Los fabricantes de módulos de baterías para VE se enfrentan a una presión continua para mejorar el rendimiento del sistema - especialmente ampliando la autonomía y reduciendo los tiempos de carga, al tiempo que se reducen los costes de producción. Estas presiones sobre los precios llevan a menudo a los fabricantes a favorecer las celdas prismáticas, que son actualmente el factor de forma de batería más económico. Por desgracia, las celdas prismáticas suelen ofrecer un rendimiento inferior al de las alternativas cilíndricas, lo que deja a los diseñadores de sistemas con sólo la mitad del problema resuelto.
Es posible mejorar las velocidades de carga y descarga en los diseños prismáticos aumentando la sección transversal de la barra colectora, reduciendo así la resistencia eléctrica. Pero las barras colectoras más gruesas plantean nuevos retos, sobre todo para la soldadura. En concreto, los láseres utilizados tradicionalmente para unir las barras colectoras a los terminales pueden tener dificultades para lograr la penetración más profunda necesaria sin aplicar un calor excesivo que aumente las posibilidades de dañar las piezas.
En la actualidad, dos tecnologías han superado estos retos, lo que permite soldar de forma rentable barras conductoras más gruesas sin perder la velocidad, fiabilidad y rendimiento necesarios para la producción de grandes volúmenes. La primera de estas tecnologías es la soldadura por láser de fibra de doble haz. La segunda es la medición y verificación de la soldaduraen tiempo real durante el proceso mediante tomografía de coherencia óptica (OCT).
Aquí aprenderemos cómo cada una de estas herramientas apoya la próxima generación de fabricación avanzada de módulos de baterías para vehículos eléctricos.
Soldadura láser de doble haz
La tecnología de doble haz es uno de los avances más significativos de los últimos años en el procesamiento por láser. Su impacto es especialmente pronunciado en la fabricación de e-movilidad, donde permite una soldadura fiable en el ojo de la cerradura de metales altamente reflectantes como el cobre y el aluminio, así como combinaciones de materiales disímiles que suponen un reto. Estos materiales suelen presentar salpicaduras, porosidad y una profundidad de penetración irregular cuando se sueldan con láseres de fibra tradicionales de un solo haz.
La tecnología de doble haz más utilizada y eficaz consiste en un "haz central" redondo rodeado de un "haz anular" concéntrico. La potencia de cada uno puede ajustarse independientemente - idealmente en toda la gama del 0% al 100%.
Cómo funciona la soldadura láser de doble haz
Para comprender las ventajas de esta configuración, es importante saber que una soldadura por chavetero láser estable requiere equilibrar adecuadamente dos fuerzas opuestas dentro del metal fundido.
Presión: La primera fuerza es la presión que abre y mantiene el ojo de la cerradura. Esta presión se crea cuando el láser calienta la superficie y el metal vaporizado se expande.
Tensión superficial: La segunda es una combinación de tensión superficial y fuerzas viscosas en el metal fundido que actúan para cerrar el ojo de la cerradura.
Cuando se altera el equilibrio de estas dos fuerzas opuestas, el ojo de la cerradura puede oscilar, colapsarse, atrapar gas o expulsar metal fundido.
En la soldadura láser de doble haz, el haz central inicia y mantiene el orificio de la chaveta de soldadura, mientras que el haz anular estabiliza el baño de soldadura. En concreto, el haz anular precalienta y funde suavemente el material alrededor del núcleo. Esto suaviza los gradientes de temperatura y permite que el vapor se ventile de forma constante, reduciendo los picos de presión que causan salpicaduras, colapso u otras inestabilidades. De este modo, se mantiene el equilibrio de fuerzas.
Mantener fundida la zona alrededor del ojo de la cerradura también permite que el material vuelva a fluir hacia ella. De este modo, puede extenderse de forma más uniforme antes de solidificarse. Además, el calentamiento por el haz anular ralentiza el enfriamiento y la solidificación, lo que evita el agrietamiento en caliente del aluminio.
La prefusión por haz anular también aumenta la absorción de luz infrarroja en el cobre, lo que aumenta la eficacia del proceso y mejora aún más la estabilidad.
Juntos, estos efectos eliminan prácticamente las salpicaduras, proporcionan una penetración uniforme y producen uniones más suaves con una resistencia mecánica superior. Y los láseres de doble haz lo consiguen a velocidades de soldadura hasta diez veces superiores a las de los sistemas de haz único.
Precisión con láser monomodo
Existen láseres de doble haz con muchas combinaciones posibles de potencia de salida total, relación anillo-núcleo y tamaño total del haz. No existe una configuración universal "óptima - como siempre, los parámetros óptimos del láser dependen del material o materiales específicos y de los requisitos del proceso.
En el caso de la soldadura de barras colectoras más gruesas (más de 2 mm), es fundamental lograr una penetración profunda junto con secciones transversales de soldadura grandes y uniformes para minimizar la resistencia eléctrica. Hay un par de enfoques diferentes para conseguirlo.
La primera consiste en utilizar un láser de alta potencia y doble haz con un haz central multimodo. Esta configuración permite suministrar rápidamente una gran cantidad de energía láser en una zona de soldadura relativamente grande.
La ventaja de este método es la rapidez. Produce una soldadura de gran sección transversal muy rápidamente.
El aspecto negativo es que al suministrar toda esta energía tan rápidamente se crea una zona afectada por el calor (ZAC) considerable. Esto aumenta la posibilidad de dañar piezas o estructuras cercanas sensibles al calor (como componentes de plástico detrás del terminal).
El segundo enfoque consiste en utilizar un láser de doble haz con un haz central monomodo (TEM00) de menor potencia. A pesar de su menor potencia total, la alta calidad del haz permite enfocar el haz central a un punto mucho más pequeño. De este modo se obtiene una densidad de energía superior a la que suele alcanzarse con un haz multimodo.
Los haces de mayor densidad energética consiguen una penetración más profunda en comparación con los haces de menor densidad energética de la misma potencia total. Además, el perfil del haz de un láser monomodo es intrínsecamente más uniforme a lo largo del tiempo que el de un láser multimodo, lo que permite un mejor control del orificio de la cerradura y una mayor uniformidad del proceso.
El resultado es que un láser de doble haz con un haz central monomodo puede iniciar rápidamente una soldadura incluso en metales de alta reflectividad, como el cobre y el aluminio. Al mismo tiempo, alcanza rápidamente la profundidad de penetración requerida. Como la mayor parte de la energía del láser se destina a soldar el material, en lugar de calentarlo, se minimiza la ZAT.
Y hay otra ventaja, más sutil, de un haz central monomodo. Su mejor calidad de modo (M²) se traduce en un mayor alcance de Rayleigh. Se trata de la distancia a la que el haz enfocado mantiene un tamaño de punto casi constante.
Como el tamaño del haz no varía tanto por encima y por debajo del punto de enfoque, el proceso de soldadura es mucho menos sensible a los cambios de altura o grosor del material. Esto significa un proceso más tolerante y una ventana de proceso más amplia. Esto puede tener un gran impacto en los rendimientos en entornos de soldadura de producción reales.
Por último, cabe señalar que todas estas ventajas varían en función de la calidad del modo láser. A medida que disminuye M² (lo que indica un aumento de la calidad del haz), todas estas ventajas son más pronunciadas.
Por supuesto, soldar con un haz de núcleo monomodo tiene una desventaja. Al hacerlo, se produce un cordón de soldadura más estrecho, lo que significa que se necesita una soldadura más larga para construir una sección transversal de soldadura total suficientemente grande. Normalmente, esto se consigue soldando un patrón (como una espiral) o realizando varias soldaduras cortas muy próximas entre sí, en lugar de una única soldadura recta larga.
Por lo tanto, existe un claro equilibrio entre la velocidad del proceso y la calidad de la soldadura. La soldadura láser multimodo es más rápida pero genera una mayor ZAT. La soldadura láser monomodo tarda más en soldar una sección transversal determinada, pero minimiza la ZAT y maximiza la calidad de la unión soldada.
Priorizar la garantía de calidad de la soldadura
Un módulo de batería para VE puede contener cientos de soldaduras individuales. Una sola conexión defectuosa puede aumentar la resistencia interna, reducir el rendimiento del pack o incluso crear un riesgo para la seguridad. Esto significa que una tasa de defectos tan baja como 1 entre 10.000 puede dar lugar a fallos frecuentes a nivel de módulo. Esto hace que la verificación en línea sea imperativa, incluso cuando se utilizan sistemas de soldadura láser de alta fiabilidad.
Tradicionalmente, la mayoría de los sistemas de control de soldaduras han utilizado sensores fotodiodos que detectan la luz emitida por el baño de fusión y el penacho de plasma sobre la soldadura. A continuación, estas señales se comparan estadísticamente con datos de referencia almacenados de soldaduras buenas conocidas. Aunque este método puede revelar cambios generales en el proceso, en realidad no mide la propia soldadura - sólo la diferencia entre la luz emitida y las medias anteriores.
Además, como la señal depende de la luz recogida y no de la geometría real de la soldadura, es fácil que se vea influida por factores ajenos. Las variaciones en la reflectividad de la superficie, la alineación del haz o la posición del foco pueden cambiar la cantidad de luz devuelta y provocar lecturas falsas. Para empeorar las cosas, el exceso y la falta de penetración suelen generar perfiles de emisión casi idénticos. Esta ambigüedad puede provocar desechos innecesarios, repeticiones de trabajos y una incertidumbre permanente sobre la calidad real de la soldadura.
La tomografía de coherencia óptica (OCT) se desarrolló para proporcionar una medición directa de la profundidad real de la soldadura. La OCT utiliza un haz de medición infrarrojo cercano de baja potencia proyectado a través de la misma óptica que el láser de soldadura. Esto significa que siempre permanece perfectamente alineado y coaxial con el haz de proceso.
La luz procedente de la fuente OCT entra en el ojo de la cerradura y se refleja. La interferometría se utiliza para obtener la distancia a la superficie reflectante - en este caso, el fondo del ojo de la cerradura.
Este reflejo se supervisa continuamente para proporcionar una medición en tiempo real de la profundidad del orificio de la cerradura con una precisión micrométrica. Dado que detecta mediante interferencia coherente, en lugar de basarse en el brillo o la temperatura de la pluma de soldadura, la OCT no se ve afectada por los cambios en el estado de la superficie, la reflectividad del material o la potencia del haz.
La OCT es especialmente valiosa para la soldadura monomodo por haz central. Esto produce orificios profundos, estrechos y de gran relación de aspecto a los que la mayoría de los sistemas ópticos no pueden acceder. Sin embargo, la OCT puede sondear fácilmente orificios de sólo unas decenas de micras de ancho. Por ello, es muy adecuada para medir la penetración en barras colectoras gruesas, donde el control de la profundidad es fundamental.
La velocidad de la instrumentación OCT permite a los fabricantes validar cada soldadura realizada en tiempo real. Las condiciones como la penetración insuficiente o excesiva pueden identificarse y señalarse inmediatamente..
Para la producción de grandes volúmenes de baterías de vehículos eléctricos, esto significa un aumento de la producción, un mayor rendimiento y una mayor confianza en que todas las conexiones de barras colectoras cumplen las especificaciones. Además, los datos de medición almacenados permiten un mayor grado de trazabilidad.
Primeros pasos con una solución láser
Juntos, los láseres de fibra de doble haz y la medición de profundidad de soldadura OCT en línea y en tiempo real permiten una soldadura fiable y rentable de barras colectoras gruesas. IPG Photonics es la única empresa capaz de combinar estas tecnologías para ofrecer la solución óptima para su aplicación de soldadura específica.
Esto se debe a que ofrecemos la mayor selección de láseres de fibra de doble haz disponible y también construimos e integramos nuestra propia herramienta de medición de soldaduras láser basada en OCT. Esto garantiza una alta calidad de los datos, estabilidad y fiabilidad operativa.
Hable con uno de nuestros expertos en soldadura láser para empezar a seleccionar el sistema adecuado para sus necesidades de soldadura en batería.
