Výrobci bateriových modulů pro elektromobily čelí neustálému tlaku na zvyšování výkonu systému - zejména prodloužením dojezdu a zkrácením doby nabíjení - při současném snižování výrobních nákladů. Tyto cenové tlaky často vedou výrobce k upřednostňování prizmatických článků, které jsou v současnosti nejúspornějším tvarovým faktorem baterií. Bohužel prizmatické články obvykle poskytují nižší výkon ve srovnání s válcovými alternativami, takže konstruktéři systémů mají stále vyřešenou jen polovinu problému.
Rychlost nabíjení a vybíjení v prizmatických konstrukcích je možné zlepšit zvětšením průřezu přípojnice, čímž se sníží elektrický odpor. Silnější přípojnice však přinášejí nové problémy, zejména při svařování. Zejména lasery, které se tradičně používají pro spojování přípojnic s koncovkami, mohou mít problémy s dosažením hlubšího průniku, který je nutný, aniž by se použilo nadměrné teplo, které zvyšuje pravděpodobnost poškození dílu.
Nyní tyto problémy překonaly dvě technologie, které umožňují nákladově efektivní svařování silnějších přípojnic při zachování rychlosti, spolehlivosti a výtěžnosti, které jsou potřebné pro velkosériovou výrobu. První z těchto technologií je svařování vláknovým laserem se dvěma paprsky. Druhou technologií je měření a ověřování svarův reálném čase přímo v procesu pomocí optické koherentní tomografie (OCT).
Zde se dozvíte, jak každý z těchto nástrojů podporuje novou generaci výroby pokročilých bateriových modulů pro elektromobily.
Svařování laserem se dvěma paprsky
Technologie dvou paprsků je jedním z nejvýznamnějších pokroků v laserovém zpracování v posledních letech. Její vliv je obzvláště výrazný ve výrobě e-mobilů, kde umožňuje spolehlivé svařování klíčových otvorů vysoce reflexních kovů, jako je měď a hliník, a také náročných kombinací různorodých materiálů. U těchto materiálů se při svařování tradičními vláknovými lasery s jedním paprskem často objevuje rozstřik, pórovitost a nestejná hloubka průniku.
Nejpoužívanější a nejefektivnější forma technologie dvojitého paprsku je tvořena centrálním kruhovým paprskem obklopeným koncentrickým prstencovým paprskem. Výkon každého z nich lze nastavit nezávisle - ideálně v celém rozsahu 0 % až 100 %.
Jak funguje laserové svařování dvěma paprsky
Pro pochopení výhod této konfigurace je důležité si uvědomit, že stabilní laserové svařování klíčových otvorů vyžaduje správné vyvážení dvou protichůdných sil v roztaveném kovu.
Tlak: První silou je tlak, který otevírá a udržuje klíčovou dírku. Tento tlak vzniká, když laser zahřívá povrch a odpařený kov se rozpíná.
Povrchové napětí: Druhý způsob je kombinací povrchového napětí a viskózních sil v roztaveném kovu, které působí na uzavření klíčové dírky.
Pokud je rovnováha těchto dvou protichůdných sil narušena, může klíčová dírka kmitat, zhroutit se, zachytit plyn nebo vymrštit roztavený kov.
Při svařování dvěma laserovými paprsky iniciuje a udržuje svarový otvor jádrový paprsek, zatímco kruhový paprsek stabilizuje svarovou lázeň. Prstencový paprsek jemně předehřívá a taví materiál kolem jádra. Tím se vyrovnávají teplotní gradienty a umožňuje se rovnoměrné odvádění par, čímž se snižují tlakové rázy, které způsobují rozstřik, zborcení nebo jiné nestability. Tímto způsobem se udržuje rovnováha sil.
Udržování roztavené oblasti kolem klíčové dírky také umožňuje, aby do ní materiál proudil zpět. Ten se pak může před ztuhnutím rovnoměrněji rozprostřít. Navíc ohřev od kruhového paprsku zpomaluje ochlazování a tuhnutí, což zabraňuje praskání hliníku za tepla.
Předtavení pomocí kruhového paprsku také zvyšuje absorpci infračerveného světla v mědi, čímž se zvyšuje účinnost procesu a dále se zvyšuje stabilita.
Tyto efekty společně prakticky eliminují rozstřikování, zajišťují konzistentní penetraci a vytvářejí hladší spoje s vynikající mechanickou pevností. Dvoupaprskové lasery toho dosahují až desetkrát vyšší rychlostí svařování než jednopaprskové systémy.
Dosažení přesnosti s jednovidovými lasery
Dvoupaprskové lasery jsou k dispozici s mnoha možnými kombinacemi celkového výstupního výkonu, poměru velikosti prstence k jádru a celkové velikosti paprsku. Neexistuje žádná univerzální "nejlepší" konfigurace - optimální parametry laseru vždy závisí na konkrétním materiálu (materiálech) a procesních požadavcích.
V případě svařování silnějších přípojnic (nad 2 mm) je pro minimalizaci elektrického odporu rozhodující dosažení hlubokého průvaru spolu s velkými, konzistentními průřezy svaru. Existuje několik různých přístupů, jak toho dosáhnout.
Prvním z nich je použití vysoce výkonného laseru se dvěma paprsky a vícerežimovým jádrem. Tato konfigurace umožňuje rychle dodat velké množství laserové energie do relativně velké zóny svaru.
Výhodou tohoto přístupu je rychlost. Velmi rychle vytváří velký průřez svaru.
Negativem je, že při tak rychlém dodání energie vzniká rozsáhlá tepelně ovlivněná zóna (HAZ). Tím se zvyšuje možnost poškození blízkých tepelně citlivých dílů nebo konstrukcí (např. plastových součástí za svorkou).
Druhým přístupem je použití dvousvazkového laseru s jednovidovým (TEM00) jádrovým paprskem o nižším výkonu. Navzdory nižšímu celkovému výkonu umožňuje vysoká kvalita svazku zaostřit středový paprsek na mnohem menší bod. Tím se dosáhne vyšší hustoty energie, než jaké je obvykle možné dosáhnout s vícemódovým svazkem.
Paprsky s vyšší hustotou energie dosahují hlubšího průniku ve srovnání s paprsky s nižší hustotou energie o stejném celkovém výkonu. Kromě toho je profil paprsku jednovidového laseru přirozeně konzistentnější v čase než u vícemodového laseru, což umožňuje lepší kontrolu klíčových otvorů a lepší konzistenci procesu.
Výsledkem je, že dvoupaprskový laser s jednovidovým paprskem v jádře může rychle iniciovat svařování i u kovů s vysokou odrazivostí, jako je měď a hliník. Současně rychle dosahuje požadované hloubky provaření. Protože větší část energie laseru jde na svařování materiálu, nikoli na jeho zahřívání, minimalizuje se tím oblast poškození.
A je tu ještě jedna, jemnější výhoda jednovidového středového paprsku. Jeho lepší kvalita módu (M²) znamená větší Rayleighův dosah. To je vzdálenost, na které si zaostřený paprsek udržuje téměř konstantní velikost skvrny.
Protože se velikost paprsku nad a pod bodem zaostření tolik nemění, je proces svařování mnohem méně citlivý na změny výšky nebo tloušťky materiálu. To znamená tolerantnější proces a širší procesní okno. To může mít obrovský vliv na výtěžnost ve skutečném výrobním svařovacím prostředí.
Nakonec je třeba poznamenat, že všechny tyto výhody se stupňují s kvalitou laserového režimu. S klesajícím M² (což znamená zvyšující se kvalitu svazku) se všechny tyto výhody projevují výrazněji.
Svařování s jednovidovým jádrovým paprskem má samozřejmě jednu nevýhodu. Vzniká tak užší svarový šev, což znamená, že k vytvoření dostatečně velkého celkového průřezu svaru je zapotřebí delšího času. Obvykle se toho dosahuje svařováním do obrazce (jako je spirála) nebo provedením více krátkých svarů v těsných rozestupech namísto jednoho dlouhého rovného svaru.
Je zde tedy jasný kompromis mezi rychlostí procesu a kvalitou svaru. Vícerežimové laserové svařování je rychlejší, ale vytváří větší HAZ. Svařování jedním režimem laseru trvá déle, než se svaří daný průřez, ale minimalizuje se HAZ a maximalizuje se kvalita svarového spoje.
Stanovení priorit pro zajištění kvality svarů
Modul baterie pro elektromobily může obsahovat stovky jednotlivých svarů. Jediný vadný spoj může zvýšit vnitřní odpor, snížit výkonnost sady nebo dokonce ohrozit bezpečnost. To znamená, že míra závad pouhá 1 z 10 000 může vést k častým poruchám na úrovni modulu. Proto je inline ověřování nezbytné, a to i při použití vysoce spolehlivých laserových svařovacích systémů.
Většina systémů pro monitorování svarů tradičně používá fotodiodové snímače, které detekují světlo vyzařované z roztavené lázně a plazmové plazmy nad svarem. Tyto signály se pak statisticky porovnávají s uloženými referenčními údaji ze známých dobrých svarů. Tato metoda sice může odhalit obecné změny procesu, ale ve skutečnosti neměří samotný svar. - pouze to, jak se vyzařované světlo liší od minulých průměrů.
Protože signál závisí spíše na zachyceném světle než na skutečné geometrii svaru, je snadno ovlivnitelný nesouvisejícími faktory. Změny v odrazivosti povrchu, zarovnání paprsku nebo poloze zaostření mohou změnit množství vráceného světla a vyvolat falešné údaje. Aby toho nebylo málo, nedostatečná a nadměrná penetrace často vytváří téměř identické profily vyzařování. Tato nejednoznačnost může vést ke zbytečnému zmetku, přepracování a přetrvávající nejistotě ohledně skutečné kvality svaru.
Optická koherentní tomografie (OCT) byla vyvinuta za účelem přímého měření skutečné hloubky svaru. OCT využívá nízkovýkonný měřicí paprsek v blízké infračervené oblasti, který se promítá stejnou optikou jako svařovací laser. To znamená, že zůstává vždy dokonale zarovnaný a souosý s procesním paprskem.
Světlo ze zdroje OCT vstupuje do klíčové dírky a odráží se zpět. Interferometrie se používá k získání vzdálenosti k odrazné ploše. - v tomto případě dno klíčové dírky.
Tento odraz je nepřetržitě monitorován a poskytuje měření hloubky klíčové dírky v reálném čase s přesností na úrovni mikronů. Protože OCT snímá pomocí koherentní interference a nespoléhá se na jas nebo teplotu svařovacího pláště, není ovlivněno změnami stavu povrchu, odrazivosti materiálu nebo výkonu paprsku.
OCT je zvláště cenná pro svařování jednovidovým jádrovým paprskem. To vytváří hluboké, úzké klíčové otvory s vysokým poměrem stran, které jsou pro většinu optických systémů obtížně přístupné. OCT však může snadno zkoumat klíčové otvory široké jen několik desítek mikrometrů. Díky tomu je velmi vhodný pro měření průniku v tlustých přípojnicích, kde je kontrola hloubky kritická.
Rychlost přístrojů OCT umožňuje výrobcům ověřit každý provedený svar v reálném čase. Podmínky, jako je nedostatečný nebo nadměrný průnik, lze okamžitě identifikovat a označit..
Pro velkosériovou výrobu baterií pro elektromobily to znamená vyšší výkonnost, vyšší výtěžnost a mnohem větší jistotu, že každý spoj přípojnic je proveden podle specifikace. Uložená data z měření navíc umožňují vyšší míru sledovatelnosti.
Začínáme s laserovým řešením
Dvoupaprskové vláknové lasery a inline měření hloubky svaru OCT v reálném čase společně umožňují spolehlivé a nákladově efektivní svařování silných přípojnic. Společnost IPG Photonics je jedinečně schopna kombinovat tyto technologie a poskytnout optimální řešení pro vaši konkrétní svařovací aplikaci.
Nabízíme totiž největší výběr dvoupaprskových vláknových laserů a také vyrábíme a integrujeme vlastní laserový nástroj pro měření svarů na bázi OCT. To zajišťuje trvale vysokou kvalitu dat, stabilitu a provozní spolehlivost.
Obraťte se na některého z našich odborníků na laserové svařování a začněte s výběrem správného systému pro vaše potřeby svařování baterií.
