Рис. 1. Установка для лазерной сварки цилиндрических модулей литий-ионных аккумуляторов. (Источник изображения: Photon Automation)
Цилиндрические литий-ионные-аккумуляторы (например, модели 18650, 21700 и более крупные модели 4680) широко используются в портативной электронике, электроинструментах, системах хранения энергии и особенно в электромобилях благодаря их высокой плотности энергии, стандартизированной конструкции и проверенной надежности. В этих батареях в качестве материала корпуса обычно используется никелированная- сталь (Хилумин), поскольку никелевое покрытие обеспечивает коррозионную стойкость, а стальная подложка обеспечивает структурную прочность, позволяющую противостоять внутреннему давлению и механическим нагрузкам.
Чтобы соответствовать конкретным требованиям к конструкции и производительности, в некоторых цилиндрических элементах диаметром 46 мм используются различные материалы корпуса, такие как алюминий и никелированная-сталь. Критической проблемой при производстве модулей или аккумуляторных батарей является сварка алюминия и стали вместе из-за значительных различий в их термических свойствах и поведении при сварке.
Создание цилиндрических аккумуляторных модулей или блоков включает в себя расположение ячеек (отдельных аккумуляторных блоков) по определенной схеме и их последовательное или параллельное соединение в соответствии с требованиями к напряжению и току применения. Эта конфигурация позволяет производителям настраивать общую энергоемкость и выходную мощность аккумуляторной батареи в соответствии с требованиями конкретных приложений, таких как электромобили или стационарные системы хранения энергии. Ячейки обычно соединяются между собой алюминиевыми шинами толщиной 0,3–0,6 мм, которые затем свариваются лазером-для достижения надежных электрических соединений (см. Рисунок 1). Никелированная сталь-, используемая для изготовления корпусов аккумуляторов, обычно имеет толщину 0,4–0,6 мм, в зависимости от конструкции элемента и марки производителя.
В электромобилях сварные швы, соединяющие алюминиевые шины с аккумуляторными элементами, должны сохранять высокую структурную целостность и электропроводность в суровых динамических условиях, включая удары, вибрацию и термоциклирование. Поэтому точная и надежная лазерная сварка имеет решающее значение для долгосрочной-работы и безопасности аккумулятора. Лазерная сварка исключительно хорошо-подходит для такого сценария сборки. Он обеспечивает высокопрочные-чистые соединения с низким тепловложением и минимальной деформацией. Эти характеристики жизненно важны для решения проблем, возникающих при сварке алюминия с никелированной сталью.
Образование хрупких интерметаллических соединений (ИМС)
Основной проблемой при сварке является образование хрупких интерметаллических соединений (ИМС), которые значительно снижают прочность соединения и электропроводность. Эта проблема связана с разными свойствами алюминия и стали, в частности с их неодинаковыми термическими реакциями: алюминий плавится и расширяется быстрее, чем сталь, создавая термические напряжения, которые способствуют росту IMC во время сварки. Эти IMC,-такие как соединения железа-алюминия FeAl₃ и Fe₂Al₅-, обычно имеют хрупкую текстуру, которая ослабляет прочность соединения, что приводит к зарождению трещин, снижению прочности и повышенной восприимчивости к коррозии.
Образование и общий объем IMC во время сварки критически влияют на качество сварного шва и его-долгосрочную эксплуатацию. По мере увеличения объема IMC хрупкость соединения усиливается, механическая прочность снижается, а вероятность разрушения, вызванного напряжением, возрастает. Более глубокое проплавление сварного шва обычно увеличивает общий объем ИМК, подчеркивая необходимость точного контроля параметров сварки для обеспечения высокой прочности, надежности и долговечности соединения.
Обширные исследования показывают, что поддержание тонкого и однородного слоя IMC (обычно от 2 до 10 мкм) обеспечивает более высокую прочность на сдвиг. Эти тонкие слои обеспечивают эффективное металлургическое соединение, сводя к минимуму хрупкость соединения. Однако, когда толщина слоя IMC превышает 15 мкм, его хрупкость часто приводит к снижению прочности на разрыв из-за склонности к зарождению и распространению трещин под нагрузкой (см. Рисунок 2).
Рисунок 2: Влияние толщины слоя IMC на прочность на разрыв. (Источник изображения: Х. Хе и др.) [1]
Для решения этой проблемы более эффективным подходом является увеличение площади сопряжения сварного шва, а не полагаться только на большую глубину проплавления. Расширение площади интерфейса улучшает металлургическое соединение, ограничивая при этом общий объем ИМК. Это снижает хрупкость и способствует более равномерному распределению напряжений в соединении, тем самым повышая надежность. Этого эффекта можно достичь за счет сочетания лазерных импульсов с технологией сканирования луча для точного контроля тепловложения и формирования границы раздела, минимизируя рост IMC.
Компания Photon Automation разработала усовершенствованные контроллеры импульсов и мощности, способные управлять лазерами с точностью до микросекунды-, что позволяет настраивать форму импульсов. Благодаря точной-настройке формы импульса локализованное тепловое напряжение снижается, сохраняются идеальные механические свойства материала, сводится к минимуму зона-зоны термического влияния (ЗТВ) и увеличивается срок службы детали. WonderBOARD компании также взаимодействует с контроллерами гальвозеркал, обеспечивая равномерное распределение лазерной энергии по заготовкам. Это предотвращает образование горячих точек и неравномерный нагрев, вызванный быстрым движением луча.
Лазерный импульс и контроль колебаний луча для формирования ИМК
Импульсные лазеры обеспечивают превосходный контроль теплового воздействия, снижая риск переплавления или разбрызгивания. Интервалы охлаждения между импульсами минимизируют накопление тепла, помогая предотвратить такие дефекты, как прожоги-или искажения. При сварке тонких-материалов или соединения разнородных металлов (например, алюминия-с-сталью импульсная технология также повышает стабильность ванны расплава.
Динамическое сканирование лазерного луча по зоне сварки с помощью гальванометра обеспечивает равномерное распределение энергии. Это предотвращает краевые эффекты (чрезмерное проплавление, подрезы или горячие точки, вызванные длительной задержкой в начале/конце пути сварки). Технология колебаний также позволяет создавать индивидуальные профили сварных швов (например, круглые, спиральные или пилообразные) для повышения механической прочности и однородности соединения.
Сочетание пульсации и колебаний создает высококонтролируемую среду сварки, которая сводит к минимуму температурные градиенты, оптимизирует металлургическое соединение и обеспечивает более равномерное распределение напряжений. Этот подход особенно важен при производстве аккумуляторов, поскольку позволяет точно контролировать энергию, чтобы избежать повреждения чувствительных компонентов или изолированных участков.
Вторая задача заключается в достижении точного позиционирования сварного шва и стабильного качества сварки.
В конструкциях цилиндрических ячеек как положительные, так и отрицательные электроды расположены на верхней поверхности-колпачок центрального электрода служит положительным электродом, а окружающая кольцевая область действует как отрицательный электрод. Такая компоновка ограничивает доступную зону сварки, требуя предельной точности позиционирования лазера. Даже незначительное смещение может привести к недостаточной прочности сварного шва, внутренним повреждениям или коротким замыканиям, что увеличивает риск отказа элемента и, в тяжелых случаях, может вызвать температурный разгон.
Во время сборки эти аккумуляторные модули обычно содержат сотни плотно упакованных ячеек. Незначительные изменения высоты ячеек, вызванные производственными допусками или обращением, могут привести к неравномерному контакту между шиной или сварочным инструментом и ячейками. Если не принять надлежащие меры, этот нестабильный контакт приводит к ухудшению качества сварки, ухудшению электрических соединений и долгосрочным-проблемам с производительностью.
Чтобы преодолеть эти проблемы, производители полагаются на две основные системы: системы машинного зрения и оптическую когерентную томографию (ОКТ).
Системы технического зрения обнаруживают и определяют местонахождение положительной клеммы (центральная крышка) и отрицательной клеммы (внешнее кольцо/край) каждой цилиндрической ячейки. Кроме того, системы технического зрения компенсируют отклонения-меж-ячеек/допуски и отклонения от выравнивания приспособлений, направляя лазерный луч в правильное положение сварки, избегая при этом контакта с изоляционными слоями или краевыми областями. Это обеспечивает стабильную, высокоточную-сварку модулей, содержащих сотни ячеек.
OCT измеряет высоту каждой ячейки перед сваркой, чтобы обнаружить малейшие изменения высоты. Он динамически регулирует положение фокуса лазера с помощью коллимирующей линзы с электроприводом, обеспечивая постоянную фокусировку лазера на точной плоскости сварного шва. Это повышает качество и надежность сварки в автоматизированных производственных средах, где между элементами внутри аккумуляторного модуля могут существовать незначительные различия по высоте.
Мониторинг сварочного процесса и сбор данных: основа искусственного интеллекта
Внедрение системы лазерного мониторинга сварки (LWM) — важнейший шаг на пути к управлению процессом на основе-ИИ. Во время взаимодействия лазерного-материала энергия выделяется в нескольких формах: плазменное излучение (длина ультрафиолета), тепловое излучение (длина инфракрасного диапазона), обратное отражение (фактическая длина волны лазера) и мощность лазера, передаваемая через оптические компоненты. Каждый из этих сигналов содержит ценную информацию о параметрах сварочного процесса.
Датчики на базе фотодиодов-снимают информацию об излучении в режиме реального времени и сравнивают ее со справочными данными для получения высококачественных-сварных швов. Этот непрерывный сбор данных помогает выявлять такие дефекты, как непровары, пропущенные сварные швы или непостоянная глубина провара. Со временем накопление данных процесса с высоким-разрешением обеспечивает основу для обучения моделей ИИ. Эти модели позволяют обнаруживать закономерности, прогнозировать сбои и обеспечивать оптимизацию-замкнутого цикла сварочного процесса.
Проверка разработки процесса качества сварки
При лазерной сварке цилиндрических литий-ионных-аккумуляторов обеспечение целостности внутренних сварных швов имеет решающее значение для обеспечения безопасности и производительности аккумулятора. Во время сварки особое внимание необходимо уделять защите любых пластиковых или резиновых материалов под верхней поверхностью: чрезмерное тепловложение, неправильные параметры лазера или чрезмерная глубина проникновения могут повредить нижележащие изоляционные слои или пластиковые/резиновые конструктивные элементы, что приведет к короткому замыканию, утечке, механическому повреждению или тепловому выходу из строя.
Рисунок 3: 3D-КТ-изображение, показывающее детали проплавления сварного шва. (Источник изображения: Photon Automation)
Компьютерная томография (КТ) позволяет проводить не-проверку сварных соединений с высоким-разрешением, предоставляя 2D и 3D данные, которые выявляют внутренние дефекты сварного шва, такие как пористость, неравномерность провара на границе раздела сварных швов или недостаточный провар (см. рис. 3). Эти данные 3D-КТ помогают разрабатывать процессы, проверяя качество сварного шва и определяя, достигает ли провар герметизирующих или изоляционных материалов, тем самым лучше предотвращая такие проблемы во время сварки.
