Punktschweißgerät für Akkuzellen

Idee und Ziel

Ich habe mit gebrauchten 18650 Lithium-Ionen Zellen aus Laptop Akkus gute Erfahrungen gemacht. Häufig haben einzelne Zellen aus den Akku-Packs noch hohe Kapazitäten und lassen sich so weiter nutzen. Das habe ich auch bei meinem Akku-gestützten Fahrradlicht gemacht. Um mehrere Einzelzellen zu verbinden habe ich diese verlötet, was zwar im Modellbaubereich verbreitet ist, jedoch den Nachteil hat, dass die Zellen dabei sehr warm werden und Schaden nehmen. Industriell werden die Zellen mit Blechstreifen und vier kleinen Schweißpunkten verbunden. Die thermische Belastung dabei ist sehr viel geringer als beim Löten und die Verbindung fester. Ziel soll es also sein, ein Gerät zu entwickeln, um Schweißpunkte bei Blechstärken <0,6mm zu setzen.

Ähnliche Projekte

In diversen Foren hatte ich davon gelesen, dass sich die Trafos aus Mikrowellenherden, die ursprünglich aus der Netzspannung eine Hochspannung von ungefähr 5KV zur Versorgung des Magnetrons erzeugen, gut für Experimente mit hohen Strömen eignen.

Zur Erzeugung hoher Ströme wird aber häufig noch ein anderes Verfahren angewandt. Dabei werden sehr große Kondensatoren in kurzer Zeit entladen. Ein besonders ordentliches Projekt habe ich im RC-Network Forum gefunden. Link Hier wurde auch ein Punktschweißgerät für Akku Verbinder gebaut, das mit insgesamt 10 Kondensatoren arbeitet. Das Gerät wird von einem PIC Microcontroller gesteuert und arbeitet nicht mit nur einem Stromimpuls, sondern zuerst mit einem schwachen Impuls, welcher eventuelle Verunreinigung wegbrennen soll und dann mit einem stärkeren, welcher die Verbindung herstellt. Die dafür notwendigen Kondensatoren sind aber vergleichsweise teuer und groß. Ein weiterer Nachteil bei dieser Variante ist, dass der hohe Schweißstrom geschaltet werden muss und nicht wie bei einem Trafo primärseitig ein kleiner Strom geschaltet werden kann.

Bau

 Ich habe deswegen den Trafo aus einer Mikrowelle aufgeschnitten, die Sekundärwicklung entfernt, das dickste Kabel, dass ich finden konnte, ein 16mm² PE-Leiter aufgewickelt und die Eisenbleche wieder zusammengeschweißt. Die kleinen Blechpakete, welche zwischen den beiden Wicklungen lagen habe ich ebenfalls mit entfernt. Die Leerlaufspannung des Trafos beträgt jetzt 4,8 Volt.

Für die Elektroden habe ich ein Stück einer Straßenbahnoberleitung gerade gebogen und auf der Drehmaschine eine Spitze angedreht. Am anderen Ende der Elektroden ist eine Bohrung mit zwei Klemmschrauben, welche das Kabel fixieren.

Als Gehäuse dient eine Holzkiste, die ich mit einer Mischung aus roter Tinte und dunkler Holzbeize behandelt und anschließend fein geschliffen und lackiert habe. Als Kabeldurchführung dient die Platine einer Uhr, welche ich poliert habe und anschließend mit Klarlack lackiert habe.

Damit beim Arbeiten beide Hände frei sein wird der Schweißvorgang mit einem Fußpedal gestartet. Dieses besteht aus 5mm Sperrholz und einem Mikroschalter.

Die Steuerung besteht lediglich aus einer monostabilen Kippstufe welche mit einem NE555 realisiert wurde. In der Schaltung ist die Kippstufe nicht nachtriggerbar, das bedeutet ein erneutes treten auf das Fußpedal wird erst nach Ablauf einer bestimmten Zeit akzeptiert. Über ein Potentiometer auf der Frontseite des Gerätes lässt sich die Schweißzeit im Bereich von 0 bis 4 Sekunden einstellen. Der Ausgang des ICs steuert einen kleinen NPN Transistor an und dieser wiederum die Relaisspule. Sowohl der IC als auch das Relais werden mit 12 Volt aus einem Steckernetzteil betrieben.

Erste Versuche

Beim Widerstandspunktschweißen werden zwei Metallteile über Elektroden unter Krafteinfluss und hohen Strom verbunden. Da der Widerstand zwischen den beiden zu verbindenden Metallteilen am höchsten ist steigt dort die Temperatur stark an und die Teile werden durch erstarren von Schmelze, durch Diffusion oder in fester Phase verschweißt. Das Verfahren hat im Fahrzeugbau eine hohe Bedeutung und wird auch in der Elektro- und Elektronikfertigung verwendet. Vorteilhaft sind die gute Energieeffizienz, ein geringer Bauteilverzug, eine hohe Produktivität und die Möglichkeit das Verfahren stark zu automatisieren. Außerdem kann auf Zusatzwerkstoffe verzichtet werden. Mit besonderen Tricks kann sogar Aluminium so verschweißt werden, wobei auf Grund des geringeren spezifischen Widerstands von Alu mit deutlich höheren Strömen gearbeitet werden muss. Um in der Industrie eine gleichbleibend hohe Qualität zu gewährleisten, werden die Schweißelektroden nach einer bestimmten Anzahl Schweißpunkte nachgeschliffen, damit die Berührungsfläche gleich bleibt und der Übergangswiderstand von der Elektrode zum Werkstoff nicht steigt.

Da beim Schweißen von Akkuzellen die Elektroden nicht auf beide Seiten des Werkstückes wirken können, müssen sie zwangsläufig auf die selbe Seite gesetzt werden, was zur Folge hat, dass ein hoher Teil des Stromes direkt durch das obere Blech fließt. Durch geschlitzte Zellenverbinder kann dieser Effekt etwas verringert werden.

Im Gegensatz zur industriellen Anwendung kann ich auf den Schweißstrom keinen Einfluss nehmen. Die Größe der Schweißpunkte lässt sich also nur durch die Schweißzeit beeinflussen, was auch ausreichend ist. Wollte man den Schweißstrom doch variieren, könnte man den Primärstrom durch einen Vorwiderstand oder Phasenanschnittssteuerung verändern. Die Elektrodenkraft hängt nur davon ab, wie stark ich die beiden Kupferelektroden auf das Blech presse, hat aber einen starken Einfluss auf die Qualität des Schweißpunkts. Industriell werden alle drei Größen manchmal während des Schweißprozesses regelnd verändert.

Auf dem linken Bild habe ich neben die beiden industriell hergestellten Schweißpunkte noch zwei eigene gesetzt. Diese sind zwar etwas größer und weisen Anlauffarben auf, erfüllen aber ihren Zweck und sind so fest, dass man eher die Akkuzelle zerstört als den Schweißpunkt. Ich habe es ausprobiert und rate vom Nachahmen ab, weil dabei Flüssigkeit aus der Zelle spritzen kann.


Mit einem Energiekostenmessgerät habe ich den Stromverbrauch während der Herstellung eines Schweißpunktes auf einer Akkuzelle gemessen. Die Einschaltstromspitze beträgt 4,9A und die Wirkleistung beim Schweißen 400W.

Ein Schweißpunkt durch 0,8mm Stahlblech, den ich zerstört habe um ein Gefühl dafür zu bekommen, was ein einzelner Schweißpunkt aushält.

Natürlich habe ich auch Versuche mit anderen Teilen gemacht. So habe ich zum Beispiel 1mm Stahlblech oder zwei Nägel zusammengeschweißt. Dabei kommt der Trafo aber schnell an seine Grenzen und auch die Elektroden sind dafür ungeeignet, weil die Berührungsfläche zu klein ist. Demnächst möchte ich einen Akkupack mit Balancer Anschluss herstellen. Die Zellenverbinder werden dazu mit der Blechschere aus geeignetem Stahlblech geschnitten. 

Kritik

An der hier vorgestellten Box wurde auch Kritik geäußert, die völlig richtig ist und deswegen hier genannt werden soll.

• Die Holzbox sieht zwar gut aus, ist aber für diesen Einsatzzweck nicht zulässig.
• Die grün-gelbe Ader darf nur als Schutzleiter verwendet werden. Ich habe sie benutzt, weil ich keine andere Leitung mit einem Querschnitt von 16mm² gefunden habe.
• Die Leitung, die aus der Box führen, sollten eine richtige Zugentlastung erhalten. Ich habe diese nur mit jeweils einem Kabelbinder realisiert.

Schaltplan

Ich habe den Schaltplan zu Papier gebracht und mich bemüht zu allen Bauteilen ein passendes aus dem Conrad Electronic Katalog zu finden.

 Der Schaltplan ist zu kompliziert?

Es gibt aus China fertige Steuerungen für weniger als 14€ inkl. Versand zu kaufen. Fündig wird man, wenn man nach Suchbegriffen wie z.B: Welding machine; control panel; adjustment time of current; transformer spot welder;... sucht.

 Hier ein Beispiel für $27; $14; $24 

Der Bau eines kompletten Punktschweißgerätes ist in der Artikelbeschreibung auch erläutert. Ich habe mit diesen Steuerungen keine Erfahrungen gemacht, weil ich mit meiner sehr zufrieden bin.

Natürlich kann man dann auch das gesamte Gerät für $100-225 fertig kaufen. Bsp. Aber wo bliebe die Idee vom selber machen? Fertige Akkus gibt es schließlich auch zu kaufen. :) Ich wollte die Möglichkeit hier nur erwähnen, weil ich inzwischen schon mehrfach darauf hingewiesen wurde.

 Fortführung des Themas

Ich habe das Gerät nun schon oft genutzt. Hier habe ich die Ergebnisse dokumentiert: Link

Video vom Schweißvorgang

Auf Wunsch eines Lesers habe ich hier ein kurzes Video mit dem Handy aufgenommen:

 Akkus in Position halten

Ich habe mir immer eine kleine Vorrichtung aus einigen Holzleisten zusammen genagelt. Das ging schnell und einfach. Möchte man öfter Akkupacks bauen lohnt der Bau einer Vorrichtung ähnlich der abgebildeten:

 Nachbauten

Ein Leser hat das Gerät nachgebaut und mir Fotos davon geschickt:

 

Tipps zum Quetschen von großen Kabelschuhen

Ein Leser hat hat mir einen Tipp gegeben, wie man große Kabelschuhe mit wenig Aufwand verquetscht. Professionell gibt es dafür große mechanische oder hydraulische Quetschzangen. Diese gibt es von NoName Herstellern schon ab 50€. Für einmalige Nutzung ist das aber immer noch ziemlich viel.
Billiger geht es mit Hammer & Amboss oder der abgebildeten Vorrichtung. Der Bau sollte selbsterklärend sein. Die große Mutter ist M24 und die sechs kleinen M8 (Festigkeitsklasse ≥8.8).

Steuerung mit Arduino Nano

Ich erhalte regelmäßig Mails von Lesern mit Fragen und Anregungen zum Punktschweißgerät. Der Beitrag hier hat übrigens mehr Aufrufe, als alle anderen zusammen. :)
Justus hat die Steuerung Aufgrund kleinerer Fehlfunktionen bei der von ihm nachgebauten analogen Schaltung mit einem Arduino Nano Every gebaut. 

// - Es gibt es folgende Funktionen:

// - Fussschalter um den Schweissvorgang auszulösen

// - Zeiteinstellung für den Schweissvorgang via Potentiometer

// - Rückmeldung über den Schweissvorgang über eine LED

// - Ausgang, mit welchem der Transistor geschaltet wird, der dann das Relais schaltet, das dann den Trafo ein- und ausschaltet :-)

//

//

// Pinbelegung

// - Fusschalter: D3

// - Potentiometer: A0

// - Ausgang für Transistor: D5

// - Kontrolllampe: (eigentlich extern via Transistor geschaltet. Dazu parallel auf D13 mit der eingebauten LED)

// Pin 13 has an LED connected on most Arduino boards.

int kontrollled  = 13;

int fussschalter =  3;

int zeiteinstellung = A0;

int ausgang      =  5;

int locktime     = 1000; // Ruhezeit zwischen zwei Schweissungen in ms

int pressed      = LOW; // Zustand des Fussschalters

int timevalue    = 0;   // gewählter Wert mit dem Potentiometer

int schweisszeit = 5* timevalue; // Schweisszeit in ms

void setup() {

  // initialize the digital pin as an output.

  pinMode(kontrollled, OUTPUT);

  pinMode(fussschalter, INPUT_PULLUP);

  pinMode(ausgang, OUTPUT);

  digitalWrite(ausgang, LOW);  // Relais ausschalten

}

void loop() {

  pressed = !digitalRead(fussschalter);    // active LOW, d.h. fusschalter gedrückt liefert LOW. Invertieren, damit

                                           // wenn der Fussschalter gedrückt ist, die Variable pressed = HIGH ist

  timevalue = analogRead(zeiteinstellung); // zwischen 0 und 1023

  int schweisszeit = timevalue * 5;        // schweisszeit bis maximal 5 * 1023 = 5115ms

  // Schweissvorgang

  if (pressed) {

    digitalWrite(ausgang, HIGH);      // Schweissvorgang ein

    digitalWrite(kontrollled, HIGH);  // Kontroll-LED einschalten

    delay(schweisszeit);              // warten bis die via Potentiometer eingestellte Schweisszeit abgelaufen ist

    digitalWrite(ausgang, LOW);       // Schweissvorgang unterbrechen

    digitalWrite(kontrollled, LOW);   // Kontroll-LED ausschalten

    delay(locktime);                  // Warten bis die "Auskühlzeit" verstrichen ist.

  }

}