Os fabricantes de módulos de baterias para veículos elétricos enfrentam uma pressão contínua para melhorar o desempenho do sistema - especialmente por meio da ampliação do alcance e da redução dos tempos de carregamento, ao mesmo tempo em que reduzem os custos de produção. Essas pressões de preço geralmente levam os fabricantes a favorecer as células prismáticas, que são atualmente o fator de forma de bateria mais econômico. Infelizmente, as células prismáticas normalmente oferecem desempenho inferior em comparação com as alternativas cilíndricas, deixando os projetistas de sistemas com apenas metade do problema resolvido.
É possível melhorar as taxas de carga e descarga em projetos prismáticos aumentando a área da seção transversal do barramento, reduzindo assim a resistência elétrica. Mas os barramentos mais espessos apresentam novos desafios, especialmente para a soldagem. Em particular, os lasers tradicionalmente usados para unir o barramento ao terminal podem ter dificuldades para atingir a penetração mais profunda necessária sem aplicar calor excessivo, o que aumenta as chances de danos às peças.
Agora, duas tecnologias superaram esses desafios, permitindo a soldagem econômica de barramentos mais espessos e, ao mesmo tempo, mantendo a velocidade, a confiabilidade e os rendimentos necessários para a produção de alto volume. A primeira dessas tecnologias é a soldagem a laser de fibra de feixe duplo. A segunda é a medição e verificação da soldaem tempo real e durante o processo, usando a tomografia de coerência óptica (OCT).
Aqui, aprenderemos como cada uma dessas ferramentas apoia a próxima geração de fabricação de módulos avançados de baterias para EV.
Soldagem a laser de feixe duplo
A tecnologia de feixe duplo é um dos avanços mais significativos no processamento a laser nos últimos anos. Seu impacto é especialmente pronunciado na fabricação de mobilidade elétrica, onde ela permite a soldagem confiável de metais altamente refletivos, como cobre e alumínio, bem como combinações desafiadoras de materiais diferentes. Esses materiais geralmente apresentam respingos, porosidade e profundidade de penetração inconsistente quando soldados com lasers de fibra de feixe único tradicionais.
A forma mais amplamente utilizada e eficaz da tecnologia de feixe duplo apresenta um "feixe central" redondo, cercado por um "feixe anular" concêntrico. A potência de cada um pode ser ajustada de forma independente - idealmente em toda a faixa de 0% a 100%.
Como funciona a soldagem a laser de feixe duplo
Para entender os benefícios dessa configuração, é importante entender que a soldagem estável por keyhole a laser exige o equilíbrio adequado de duas forças opostas dentro do metal fundido.
Pressão: a primeira força é a pressão que abre e mantém o buraco da fechadura. Essa pressão é criada quando o laser aquece a superfície e o metal vaporizado se expande.
Tensão superficial: A segunda é uma combinação de tensão superficial e forças viscosas no metal fundido que agem para fechar o buraco da fechadura.
Quando o equilíbrio dessas duas forças opostas é perturbado, o buraco da fechadura pode oscilar, entrar em colapso, prender gás ou ejetar metal fundido.
Na soldagem a laser de feixe duplo, o feixe central inicia e mantém o buraco da fechadura da solda, enquanto o feixe anelar estabiliza o banho de solda. Especificamente, o feixe anelar pré-aquece e derrete suavemente o material ao redor do núcleo. Isso suaviza os gradientes de temperatura e permite que o vapor seja liberado de forma constante, reduzindo os picos de pressão que causam respingos, colapso ou outras instabilidades. Dessa forma, o equilíbrio de forças é mantido.
Manter a área ao redor do buraco da fechadura derretida também permite que o material flua de volta para ela. Assim, ele pode se espalhar de forma mais uniforme antes de se solidificar. Além disso, o aquecimento do feixe de anéis retarda o resfriamento e a solidificação, o que evita rachaduras a quente no alumínio.
A pré-fusão por feixe de anéis também aumenta a absorção de luz infravermelha no cobre, aumentando a eficiência do processo e aprimorando ainda mais a estabilidade.
Juntos, esses efeitos praticamente eliminam respingos, proporcionam penetração consistente e produzem juntas mais suaves com resistência mecânica superior. E os lasers de feixe duplo conseguem isso em velocidades de soldagem até dez vezes mais rápidas do que os sistemas de feixe único.
Obtendo precisão com lasers de modo único
Os lasers de feixe duplo estão disponíveis com muitas combinações possíveis de potência de saída total, relação entre o tamanho do anel e do núcleo e tamanho total do feixe. Não existe uma configuração universal "melhor" - Como sempre, os parâmetros ideais do laser dependem do(s) material(is) específico(s) e dos requisitos do processo.
No caso da soldagem de barramentos mais espessos (acima de 2 mm), é fundamental obter uma penetração profunda junto com seções transversais de solda grandes e consistentes para minimizar a resistência elétrica. Há algumas abordagens diferentes para conseguir isso.
A primeira é usar um laser de feixe duplo de alta potência com um feixe central multimodo. Essa configuração possibilita o fornecimento rápido de uma grande quantidade de energia do laser em uma zona de solda relativamente grande.
A vantagem dessa abordagem é a velocidade. Ela produz uma solda de seção transversal grande muito rapidamente.
O aspecto negativo é que o fornecimento de toda essa energia tão rapidamente cria uma zona afetada pelo calor (HAZ) considerável. Isso aumenta a possibilidade de danificar peças ou estruturas sensíveis ao calor nas proximidades (como componentes plásticos atrás do terminal).
A segunda abordagem é usar um laser de feixe duplo com um feixe central de modo único (TEM00) de menor potência. Apesar de sua potência total mais baixa, a alta qualidade do feixe permite que o feixe central seja focalizado em um ponto muito menor. Isso produz uma densidade de energia maior do que a obtida normalmente com um feixe multimodo.
Os feixes de maior densidade de energia alcançam uma penetração mais profunda em comparação com os feixes de menor densidade de energia com a mesma potência total. Além disso, o perfil do feixe de um laser monomodo é inerentemente mais consistente ao longo do tempo do que o de um laser multimodo, o que permite um melhor controle do buraco da fechadura e uma maior consistência do processo.
O resultado é que um laser de feixe duplo com um feixe central de modo único pode iniciar rapidamente uma solda, mesmo em metais de alta refletividade, como cobre e alumínio. Ao mesmo tempo, ele atinge rapidamente a profundidade de penetração de solda necessária. Como a maior parte da energia do laser é usada para soldar o material, em vez de aquecê-lo, a HAZ é minimizada.
E há outro benefício mais sutil de um feixe central de modo único. Sua melhor qualidade de modo (M²) significa um maior alcance de Rayleigh. Essa é a distância na qual o feixe focalizado mantém um tamanho de ponto quase constante.
Como o tamanho do feixe não varia tanto acima e abaixo do ponto de foco, o processo de soldagem se torna muito menos sensível a alterações na altura ou na espessura do material. Isso significa um processo mais tolerante e uma janela de processo mais ampla. Isso pode ter um grande impacto nos rendimentos em ambientes reais de produção de soldagem.
Por fim, deve-se observar que todos esses benefícios são dimensionados com a qualidade do modo do laser. À medida que M² diminui (indicando um aumento na qualidade do feixe), todos esses benefícios se tornam mais pronunciados.
Obviamente, há uma desvantagem em soldar com um feixe de núcleo de modo único. Isso produz uma costura de solda mais estreita, o que significa que é preciso uma solda mais longa para criar uma seção transversal total de solda suficientemente grande. Normalmente, isso é obtido por meio da soldagem de um padrão (como uma espiral) ou da realização de várias soldas curtas e bem espaçadas, em vez de uma única solda longa e reta.
Portanto, há uma clara compensação entre a velocidade do processo e a qualidade da solda. A soldagem a laser multimodo é mais rápida, mas gera uma HAZ maior. A soldagem a laser de modo único leva mais tempo para soldar uma determinada seção transversal, mas minimiza a ZTA e maximiza a qualidade da junta de solda.
Priorização da garantia da qualidade da solda
Um módulo de bateria de EV pode conter centenas de soldas individuais. Uma única conexão defeituosa pode aumentar a resistência interna, reduzir o desempenho do pacote ou até mesmo criar um risco à segurança. Isso significa que uma taxa de defeito tão baixa quanto 1 em 10.000 pode resultar em falhas frequentes no nível do módulo. Isso torna imperativa a verificação em linha, mesmo quando se usam sistemas de soldagem a laser altamente confiáveis.
Tradicionalmente, a maioria dos sistemas de monitoramento de solda usa sensores de fotodiodo que detectam a luz emitida pela poça de fusão e pela pluma de plasma acima da solda. Em seguida, esses sinais são comparados estatisticamente com os dados de referência armazenados de soldas boas conhecidas. Embora esse método possa revelar alterações gerais no processo, ele não mede de fato a solda em si - apenas como a luz emitida difere das médias anteriores.
Além disso, como o sinal depende da luz coletada e não da geometria real da solda, ele é facilmente influenciado por fatores não relacionados. Variações na refletividade da superfície, no alinhamento do feixe ou na posição do foco podem alterar a quantidade de luz retornada e gerar leituras falsas. Para piorar a situação, a penetração insuficiente e excessiva geralmente geram perfis de emissão quase idênticos. Essa ambiguidade pode levar a refugo desnecessário, retrabalho e incerteza contínua sobre a qualidade real da solda.
A Tomografia de Coerência Óptica (OCT) foi desenvolvida para fornecer uma medição direta da profundidade real da solda. A OCT usa um feixe de medição de baixa potência, próximo ao infravermelho, projetado através da mesma óptica do laser de soldagem. Isso significa que ele sempre permanece perfeitamente alinhado e coaxial com o feixe do processo.
A luz da fonte de OCT entra no buraco da fechadura e é refletida de volta. A interferometria é usada para obter a distância até a superfície refletora - a parte inferior do buraco da fechadura, nesse caso.
Essa reflexão é monitorada continuamente para fornecer uma medição em tempo real da profundidade do buraco da fechadura com precisão em nível de mícron. Como ele detecta por meio de interferência coerente, em vez de depender do brilho ou da temperatura da pluma de solda, o OCT não é afetado por alterações nas condições da superfície, na refletividade do material ou na potência do feixe.
A OCT é particularmente valiosa para a soldagem com feixe de núcleo monomodo. Isso produz buracos de fechadura profundos, estreitos e com alta relação de aspecto que são difíceis de serem acessados pela maioria dos sistemas ópticos. Mas a OCT pode sondar prontamente buracos de fechadura que têm apenas algumas dezenas de mícrons de largura. Como resultado, ela é altamente adequada para medir a penetração em barramentos espessos em que o controle de profundidade é fundamental.
A velocidade da instrumentação de OCT permite que os fabricantes validem cada solda realizada em tempo real. Condições como penetração insuficiente ou excessiva podem ser identificadas e sinalizadas imediatamente.
Para a produção de alto volume de baterias para veículos elétricos, isso significa maior produtividade, maior rendimento e muito mais confiança de que cada conexão de barramento é feita de acordo com as especificações. Além disso, os dados de medição armazenados permitem um maior grau de rastreabilidade.
Primeiros passos com uma solução a laser
Juntos, os lasers de fibra de feixe duplo e a medição de profundidade de solda OCT em linha e em tempo real permitem a soldagem confiável e econômica de barramentos espessos. A IPG Photonics tem a capacidade exclusiva de combinar essas tecnologias para oferecer a solução ideal para sua aplicação específica de soldagem.
Isso ocorre porque oferecemos a maior seleção de lasers de fibra de feixe duplo disponível e também construímos e integramos nossa própria ferramenta de medição de solda a laser baseada em OCT. Isso garante uma qualidade de dados consistentemente alta, estabilidade e confiabilidade operacional.
Fale com um de nossos especialistas em soldagem a laser para começar a selecionar o sistema certo para suas necessidades de soldagem a bateria.
