Рисунок 1: Налаштування лазерного зварювання для циліндричних модулів літій-іонної батареї. (Джерело зображення: Photon Automation)
Циліндричні літій-іонні батареї (такі як моделі 18650, 21700 і більше 4680) широко використовуються в портативній електроніці, електроінструментах, системах накопичення енергії та особливо в електромобілях завдяки їх високій щільності енергії, стандартизованому дизайну та перевіреній надійності. Ці батареї зазвичай використовують нікельовану сталь (гілюмін) як матеріал корпусу, оскільки нікелеве покриття забезпечує корозійну стійкість, а сталева підкладка забезпечує структурну міцність, щоб протистояти внутрішньому тиску та механічним навантаженням.
Щоб відповідати особливим вимогам до дизайну та продуктивності, для деяких циліндричних комірок діаметром 46 мм використовуються різні матеріали корпусу, як-от алюміній і нікельована сталь. Критичною проблемою під час виробництва модуля або акумуляторної батареї є зварювання алюмінію та сталі разом через значні відмінності в їхніх теплових властивостях та поведінці під час зварювання.
Створення циліндричних акумуляторних модулів або пакетів передбачає розташування комірок (окремих акумуляторних блоків) за певною схемою та їх послідовне або паралельне з’єднання відповідно до вимог до напруги та струму. Ця конфігурація дозволяє виробникам налаштовувати загальну енергетичну ємність і вихідну потужність акумуляторної батареї відповідно до потреб конкретних застосувань, таких як електромобілі або стаціонарні системи зберігання енергії. Комірки зазвичай з’єднуються між собою алюмінієвими шинами товщиною 0,3–0,6 мм, які потім зварюються лазером для досягнення надійних електричних з’єднань (див. рис. 1). Товщина нікельованої-сталі, яка використовується для корпусів батарей, зазвичай становить 0,4–0,6 мм, залежно від конструкції елемента та марки виробника.
У додатках електромобілів зварні шви, що з’єднують алюмінієві шини з акумуляторними елементами, повинні підтримувати високу структурну цілісність і електропровідність у суворих динамічних умовах, включаючи удари, вібрацію та температурні цикли. Тому точне та надійне лазерне зварювання має вирішальне значення для-довгострокової роботи та безпеки батареї. Лазерне зварювання надзвичайно добре-підходить для цього сценарію складання. Він створює високо-міцні чисті з’єднання з низьким нагріванням і мінімальною деформацією. Ці характеристики життєво важливі для подолання проблем, пов’язаних із зварюванням алюмінію з нікельованою сталлю.
Утворення крихких інтерметалічних сполук (ІМС)
Основною проблемою під час зварювання є утворення крихких інтерметалічних сполук (ІМС), які значно знижують міцність з’єднання та електропровідність. Ця проблема пов’язана з різними властивостями алюмінію та сталі, зокрема їхніми різними тепловими реакціями: алюміній плавиться та розширюється швидше, ніж сталь, створюючи термічні напруги, які сприяють зростанню IMC під час зварювання. Ці IMC-такі як сполуки заліза-алюмінію FeAl₃ і Fe₂Al₅-зазвичай демонструють крихку текстуру, яка послаблює міцність з’єднання, що призводить до появи тріщин, зниження міцності та підвищеної сприйнятливості до корозії.
Утворення та загальний об’єм IMC під час зварювання критично впливають на якість зварювання та -тривалу ефективність. Зі збільшенням об’єму IMC посилюється крихкість з’єднання, зменшується механічна міцність і підвищується ймовірність руйнування, викликаного напругою-. Глибше проплавлення зварного шва зазвичай збільшує загальний об’єм IMC, що підкреслює необхідність точного контролю параметрів зварювання для забезпечення високої міцності, надійності та довговічності з’єднання.
Великі дослідження вказують на те, що підтримання тонкого рівномірного шару IMC (зазвичай від 2 мкм до 10 мкм) забезпечує вищу міцність на зсув при розтягуванні. Ці тонкі шари забезпечують ефективне металургійне з’єднання, мінімізуючи крихкість з’єднань. Однак, коли товщина шару IMC перевищує 15 мкм, його крихкість часто призводить до зниження міцності на розрив через сприйнятливість до виникнення та поширення тріщин під навантаженням (див. рис. 2).
Рисунок 2: Вплив товщини шару IMC на міцність на розрив. (Джерело зображення: H. He та ін.) [1]
Щоб вирішити цю проблему, більш ефективним підходом є збільшення площі зварного шва, а не покладатися виключно на більшу глибину проплавлення. Розширення зони розділу покращує металургійне з’єднання, одночасно обмежуючи загальний обсяг IMC. Це зменшує крихкість і сприяє більш рівномірному розподілу напруги в з'єднанні, тим самим підвищуючи надійність. Цього ефекту можна досягти шляхом поєднання лазерних імпульсів із технологією сканування променя для точного контролю надходження тепла та формування межі розділу, мінімізуючи зростання IMC.
Компанія Photon Automation розробила вдосконалені контролери імпульсів і потужності, здатні контролювати лазери на-рівні точності мікросекунд, що дозволяє індивідуально формувати імпульси. Завдяки точному-налаштуванню форми імпульсу зменшується локалізована термічна напруга, зберігаються ідеальні механічні властивості матеріалу, мінімізується зона термічного-впливу (HAZ) і подовжується термін служби деталей. WonderBOARD компанії також взаємодіє з контролерами гальво-дзеркал, забезпечуючи рівномірний розподіл лазерної енергії між деталями. Це запобігає появі гарячих точок і нерівномірному нагріванню, спричиненому швидким рухом променя.
Контроль лазерного імпульсу та осциляції променя для формування IMC
Імпульсні лазери забезпечують чудовий контроль надходження тепла, зменшуючи ризики надмірного-плавлення або розбризкування. Інтервали охолодження між імпульсами мінімізують накопичення тепла, допомагаючи запобігти таким дефектам, як прогорання або викривлення. Для зварювання тонких-матеріалів або з’єднання різнорідних металів (наприклад,-алюмінію-сталі) імпульсна технологія також підвищує стабільність ванни розплаву.
Динамічне сканування лазерного променя по зоні зварювання за допомогою гальванометра забезпечує рівномірний розподіл енергії. Це запобігає ефектам країв (надмірному проникненню, підрізам або гарячим плямам, спричиненим тривалою витримкою на початку/кінці шляху зварювання). Технологія осциляції також дозволяє налаштовувати профілі зварного шва (наприклад, кругові, спіральні або пилкоподібні) для підвищення механічної міцності та однорідності з’єднання.
Поєднання пульсацій і коливань створює добре кероване середовище зварювання, яке мінімізує температурні градієнти, оптимізує металургійне з’єднання та забезпечує більш рівномірний розподіл напруги. Цей підхід особливо важливий у виробництві акумуляторів, що дозволяє точно контролювати енергію, щоб уникнути пошкодження чутливих компонентів або ізольованих ділянок.
Друге завдання полягає в досягненні точного розташування зварного шва та незмінної якості зварювання.
У конструкціях циліндричних комірок як позитивні, так і негативні електроди розташовані на верхній поверхні-центральний ковпачок електрода служить позитивним електродом, тоді як навколишня кільцева область функціонує як негативний електрод. Таке розташування обмежує доступну зону зварювання, вимагаючи надзвичайної точності позиціонування лазера. Навіть незначне зміщення може призвести до недостатньої міцності зварного шва, внутрішнього пошкодження або короткого замикання, що збільшує ризик виходу з ладу елемента, а в серйозних випадках може спровокувати перегрівання.
Під час складання ці акумуляторні модулі зазвичай містять сотні щільно розташованих елементів. Незначні коливання висоти комірки, викликані виробничими допусками або транспортуванням, можуть призвести до нерівного контакту між ошиновкою або зварювальним інструментом і комірками. Якщо не вжити належних заходів, цей непостійний контакт призводить до коливань якості зварювання, поганих електричних з’єднань і довгострокових-проблем з продуктивністю.
Щоб подолати ці проблеми, виробники покладаються на дві основні системи: системи зору та оптичну когерентну томографію (ОКТ).
Системи зору виявляють і визначають місцезнаходження позитивної клеми (центральна кришка) і негативної клеми (зовнішнє кільце/край) кожної циліндричної комірки. Крім того, системи зору компенсують коливання/допуски від клітинок до- та відхилення від вирівнювання пристосування, направляючи лазерний промінь у правильне положення зварювання, уникаючи контакту з ізоляційними шарами або крайовими областями. Це забезпечує послідовне, високо{4}}точне зварювання модулів, що містять сотні комірок.
OCT вимірює висоту кожної комірки перед зварюванням, щоб виявити найменші коливання висоти. Він динамічно регулює положення фокуса лазера за допомогою колімаційної лінзи з електричним приводом, забезпечуючи постійне фокусування лазера на точній площині зварного шва. Це покращує якість зварювання та надійність в автоматизованих виробничих середовищах, де можуть існувати незначні коливання висоти між осередками в модулі батареї.
Моніторинг процесу зварювання та збір даних: основа ШІ
Впровадження системи моніторингу лазерного зварювання (LWM) є критично важливим кроком до досягнення керування процесом-на основі ШІ. Під час взаємодії лазерного -матеріалу енергія вивільняється в різних формах: плазмове випромінювання (ультрафіолетова довжина хвилі), теплове випромінювання (інфрачервона довжина хвилі), зворотне відбиття (фактична довжина хвилі лазера) і потужність лазера, що передається через оптичні компоненти. Кожен із цих сигналів містить цінну інформацію про параметри процесу зварювання.
Фотодіодні-сенсори фіксують цю інформацію про випромінювання в реальному часі та порівнюють її з довідковими даними для високоякісних-зварних швів. Цей безперервний збір даних допомагає виявити такі дефекти, як відсутність проплавлення, пропущені зварні шви або непостійна глибина проплавлення. З часом накопичення даних процесів із високою-роздільністю створює основу для навчання моделей ШІ. Ці моделі можуть виявляти закономірності, прогнозувати несправності та оптимізувати зварювальний процес із замкнутим-циклом.
Перевірка розробки процесу для якості зварювання
Під час лазерного зварювання циліндричних літій-іонних акумуляторів забезпечення цілісності внутрішніх зварних швів має вирішальне значення для забезпечення безпеки та продуктивності акумулятора. Під час зварювання особливу увагу слід приділяти захисту будь-яких пластикових або гумових матеріалів під верхньою поверхнею: надмірне надходження тепла, неправильні параметри лазера або надмірна глибина проникнення можуть пошкодити підлягаючі шари ізоляції або пластикові/гумові структурні компоненти, що призведе до короткого замикання, витоку, механічної несправності або термічного витоку.
Малюнок 3: 3D-зображення комп’ютерної томографії, де показано деталі проплавлення зварного шва. (Джерело зображення: Photon Automation)
Комп’ютерна томографія (КТ) забезпечує не-руйнівну перевірку зварних з’єднань із високою{1}}роздільністю, надаючи 2D- і 3D-дані, які виявляють внутрішні дефекти зварного шва, такі як пористість, нерівномірне проникнення на межі зварювання або недостатнє проникнення (див. рис. 3). Ці дані 3D КТ підтримують розробку процесу, перевіряючи якість зварювання та визначаючи, чи досягає проникнення герметизуючий або ізоляційний матеріал, тим самим краще запобігаючи таким проблемам під час зварювання.
