Литиевые батареи с квадратным алюминиевым корпусом имеют множество преимуществ, таких как простая конструкция, хорошая ударопрочность, высокая плотность энергии и большая емкость ячеек. Они всегда были основным направлением отечественного производства и разработки литиевых батарей, занимая более 40% рынка.
Структура литиевой батареи с квадратным алюминиевым корпусом показана на рисунке. Она состоит из сердечника батареи (листы положительных и отрицательных электродов, сепаратора), электролита, корпуса, верхней крышки и других компонентов.
Квадратная конструкция литиевой батареи с алюминиевым корпусом
В процессе производства и сборки литиевых батарей с квадратным алюминиевым корпусом большое количестволазерная сварканеобходимы такие процессы, как: сварка мягких соединений аккумуляторных элементов и крышек, герметизирующая сварка крышек, приварка герметизирующих гвоздей и т. д. Лазерная сварка является основным методом сварки призматических силовых батарей. Благодаря высокой плотности энергии, хорошей стабильности мощности, высокой точности сварки, простой систематической интеграции и многим другим преимуществам,лазерная сварканезаменим в процессе производства литиевых аккумуляторов с призматическим алюминиевым корпусом. роль.
4-осевая автоматическая гальванометрическая платформа Mavenволоконный лазерный сварочный аппарат
Сварной шов уплотнения верхней крышки — это самый длинный сварной шов в аккумуляторе с квадратным алюминиевым корпусом, а также сварной шов, сварка которого занимает больше всего времени. В последние годы индустрия производства литиевых батарей быстро развивалась, а технология лазерной сварки верхней крышки и технология оборудования также быстро развивались. В зависимости от различной скорости сварки и производительности оборудования мы условно делим оборудование и процессы лазерной сварки верхней крышки на три эпохи. Это эпоха 1.0 (2015–2017 гг.) со скоростью сварки <100 мм/с, эпоха 2.0 (2017–2018 гг.) со скоростью 100–200 мм/с и эпоха 3.0 (2019–) со скоростью 200–300 мм/с. Ниже представлено развитие технологий по пути времени:
1. Эпоха 1.0 технологии лазерной сварки верхней крышки
Скорость сварки＜100 мм/с
В период с 2015 по 2017 год отечественные автомобили на новых источниках энергии начали стремительно развиваться под влиянием политики, а индустрия аккумуляторов начала расширяться. Однако накопление технологий и кадровые резервы отечественных предприятий все еще относительно невелики. Соответствующие процессы производства аккумуляторов и технологии оборудования также находятся в зачаточном состоянии, а степень автоматизации оборудования относительно низкая, производители оборудования только начали уделять внимание производству аккумуляторов и увеличивать инвестиции в исследования и разработки. На данном этапе отраслевые требования к эффективности производства оборудования для лазерной сварки с квадратными батареями обычно составляют 6-10 ppm. В решении по оборудованию обычно используется волоконный лазер мощностью 1 кВт для излучения через обычныйлазерная сварочная головка(как показано на рисунке), а сварочная головка приводится в движение двигателем сервоплатформы или линейным двигателем. Движение и сварка, скорость сварки 50-100мм/с.
Использование лазера мощностью 1 кВт для сварки верхней крышки аккумуляторной батареи.
Влазерная сваркаВ процессе сварки из-за относительно низкой скорости сварки и относительно длительного термического цикла сварного шва расплавленная ванна имеет достаточно времени для растекания и затвердевания, а защитный газ может лучше покрывать расплавленную ванну, что позволяет легко получить гладкую и ровную поверхность. вся поверхность, сварные швы хорошей консистенции, как показано ниже.
Формирование сварного шва для низкоскоростной сварки верхней крышки
Что касается оборудования, то хотя эффективность производства и невысока, структура оборудования относительно проста, стабильность хорошая, а стоимость оборудования низкая, что хорошо отвечает потребностям развития промышленности на данном этапе и закладывает основу для последующих технологических процессов. разработка.
Несмотря на то, что сварка верхней крышки эпохи 1.0 имеет преимущества простого оборудования, низкой стоимости и хорошей стабильности. Но присущие ему ограничения также весьма очевидны. Что касается оборудования, мощность двигателя не может удовлетворить потребность в дальнейшем увеличении скорости; с технологической точки зрения простое увеличение скорости сварки и мощности лазера для дальнейшего ускорения приведет к нестабильности сварочного процесса и снижению выхода продукции: увеличение скорости сокращает время термического цикла сварки, а процесс плавления металла становится более интенсивным, разбрызгивание увеличивается, адаптация к примесям будет хуже, и вероятность образования дыр от брызг увеличивается. В то же время время затвердевания ванны расплава сокращается, что приводит к тому, что поверхность сварного шва становится шероховатой и ухудшается консистенция. Когда лазерное пятно маленькое, подвод тепла невелик и разбрызгивание можно уменьшить, но отношение глубины к ширине сварного шва велико, а ширина сварного шва недостаточна; когда лазерное пятно большое, для увеличения ширины сварного шва необходимо использовать большую мощность лазера. Большой, но в то же время он приведет к увеличению сварочных брызг и ухудшению качества формирования поверхности шва. На техническом уровне на данном этапе дальнейшее ускорение означает, что производительность должна быть заменена на эффективность, а требования к обновлению оборудования и технологических процессов стали требованиями отрасли.
2. Эпоха верхней обложки 2.0лазерная сваркатехнология
Скорость сварки 200 мм/с.
В 2016 году установленная мощность автомобильных аккумуляторов в Китае составляла примерно 30,8 ГВтч, в 2017 году — примерно 36 ГВтч, а в 2018 году, в результате нового взрыва, установленная мощность достигла 57 ГВтч, что на 57% больше, чем в прошлом году. Пассажирские автомобили на новых источниках энергии также произвели почти один миллион, что на 80,7% больше, чем в прошлом году. За взрывом установленной мощности стоит высвобождение мощностей по производству литиевых батарей. Аккумуляторы для легковых автомобилей с новой энергией составляют более 50% установленной мощности, что также означает, что требования отрасли к производительности и качеству аккумуляторов будут становиться все более строгими, а сопутствующие улучшения в технологии производственного оборудования и технологических процессах также вступили в новую эру. : чтобы удовлетворить требования к однолинейной производственной мощности, производственная мощность оборудования для лазерной сварки верхней крышки должна быть увеличена до 15-20 PPM, и еелазерная сваркаскорость должна достигать 150-200 мм/с. Поэтому, что касается приводных двигателей, различные производители оборудования модернизировали платформу линейного двигателя, чтобы ее механизм движения соответствовал требованиям к характеристикам движения для сварки с равномерной скоростью прямоугольной траектории 200 мм/с; однако, как обеспечить качество сварки при высокоскоростной сварке, требуются дальнейшие технологические прорывы, и компании в отрасли провели множество исследований и исследований: По сравнению с эпохой 1.0, проблема, с которой сталкивается высокоскоростная сварка в эпоху 2.0, заключается в следующем: использование обычные волоконные лазеры для вывода одного точечного источника света через обычные сварочные головки, выбор трудно удовлетворить требованию 200 мм/с.
В оригинальном техническом решении эффект формирования сварки можно контролировать только путем настройки параметров, регулировки размера пятна и регулировки основных параметров, таких как мощность лазера: при использовании конфигурации с меньшим пятном замочная скважина сварочной ванны будет небольшой. , форма ванны будет нестабильной, и сварка станет нестабильной. Ширина проварки шва также сравнительно невелика; при использовании конфигурации с большим световым пятном замочная скважина увеличится, но мощность сварки будет значительно увеличена, а скорость разбрызгивания и струйной обработки значительно увеличится.
Теоретически, если вы хотите обеспечить эффект формирования сварного шва на высокой скоростилазерная сваркаверхней крышки необходимо отвечать следующим требованиям:
① Сварочный шов имеет достаточную ширину и соответствующее соотношение глубины и ширины сварочного шва, что требует, чтобы диапазон теплового воздействия источника света был достаточно большим, а энергия сварочной линии находилась в разумных пределах;
② Сварной шов является гладким, что требует, чтобы время термического цикла сварного шва было достаточно продолжительным в процессе сварки, чтобы расплавленная ванна имела достаточную текучесть, а сварной шов затвердевал в гладкий металлический шов под защитой защитного газа;
③ Сварной шов имеет хорошую консистенцию и небольшое количество пор и отверстий. Для этого необходимо, чтобы во время процесса сварки лазер стабильно воздействовал на заготовку, а плазма высокоэнергетического луча непрерывно генерировалась и воздействовала на внутреннюю часть ванны расплава. В ванне расплава образуется «ключ» под действием силы плазменной реакции. «дыра», замочная скважина достаточно велика и достаточно стабильна, поэтому генерируемые пары металла и плазму нелегко выбрасывать и выводить капли металла, образуя брызги, а расплавленную ванну вокруг замочной скважины нелегко разрушить и вовлечь в себя газ. . Даже если в процессе сварки сгорают посторонние предметы и происходит взрывное выделение газов, замочная скважина большего размера более способствует выделению взрывоопасных газов и уменьшает разбрызгивание металла и образование дыр.
В ответ на вышеизложенное компании-производители аккумуляторов и компании-производители оборудования в отрасли предприняли различные попытки и практики: производство литиевых батарей развивалось в Японии на протяжении десятилетий, и соответствующие производственные технологии взяли на себя ведущую роль.
В 2004 году, когда технология волоконного лазера еще не получила широкого коммерческого применения, Panasonic использовала полупроводниковые лазеры LD и импульсные YAG-лазеры с ламповой накачкой для смешанного выходного сигнала (схема показана на рисунке ниже).
Принципиальная схема технологии многолазерной гибридной сварки и конструкция сварочной головки
Световое пятно высокой плотности, генерируемое импульснымИАГ-лазерс небольшим пятном используется для воздействия на заготовку для создания сварочных отверстий и обеспечения достаточного провара. В то же время полупроводниковый лазер LD используется в качестве непрерывного лазера непрерывного действия для предварительного нагрева и сварки заготовки. Ванна расплава во время процесса сварки обеспечивает больше энергии для получения сварочных отверстий большего размера, увеличения ширины сварочного шва и увеличения времени закрытия сварочных отверстий, помогая газу в ванне расплава выходить и уменьшая пористость сварного шва. шов, как показано ниже
Принципиальная схема гибридалазерная сварка
Применяя эту технологию,YAG-лазерыа лазеры ЛД мощностью всего несколько сотен ватт можно использовать для сварки тонких корпусов литиевых батарей на высокой скорости 80 мм/с. Эффект сварки такой, как показано на рисунке.
Морфология сварного шва при различных параметрах процесса
С развитием и распространением волоконных лазеров волоконные лазеры постепенно заменили импульсные YAG-лазеры при лазерной обработке металлов благодаря своим многочисленным преимуществам, таким как хорошее качество луча, высокая эффективность фотоэлектрического преобразования, длительный срок службы, простота обслуживания и высокая мощность.
Таким образом, комбинация лазеров в вышеупомянутом решении для гибридной лазерной сварки превратилась в волоконный лазер + полупроводниковый лазер LD, причем лазер также выводится коаксиально через специальную обрабатывающую головку (сварочная головка показана на рисунке 7). В процессе сварки механизм воздействия лазера тот же.
Композитное соединение лазерной сварки
В этом плане импульсныйИАГ-лазерзаменяется волоконным лазером с лучшим качеством луча, большей мощностью и непрерывной мощностью, что значительно увеличивает скорость сварки и обеспечивает лучшее качество сварки (эффект сварки показан на рисунке 8). Этот план также Поэтому некоторые клиенты предпочитают его. В настоящее время это решение используется при производстве сварки герметизирующей верхней крышки аккумуляторной батареи и может достигать скорости сварки 200 мм/с.
Внешний вид сварного шва верхней крышки, выполненного гибридной лазерной сваркой
Хотя решение для двухволновой лазерной сварки решает проблему стабильности сварного шва при высокоскоростной сварке и отвечает требованиям к качеству сварки при высокоскоростной сварке верхних крышек аккумуляторных элементов, с этим решением все еще существуют некоторые проблемы с точки зрения оборудования и процесса.
Прежде всего, аппаратные компоненты этого решения относительно сложны и требуют использования двух разных типов лазеров и специальных двухволновых лазерных сварочных соединений, что увеличивает инвестиционные затраты на оборудование, увеличивает сложность обслуживания оборудования и увеличивает вероятность отказа оборудования. баллы;
Во-вторых, двойная длина волнылазерная сваркаИспользуемый сустав состоит из нескольких наборов линз (см. Рисунок 4). Потери мощности больше, чем у обычных сварочных соединений, и положение линзы необходимо отрегулировать в соответствующее положение, чтобы обеспечить коаксиальный выход двухволнового лазера. А при фокусировке на фиксированной фокальной плоскости и длительной высокоскоростной работе положение линзы может стать свободным, что приведет к изменениям оптического пути и ухудшит качество сварки, что потребует ручной повторной настройки;
В-третьих, во время сварки отражение лазера является сильным и может легко повредить оборудование и компоненты. Гладкая поверхность сварного шва отражает большое количество лазерного света, особенно при ремонте дефектных изделий, что может легко вызвать лазерную тревогу, и для ремонта необходимо отрегулировать параметры обработки.
Чтобы решить вышеуказанные проблемы, нам нужно найти другой способ исследования. В 2017-2018 годах мы изучали высокочастотную раскачку.лазерная сваркатехнологию верхней крышки аккумулятора и внедрил ее в производство. Высокочастотная поворотная сварка лазерным лучом (далее называемая поворотной сваркой) — это еще один современный процесс высокоскоростной сварки со скоростью 200 мм/с.
По сравнению с решением для гибридной лазерной сварки, для аппаратной части этого решения требуется только обычный волоконный лазер в сочетании с осциллирующей лазерной сварочной головкой.
качающаяся сварочная головка
Внутри сварочной головки имеется отражательная линза с приводом от двигателя, которую можно запрограммировать на управление качанием лазера в соответствии с заданным типом траектории (обычно круговой, S-образной, 8-образной и т. д.), амплитудой и частотой качания. Различные параметры поворота могут привести к тому, что поперечное сечение сварки будет иметь разные формы и размеры.
Сварные швы, полученные при различных траекториях поворота
Высокочастотная поворотная сварочная головка приводится в движение линейным двигателем для сварки зазора между заготовками. В зависимости от толщины стенок клеточной оболочки подбираются соответствующий тип и амплитуда траектории качания. Во время сварки статический лазерный луч образует только V-образное поперечное сечение сварного шва. Однако под действием качающейся сварочной головки пятно луча качается с высокой скоростью в фокальной плоскости, образуя динамическую и вращающуюся сварочную замочную скважину, которая позволяет получить подходящее соотношение глубины и ширины сварного шва;
Вращающаяся сварочная капля перемешивает сварной шов. С одной стороны, это способствует выходу газа и уменьшению пор в сварном шве, а также оказывает определенное влияние на ремонт точечных отверстий в месте взрыва сварного шва (см. Рисунок 12). С другой стороны, металл сварного шва упорядоченно нагревается и охлаждается. Циркуляция придает поверхности сварного шва правильный и упорядоченный рисунок рыбьей чешуи.
Формирование сварного шва методом поворотной сварки
Адаптивность сварных швов к загрязнению краски при различных параметрах поворота
Вышеуказанные пункты соответствуют трем основным требованиям качества высокоскоростной сварки верхней крышки. У этого решения есть и другие преимущества:
① Поскольку большая часть мощности лазера вводится в динамическую замочную скважину, внешнее рассеяние лазера уменьшается, поэтому требуется только меньшая мощность лазера, а тепловложение при сварке относительно низкое (на 30% меньше, чем при сварке композитом), что уменьшает количество используемого оборудования. потери и потери энергии;
② Метод поворотной сварки обладает высокой адаптируемостью к качеству сборки заготовок и снижает количество дефектов, вызванных такими проблемами, как этапы сборки;
③Метод поворотной сварки оказывает сильное ремонтное воздействие на сварные отверстия, а производительность использования этого метода для ремонта сварных отверстий сердечника батареи чрезвычайно высока;
④Система проста, а отладка и обслуживание оборудования просты.
3. Эра 3.0 в технологии лазерной сварки верхних крышек
Скорость сварки 300 мм/с.
Поскольку субсидии на новую энергетику продолжают снижаться, почти вся производственная цепочка аккумуляторной промышленности упала в Красное море. Отрасль также вступила в период перестановок, и доля компаний-лидеров, обладающих масштабными и технологическими преимуществами, еще больше увеличилась. Но в то же время «улучшение качества, снижение затрат и повышение эффективности» станет основной темой многих компаний.
В период низкого уровня субсидий или их отсутствия только за счет итеративной модернизации технологий, достижения более высокой эффективности производства, снижения себестоимости производства одной батареи и улучшения качества продукции мы можем иметь дополнительные шансы на победу в конкурентной борьбе.
Han's Laser продолжает инвестировать в исследования технологии высокоскоростной сварки верхних крышек аккумуляторных элементов. В дополнение к нескольким технологическим методам, представленным выше, он также изучает передовые технологии, такие как технология кольцевой точечной лазерной сварки и технология гальванометрической лазерной сварки верхних крышек аккумуляторных элементов.
Чтобы еще больше повысить эффективность производства, изучите технологию сварки верхней крышки со скоростью 300 мм/с и выше. Компания Han's Laser изучала герметизацию сканирующей гальванометрической лазерной сварки в 2017-2018 годах, преодолев технические трудности, связанные со сложной газовой защитой заготовки во время гальванометрической сварки и плохим эффектом формирования поверхности сварного шва, и достигнув скорости 400-500 мм/с.лазерная сваркаверхней крышки ячейки. Сварка занимает всего 1 секунду для аккумулятора 26148.
Однако из-за высокого КПД разработать вспомогательное оборудование, соответствующее КПД, крайне сложно, а стоимость оборудования высока. Поэтому дальнейшая коммерческая разработка приложений для этого решения не проводилась.
При дальнейшем развитииволоконный лазертехнологии, были запущены новые мощные волоконные лазеры, которые могут напрямую излучать световые пятна в форме колец. Этот тип лазера может выводить точечно-кольцевые лазерные пятна через специальные многослойные оптические волокна, а форму пятна и распределение мощности можно регулировать, как показано на рисунке.
Сварные швы, полученные при различных траекториях поворота
Путем регулировки распределение плотности мощности лазера можно придать форме пятна-пончика-цилиндра. Этот тип лазера называется Corona, как показано на рисунке.
Регулируемый лазерный луч (соответственно: центральный свет, центральный свет + кольцевой свет, кольцевой свет, два кольцевых фонаря)
В 2018 году было опробовано применение нескольких лазеров этого типа для сварки верхних крышек аккумуляторных элементов в алюминиевом корпусе, а на основе лазера Corona были начаты исследования технологического решения 3.0 для лазерной сварки верхних крышек аккумуляторных элементов. Когда лазер Corona работает в режиме точечного кольца, характеристики распределения плотности мощности его выходного луча аналогичны составному выходному сигналу полупроводникового + волоконного лазера.
Во время процесса сварки центральный точечный свет с высокой плотностью мощности образует замочную скважину для сварки с глубоким проплавлением, чтобы получить достаточный провар (аналогично выходной мощности волоконного лазера в гибридной сварке), а кольцевой свет обеспечивает большее подвод тепла. увеличить замочную скважину, уменьшить воздействие паров металла и плазмы на жидкий металл на краю замочной скважины, уменьшить образующийся в результате разбрызгивания металла и увеличить время термического цикла сварного шва, помогая газу из расплавленной ванны выходить на более длительное время, улучшая стабильность высокоскоростных сварочных процессов (аналогично выходу полупроводниковых лазеров в гибридных сварочных решениях).
В ходе испытаний мы сварили батареи с тонкостенными оболочками и обнаружили, что однородность размеров сварного шва была хорошей, а технологические возможности CPK были хорошими, как показано на рисунке 18.
Внешний вид сварки верхней крышки аккумулятора при толщине стенки 0,8 мм (скорость сварки 300 мм/с)
С аппаратной точки зрения, в отличие от решения гибридной сварки, это решение простое и не требует двух лазеров или специальной гибридной сварочной головки. Для этого требуется только обычная мощная лазерная сварочная головка (поскольку только одно оптическое волокно выдает лазер с одной длиной волны, конструкция линзы проста, регулировка не требуется, а потери мощности низкие), что упрощает отладку и обслуживание. и стабильность оборудования значительно улучшена.
Помимо простой системы аппаратного решения и соответствия требованиям процесса высокоскоростной сварки верхней крышки аккумуляторного элемента, это решение имеет и другие преимущества в технологических процессах.
В ходе испытаний мы сварили верхнюю крышку аккумулятора на высокой скорости 300 мм/с и при этом добились хорошего эффекта формирования сварочного шва. Более того, для корпусов с разной толщиной стенок 0,4, 0,6 и 0,8 мм только путем простой регулировки режима мощности лазера можно выполнить хорошую сварку. Однако для гибридных сварочных решений с двухволновым лазером необходимо изменить оптическую конфигурацию сварочной головки или лазера, что приведет к увеличению затрат на оборудование и затратам времени на отладку.
Следовательно, точка-кольцолазерная сваркаРешение позволяет не только обеспечить сверхскоростную сварку верхней крышки со скоростью 300 мм/с и повысить эффективность производства силовых батарей. Для компаний-производителей аккумуляторов, которым требуется частая смена моделей, это решение также может значительно улучшить качество оборудования и продукции. совместимость, сокращая время изменения модели и отладки.
Внешний вид сварки верхней крышки аккумулятора при толщине стенки 0,4 мм (скорость сварки 300 мм/с)
Внешний вид сварки верхней крышки аккумулятора при толщине стенки 0,6 мм (скорость сварки 300 мм/с)
Проникновение коронного лазера при сварке тонкостенных ячеек – возможности процесса
В дополнение к упомянутому выше лазеру Corona, лазеры AMB и лазеры ARM имеют схожие выходные оптические характеристики и могут использоваться для решения таких проблем, как уменьшение разбрызгивания лазерной сварки, улучшение качества поверхности сварного шва и повышение стабильности высокоскоростной сварки.
4. Резюме
Все упомянутые выше различные решения используются в реальном производстве отечественными и зарубежными компаниями-производителями литиевых батарей. Из-за разного времени производства и разной технической подготовки в отрасли широко используются разные технологические решения, но компании предъявляют более высокие требования к эффективности и качеству. Он постоянно совершенствуется, и вскоре компании, находящиеся на переднем крае технологий, будут применять все больше новых технологий.
Производство новых энергетических аккумуляторов в Китае началось относительно поздно и быстро развивалось благодаря национальной политике. Сопутствующие технологии продолжают развиваться благодаря совместным усилиям всей отраслевой цепочки и значительно сокращают разрыв с выдающимися международными компаниями. Как отечественный производитель оборудования для литиевых батарей, Maven также постоянно изучает свои преимущества, помогая итеративным обновлениям оборудования для аккумуляторных батарей и предоставляя лучшие решения для автоматизированного производства новых блоков батарейных модулей для хранения энергии.
Время публикации: 19 сентября 2023 г.
