Литиевые батареи с квадратным алюминиевым корпусом обладают множеством преимуществ, таких как простая конструкция, хорошая ударопрочность, высокая плотность энергии и большая емкость элемента. Они всегда были основным направлением отечественного производства и развития литиевых батарей, занимая более 40% рынка.
Структура квадратной литиевой батареи с алюминиевым корпусом показана на рисунке и состоит из основного элемента батареи (положительного и отрицательного электродов, сепаратора), электролита, корпуса, верхней крышки и других компонентов.
Квадратная алюминиевая оболочка, конструкция литий-ионной батареи
В процессе производства и сборки литиевых батарей с квадратным алюминиевым корпусом происходит большое количество операций.лазерная сваркаДля сварки требуются такие процессы, как: сварка мягких соединений элементов батареи и крышек, сварка герметизирующих элементов крышки, сварка герметизирующих штифтов и т. д. Лазерная сварка является основным методом сварки призматических силовых батарей. Благодаря высокой плотности энергии, хорошей стабильности мощности, высокой точности сварки, простоте системной интеграции и многим другим преимуществам,лазерная сварканезаменим в процессе производства призматических литиевых батарей с алюминиевым корпусом.
Автоматическая 4-осевая гальванометрическая платформа Mavenаппарат для волоконной лазерной сварки
Шов уплотнения верхней крышки является самым длинным сварочным швом в батареях с квадратным алюминиевым корпусом, а также самым трудоемким сварочным швом. В последние годы индустрия производства литиевых батарей быстро развивается, и технология лазерной сварки уплотнения верхней крышки, а также соответствующее оборудование, также быстро совершенствуются. Исходя из различной скорости сварки и характеристик оборудования, мы условно разделим оборудование и процессы лазерной сварки верхней крышки на три эпохи: 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 (2019-2019 гг.) со скоростью 200-300 мм/с. Далее будет представлено описание развития технологий в соответствии с современными тенденциями:
1. Эра 1.0 технологии лазерной сварки верхних покрытий
Скорость сварки＜100 мм/с
В период с 2015 по 2017 год в стране наблюдался бурный рост производства электромобилей, обусловленный государственной политикой, и началось расширение отрасли производства силовых аккумуляторов. Однако накопленный технологический потенциал и кадровые резервы отечественных предприятий все еще относительно невелики. Технологии производства аккумуляторов и соответствующее оборудование находятся на начальной стадии развития, а степень автоматизации оборудования относительно низка. Производители оборудования только начинают уделять внимание производству силовых аккумуляторов и увеличивать инвестиции в исследования и разработки. На данном этапе требования к производительности оборудования для лазерной герметизации квадратных аккумуляторов обычно составляют 6-10 PPM. В качестве решения обычно используется волоконный лазер мощностью 1 кВт, излучающий свет через обычный лазерный луч.лазерная сварочная головка(как показано на рисунке), а сварочная головка приводится в движение сервоприводом платформы или линейным двигателем. Перемещение и сварка, скорость сварки 50-100 мм/с.
Для сварки верхней крышки аккумуляторного блока использовался лазер мощностью 1 кВт.
Влазерная сваркаВ процессе сварки, благодаря относительно низкой скорости сварки и относительно длительному термическому циклу, расплавленная ванна успевает достаточно растечься и затвердеть, а защитный газ лучше покрывает ее, что позволяет легко получить гладкую и ровную поверхность, а также сварные швы с хорошей однородностью, как показано ниже.
Формирование сварного шва при низкоскоростной сварке верхней крышки
Что касается оборудования, то, несмотря на невысокую эффективность производства, его конструкция относительно проста, стабильность хорошая, а себестоимость низкая, что хорошо отвечает потребностям развития отрасли на данном этапе и закладывает основу для последующего технологического развития.
Хотя сварка герметизирующих покрытий верхней крышки в эпоху 1.0 обладает преимуществами простоты оборудования, низкой стоимости и хорошей стабильности, её присущие ограничения также очевидны. С точки зрения оборудования, мощность привода двигателя не может удовлетворить потребности в дальнейшем увеличении скорости; с точки зрения технологии, простое увеличение скорости сварки и мощности лазера для дальнейшего ускорения приведет к нестабильности процесса сварки и снижению выхода годной продукции: увеличение скорости сокращает время термического цикла сварки, процесс плавления металла становится более интенсивным, увеличивается разбрызгивание, ухудшается адаптация к примесям, и возрастает вероятность образования разбрызгивающих отверстий. В то же время сокращается время затвердевания расплавленной ванны, что приводит к шероховатости поверхности сварного шва и снижению его однородности. Когда лазерное пятно мало, тепловой подвод невелик, и разбрызгивание можно уменьшить, но соотношение глубины к ширине сварного шва велико, и ширины сварного шва недостаточно; когда лазерное пятно велико, для увеличения ширины сварного шва требуется большая мощность лазера. Это масштабный процесс, но в то же время он приведет к увеличению разбрызгивания при сварке и ухудшению качества формирования сварного шва. На данном техническом уровне дальнейшее ускорение означает необходимость обмена выхода годной продукции на эффективность, а требования к модернизации оборудования и технологических процессов стали требованиями отрасли.
2. Эра 2.0 на верхней обложкелазерная сваркатехнологии
Скорость сварки 200 мм/с
В 2016 году установленная мощность производства автомобильных аккумуляторов в Китае составляла приблизительно 30,8 ГВт·ч, в 2017 году — около 36 ГВт·ч, а в 2018 году произошел дальнейший взрывной рост, достигнув 57 ГВт·ч, что на 57% больше, чем годом ранее. Производство аккумуляторов для легковых автомобилей на новых источниках энергии также приблизилось к миллиону, увеличившись на 80,7% по сравнению с предыдущим годом. За взрывным ростом установленных мощностей стоит высвобождение мощностей по производству литиевых батарей. На аккумуляторы для легковых автомобилей на новых источниках энергии приходится более 50% установленных мощностей, что также означает, что требования отрасли к характеристикам и качеству батарей будут становиться все более жесткими, а сопутствующие улучшения в технологиях производства оборудования и технологических процессах также вступили в новую эру: для удовлетворения требований к производительности однолинейного производства необходимо увеличить производительность оборудования для лазерной сварки верхних покрытий до 15-20 PPM, и еголазерная сваркаНеобходимо, чтобы скорость достигала 150-200 мм/с. Поэтому, что касается приводных двигателей, различные производители оборудования модернизировали платформы линейных двигателей, чтобы их механизм перемещения соответствовал требованиям к производительности перемещения при сварке по прямоугольной траектории с равномерной скоростью 200 мм/с; однако, как обеспечить качество сварки при высокоскоростной сварке, требует дальнейших технологических прорывов, и компании в отрасли провели множество исследований и изысканий: по сравнению с эпохой 1.0, проблема, с которой сталкивается высокоскоростная сварка в эпоху 2.0, заключается в следующем: использование обычных волоконных лазеров для генерации точечного источника света через обычные сварочные головки затрудняет выбор, позволяющий удовлетворить требование 200 мм/с.
В исходном техническом решении эффект формирования сварного шва можно контролировать только путем настройки параметров, регулировки размера пятна и основных параметров, таких как мощность лазера: при использовании конфигурации с меньшим пятном размер сварочной ванны будет небольшим, форма ванны будет нестабильной, а сварка — нестабильной. Ширина сварного шва также будет относительно небольшой; при использовании конфигурации с большим световым пятном размер сварочной ванны увеличится, но мощность сварки значительно возрастет, а также значительно увеличится количество брызг и пузырьков.
Теоретически, если вы хотите обеспечить эффект формирования сварного шва при высокоскоростной сварке, то это возможно.лазерная сваркаВерхняя крышка должна соответствовать следующим требованиям:
① Ширина сварочного шва достаточна, а соотношение глубины и ширины шва оптимальное, что требует достаточно большой зоны теплового воздействия источника света и разумного диапазона энергии сварочной линии;
② Для получения гладкого сварного шва необходимо, чтобы время термического цикла сварки было достаточно длительным, чтобы расплавленная ванна обладала достаточной текучестью, а сварной шов затвердел в гладкий металлический шов под защитой защитного газа;
③ Сварной шов имеет хорошую однородность и мало пор и отверстий. Это требует, чтобы во время сварки лазер стабильно воздействовал на заготовку, а высокоэнергетический плазменный луч непрерывно генерировался и воздействовал на внутреннюю поверхность расплавленной ванны. Расплавленная ванна образует «замочную скважину» под действием силы реакции плазмы. «Замочная скважина» должна быть достаточно большой и стабильной, чтобы образующиеся пары металла и плазма не выбрасывались наружу, не разбрызгиваясь и не образуя капель металла, а расплавленная ванна вокруг «замочной скважины» не разрушалась и не заполнилась газом. Даже если во время сварки сгорают посторонние предметы и происходит взрывное выделение газов, большая «замочная скважина» способствует более эффективному выделению взрывоопасных газов и уменьшает разбрызгивание металла и образование отверстий.
В ответ на вышеизложенное компании-производители аккумуляторов и оборудования в отрасли предприняли различные попытки и внедрили новые методы: производство литиевых батарей в Японии развивается уже несколько десятилетий, и соответствующие производственные технологии занимают лидирующие позиции.
В 2004 году, когда волоконно-оптическая лазерная технология еще не получила широкого коммерческого применения, компания Panasonic использовала полупроводниковые лазеры на основе лазерных диодов и лазеры на основе иттрий-алюминиевых ламп с импульсной накачкой для получения смешанного излучения (схема показана на рисунке ниже).
Схема гибридной многолазерной сварочной технологии и конструкции сварочной головки.
Высокомощное световое пятно, создаваемое импульсным излучением.YAG-лазерДля создания сварочных отверстий и обеспечения достаточного проплавления используется лазер с малым пятном воздействия на заготовку. Одновременно с этим, полупроводниковый лазер LD используется для непрерывного лазерного излучения, обеспечивающего предварительный нагрев и сварку заготовки. Расплавленная ванна в процессе сварки обеспечивает больше энергии для получения более крупных сварочных отверстий, увеличения ширины сварочного шва и продления времени закрытия сварочных отверстий, способствуя выходу газа из расплавленной ванны и уменьшая пористость сварочного шва, как показано ниже.
Схема гибридного устройствалазерная сварка
Применяя эту технологию,YAG-лазерыА лазеры на основе лазеров с лазерной диодной матрицей мощностью всего в несколько сотен ватт могут использоваться для сварки тонких корпусов литиевых батарей с высокой скоростью 80 мм/с. Эффект сварки показан на рисунке.
Морфология сварного шва при различных параметрах процесса
С развитием и распространением волоконных лазеров, они постепенно вытеснили импульсные YAG-лазеры в лазерной обработке металлов благодаря многочисленным преимуществам, таким как хорошее качество луча, высокая эффективность фотоэлектрического преобразования, длительный срок службы, простота обслуживания и высокая мощность.
Таким образом, комбинация лазеров в описанном выше гибридном решении для лазерной сварки эволюционировала в волоконный лазер + полупроводниковый лазер на основе лазерного диода, при этом лазерный луч также коаксиально выводится через специальную обрабатывающую головку (сварочная головка показана на рисунке 7). В процессе сварки механизм действия лазера остается тем же.
Композитное лазерное сварное соединение
В этом плане используется импульсный режим.YAG-лазерВместо него используется волоконный лазер с лучшим качеством луча, большей мощностью и непрерывным выходным сигналом, что значительно увеличивает скорость сварки и обеспечивает лучшее качество сварки (эффект сварки показан на рисунке 8). Поэтому этот вариант также пользуется популярностью у некоторых клиентов. В настоящее время это решение используется при сварке герметизации верхней крышки аккумуляторной батареи и позволяет достичь скорости сварки 200 мм/с.
Внешний вид сварного шва верхней крышки, полученного методом гибридной лазерной сварки.
Несмотря на то, что двухволновое лазерное сварное решение устраняет проблему стабильности сварного шва при высокоскоростной сварке и отвечает требованиям к качеству сварного шва при высокоскоростной сварке верхних крышек аккумуляторных элементов, с точки зрения оборудования и процесса у этого решения все еще есть некоторые проблемы.
Во-первых, аппаратные компоненты этого решения относительно сложны, требуют использования двух разных типов лазеров и специальных двухволновых лазерных сварочных швов, что увеличивает инвестиционные затраты на оборудование, усложняет его техническое обслуживание и увеличивает количество потенциальных точек отказа оборудования;
Во-вторых, двухволновое соединениелазерная сваркаИспользуемый сварочный шов состоит из нескольких комплектов линз (см. рис. 4). Потери мощности больше, чем у обычных сварочных швов, и положение линз необходимо регулировать для обеспечения коаксиального излучения двухволнового лазера. Кроме того, при фокусировке на фиксированной фокальной плоскости и длительной высокоскоростной работе положение линз может ослабнуть, что приведет к изменению оптического пути и повлияет на качество сварки, требуя ручной корректировки.
Во-третьих, во время сварки лазерное отражение очень сильное и может легко повредить оборудование и компоненты. Особенно при ремонте дефектных изделий гладкая поверхность сварного шва отражает большое количество лазерного света, что может легко вызвать срабатывание лазерной сигнализации, и для ремонта необходимо корректировать параметры процесса.
Для решения вышеуказанных проблем нам необходимо найти другой подход к исследованию. В 2017-2018 годах мы изучали высокочастотные колебания.лазерная сваркаТехнология верхней крышки аккумуляторного отсека была усовершенствована и внедрена в серийное производство. Высокочастотная сварка с использованием лазерного луча (далее именуемая сваркой с качанием) — это еще один современный высокоскоростной процесс сварки со скоростью 200 мм/с.
В отличие от гибридного решения для лазерной сварки, аппаратная часть этого решения требует лишь обычного волоконного лазера, соединенного с осциллирующей лазерной сварочной головкой.
шатающаяся сварочная головка
Внутри сварочной головки находится отражающая линза с электроприводом, которую можно запрограммировать для управления движением лазера в соответствии с заданной траекторией (обычно круговая, S-образная, 8-образная и т. д.), амплитудой и частотой колебаний. Различные параметры колебаний позволяют получать сварочные швы различной формы и размера.
Сварные швы, полученные при различных траекториях качания
Высокочастотная поворотная сварочная головка приводится в движение линейным двигателем для сварки вдоль зазора между заготовками. В зависимости от толщины стенки ячейки выбираются соответствующий тип траектории и амплитуда поворота. Во время сварки статический лазерный луч образует только V-образное сварное сечение. Однако, благодаря поворотной сварочной головке, пятно луча с высокой скоростью перемещается в фокальной плоскости, образуя динамическое и вращающееся сварочное отверстие, что позволяет получить подходящее соотношение глубины и ширины сварного шва.
Вращающаяся сварочная сквозная впадина перемешивает сварной шов. С одной стороны, она способствует выходу газа и уменьшает пористость сварного шва, а также оказывает определенное воздействие на устранение микропор в месте взрыва сварного шва (см. рис. 12). С другой стороны, металл сварного шва нагревается и охлаждается упорядоченным образом. Циркуляция создает на поверхности сварного шва ровный и аккуратный рисунок, напоминающий рыбью чешую.
Формирование шва методом пошаговой сварки
Адаптивность сварных швов к загрязнению краской при различных параметрах колебаний
Вышеуказанные пункты соответствуют трем основным требованиям к качеству высокоскоростной сварки верхней крышки. Данное решение имеет и другие преимущества:
① Поскольку большая часть мощности лазера направляется в динамическую сварочную ванну, рассеивание внешнего лазерного излучения уменьшается, поэтому требуется меньшая мощность лазера, а подвод тепла при сварке относительно низок (на 30% меньше, чем при сварке композитных материалов), что снижает потери оборудования и энергии;
② Метод сварки с качанием обладает высокой адаптивностью к качеству сборки заготовок и снижает количество дефектов, вызванных такими проблемами, как этапы сборки;
③Метод сварки с качанием обладает сильным ремонтным эффектом в сварных отверстиях, и коэффициент выхода годной продукции при использовании этого метода для ремонта сварных отверстий в сердечниках батарей чрезвычайно высок;
④Система проста, а отладка и техническое обслуживание оборудования также несложны.
3. Эра 3.0 в технологии лазерной сварки верхних покрытий
Скорость сварки 300 мм/с
По мере дальнейшего сокращения субсидий на новые источники энергии, практически вся производственная цепочка аккумуляторной промышленности погрузилась в «красное море». Отрасль также вступила в период перестройки, и доля ведущих компаний, обладающих масштабом и технологическими преимуществами, еще больше возросла. Но в то же время «повышение качества, снижение затрат и повышение эффективности» станут главной темой для многих компаний.
В условиях низкого или нулевого уровня субсидирования, только путем итеративного совершенствования технологий, повышения эффективности производства, снижения себестоимости изготовления одной батареи и улучшения качества продукции, мы можем получить дополнительный шанс на победу в конкуренции.
Компания Han's Laser продолжает инвестировать в исследования в области высокоскоростной сварки верхних крышек аккумуляторных элементов. В дополнение к нескольким описанным выше технологическим методам, она также изучает передовые технологии, такие как технология кольцевой точечной лазерной сварки и технология гальванометрической лазерной сварки верхних крышек аккумуляторных элементов.
Для дальнейшего повышения эффективности производства необходимо изучить технологию сварки верхнего покрытия со скоростью 300 мм/с и выше. В 2017-2018 годах компания Han's Laser провела исследования по лазерной сварке с использованием сканирующего гальванометра, преодолев технические трудности, связанные с плохой защитой заготовки газом во время гальванометрической сварки и низким качеством формирования сварного шва, и достигнув скорости 400-500 мм/с.лазерная сваркаверхней крышки элемента. Сварка батареи 26148 занимает всего 1 секунду.
Однако из-за высокой эффективности разработка вспомогательного оборудования, соответствующего этой эффективности, крайне затруднительна, а стоимость оборудования высока. Поэтому дальнейшая разработка коммерческого применения данного решения не проводилась.
С дальнейшим развитиемволоконный лазерВ рамках технологических разработок были представлены новые мощные волоконные лазеры, способные напрямую генерировать кольцеобразные световые пятна. Этот тип лазера может генерировать точечные кольцевые лазерные пятна через специальные многослойные оптические волокна, при этом форма пятна и распределение мощности могут регулироваться, как показано на рисунке.
Сварные швы, полученные при различных траекториях качания
Путем регулировки можно придать распределению плотности мощности лазера форму пятна, пончика и цилиндра. Такой тип лазера называется коронным разрядом, как показано на рисунке.
Регулируемый лазерный луч (соответственно: центральный свет, центральный свет + кольцевой свет, кольцевой свет, два кольцевых света)
В 2018 году было проведено тестирование применения нескольких лазеров этого типа при сварке алюминиевых корпусов верхних крышек аккумуляторных элементов, и на основе лазера Corona были начаты исследования по разработке технологического решения 3.0 для лазерной сварки верхних крышек аккумуляторных элементов. При работе лазера Corona в режиме точечно-кольцевого излучения характеристики распределения плотности мощности его выходного луча аналогичны характеристикам комбинированного излучения полупроводникового + волоконного лазера.
В процессе сварки центральный источник света с высокой плотностью мощности формирует сквозное отверстие для глубокой сварки, обеспечивая достаточное проплавление (аналогично выходной мощности волоконного лазера в гибридных сварочных решениях), а кольцевой источник света обеспечивает больший подвод тепла, расширяет сквозное отверстие, уменьшает воздействие паров металла и плазмы на жидкий металл по краям сквозного отверстия, снижает разбрызгивание металла и увеличивает время термического цикла сварки, способствуя более длительному выходу газа из расплавленной ванны и повышая стабильность высокоскоростных сварочных процессов (аналогично выходной мощности полупроводниковых лазеров в гибридных сварочных решениях).
В ходе испытаний мы сварили тонкостенные батареи и обнаружили, что стабильность размеров сварного шва была хорошей, а технологическая производительность CPK — хорошей, как показано на рисунке 18.
Внешний вид сварного шва верхней крышки аккумуляторного отсека с толщиной стенки 0,8 мм (скорость сварки 300 мм/с)
В отличие от гибридного сварочного решения, данное решение отличается простотой и не требует двух лазеров или специальной гибридной сварочной головки. Для его работы достаточно обычной мощной лазерной сварочной головки (поскольку лазер излучает только одно оптическое волокно, структура линзы проста, регулировка не требуется, а потери мощности низкие), что упрощает отладку и техническое обслуживание, а также значительно повышает стабильность работы оборудования.
Помимо простоты аппаратного решения и соответствия требованиям высокоскоростной сварки верхней крышки аккумуляторного элемента, данное решение обладает и другими преимуществами в технологических процессах.
В ходе испытаний мы сваривали верхнюю крышку батареи на высокой скорости 300 мм/с и при этом добились хороших результатов формирования сварочного шва. Более того, для оболочек с различной толщиной стенок 0,4, 0,6 и 0,8 мм качественную сварку можно получить, просто изменив режим лазерного излучения. Однако для гибридных решений с использованием двухволнового лазера необходимо изменять оптическую конфигурацию сварочной головки или лазера, что влечет за собой увеличение затрат на оборудование и времени на отладку.
Следовательно, точка-кольцолазерная сваркаЭто решение позволяет не только обеспечить сверхскоростную сварку верхней крышки со скоростью 300 мм/с и повысить эффективность производства силовых батарей, но и значительно улучшить качество оборудования и совместимость продукции, сократить время на смену моделей и отладку для компаний-производителей батарей.
Внешний вид сварного шва верхней крышки аккумуляторного отсека с толщиной стенки 0,4 мм (скорость сварки 300 мм/с)
Внешний вид сварного шва верхней крышки аккумуляторного отсека с толщиной стенки 0,6 мм (скорость сварки 300 мм/с)
Лазерная коронная сварка для сварки тонкостенных ячеек – технологические возможности.
Помимо упомянутого выше коронного лазера, лазеры AMB и ARM обладают схожими характеристиками оптического излучения и могут использоваться для решения таких задач, как уменьшение разбрызгивания при лазерной сварке, улучшение качества поверхности сварного шва и повышение стабильности высокоскоростной сварки.
4. Резюме
Все вышеперечисленные решения используются в реальном производстве отечественными и зарубежными компаниями, занимающимися производством литиевых батарей. Из-за различий во времени производства и технических требованиях в отрасли широко применяются различные технологические решения, однако компании предъявляют более высокие требования к эффективности и качеству. Технологии постоянно совершенствуются, и вскоре компании, находящиеся на переднем крае технологий, будут внедрять всё больше новых решений.
Китайская индустрия аккумуляторных батарей для новых источников энергии зародилась сравнительно поздно и быстро развивается благодаря государственной политике. Соответствующие технологии продолжают совершенствоваться благодаря совместным усилиям всей производственной цепочки, что позволило значительно сократить отставание от ведущих международных компаний. Будучи отечественным производителем оборудования для производства литиевых батарей, компания Maven постоянно изучает собственные конкурентные преимущества, содействует модернизации оборудования для производства аккумуляторных батарей и предлагает лучшие решения для автоматизированного производства модулей аккумуляторных батарей для хранения энергии новых источников.
Дата публикации: 19 сентября 2023 г.
