As baterías de litio de carcasa de aluminio cadrada teñen moitas vantaxes, como unha estrutura sinxela, boa resistencia ao impacto, alta densidade de enerxía e gran capacidade de células. Sempre foron a principal dirección da fabricación e desenvolvemento doméstico de baterías de litio, representando máis do 40% do mercado.
A estrutura da batería de litio de carcasa de aluminio cadrada é a que se mostra na figura, que está composta polo núcleo da batería (follas de electrodos positivos e negativos, separador), electrólito, carcasa, tapa superior e outros compoñentes.
Estrutura da batería de litio carcasa de aluminio cadrada
Durante o proceso de fabricación e montaxe de baterías de litio de carcasa de aluminio cadrada, un gran número desoldadura por láserson necesarios procesos, tales como: soldadura de conexións brandas de celas de batería e placas de cobertura, soldadura de selado de placas de cuberta, soldadura de pregos de selado, etc. A soldadura con láser é o principal método de soldadura para baterías de potencia prismática. Debido á súa alta densidade de enerxía, boa estabilidade de enerxía, alta precisión de soldadura, fácil integración sistemática e moitas outras vantaxes,soldadura por láseré insubstituíble no proceso de produción de baterías de litio de carcasa de aluminio prismática. papel.
Plataforma galvanométrica automática Maven de 4 eixesmáquina de soldadura láser de fibra
A costura de soldadura do selo da tapa superior é a costura de soldadura máis longa da batería de carcasa de aluminio cadrada, e tamén é a costura de soldadura que leva máis tempo en soldar. Nos últimos anos, a industria de fabricación de baterías de litio desenvolveuse rapidamente e a tecnoloxía do proceso de soldadura con láser de selado da tapa superior e a súa tecnoloxía de equipos tamén se desenvolveron rapidamente. En función das diferentes velocidades de soldadura e rendemento do equipo, dividimos aproximadamente os equipos e procesos de soldadura con láser da tapa superior en tres épocas. Son a era 1.0 (2015-2017) con velocidade de soldadura <100 mm/s, a era 2.0 (2017-2018) con 100-200 mm/s e a era 3.0 (2019-) con 200-300 mm/s. A continuación introducirase o desenvolvemento da tecnoloxía ao longo do camiño dos tempos:
1. A era 1.0 da tecnoloxía de soldadura con láser de cobertura superior
Velocidade de soldadura＜100 mm/s
De 2015 a 2017, os vehículos nacionais de nova enerxía comezaron a explotar impulsados polas políticas e a industria das baterías de enerxía comezou a expandirse. Non obstante, a acumulación de tecnoloxía e as reservas de talento das empresas nacionais aínda son relativamente pequenas. Os procesos de fabricación de baterías e tecnoloxías de equipos relacionados tamén están na súa infancia, e o grao de automatización dos equipos Os fabricantes de equipos son relativamente baixos e comezaron a prestar atención á fabricación de baterías e aumentar o investimento en investigación e desenvolvemento. Nesta fase, os requisitos de eficiencia de produción da industria para os equipos de selado con láser de batería cadrada adoitan ser de 6-10 PPM. A solución do equipo adoita utilizar un láser de fibra de 1kw para emitir a través dun normalcabeza de soldadura láser(como se mostra na imaxe), e o cabezal de soldadura é accionado por un motor de plataforma servo ou un motor lineal. Movemento e soldadura, velocidade de soldadura 50-100 mm/s.
Usando láser de 1kw para soldar a tapa superior do núcleo da batería
Nosoldadura por láserproceso, debido á relativamente baixa velocidade de soldadura e ao tempo de ciclo térmico relativamente longo da soldadura, a piscina fundida ten tempo suficiente para fluír e solidificar, e o gas protector pode cubrir mellor a piscina fundida, facilitando a obtención dun superficie completa, soldaduras con boa consistencia, como se mostra a continuación.
Formación de cordón de soldadura para soldar a baixa velocidade da tapa superior
En termos de equipamento, aínda que a eficiencia de produción non é alta, a estrutura do equipamento é relativamente sinxela, a estabilidade é boa e o custo do equipamento é baixo, o que satisface as necesidades do desenvolvemento da industria nesta fase e senta as bases para o desenvolvemento tecnolóxico posterior. desenvolvemento. .
Aínda que a era 1.0 de soldeo de selado da tapa superior ten as vantaxes dunha solución de equipo simple, baixo custo e boa estabilidade. Pero as súas limitacións inherentes tamén son moi obvias. En termos de equipamento, a capacidade de conducción do motor non pode satisfacer a demanda de aumento da velocidade; en termos de tecnoloxía, simplemente aumentar a velocidade de soldadura e a potencia de saída do láser para acelerar aínda máis provocará inestabilidade no proceso de soldadura e unha diminución do rendemento: o aumento da velocidade acurta o tempo do ciclo térmico de soldadura e o proceso de fusión do metal é máis intenso, as salpicaduras aumentan, a adaptabilidade ás impurezas será peor e é máis probable que se formen buratos de salpicaduras. Ao mesmo tempo, acúrtase o tempo de solidificación da piscina fundida, o que provocará que a superficie de soldadura sexa áspera e que se reduza a consistencia. Cando o punto láser é pequeno, a entrada de calor non é grande e as salpicaduras pódense reducir, pero a relación profundidade-ancho da soldadura é grande e o ancho da soldadura non é suficiente; cando o punto do láser é grande, hai que introducir unha maior potencia do láser para aumentar o ancho da soldadura. Grande, pero ao mesmo tempo provocará un aumento das salpicaduras de soldadura e unha mala calidade de formación da superficie da soldadura. Baixo o nivel técnico nesta fase, unha maior aceleración significa que o rendemento debe intercambiarse pola eficiencia, e os requisitos de actualización dos equipos e da tecnoloxía de procesos convertéronse en demandas da industria.
2. A era 2.0 da tapa superiorsoldadura por lásertecnoloxía
Velocidade de soldadura 200 mm/s
En 2016, a capacidade instalada de baterías de enerxía de automóbiles en China foi de aproximadamente 30,8 GWh, en 2017 foi de aproximadamente 36 GWh e, en 2018, produciuse unha nova explosión, a capacidade instalada alcanzou os 57 GWh, un aumento interanual do 57%. Os vehículos de pasaxeiros de nova enerxía tamén produciron case un millón, o que supón un incremento interanual do 80,7%. Detrás da explosión da capacidade instalada está a liberación da capacidade de fabricación de baterías de litio. As novas baterías de vehículos de pasaxeiros de enerxía representan máis do 50% da capacidade instalada, o que tamén significa que os requisitos da industria para o rendemento e a calidade da batería serán cada vez máis estritos, e as melloras que se acompañan na tecnoloxía de equipos de fabricación e na tecnoloxía de procesos tamén entraron nunha nova era. : para cumprir os requisitos de capacidade de produción dunha soa liña, a capacidade de produción dos equipos de soldadura con láser de cuberta superior debe aumentarse a 15-20 PPM esoldadura por láserA velocidade debe alcanzar os 150-200 mm/s. Polo tanto, en termos de motores de accionamento, varios fabricantes de equipos teñen A plataforma do motor lineal actualizouse para que o seu mecanismo de movemento cumpra os requisitos de rendemento de movemento para a soldadura de velocidade uniforme de traxectoria rectangular de 200 mm/s; non obstante, como garantir a calidade da soldadura a alta velocidade require novos avances no proceso, e as empresas da industria realizaron moitas exploracións e estudos: En comparación coa era 1.0, o problema que enfrontaba a soldadura a alta velocidade na era 2.0 é: usar láseres de fibra comúns para emitir unha fonte de luz única a través de cabezas de soldadura comúns, a selección é difícil de cumprir o requisito de 200 mm/s.
Na solución técnica orixinal, o efecto de formación de soldadura só se pode controlar configurando opcións, axustando o tamaño do punto e axustando parámetros básicos como a potencia do láser: cando se usa unha configuración cun punto máis pequeno, o oco da chave da piscina de soldadura será pequeno. , a forma da piscina será inestable e a soldadura volverase inestable. O ancho de fusión da costura tamén é relativamente pequeno; cando se utiliza unha configuración cun punto de luz máis grande, o oco da chaveira aumentará, pero a potencia de soldadura aumentará significativamente e as taxas de salpicaduras e buracos de explosión aumentarán significativamente.
Teoricamente, se quere garantir o efecto de formación de soldadura de alta velocidadesoldadura por láserda cuberta superior, debes cumprir os seguintes requisitos:
① A costura de soldadura ten un ancho suficiente e a relación profundidade-ancho da costura de soldadura é adecuada, o que require que o rango de acción térmica da fonte de luz sexa o suficientemente grande e que a enerxía da liña de soldadura estea dentro dun rango razoable;
② A soldadura é suave, o que require que o tempo de ciclo térmico da soldadura sexa o suficientemente longo durante o proceso de soldadura para que a piscina fundida teña suficiente fluidez e a soldadura solidifique nunha soldadura metálica lisa baixo a protección do gas protector;
③ A costura de soldadura ten boa consistencia e poucos poros e buratos. Isto require que durante o proceso de soldadura, o láser actúe de forma estable sobre a peza e o plasma de feixe de alta enerxía se xere continuamente e actúe no interior da piscina fundida. A piscina fundida produce "clave" baixo a forza de reacción do plasma. "burato", o oco da chave é o suficientemente grande e o suficientemente estable, polo que o vapor de metal xerado e o plasma non son fáciles de expulsar e sacar gotas metálicas, formando salpicaduras, e a piscina fundida ao redor do burato non é fácil de colapsar e implicar gas. . Aínda que se queimen obxectos estraños durante o proceso de soldadura e se liberan gases de forma explosiva, un oco máis grande favorece a liberación de gases explosivos e reduce as salpicaduras de metal e os buracos formados.
En resposta aos puntos anteriores, as empresas de fabricación de baterías e as empresas de fabricación de equipos da industria realizaron varios intentos e prácticas: a fabricación de baterías de litio desenvolveuse en Xapón durante décadas e as tecnoloxías de fabricación relacionadas tomaron o liderado.
En 2004, cando a tecnoloxía láser de fibra aínda non se aplicaba comercialmente, Panasonic utilizou láseres de semicondutores LD e láseres YAG bombeados con lámpadas de pulso para a produción mixta (o esquema móstrase na figura seguinte).
Diagrama esquemático da tecnoloxía de soldadura híbrida multiláser e estrutura da cabeza de soldadura
O punto luminoso de alta densidade de potencia xerado pola pulsaciónLáser YAGcun pequeno punto utilízase para actuar sobre a peza para xerar orificios de soldadura para obter a suficiente penetración da soldadura. Ao mesmo tempo, o láser de semicondutores LD úsase para proporcionar un láser continuo CW para prequentar e soldar a peza de traballo. A piscina fundida durante o proceso de soldadura proporciona máis enerxía para obter orificios de soldadura máis grandes, aumentar o ancho da costura de soldadura e prolongar o tempo de peche dos orificios de soldadura, axudando a escapar o gas da piscina fundida e reducindo a porosidade da soldadura. costura, como se mostra a continuación
Diagrama esquemático do híbridosoldadura por láser
Aplicando esta tecnoloxía,Láseres YAGe láseres LD con só uns poucos centos de vatios de potencia pódense usar para soldar caixas finas de baterías de litio a unha alta velocidade de 80 mm/s. O efecto de soldadura é o que se mostra na figura.
Morfoloxía de soldadura baixo diferentes parámetros de proceso
Co desenvolvemento e aumento dos láseres de fibra, os láseres de fibra substituíron gradualmente aos láseres YAG pulsados no procesado de metais con láser debido ás súas moitas vantaxes, como unha boa calidade do feixe, unha alta eficiencia de conversión fotoeléctrica, unha longa vida útil, un mantemento sinxelo e unha alta potencia.
Polo tanto, a combinación de láser na solución de soldadura híbrida con láser anterior evolucionou nun láser de fibra + láser semicondutor LD, e o láser tamén sae coaxialmente a través dun cabezal de procesamento especial (o cabezal de soldadura móstrase na Figura 7). Durante o proceso de soldadura, o mecanismo de acción do láser é o mesmo.
Unión de soldadura con láser composto
Neste plan, o pulsadoLáser YAGsubstitúese por un láser de fibra con mellor calidade de feixe, maior potencia e saída continua, o que aumenta moito a velocidade de soldadura e obtén unha mellor calidade de soldadura (o efecto de soldadura móstrase na Figura 8). Este plan tamén Por iso, é favorecido por algúns clientes. Actualmente, esta solución utilizouse na produción de soldadura de selado da tapa superior da batería de enerxía e pode alcanzar unha velocidade de soldadura de 200 mm/s.
Aspecto da soldadura da tapa superior mediante soldadura láser híbrida
Aínda que a solución de soldadura con láser de dobre lonxitude de onda resolve a estabilidade da soldadura de alta velocidade e cumpre os requisitos de calidade da soldadura de alta velocidade das tapas superiores das células da batería, aínda hai algúns problemas con esta solución desde a perspectiva do equipo e do proceso.
En primeiro lugar, os compoñentes de hardware desta solución son relativamente complexos, que requiren o uso de dous tipos diferentes de láser e unións especiais de soldadura con láser de dobre lonxitude de onda, o que aumenta os custos de investimento dos equipos, aumenta a dificultade de mantemento dos equipos e aumenta o posible fallo dos equipos. puntos;
En segundo lugar, a lonxitude de onda dualsoldadura por lásera articulación utilizada está composta por varios xogos de lentes (ver Figura 4). A perda de potencia é maior que a das xuntas de soldadura ordinarias, e a posición da lente debe axustarse á posición adecuada para garantir a saída coaxial do láser de dobre lonxitude de onda. E centrándose nun plano focal fixo, operación de alta velocidade a longo prazo, a posición da lente pode soltarse, causando cambios no camiño óptico e afectando a calidade da soldadura, requirindo un re-axuste manual;
En terceiro lugar, durante a soldadura, a reflexión do láser é grave e pode danar facilmente equipos e compoñentes. Especialmente cando se reparan produtos defectuosos, a superficie de soldadura lisa reflicte unha gran cantidade de luz láser, o que pode provocar facilmente unha alarma láser e os parámetros de procesamento deben axustarse para a reparación.
Para resolver os problemas anteriores, temos que buscar outra forma de explorar. En 2017-2018, estudamos o swing de alta frecuenciasoldadura por lásertecnoloxía da tapa superior da batería e promoveuno á aplicación de produción. A soldadura oscilante de alta frecuencia con feixe láser (en diante denominada soldadura oscilante) é outro proceso actual de soldadura de alta velocidade de 200 mm/s.
En comparación coa solución de soldadura con láser híbrido, a parte de hardware desta solución só require un láser de fibra común xunto cun cabezal de soldadura láser oscilante.
Cabezal de soldadura oscilante
Dentro do cabezal de soldadura hai unha lente reflectora accionada por motor, que se pode programar para controlar o balance do láser segundo o tipo de traxectoria deseñada (xeralmente circular, en forma de S, en forma de 8, etc.), a amplitude e a frecuencia do balance. Diferentes parámetros de balance poden facer que a sección transversal de soldeo teña diferentes formas e tamaños diferentes.
Soldaduras obtidas baixo diferentes traxectorias de balance
O cabezal de soldadura oscilante de alta frecuencia é accionado por un motor lineal para soldar ao longo do espazo entre as pezas de traballo. Segundo o grosor da parede da capa celular, selecciónase o tipo e amplitude de traxectoria de balance adecuados. Durante a soldadura, o raio láser estático só formará unha sección transversal de soldadura en forma de V. Non obstante, impulsado pola cabeza de soldadura oscilante, o punto do feixe oscila a alta velocidade no plano focal, formando un oco de soldeo dinámico e xiratorio, que pode obter unha relación axeitada entre profundidade e ancho de soldadura;
O oco de soldadura xiratorio move a soldadura. Por unha banda, axuda a escapar do gas e reduce os poros de soldadura, e ten un certo efecto na reparación dos buratos no punto de explosión da soldadura (ver Figura 12). Por outra banda, o metal de soldadura quéntase e arrefríase de forma ordenada. A circulación fai que a superficie da soldadura pareza un patrón de escamas de peixe regular e ordenado.
Formación de costura de soldadura oscilante
Adaptabilidade das soldaduras á contaminación da pintura baixo diferentes parámetros de swing
Os puntos anteriores cumpren os tres requisitos básicos de calidade para a soldadura a alta velocidade da cuberta superior. Esta solución ten outras vantaxes:
① Dado que a maior parte da potencia do láser se inxecta no oco dinámico, o láser disperso externo redúcese, polo que só se necesita unha potencia de láser menor e a entrada de calor da soldadura é relativamente baixa (30% menos que a soldadura composta), o que reduce o equipo. perda e perda de enerxía;
② O método de soldadura oscilante ten unha alta adaptabilidade á calidade de montaxe das pezas e reduce os defectos causados por problemas como os pasos de montaxe;
③O método de soldadura oscilante ten un forte efecto de reparación nos buracos de soldadura e a taxa de rendemento de usar este método para reparar os buratos de soldadura do núcleo da batería é moi alta;
④O sistema é sinxelo e a depuración e mantemento do equipo son sinxelos.
3. A era 3.0 da tecnoloxía de soldadura con láser de cobertura superior
Velocidade de soldadura 300 mm/s
A medida que as novas subvencións á enerxía seguen diminuíndo, case toda a cadea industrial da industria de fabricación de baterías caeu nun mar vermello. A industria tamén entrou nun período de reorganización e aumentou aínda máis a proporción de empresas líderes con vantaxes de escala e tecnolóxicas. Pero ao mesmo tempo, "mellorar a calidade, reducir custos e aumentar a eficiencia" converterase no tema principal de moitas empresas.
No período de subvencións baixas ou nulas, só logrando actualizacións iterativas da tecnoloxía, logrando unha maior eficiencia de produción, reducindo o custo de fabricación dunha soa batería e mellorando a calidade do produto podemos ter unha oportunidade extra de gañar na competición.
Han's Laser segue investindo en investigación sobre tecnoloxía de soldadura de alta velocidade para as tapas superiores das células de batería. Ademais dos varios métodos de proceso introducidos anteriormente, tamén estuda tecnoloxías avanzadas como a tecnoloxía de soldadura con láser por puntos anulares e a tecnoloxía de soldadura con láser galvanómetro para as tapas superiores das células da batería.
Para mellorar aínda máis a eficiencia da produción, explore a tecnoloxía de soldadura da tapa superior a 300 mm/s e unha velocidade superior. Han's Laser estudou o selado de soldadura con láser de galvanómetro de dixitalización en 2017-2018, superando as dificultades técnicas da difícil protección de gases da peza durante a soldadura galvanométrica e o mal efecto de formación da superficie de soldadura, e logrando 400-500 mm/s.soldadura por láserda tapa superior da cela. A soldadura leva só 1 segundo para unha batería 26148.
Non obstante, debido á alta eficiencia, é extremadamente difícil desenvolver equipos de apoio que coincidan coa eficiencia e o custo do equipo é elevado. Polo tanto, non se realizou ningún desenvolvemento de aplicacións comerciais para esta solución.
Co desenvolvemento ulterior deláser de fibratecnoloxía, lanzáronse novos láseres de fibra de alta potencia que poden emitir directamente puntos de luz en forma de anel. Este tipo de láser pode emitir puntos láser de anel puntual a través de fibras ópticas multicapa especiais, e a forma do punto e a distribución de enerxía pódense axustar, como se mostra na figura.
Soldaduras obtidas baixo diferentes traxectorias de balance
A través do axuste, a distribución da densidade de potencia do láser pódese facer nunha forma de rosquilla-tophat. Este tipo de láser denomínase Coroa, como se mostra na figura.
Feixe láser axustable (respectivamente: luz central, luz central + luz anular, luz anular, dúas luces anulares)
En 2018, probouse a aplicación de múltiples láseres deste tipo na soldadura de tapas superiores das células de batería de carcasa de aluminio e, baseándose no láser Corona, lanzouse a investigación sobre a solución de tecnoloxía de proceso 3.0 para a soldadura con láser das tapas superiores das baterías. Cando o láser Corona realiza unha saída en modo de anel puntual, as características de distribución da densidade de potencia do seu feixe de saída son similares á saída composta dun láser de semicondutor + fibra.
Durante o proceso de soldadura, a luz do punto central con alta densidade de potencia forma un oco para a soldadura de penetración profunda para obter unha penetración suficiente da soldadura (semellante á saída do láser de fibra na solución de soldadura híbrida), e a luz do anel proporciona unha maior entrada de calor. amplía o oco da pechadura, reduce o impacto do vapor de metal e do plasma sobre o metal líquido no bordo da pechadura, reduce a salpicadura de metal resultante e aumenta o tempo de ciclo térmico da soldadura, axudando a que o gas da piscina fundida escapa durante un tempo. máis tempo, mellorando a estabilidade dos procesos de soldadura de alta velocidade (semellante á saída dos láseres de semicondutores en solucións de soldadura híbridas).
Na proba, soldamos baterías de capa fina e descubrimos que a consistencia do tamaño da soldadura era boa e que a capacidade de proceso CPK era boa, como se mostra na Figura 18.
Aspecto da soldadura da tapa superior da batería cun espesor de parede de 0,8 mm (velocidade de soldadura 300 mm/s)
En canto ao hardware, a diferenza da solución de soldadura híbrida, esta solución é sinxela e non require dous láseres nin un cabezal de soldadura híbrido especial. Só require un cabezal de soldadura láser de alta potencia común (xa que só unha fibra óptica produce un láser de lonxitude de onda única, a estrutura da lente é sinxela, non se precisa ningún axuste e a perda de enerxía é baixa), facilitando a depuración e o mantemento. , e a estabilidade do equipo mellora moito.
Ademais do sistema sinxelo da solución de hardware e de cumprir os requisitos do proceso de soldadura de alta velocidade da tapa superior da pila da batería, esta solución ten outras vantaxes nas aplicacións de proceso.
Na proba, soldamos a tapa superior da batería a unha alta velocidade de 300 mm/s, e aínda conseguimos bos efectos de formación de costuras de soldadura. Ademais, para cunchas con diferentes grosores de parede de 0,4, 0,6 e 0,8 mm, só Axustando o modo de saída do láser pódese realizar unha boa soldadura. Non obstante, para as solucións de soldadura híbrida con láser de dobre lonxitude de onda, é necesario cambiar a configuración óptica do cabezal de soldadura ou do láser, o que traerá maiores custos de equipamento e custos de tempo de depuración.
Polo tanto, o punto do anelsoldadura por láserA solución non só pode conseguir soldar a tapa superior a ultra-alta velocidade a 300 mm/s e mellorar a eficiencia de produción das baterías de enerxía. Para as empresas de fabricación de baterías que necesitan cambios frecuentes de modelo, esta solución tamén pode mellorar moito a calidade dos equipos e produtos. compatibilidade, acurtando o tempo de cambio de modelo e depuración.
Aspecto da soldadura da tapa superior da batería cun espesor de parede de 0,4 mm (velocidade de soldadura 300 mm/s)
Aspecto da soldadura da tapa superior da batería cun espesor de parede de 0,6 mm (velocidade de soldadura 300 mm/s)
Penetración de soldadura con láser Corona para soldadura de células de parede delgada - Capacidades de proceso
Ademais do láser Corona mencionado anteriormente, os láseres AMB e ARM teñen características de saída óptica similares e pódense usar para resolver problemas como mellorar as salpicaduras de soldadura con láser, mellorar a calidade da superficie de soldadura e mellorar a estabilidade da soldadura a alta velocidade.
4. Resumo
As diversas solucións mencionadas anteriormente úsanse na produción real por empresas de fabricación de baterías de litio nacionais e estranxeiras. Debido ao diferente tempo de produción e aos diferentes antecedentes técnicos, as diferentes solucións de procesos utilízanse amplamente na industria, pero as empresas teñen maiores requisitos de eficiencia e calidade. Mellora constantemente, e en breve máis novas tecnoloxías serán aplicadas por empresas á vangarda tecnolóxica.
A nova industria de baterías de enerxía de China comezou relativamente tarde e desenvolveuse rapidamente impulsada polas políticas nacionais. As tecnoloxías relacionadas continuaron avanzando cos esforzos conxuntos de toda a cadea da industria e acurtaron amplamente a diferenza con destacadas empresas internacionais. Como fabricante doméstico de equipos de baterías de litio, Maven tamén está a explorar constantemente as súas propias áreas de vantaxe, axudando a actualizacións iterativas dos equipos de baterías e proporcionando mellores solucións para a produción automatizada de novos paquetes de módulos de baterías de almacenamento de enerxía.
Hora de publicación: 19-09-2023
