffnungswinkel 22 der Divergenz von größer gleich 80 mrad auf. Das Strahlparameterprodukt des Laserstrahls 16 liegt dabei in einem Bereich von 0,38 mm*mrad bis 16 mm*mrad.In this case, the laser beam 16 has a half opening angle 22 of divergence of greater than or equal to 80 mrad. The beam parameter product of the laser beam 16 is in a range from 0.38 mm*mrad to 16 mm*mrad.

Das Verfahren zum Durchtrennen eines Werkstücks 12, insbesondere eines Zellverbinders einer Batterieanordnung 14, mittels eines Laserstrahls 16 kann anhand der 1 bis 3 wie folgt beschrieben werden:

Zunächst wird vorliegend mittels der Lasereinrichtung 18 ein Laserstrahl 16 erzeugt und auf das Werkstück 12 fokussiert. Dabei weist der Laserstrahl 16 einen Strahldurchmesser 20, ein Strahlparameterprodukt und/oder einen halben Öffnungswinkel 22, wie oben beschrieben, auf.

The method for cutting a workpiece 12, in particular a cell connector of a battery arrangement 14, by means of a laser beam 16 can be described by means of the 1 to 3 be described as follows:

First, a laser beam 16 is generated by means of the laser device 18 and focused on the workpiece 12. The laser beam 16 has a beam diameter 20, a beam parameter product and/or a half opening angle 22, as described above.

Der Laserstrahl 16 und/oder das Werkstück 12 können bewegt werden, um einen Vorschub (Bewegung) des auf dem Werkstück 12 fokussierten Laserstrahls 16 zu erzeugen. Dabei kann der Vorschub in einem Bereich, wie oben beschrieben, liegen.The laser beam 16 and/or the workpiece 12 can be moved to generate a feed (movement) of the laser beam 16 focused on the workpiece 12. The feed can be in a range as described above.

Es kann ein Schneidgas zugeführt werden. Dabei kann das Schneidgases, insbesondere Stickstoff, in den Bereich des fokussierten Laserstrahls 16 auf dem Werkstück 12 zugeführt werden.A cutting gas can be supplied. The cutting gas, in particular nitrogen, can be supplied into the area of the focused laser beam 16 on the workpiece 12.

Es kann die Position des Laserstrahls und/oder des Werkstücks 12 ermittelt werden. Dies kann insbesondere mittels eines optischen Sensors 28 durchgeführt werden.The position of the laser beam and/or the workpiece 12 can be determined. This can be done in particular by means of an optical sensor 28.

Zur Durchführung des Verfahrens kann eine in der 2 gezeigte Vorrichtung 10 (wie oben beschrieben) benutzt werden.To carry out the procedure, a 2 shown device 10 (as described above) can be used.

Claims

Device (10) for severing a workpiece (12), in particular a cell connector of a battery cell arrangement (14), by means of a laser beam (16), comprising a laser device (18) for generating and/or focusing the laser beam (16), characterized in that the laser device (18) is set up such that the laser beam (16) on the workpiece (12) has a beam diameter (20) of less than or equal to 100 µm, in particular less than or equal to 50 µm, and a divergence with a half opening angle (22) of greater than or equal to 80 mrad.

Device (10) according to claim 1 , characterized in that the laser device (18) for generating the laser beam (16) has a laser beam source (24), wherein the laser beam source (24) is designed as a pulsed laser beam source (24), has a power in a range from 70 W to 1000 W, in particular in a range from 500 W to 600 W, a pulse duration in a range from 3 ns to 2000 ns, in particular in a range from 50 ns to 500 ns, and/or a repetition rate in a range from 1 kHz to 4 MHz, in particular in a range from 20 kHz to 80 kHz.

Device (10) according to claim 1 , characterized in that the laser device (18) for generating the laser beam (16) has a laser beam source (24), wherein the laser beam source (24) is designed as a fiber laser, in particular a single-mode laser, and/or has a power in a range of 0.5 kW to 5 kW, in especially in a range of 0.5 kW to 2 kW.

Device (10) according to claim 1 , characterized in that the laser device (18) for generating the laser beam (16) has a laser beam source (24), wherein the laser beam source (24) is designed as a disk laser, in particular a multi-mode laser, and/or has a power in a range from 0.5 kW to 24 kW, in particular in a range from 2 kW to 8 kW.

Device according to one of the Claims 2 until 4 , characterized in that the laser beam source (24) is designed as an infrared laser with a wavelength in a range from 800 nm to 1200 nm, in particular from 1030 nm or 1070 nm.

Device according to one of the Claims 2 until 4 , characterized in that the laser beam source (24) is designed as a laser with a wavelength in the visible range, in particular of 515 nm.

Device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the device (10) comprises a scanner optics (26) for moving the laser beam (16) over the workpiece (12), in particular wherein the scanner optics (26) are set up to move the laser beam (16) over the workpiece (12) at a speed in a range of 10 m/min to 80 m/min, in particular in a range of 20 m/min to 60 m/min, in particular wherein the scanner optics (26) has an imaging ratio in a range of 1:1 to 5:1, in particular in a range of 1.5:1 to 2:1.

Device (10) according to one of the Claims 1 until 7 , characterized in that the device (10) comprises a fixed optics for fixedly aligning the laser beam (16), wherein the fixed optics comprises a cutting nozzle for aligning and/or focusing the laser beam (16), in particular wherein the fixed optics comprises a gas supply for supplying a cutting gas, in particular into the region of the focused laser beam (16) on the workpiece (12), wherein the fixed optics preferably has an imaging ratio in a range from 1:1 to 5:1, in particular in a range from 1.5:1 to 2:1.

Device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the device (10) comprises an optical sensor (28) for detecting the position of the laser beam (16) and/or the workpiece (12).

Method for severing a workpiece (12), in particular a cell connector of a battery cell arrangement (14), by means of a laser beam (16), comprising the steps: - generating and focusing a laser beam (16), in particular by means of a laser device (18), - wherein the laser beam (16) on the workpiece (12) has a beam diameter (20) of less than or equal to 100 µm, in particular of less than or equal to 50 µm, and a divergence with a half opening angle (22) of 80 mrad.

procedure according to claim 10 , characterized by the step: - moving the laser beam (16) and/or the workpiece (12) to generate a feed rate of the laser beam (16) focused on the workpiece (12), - wherein the feed rate is in a range from 10 m/min to 80 m/min, in particular in a range from 20 m/min to 60 m/min.

procedure according to claim 10 or 11 , characterized by the step: - supplying a cutting gas, in particular into the region of the focused laser beam (16) on the workpiece (12).

Method according to one of the Claims 10 until 12 , characterized by the step: - determining the position of the laser beam (16) and/or the workpiece (12), in particular by means of an optical sensor (28).

Method according to one of the Claims 10 until 13 , characterized in that for carrying out the method a device (10) according to one of the Claims 1 until 9 is used.