Les fabricants de modules de batteries pour véhicules électriques sont soumis à une pression constante pour améliorer les performances du système - notamment en augmentant l'autonomie et en réduisant les temps de charge - tout en réduisant les coûts de production. Ces pressions sur les prix conduisent souvent les fabricants à privilégier les cellules prismatiques, qui constituent actuellement le facteur de forme de batterie le plus économique. Malheureusement, les cellules prismatiques sont généralement moins performantes que les cellules cylindriques, ce qui ne résout que la moitié du problème pour les concepteurs de systèmes.
Il est possible d'améliorer les taux de charge et de décharge dans les conceptions prismatiques en augmentant la section transversale du jeu de barres, réduisant ainsi la résistance électrique. Mais des barres omnibus plus épaisses posent de nouveaux problèmes, en particulier pour le soudage. En particulier, les lasers traditionnellement utilisés pour la jonction entre les barres omnibus et les bornes peuvent avoir du mal à atteindre la profondeur de pénétration nécessaire sans appliquer une chaleur excessive qui augmente les risques d'endommagement des pièces.
Aujourd'hui, deux technologies ont permis de relever ces défis et de souder de manière rentable des barres omnibus plus épaisses tout en conservant la vitesse, la fiabilité et les rendements requis pour une production en grande série. La première de ces technologies est le soudage laser à fibre à double faisceau. La seconde est la mesure et la vérificationen temps réel de la soudureen cours de processus, à l'aide de la tomographie par cohérence optique (OCT).
Nous verrons ici comment chacun de ces outils soutient la prochaine génération de fabrication de modules de batterie pour véhicules électriques.
Soudage laser à deux faisceaux
La technologie à double faisceau est l'une des avancées les plus significatives de ces dernières années dans le domaine du traitement laser. Son impact est particulièrement prononcé dans la fabrication de l'e-mobilité, où elle permet un soudage fiable en trou de serrure de métaux hautement réfléchissants tels que le cuivre et l'aluminium, ainsi que des combinaisons difficiles de matériaux dissemblables. Ces matériaux présentent souvent des éclaboussures, des porosités et une profondeur de pénétration irrégulière lorsqu'ils sont soudés avec des lasers à fibre traditionnels à faisceau unique.
La forme la plus répandue et la plus efficace de la technologie à double faisceau se caractérise par un "faisceau central" rond entouré d'un "faisceau annulaire" concentrique. La puissance de chaque faisceau peut être réglée indépendamment - idéalement sur toute la plage de 0 à 100 %.
Comment fonctionne le soudage laser à double faisceau
Pour comprendre les avantages de cette configuration, il est important de savoir qu'un soudage laser stable par trou de serrure nécessite d'équilibrer correctement deux forces opposées dans le métal en fusion.
Pression : la première force est la pression qui ouvre et maintient le trou de serrure. Cette pression est créée lorsque le laser chauffe la surface et que le métal vaporisé se dilate.
Tension superficielle : La seconde est une combinaison de tension superficielle et de forces visqueuses dans le métal en fusion qui agissent pour fermer le trou de serrure.
Lorsque l'équilibre de ces deux forces opposées est perturbé, le trou de serrure peut osciller, s'effondrer, piéger des gaz ou éjecter du métal en fusion.
Dans le soudage laser à double faisceau, le faisceau central amorce et maintient le trou de serrure tandis que le faisceau annulaire stabilise le bain de soudure. Plus précisément, le faisceau annulaire préchauffe et fait fondre doucement le matériau autour du noyau. Cela atténue les gradients de température et permet à la vapeur de s'évacuer régulièrement, réduisant ainsi les pics de pression qui provoquent des éclaboussures, des effondrements ou d'autres instabilités. L'équilibre des forces est ainsi maintenu.
Le fait de maintenir la zone autour du trou de serrure en fusion permet également au matériau de s'y écouler. Elle peut alors s'étaler plus uniformément avant de se solidifier. En outre, le chauffage par le faisceau annulaire ralentit le refroidissement et la solidification, ce qui empêche la fissuration à chaud de l'aluminium.
La pré-fusion par faisceau annulaire augmente également l'absorption de la lumière infrarouge dans le cuivre, ce qui accroît l'efficacité du processus et améliore encore la stabilité.
Ensemble, ces effets éliminent pratiquement les projections, assurent une pénétration constante et produisent des joints plus lisses avec une résistance mécanique supérieure. Les lasers à double faisceau permettent d'atteindre ces objectifs à des vitesses de soudage jusqu'à dix fois supérieures à celles des systèmes à faisceau unique.
Précision avec les lasers monomodes
Les lasers à double faisceau sont disponibles avec de nombreuses combinaisons possibles de puissance de sortie totale, de rapport entre la taille de l'anneau et celle du noyau, et de taille globale du faisceau. Il n'existe pas de "meilleure" configuration universelle - comme toujours, les paramètres optimaux du laser dépendent des matériaux spécifiques et des exigences du processus.
Dans le cas du soudage de barres plus épaisses (plus de 2 mm), il est essentiel d'obtenir une pénétration profonde ainsi que des sections transversales de soudage importantes et cohérentes afin de minimiser la résistance électrique. Il existe deux approches différentes pour y parvenir.
La première consiste à utiliser un laser haute puissance à double faisceau avec un faisceau central multimode. Cette configuration permet de délivrer rapidement une grande quantité d'énergie laser dans une zone de soudure relativement grande.
L'avantage de cette approche est la rapidité. Elle permet de produire très rapidement une soudure de grande section.
L'inconvénient est que le fait de délivrer toute cette énergie si rapidement crée une zone affectée par la chaleur (ZAT) assez importante. Cela augmente le risque d'endommager les pièces ou structures sensibles à la chaleur qui se trouvent à proximité (comme les composants en plastique situés derrière le terminal).
La deuxième approche consiste à utiliser un laser à double faisceau avec un faisceau central monomode (TEM00) de faible puissance. Malgré sa puissance totale plus faible, la qualité élevée du faisceau permet de focaliser le faisceau central sur un point beaucoup plus petit. Cela permet d'obtenir une densité d'énergie plus élevée que celle que l'on obtient généralement avec un faisceau multimode.
Les faisceaux à densité d'énergie plus élevée permettent une pénétration plus profonde que les faisceaux à densité d'énergie plus faible de même puissance totale. En outre, le profil du faisceau d'un laser monomode est intrinsèquement plus constant dans le temps que celui d'un laser multimode, ce qui permet un meilleur contrôle des trous de serrure et une meilleure cohérence du processus.
Le résultat est qu'un laser à double faisceau avec un faisceau central monomode peut rapidement initier une soudure, même dans les métaux à forte réflectivité, comme le cuivre et l'aluminium. Simultanément, il atteint rapidement la profondeur de pénétration requise pour la soudure. Étant donné qu'une plus grande partie de l'énergie du laser sert à souder le matériau plutôt qu'à le chauffer, la zone d'aléa fort est réduite au minimum.
Le faisceau central monomode présente un autre avantage, plus subtil. Sa meilleure qualité de mode (M²) se traduit par une augmentation de la portée de Rayleigh. Il s'agit de la distance sur laquelle le faisceau focalisé maintient une taille de spot presque constante.
La taille du faisceau ne variant pas autant au-dessus et au-dessous du point de focalisation, le processus de soudage devient beaucoup moins sensible aux changements de hauteur ou d'épaisseur du matériau. Cela signifie un processus plus tolérant et une fenêtre de processus plus large. Cela peut avoir un impact considérable sur les rendements dans les environnements de soudage en production réelle.
Enfin, il convient de noter que tous ces avantages varient en fonction de la qualité du mode laser. Au fur et à mesure que M² diminue (ce qui indique une meilleure qualité de faisceau), tous ces avantages deviennent plus prononcés.
Bien entendu, le soudage avec un faisceau central monomode présente un inconvénient. Il produit un cordon de soudure plus étroit, ce qui signifie qu'il faut une soudure plus longue pour obtenir une section transversale totale de soudure suffisamment grande. Généralement, on y parvient en soudant un motif (comme une spirale) ou en effectuant plusieurs soudures courtes et rapprochées, plutôt qu'une seule longue soudure droite.
Il y a donc un compromis évident entre la vitesse du processus et la qualité de la soudure. Le soudage laser multimode est plus rapide mais génère une zone d'aléas plus importante. Le soudage laser monomode prend plus de temps pour souder une section transversale donnée, mais il minimise la ZHA et maximise la qualité du joint soudé.
Priorité à l'assurance qualité des soudures
Un module de batterie de véhicule électrique peut contenir des centaines de soudures individuelles. Une seule connexion défectueuse peut augmenter la résistance interne, réduire les performances de la batterie ou même créer un risque pour la sécurité. Cela signifie qu'un taux de défaut aussi faible que 1 sur 10 000 peut entraîner des défaillances fréquentes au niveau du module. Il est donc impératif de procéder à une vérification en ligne, même lorsque l'on utilise des systèmes de soudage au laser très fiables.
Traditionnellement, la plupart des systèmes de contrôle des soudures utilisent des capteurs à photodiode qui détectent la lumière émise par le bain de fusion et le panache de plasma au-dessus de la soudure. Ces signaux sont ensuite comparés statistiquement à des données de référence stockées provenant de bonnes soudures connues. Bien que cette méthode puisse révéler des changements généraux dans le processus, elle ne mesure pas la soudure elle-même - seulement la façon dont la lumière émise diffère des moyennes antérieures.
De plus, comme le signal dépend de la lumière collectée plutôt que de la géométrie réelle de la soudure, il est facilement influencé par des facteurs sans rapport. Les variations de la réflectivité de la surface, de l'alignement du faisceau ou de la position de la mise au point peuvent toutes modifier la quantité de lumière renvoyée et déclencher des lectures erronées. Pour aggraver les choses, une pénétration insuffisante ou excessive génère souvent des profils d'émission presque identiques. Cette ambiguïté peut entraîner des rebuts inutiles, des retouches et une incertitude permanente quant à la qualité réelle de la soudure.
La tomographie par cohérence optique (OCT) a été développée pour fournir une mesure directe de la profondeur réelle de la soudure. L'OCT utilise un faisceau de mesure proche de l'infrarouge, de faible puissance, projeté par le même système optique que le laser de soudage. Cela signifie qu'il reste toujours parfaitement aligné et coaxial avec le faisceau du processus.
La lumière provenant de la source OCT pénètre dans le trou de serrure et est réfléchie. L'interférométrie est utilisée pour obtenir la distance à la surface réfléchissante - dans ce cas, le fond du trou de serrure.
Cette réflexion est contrôlée en permanence pour fournir une mesure en temps réel de la profondeur du trou de serrure avec une précision de l'ordre du micron. Parce qu'il détecte par interférence cohérente, plutôt qu'en fonction de la luminosité ou de la température du panache de soudure, l'OCT n'est pas affecté par les changements de l'état de surface, de la réflectivité du matériau ou de la puissance du faisceau.
L'OCT est particulièrement utile pour le soudage par faisceau central monomode. Ce procédé produit des trous de serrure profonds, étroits et à rapport d'aspect élevé, difficiles d'accès pour la plupart des systèmes optiques. Mais l'OCT peut facilement sonder des trous de serrure qui ne font que quelques dizaines de microns de large. Par conséquent, elle est parfaitement adaptée à la mesure de la pénétration dans les barres omnibus épaisses, où le contrôle de la profondeur est essentiel.
La rapidité de l'instrumentation OCT permet aux fabricants de valider chaque soudure effectuée en temps réel. Des conditions telles qu'une pénétration insuffisante ou excessive peuvent être identifiées et signalées immédiatement..
Pour la production en grande quantité de batteries de véhicules électriques, cela signifie une augmentation du débit, des rendements plus élevés et une confiance beaucoup plus grande dans le fait que chaque connexion de barre omnibus est réalisée conformément aux spécifications. De plus, les données de mesure enregistrées permettent d'améliorer la traçabilité.
Démarrer avec une solution laser
Ensemble, les lasers à fibre à double faisceau et la mesure en ligne et en temps réel de la profondeur de soudage par OCT permettent un soudage fiable et rentable des barres omnibus épaisses. IPG Photonics est le seul à pouvoir combiner ces technologies pour fournir la solution optimale pour votre application de soudage spécifique.
En effet, nous proposons la plus grande sélection de lasers à fibre à double faisceau disponible et nous construisons et intégrons également notre propre outil de mesure de soudure laser basé sur l'OCT. Cela garantit une qualité de données, une stabilité et une fiabilité opérationnelle élevées et constantes.
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