Подробно обяснение на технологията за лазерно заваряване на алуминиеви батерии с корпус

Литиевите батерии с квадратна алуминиева обвивка имат много предимства, като например проста структура, добра устойчивост на удар, висока енергийна плътност и голям капацитет на клетките. Те винаги са били основната насока в производството и развитието на литиеви батерии в страната, представлявайки повече от 40% от пазара.

Структурата на литиево-йонната батерия с квадратна алуминиева обвивка е показана на фигурата и се състои от ядро ​​на батерията (положителни и отрицателни електродни листове, сепаратор), електролит, обвивка, горен капак и други компоненти.

Структура на литиева батерия с квадратна алуминиева обвивка

По време на производствения и монтажния процес на литиеви батерии с квадратна алуминиева обвивка, голям бройлазерно заваряванеНеобходими са процеси, като например: заваряване на меки връзки на батерийни клетки и покривни плочи, заваряване на уплътнения на покривни плочи, заваряване на уплътнителни пирони и др. Лазерното заваряване е основният метод за заваряване на призматични батерии. Поради високата си енергийна плътност, добрата стабилност на мощността, високата прецизност на заваряване, лесната систематична интеграция и много други предимства,лазерно заваряванее незаменим в производствения процес на призматични алуминиеви литиеви батерии. роля.

Maven 4-осна автоматична галванометрична платформамашина за фибро лазерно заваряване

Заваръчният шев на уплътнението на горния капак е най-дългият заваръчен шев в квадратната алуминиева батерия и е и заваръчният шев, който отнема най-дълго време за заваряване. През последните години индустрията за производство на литиеви батерии се развива бързо, както и технологията на лазерното заваряване за уплътняване на горния капак и технологията на оборудването. Въз основа на различната скорост на заваряване и производителност на оборудването, грубо разделяме оборудването и процесите за лазерно заваряване на горния капак на три епохи. Това са ера 1.0 (2015-2017) със скорост на заваряване <100 мм/сек, ера 2.0 (2017-2018) със 100-200 мм/сек и ера 3.0 (2019-) с 200-300 мм/сек. Следното ще представи развитието на технологиите по пътя на времето:

1. Ерата 1.0 на технологията за лазерно заваряване на горния капак

Скорост на заваряване100 мм/сек

От 2015 до 2017 г., в резултат на политики, започна бум на местните превозни средства с нова енергия, а индустрията за батерии започна да се разраства. Въпреки това, натрупването на технологии и резервите от таланти на местните предприятия все още са сравнително малки. Свързаните с това процеси за производство на батерии и технологии за оборудване също са в начален стадий, а степента на автоматизация на оборудването е сравнително ниска. Производителите на оборудване едва сега започват да обръщат внимание на производството на батерии и да увеличават инвестициите в научноизследователска и развойна дейност. На този етап изискванията за производствена ефективност на индустрията за лазерно запечатване на квадратни батерии обикновено са 6-10 ppm. Решението за оборудване обикновено използва 1kw фибърен лазер за излъчване чрез обикновен...лазерна заваръчна глава(както е показано на снимката), а заваръчната глава се задвижва от серво платформен мотор или линеен мотор. Движение и заваряване, скорост на заваряване 50-100 мм/сек.

Използване на 1kw лазер за заваряване на горния капак на сърцевината на батерията

Влазерно заваряванеПроцесът, поради относително ниската скорост на заваряване и относително дългия термичен цикъл на заварката, разтопената вана има достатъчно време да се разлее и втвърди, а защитният газ може по-добре да покрие разтопената вана, което улеснява получаването на гладка и пълна повърхност, заварки с добра консистенция, както е показано по-долу.

Формиране на заваръчен шев за нискоскоростно заваряване на горния капак

По отношение на оборудването, въпреки че ефективността на производството не е висока, структурата на оборудването е сравнително проста, стабилността е добра, а цената на оборудването е ниска, което добре отговаря на нуждите на развитието на индустрията на този етап и полага основите за последващо технологично развитие.

Въпреки че заваряването с горен капак от ерата 1.0 има предимствата на просто оборудване, ниска цена и добра стабилност, присъщите му ограничения също са много очевидни. По отношение на оборудването, капацитетът на задвижващия двигател не може да отговори на изискванията за по-нататъшно увеличаване на скоростта; по отношение на технологията, простото увеличаване на скоростта на заваряване и мощността на лазера за по-нататъшно ускоряване ще доведе до нестабилност в процеса на заваряване и намаляване на добива: увеличаването на скоростта скъсява времето на термичния цикъл на заваряване и металът се топи по-интензивно, пръските се увеличават, адаптивността към примеси ще бъде по-лоша и е по-вероятно да се образуват дупки от пръски. В същото време времето за втвърдяване на разтопената вана се скъсява, което ще доведе до грапавост на заваръчния шев и намаляване на консистенцията. Когато лазерното петно ​​е малко, вложената топлина не е голяма и пръските могат да бъдат намалени, но съотношението дълбочина-ширина на заваръчния шев е голямо и ширината на заваръчния шев не е достатъчна; когато лазерното петно ​​е голямо, е необходима по-голяма лазерна мощност, за да се увеличи ширината на заваръчния шев. Голямо, но в същото време ще доведе до увеличено заваръчно пръскане и лошо качество на повърхностно оформяне на заваръчния шев. При техническо ниво на този етап, по-нататъшното ускорение означава, че добивът трябва да бъде заменен с ефективност, а изискванията за модернизиране на оборудването и технологичните процеси са се превърнали в изисквания на индустрията.

2. Ерата 2.0 на горната корицалазерно заваряванетехнология

Скорост на заваряване 200 мм/сек

През 2016 г. инсталираният капацитет на автомобилните батерии в Китай е бил приблизително 30,8 GWh, през 2017 г. е бил приблизително 36 GWh, а през 2018 г. е настъпил нов бум, като инсталираният капацитет достигна 57 GWh, което е увеличение с 57% на годишна база. Новите енергийни пътнически превозни средства също произведоха близо един милион бройки, което е увеличение с 80,7% на годишна база. Зад експлозията в инсталирания капацитет стои освобождаването на производствения капацитет на литиеви батерии. Новите енергийни пътнически превозни средства представляват повече от 50% от инсталирания капацитет, което също означава, че изискванията на индустрията за производителност и качество на батериите ще стават все по-строги, а съпътстващите подобрения в технологията на производственото оборудване и технологичните процеси също навлязоха в нова ера: за да се отговори на изискванията за производствен капацитет на една линия, производственият капацитет на оборудването за лазерно заваряване с горен капак трябва да се увеличи до 15-20 PPM.лазерно заваряванескоростта трябва да достигне 150-200 мм/сек. Следователно, по отношение на задвижващите двигатели, различни производители на оборудване са... Платформата с линейни двигатели е обновена, така че нейният механизъм за движение да отговаря на изискванията за производителност на движение за правоъгълна траектория с равномерна скорост от 200 мм/сек; обаче, как да се гарантира качеството на заваряване при високоскоростно заваряване, изисква допълнителни пробиви в процеса и компаниите в индустрията са провели много проучвания и изследвания: В сравнение с ерата 1.0, проблемът, пред който е изправено високоскоростното заваряване в ерата 2.0, е: използването на обикновени влакнести лазери за извеждане на точков източник на светлина чрез обикновени заваръчни глави, изборът е труден за постигане на изискването от 200 мм/сек.

В оригиналното техническо решение, ефектът на заваряване може да се контролира само чрез конфигуриране на опции, регулиране на размера на петното и регулиране на основни параметри, като например мощността на лазера: при използване на конфигурация с по-малко петно, отворът на заваръчната вана ще бъде малък, формата на вана ще бъде нестабилна и заваряването ще стане нестабилно. Ширината на заваряването на шева също е относително малка; при използване на конфигурация с по-голямо светлинно петно, отворът ще се увеличи, но заваръчната мощност ще се увеличи значително, а скоростта на разпръскване и взривяване ще се увеличи значително.

Теоретично, ако искате да осигурите ефекта на образуване на заварка при висока скоростлазерно заваряванена горния капак, трябва да отговаряте на следните изисквания:

① Заваръчният шев е с достатъчна ширина и съотношението дълбочина към ширина на заваръчния шев е подходящо, което изисква обхватът на топлинно действие на светлинния източник да е достатъчно голям, а енергията на заваръчната линия да е в разумен диапазон;

② Заварката е гладка, което изисква времето за термичен цикъл на заварката да бъде достатъчно дълго по време на процеса на заваряване, така че разтопената вана да има достатъчна течливост и заварката да се втвърди в гладък метален заваръчен шев под защитата на защитния газ;

③ Заваръчният шев е с добра консистенция и малко пори и дупки. Това изисква по време на заваръчния процес лазерът да действа стабилно върху детайла, а високоенергийният плазмен лъч да се генерира непрекъснато и да действа върху вътрешната страна на разтопената вана. Разтопената вана образува „отвор“ под действието на плазмената реакционна сила. „Отворът“ е достатъчно голям и стабилен, така че генерираните метални пари и плазма да не се изхвърлят лесно и да не се отделят метални капки, образувайки пръски, а разтопената вана около отвора не се разпада лесно и не включва газ. Дори ако по време на заваръчния процес изгорят чужди предмети и се отделят експлозивно газове, по-големият отвор е по-благоприятен за отделянето на експлозивни газове и намалява пръските на метала и образуването на дупки.

В отговор на горепосочените точки, компаниите за производство на батерии и компаниите за производство на оборудване в индустрията са предприели различни опити и практики: Производството на литиеви батерии се развива в Япония от десетилетия и свързаните с него производствени технологии са поели водеща роля.

През 2004 г., когато технологията за фибролазери все още не беше широко комерсиално приложена, Panasonic използваше LD полупроводникови лазери и импулсни YAG лазери с лампово напомпване за смесен изход (схемата е показана на фигурата по-долу).

Схематична диаграма на мултилазерна хибридна заваръчна технология и структура на заваръчната глава

Светлинното петно ​​с висока плътност на мощността, генерирано от импулснотоYAG лазерс малка точка се използва за въздействие върху детайла, за да се генерират заваръчни отвори и да се получи достатъчно проникване на заварката. В същото време, LD полупроводниковият лазер се използва за осигуряване на непрекъснат лазер за предварително нагряване и заваряване на детайла. Разтопената вана по време на процеса на заваряване осигурява повече енергия за получаване на по-големи заваръчни отвори, увеличаване на ширината на заваръчния шев и удължаване на времето за затваряне на заваръчните отвори, като помага на газа от разтопената вана да излезе и намалява порьозността на заваръчния шев, както е показано по-долу.

Схематична диаграма на хибридалазерно заваряване

Прилагайки тази технология,YAG лазерии LD лазери с мощност само от няколкостотин вата могат да се използват за заваряване на тънки корпуси на литиеви батерии с висока скорост от 80 мм/сек. Заваръчният ефект е показан на фигурата.

Морфология на заваръчния шев при различни параметри на процеса

С развитието и появата на влакнестите лазери, те постепенно заменят импулсните YAG лазери в лазерната обработка на метали, поради многобройните си предимства, като добро качество на лъча, висока ефективност на фотоелектрическото преобразуване, дълъг живот, лесна поддръжка и висока мощност.

Следователно, лазерната комбинация в горното решение за лазерно хибридно заваряване се е развила във влакнест лазер + LD полупроводников лазер, като лазерът също се подава коаксиално през специална обработваща глава (заваръчната глава е показана на Фигура 7). По време на процеса на заваряване механизмът на действие на лазера е същият.

Композитно лазерно заварено съединение

В този план, импулсниятYAG лазерсе заменя с фибро лазер с по-добро качество на лъча, по-голяма мощност и непрекъснат изход, което значително увеличава скоростта на заваряване и постига по-добро качество на заваряване (ефектът на заваръчния ефект е показан на Фигура 8). Следователно, този план е предпочитан от някои клиенти. В момента това решение се използва в производството на уплътнителни заварки на горния капак на батерии и може да достигне скорост на заваряване от 200 мм/сек.

Външен вид на заварката на горния капак чрез хибридно лазерно заваряване

Въпреки че решението за лазерно заваряване с двойна дължина на вълната решава проблема със стабилността на заварката при високоскоростно заваряване и отговаря на изискванията за качество на заварката при високоскоростно заваряване на горните капаци на батерийни клетки, все още има някои проблеми с това решение от гледна точка на оборудването и процеса.

Преди всичко, хардуерните компоненти на това решение са сравнително сложни, изискващи използването на два различни вида лазери и специални лазерни заваръчни съединения с двойна дължина на вълната, което увеличава инвестиционните разходи за оборудване, увеличава трудността за поддръжка на оборудването и увеличава потенциалните точки на повреда на оборудването;

Второ, двойната дължина на вълнаталазерно заваряванеИзползваната връзка е съставена от множество комплекти лещи (вижте Фигура 4). Загубата на мощност е по-голяма от тази при обикновените заваръчни връзки и позицията на лещата трябва да се регулира в подходяща позиция, за да се осигури коаксиалният изход на лазера с двойна дължина на вълната. При фокусиране върху фиксирана фокална равнина и продължителна работа с висока скорост, позицията на лещата може да се разхлаби, което да доведе до промени в оптичния път и да повлияе на качеството на заваряване, изисквайки ръчно повторно регулиране.

Трето, по време на заваряване лазерното отражение е силно и може лесно да повреди оборудването и компонентите. Особено при ремонт на дефектни продукти, гладката заваръчна повърхност отразява голямо количество лазерна светлина, което лесно може да предизвика лазерна аларма и параметрите на обработка трябва да бъдат коригирани за ремонт.

За да решим гореспоменатите проблеми, трябва да намерим друг начин за изследване. През 2017-2018 г. изучихме високочестотното колебаниелазерно заваряванетехнология на горния капак на батерията и я популяризира в производствено приложение. Високочестотното лазерно заваряване с люлеене (наричано по-долу люлеещо се заваряване) е друг съвременен високоскоростен процес на заваряване от 200 мм/сек.

В сравнение с хибридното лазерно заваръчно решение, хардуерната част на това решение изисква само обикновен фибърен лазер, съчетан с осцилираща лазерна заваръчна глава.

заваръчна глава с клатене

Вътре в заваръчната глава има моторно задвижвана отразяваща леща, която може да бъде програмирана да контролира люлеенето на лазера според проектирания тип траектория (обикновено кръгла, S-образна, 8-образна и др.), амплитудата и честотата на люлеене. Различните параметри на люлеене могат да направят напречното сечение на заваряването да се предлага в различни форми и размери.

Заварки, получени при различни траектории на люлеене

Високочестотната въртяща се заваръчна глава се задвижва от линеен двигател, за да заварява по дължината на пролуката между детайлите. В зависимост от дебелината на стената на корпуса на клетката се избира подходящ вид и амплитуда на въртене. По време на заваряване статичният лазерен лъч ще образува само V-образно напречно сечение на заварката. Задвижван от въртящата се заваръчна глава обаче, точката на лъча се люлее с висока скорост във фокалната равнина, образувайки динамичен и въртящ се заваръчен отвор, който може да постигне подходящо съотношение дълбочина-ширина на заварката;

Въртящата се заваръчна ключалка раздвижва заваръчния шев. От една страна, тя помага за излизането на газа и намалява порите на заваръчния шев, както и има известен ефект върху поправянето на отворите в точката на експлозия на заваръчния шев (виж Фигура 12). От друга страна, заваръчният метал се нагрява и охлажда по организиран начин. Циркулацията прави повърхността на заваръчния шев да изглежда като правилна и организирана шарка на рибена люспа.

Формиране на шевове с въртящо се заваряване

Адаптивност на заваръчните шевове към замърсяване с боя при различни параметри на люлеене

Горните точки отговарят на трите основни изисквания за качество при високоскоростно заваряване на горния капак. Това решение има и други предимства:

① Тъй като по-голямата част от лазерната мощност се инжектира в динамичния отвор за ключалката, външният разсеян лазер е намален, така че е необходима само по-малка лазерна мощност, а вложената топлина при заваряване е сравнително ниска (30% по-малка от композитното заваряване), което намалява загубите на оборудване и загубата на енергия;

② Методът на заваряване с люлеене има висока адаптивност към качеството на сглобяване на детайлите и намалява дефектите, причинени от проблеми като стъпките на сглобяване;

③Методът на заваряване с люлеене има силен ремонтен ефект върху заваръчните отвори, а процентът на добив при използване на този метод за ремонт на заваръчните отвори на сърцевината на батерията е изключително висок;

④Системата е проста, а отстраняването на грешки и поддръжката на оборудването са лесни.

3. Ерата 3.0 на технологията за лазерно заваряване на горния капак

Скорост на заваряване 300 мм/сек

Тъй като новите енергийни субсидии продължават да намаляват, почти цялата индустриална верига на производството на батерии е попаднала в червено море. Индустрията също така е навлязла в период на преструктуриране и делът на водещите компании с мащабни и технологични предимства се е увеличил допълнително. Но в същото време „подобряване на качеството, намаляване на разходите и повишаване на ефективността“ ще се превърне в основна тема на много компании.

В периода на ниски или никакви субсидии, само чрез постигане на итеративни подобрения на технологиите, постигане на по-висока производствена ефективност, намаляване на производствените разходи на една батерия и подобряване на качеството на продукта, можем да имаме допълнителен шанс за победа в конкуренцията.

Han's Laser продължава да инвестира в изследвания на технологията за високоскоростно заваряване на горните капаци на батерийни клетки. В допълнение към няколкото технологични метода, представени по-горе, компанията изучава и съвременни технологии, като например технологията за пръстеновидно точково лазерно заваряване и технологията за галванометрично лазерно заваряване на горните капаци на батерийни клетки.

За да се подобри допълнително ефективността на производството, е проучена технологията за заваряване на горен капак със скорост 300 мм/сек и по-висока. През 2017-2018 г. Han's Laser проучи заваръчното запечатване със сканиращ галванометър с лазер, като преодоле техническите трудности, свързани с трудната газова защита на детайла по време на галванометърно заваряване и лошия ефект на формиране на заваръчната повърхност, и постигна скорост от 400-500 мм/сек.лазерно заваряванена горния капак на клетката. Заваряването отнема само 1 секунда за батерия 26148.

Въпреки това, поради високата ефективност, е изключително трудно да се разработи поддържащо оборудване, което да съответства на ефективността, а цената на оборудването е висока. Поради това не е извършено по-нататъшно търговско разработване на приложения за това решение.

С по-нататъшното развитие нафибърен лазертехнология, пуснати са нови високомощни влакнести лазери, които могат директно да генерират пръстеновидни светлинни петна. Този тип лазер може да генерира точковидни лазерни петна чрез специални многослойни оптични влакна, като формата на петното и разпределението на мощността могат да се регулират, както е показано на фигурата.

Заварки, получени при различни траектории на люлеене

Чрез регулиране, разпределението на плътността на лазерната мощност може да се оформи като точка-поничка-топче. Този тип лазер се нарича Corona, както е показано на фигурата.

Регулируем лазерен лъч (съответно: централна светлина, централна светлина + пръстеновидна светлина, пръстеновидна светлина, две пръстеновидни светлини)

През 2018 г. беше тествано приложението на множество лазери от този тип при заваряване на горни капаци на батерийни клетки с алуминиева обвивка и въз основа на Corona лазера стартираха изследвания върху технологичното решение 3.0 за лазерно заваряване на горни капаци на батерийни клетки. Когато Corona лазерът изпълнява режим на точково-пръстеновиден изход, характеристиките на разпределение на плътността на мощността на изходния му лъч са подобни на комбинирания изход на полупроводников + влакнест лазер.

По време на процеса на заваряване, централната точкова светлина с висока плътност на мощността образува „ключов отвор“ за дълбоко проникване, за да се получи достатъчно проникване на заварката (подобно на изхода на фибърния лазер в хибридния заваръчен разтвор), а пръстеновидната светлина осигурява по-голямо подаване на топлина, разширява „ключовия отвор“, намалява въздействието на металните пари и плазмата върху течния метал в ръба на „ключовия отвор“, намалява полученото пръскане на метал и увеличава времето на термичния цикъл на заварката, като помага на газа в разтопения разтвор да излиза за по-дълго време, подобрявайки стабилността на високоскоростните заваръчни процеси (подобно на изхода на полупроводниковите лазери в хибридните заваръчни разтвори).

В теста заварихме тънкостенни батерии с корпус и установихме, че консистенцията на размера на заваръчния шев е добра, а технологичната способност CPK е добра, както е показано на Фигура 18.

Външен вид на заварката на горния капак на батерията с дебелина на стената 0,8 мм (скорост на заваряване 300 мм/сек)

По отношение на хардуера, за разлика от хибридното заваряване, това решение е просто и не изисква два лазера или специална хибридна заваръчна глава. Необходима е само обикновена високомощна лазерна заваръчна глава (тъй като само едно оптично влакно извежда лазер с една дължина на вълната, структурата на лещата е проста, не се изисква регулиране и загубата на мощност е ниска), което улеснява отстраняването на грешки и поддръжката, а стабилността на оборудването е значително подобрена.

В допълнение към опростената система на хардуерното решение и отговарянето на изискванията за високоскоростно заваряване на горния капак на батерийните клетки, това решение има и други предимства в технологичните приложения.

В теста заварихме горния капак на батерията с висока скорост от 300 мм/сек и въпреки това постигнахме добри ефекти на образуване на заваръчния шев. Освен това, за корпуси с различна дебелина на стените от 0,4, 0,6 и 0,8 мм, само чрез регулиране на режима на лазерен изход може да се извърши добро заваряване. Въпреки това, за хибридни решения с лазер с двойна дължина на вълната е необходимо да се промени оптичната конфигурация на заваръчната глава или лазера, което ще доведе до по-големи разходи за оборудване и време за отстраняване на грешки.

Следователно, точката-пръстенлазерно заваряванеРешението може не само да постигне ултрависокоскоростно заваряване на горния капак със скорост от 300 мм/сек и да подобри ефективността на производството на батерии. За компаниите за производство на батерии, които се нуждаят от честа смяна на модели, това решение може значително да подобри качеството на оборудването и продуктите, съкращавайки времето за смяна на модели и отстраняване на грешки.

Външен вид на заварката на горния капак на батерията с дебелина на стената 0,4 мм (скорост на заваряване 300 мм/сек)

Външен вид на заварката на горния капак на батерията с дебелина на стената 0,6 мм (скорост на заваряване 300 мм/сек)

Проникване с коронен лазер за заваряване на тънкостенни клетки – възможности на процеса

В допълнение към гореспоменатия Corona лазер, AMB лазерите и ARM лазерите имат сходни оптични изходни характеристики и могат да се използват за решаване на проблеми като подобряване на разпръскването на лазерно заваряване, подобряване на качеството на заваръчната повърхност и подобряване на стабилността при високоскоростно заваряване.

4. Обобщение

Различните решения, споменати по-горе, се използват в реалното производство от местни и чуждестранни компании за производство на литиеви батерии. Поради различното време за производство и различния технически опит, различните технологични решения се използват широко в индустрията, но компаниите имат по-високи изисквания за ефективност и качество. Тя непрекъснато се усъвършенства и скоро компаниите, които са начело на технологиите, ще прилагат все повече нови технологии.

Китайската индустрия за нови енергийни батерии стартира сравнително късно и се развива бързо, водена от националните политики. Свързаните с тях технологии продължават да се развиват със съвместните усилия на цялата индустриална верига и всеобхватно съкращават разликата с изявените международни компании. Като местен производител на оборудване за литиеви батерии, Maven също непрекъснато проучва собствените си предимства, помага за итеративни подобрения на оборудването за батерийни пакети и предоставя по-добри решения за автоматизирано производство на нови модулни пакети за съхранение на енергия.