Figura 1: Configurarea sudării cu laser pentru modulele de baterii cilindrice-ion litiu. (Sursa imagine: Photon Automation)
Bateriile cilindrice cu litiu-ion (cum ar fi 18650, 21700 și modelele 4680 mai mari) sunt utilizate pe scară largă în electronice portabile, scule electrice, sisteme de stocare a energiei și în special vehicule electrice datorită densității mari de energie, designului standardizat și fiabilității dovedite. Aceste baterii folosesc de obicei oțel placat cu nichel (Hilumin) ca material de carcasă, deoarece acoperirea cu nichel oferă rezistență la coroziune, în timp ce substratul de oțel asigură rezistența structurală pentru a rezista presiunii interne și solicitărilor mecanice.
Pentru a îndeplini cerințele specifice de design și performanță, celulele cilindrice cu diametrul de 46 mm folosesc diferite materiale de carcasă, cum ar fi aluminiu și oțel-placat cu nichel. O provocare critică în timpul fabricării modulelor sau a pachetului de baterii este sudarea împreună a aluminiului și a oțelului, din cauza diferențelor semnificative în proprietățile termice și comportamentul de sudare.
Construirea modulelor sau pachetelor de baterii cilindrice presupune aranjarea celulelor (unități individuale de baterii) într-un model specific și conectarea lor în serie sau paralelă în funcție de cerințele de tensiune și curent ale aplicației. Această configurație permite producătorilor să personalizeze capacitatea totală de energie și puterea de ieșire a pachetului de baterii pentru a satisface cerințele aplicațiilor specifice, cum ar fi vehiculele electrice sau sistemele staționare de stocare a energiei. Celulele sunt de obicei interconectate prin bare colectoare din aluminiu cu o grosime de 0,3–0,6 mm, care sunt apoi sudate cu laser-pentru a realiza conexiuni electrice fiabile (vezi Figura 1). Oțelul placat cu nichel utilizat pentru carcasele bateriilor are în general o grosime de 0,4–0,6 mm, în funcție de designul celulei și de marca producătorului.
În aplicațiile pentru vehicule electrice, sudurile care conectează barele colectoare din aluminiu la celulele bateriei trebuie să mențină o integritate structurală și o conductivitate electrică ridicate în condiții dinamice severe, inclusiv șocuri, vibrații și cicluri termice. Prin urmare, sudarea laser precisă și fiabilă este esențială pentru-performanța și siguranța pe termen lung a bateriei. Sudarea cu laser este excepțional de bine-potrivită pentru acest scenariu de asamblare. Produce îmbinări curate, de înaltă-rezistență, cu aport redus de căldură și distorsiuni minime. Aceste caracteristici sunt vitale pentru depășirea provocărilor inerente sudării aluminiului la oțel-placat cu nichel.
Formarea compușilor intermetalici fragili (IMC)
Principala provocare în timpul sudării este formarea de compuși intermetalici fragili (IMC), care reduc semnificativ rezistența îmbinării și conductivitatea electrică. Această problemă provine din proprietățile diferite ale aluminiului și oțelului, în special răspunsurile lor termice disparate: aluminiul se topește și se extinde mai repede decât oțelul, generând tensiuni termice care promovează creșterea IMC în timpul sudării. Acești IMC-cum ar fi compușii de fier-aluminiu FeAl₃ și Fe₂Al₅{-de obicei prezintă texturi fragile care slăbesc rezistența îmbinărilor, ceea ce duce la inițierea fisurilor, rezistență redusă și susceptibilitate crescută la coroziune.
Formarea și volumul total de IMC în timpul sudării afectează în mod critic calitatea sudurii și performanța-pe termen lung. Pe măsură ce volumul IMC crește, fragilitatea articulațiilor se intensifică, rezistența mecanică scade și probabilitatea unei defecțiuni induse de stres-crește. Penetrarea mai profundă a sudurii crește de obicei volumul total IMC, subliniind necesitatea unui control precis al parametrilor de sudare pentru a asigura o rezistență ridicată a îmbinării, fiabilitate și durabilitate.
Cercetări ample indică faptul că menținerea unui strat IMC subțire și uniform (de obicei 2 µm până la 10 µm) produce o rezistență mai mare la forfecare la tracțiune. Aceste straturi subțiri permit o lipire metalurgică eficientă, reducând în același timp fragilitatea îmbinărilor. Cu toate acestea, atunci când stratul IMC depășește 15 µm în grosime, fragilitatea sa duce adesea la o rezistență redusă la tracțiune din cauza susceptibilității la inițierea fisurilor și la propagarea sub sarcină (vezi Figura 2).
Figura 2: Efectul grosimii stratului IMC asupra rezistenței la tracțiune. (Sursa imagine: H. He et al.) [1]
Pentru a rezolva această problemă, o abordare mai eficientă este de a crește suprafața interfeței de sudură, mai degrabă decât de a se baza doar pe adâncimea de penetrare mai mare. Extinderea zonei de interfață îmbunătățește legătura metalurgică, limitând în același timp volumul total IMC. Acest lucru reduce fragilitatea și promovează o distribuție mai uniformă a tensiunii la articulație, îmbunătățind astfel fiabilitatea. Acest efect poate fi obținut prin combinarea impulsurilor laser cu tehnologia de scanare a fasciculului pentru a controla cu precizie intrarea de căldură și formarea interfeței, minimizând creșterea IMC.
Photon Automation a dezvoltat controlere avansate de impuls și putere capabile să controleze cu precizie la nivel de microsecunde-la laser, permițând modelarea personalizată a impulsurilor. Prin reglarea-fină a formei impulsului, stresul termic localizat este redus, proprietățile mecanice ideale ale materialului sunt păstrate, zona-afectată de căldură (HAZ) este minimizată și durata de viață a părții este prelungită. WonderBOARD al companiei se interfață și cu controlerele oglinzilor Galvo, permițând distribuția uniformă a energiei laser între piesele de prelucrat. Acest lucru previne punctele fierbinți și încălzirea neuniformă cauzată de mișcarea rapidă a fasciculului.
Controlul oscilației impulsului laser și al fasciculului pentru formarea IMC
Laserele cu impulsuri oferă un control superior al intrării termice, reducând riscurile de supra-topire sau stropire. Intervalele de răcire dintre impulsuri minimizează acumularea de căldură, ajutând la prevenirea defectelor precum arderea-sau deformarea. Pentru sudarea-materialelor subțiri sau îmbinarea metalelor diferite (de exemplu, aluminiu-cu{-oțel), tehnologia în impulsuri îmbunătățește, de asemenea, stabilitatea bazinului de topire.
Scanarea dinamică a fasciculului laser în zona de sudare prin intermediul unui galvanometru asigură o distribuție uniformă a energiei. Acest lucru previne efectele muchiilor (penetrarea excesivă, decuparea sau punctele fierbinți cauzate de oprirea prelungită la începutul/sfârșitul traseului de sudare). Tehnologia de oscilație permite, de asemenea, profile de sudură personalizate (de exemplu, circulare, elicoidale sau dinți de ferăstrău) pentru a îmbunătăți rezistența mecanică și uniformitatea îmbinării.
Combinația de pulsații și oscilații creează un mediu de sudare extrem de controlabil, care minimizează gradienții termici, optimizează lipirea metalurgică și asigură o distribuție mai uniformă a tensiunilor. Această abordare este deosebit de critică în fabricarea bateriilor, permițând un control precis al energiei pentru a evita deteriorarea componentelor sensibile sau a zonelor izolate.
A doua provocare implică obținerea unei poziționări precise a cordonului de sudură și a unei calități constante a sudurii.
În modelele de celule cilindrice, atât electrozii pozitivi, cât și cei negativi se află pe suprafața superioară-capacul electrodului central servește ca electrod pozitiv, în timp ce regiunea inelar din jur funcționează ca electrod negativ. Acest aspect restrânge zona de sudare disponibilă, solicitând o precizie extremă în poziționarea cu laser. Chiar și nealinierea minoră poate duce la o rezistență insuficientă a sudurii, deteriorări interne sau scurtcircuite, toate acestea crescând riscul de defectare a celulei și, în cazuri severe, pot declanșa evadarea termică.
În timpul asamblarii, aceste module de baterie conțin de obicei sute de celule strâns împachetate. Variațiile minore ale înălțimii celulei cauzate de toleranțele de fabricație sau de manipulare pot duce la un contact neuniform între bara colectoare sau unealta de sudare și celule. Dacă nu este abordat corespunzător, acest contact inconsecvent duce la o calitate fluctuantă a sudurii, conexiuni electrice slabe și probleme de-performanță pe termen lung.
Pentru a depăși aceste provocări, producătorii se bazează pe două sisteme de bază: sisteme de vedere și tomografie cu coerență optică (OCT).
Sistemele de vedere detectează și localizează terminalul pozitiv (capacul central) și terminalul negativ (inelul exterior/marginea) fiecărei celule cilindrice. În plus, sistemele de viziune compensează variațiile/toleranțelor dintre celulă-la-celulă și deviațiile de aliniere a dispozitivului de fixare, ghidând fasciculul laser către poziția corectă de sudare, evitând în același timp contactul cu straturile izolatoare sau zonele de margine. Acest lucru permite sudarea consecventă, de-înaltă precizie între module care conțin sute de celule.
OCT măsoară înălțimea fiecărei celule înainte de sudare pentru a detecta cele mai mici variații de înălțime. Reglează dinamic poziția de focalizare a laserului printr-o lentilă de colimare acționată electric, asigurându-se că laserul se concentrează în mod constant pe planul de sudare precis. Acest lucru îmbunătățește calitatea și fiabilitatea sudurii în mediile de producție automatizate în care pot exista variații minore de înălțime între celulele dintr-un modul de baterie.
Monitorizarea procesului de sudare și achiziția de date: fundamentul AI
Implementarea unui sistem de monitorizare a sudării cu laser (LWM) este un pas esențial pentru obținerea controlului procesului bazat pe AI{0}}. În timpul interacțiunii cu materialul laser-, energia este eliberată în mai multe forme: radiație plasmatică (lungime de undă ultravioletă), radiație termică (lungime de undă infraroșie), reflexie inversă (lungimea de undă reală a laserului) și putere laser transmisă prin componentele optice. Fiecare dintre aceste semnale conține informații valoroase despre parametrii procesului de sudare.
Senzorii bazați pe fotodiode-captează aceste informații despre radiații în timp real și le compară cu datele de referință pentru suduri de-înaltă calitate. Această achiziție continuă de date ajută la identificarea defectelor, cum ar fi lipsa fuziunii, sudurile ratate sau adâncimea de penetrare inconsecventă. De-a lungul timpului, acumularea de date de proces de-înaltă rezoluție oferă baza pentru antrenarea modelelor AI. Aceste modele pot detecta modele, pot prezice defecțiuni și pot permite optimizarea-în buclă închisă a procesului de sudare.
Validarea procesului de dezvoltare pentru calitatea sudurii
În sudarea cu laser a bateriilor cilindrice cu litiu-ion, asigurarea integrității sudurilor interne este esențială pentru a proteja siguranța și performanța bateriei. În timpul sudării, trebuie acordată o atenție deosebită protecției oricăror materiale din plastic sau cauciuc de sub suprafața superioară: aportul excesiv de căldură, parametrii laser nepotriviți sau adâncimea excesivă de penetrare pot deteriora straturile de izolație subiacente sau componentele structurale din plastic/cauciuc, ducând la scurtcircuite, scurgeri, defecțiuni mecanice sau evadare termică.
Figura 3: Imagine 3D-CT care arată detaliile de penetrare a sudurii. (Sursa imagine: Photon Automation)
Tomografia computerizată (CT) permite inspecția ne-distructivă, de înaltă-rezoluție a îmbinărilor sudate, oferind date 2D și 3D care dezvăluie defecte interne ale sudării, cum ar fi porozitatea, penetrarea neuniformă la interfața de sudare sau penetrarea insuficientă (vezi Figura 3). Aceste date CT 3D susțin dezvoltarea procesului prin validarea calității sudurii și identificând dacă penetrarea ajunge la materialele de etanșare sau izolare, prevenind astfel mai bine astfel de probleme în timpul sudării.
