I costruttori di moduli per batterie EV devono far fronte a continue pressioni per migliorare le prestazioni del sistema, in particolare per estendere l'autonomia e ridurre i tempi di ricarica. - in particolare estendendo l'autonomia e riducendo i tempi di ricarica, riducendo al contempo i costi di produzione. Queste pressioni sui prezzi portano spesso i produttori a privilegiare le celle prismatiche, che attualmente rappresentano il fattore di forma della batteria più economico. Purtroppo, le celle prismatiche offrono in genere prestazioni inferiori rispetto alle alternative cilindriche, lasciando ai progettisti di sistemi solo metà del problema.
È possibile migliorare le velocità di carica e scarica nei progetti prismatici aumentando l'area della sezione trasversale della sbarra, riducendo così la resistenza elettrica. Ma le sbarre più spesse introducono nuove sfide, soprattutto per la saldatura. In particolare, i laser tradizionalmente utilizzati per la giunzione tra sbarre e terminali possono avere difficoltà a raggiungere la penetrazione più profonda necessaria senza applicare un calore eccessivo che aumenta le possibilità di danneggiare i pezzi.
Oggi, due tecnologie hanno superato queste sfide, consentendo la saldatura economica di sbarre più spesse, pur mantenendo la velocità, l'affidabilità e i rendimenti necessari per la produzione di grandi volumi. La prima di queste tecnologie è la saldatura laser in fibra a doppio raggio. La seconda è la misurazione e la verifica della saldaturain tempo reale, durante il processo, grazie alla tomografia a coerenza ottica (OCT).
Qui scopriremo come ciascuno di questi strumenti supporta la prossima generazione di produzione di moduli per batterie EV avanzate.
Saldatura laser a doppio raggio
La tecnologia a doppio raggio è uno dei progressi più significativi nella lavorazione laser degli ultimi anni. Il suo impatto è particolarmente pronunciato nella produzione di e-mobility, dove consente di saldare in modo affidabile metalli altamente riflettenti come il rame e l'alluminio, nonché combinazioni di materiali dissimili. Questi materiali spesso presentano spruzzi, porosità e una profondità di penetrazione incostante quando vengono saldati con i tradizionali laser a fibra a raggio singolo.
La forma più diffusa ed efficace di tecnologia a doppio fascio presenta un "fascio centrale" rotondo circondato da un "fascio anulare" concentrico. La potenza di ciascuno di essi può essere regolata in modo indipendente - idealmente su tutto l'intervallo compreso tra lo 0% e il 100%.
Come funziona la saldatura laser a doppio raggio
Per comprendere i vantaggi di questa configurazione, è importante capire che una saldatura laser keyhole stabile richiede il corretto bilanciamento di due forze opposte all'interno del metallo fuso.
Pressione: la prima forza è la pressione che apre e mantiene il foro della chiave. Questa pressione si crea quando il laser riscalda la superficie e il metallo vaporizzato si espande.
Tensione superficiale: La seconda è una combinazione di tensione superficiale e forze viscose nel metallo fuso che agiscono per chiudere il foro della chiave.
Quando l'equilibrio di queste due forze opposte è disturbato, il foro della chiave può oscillare, collassare, intrappolare gas o espellere metallo fuso.
Nella saldatura laser a doppio raggio, il fascio centrale avvia e mantiene il foro di saldatura, mentre il fascio anulare stabilizza il bagno di saldatura. In particolare, il fascio anulare preriscalda e fonde delicatamente il materiale intorno all'anima. In questo modo si attenuano i gradienti di temperatura e si consente al vapore di fuoriuscire in modo costante, riducendo i picchi di pressione che causano schizzi, collasso o altre instabilità. In questo modo si mantiene l'equilibrio delle forze.
Mantenere fusa l'area intorno al foro della chiave consente inoltre al materiale di rifluire al suo interno. Il materiale può quindi distribuirsi in modo più uniforme prima di solidificarsi. Inoltre, il riscaldamento della trave anulare rallenta il raffreddamento e la solidificazione, impedendo la formazione di cricche a caldo nell'alluminio.
La prefusione a fascio anulare aumenta anche l'assorbimento della luce infrarossa nel rame, incrementando l'efficienza del processo e migliorando ulteriormente la stabilità.
Insieme, questi effetti eliminano virtualmente gli schizzi, garantiscono una penetrazione costante e producono giunti più lisci con una resistenza meccanica superiore. I laser a doppio raggio raggiungono questi risultati a velocità di saldatura fino a dieci volte superiori rispetto ai sistemi a singolo raggio.
Raggiungere la precisione con i laser monomodali
I laser a doppio raggio sono disponibili con molte combinazioni possibili di potenza di uscita totale, rapporto tra anelli e nucleo e dimensione complessiva del fascio. Non esiste una configurazione universale "migliore" - come sempre, i parametri laser ottimali dipendono dai materiali specifici e dai requisiti del processo.
Nel caso della saldatura di sbarre più spesse (oltre 2 mm), è fondamentale ottenere una penetrazione profonda e sezioni trasversali di saldatura ampie e coerenti per ridurre al minimo la resistenza elettrica. Esistono due approcci diversi per raggiungere questo obiettivo.
La prima consiste nell'utilizzare un laser ad alta potenza a doppio raggio con un fascio centrale multimodale. Questa configurazione consente di erogare rapidamente una grande quantità di energia laser in una zona di saldatura relativamente grande.
Il vantaggio di questo approccio è la velocità. Produce molto rapidamente una saldatura di grande sezione.
L'aspetto negativo è che l'erogazione di tutta questa energia in tempi così rapidi crea una zona colpita dal calore (HAZ) di notevoli dimensioni. Ciò aumenta la possibilità di danneggiare parti o strutture sensibili al calore nelle vicinanze (come i componenti in plastica dietro il terminale).
Il secondo approccio consiste nell'utilizzare un laser a doppio raggio con un fascio centrale monomodale (TEM00) a bassa potenza. Nonostante la minore potenza totale, l'elevata qualità del fascio consente di focalizzare il fascio centrale su uno spot molto più piccolo. In questo modo si ottiene una densità di energia superiore a quella che si può ottenere con un fascio multimodale.
I fasci a maggiore densità di energia raggiungono una penetrazione più profonda rispetto ai fasci a minore densità di energia della stessa potenza totale. Inoltre, il profilo del fascio di un laser monomodale è intrinsecamente più costante nel tempo rispetto a quello di un laser multimodale, consentendo un migliore controllo del foro chiave e una maggiore coerenza del processo.
Il risultato è che un laser a doppio raggio con un fascio centrale monomodale può avviare rapidamente una saldatura anche in metalli ad alta riflettività, come rame e alluminio. Contemporaneamente, raggiunge rapidamente la profondità di saldatura richiesta. Poiché la maggior parte dell'energia del laser viene impiegata per saldare il materiale, anziché riscaldarlo, si riduce al minimo la ZTA.
C'è anche un altro vantaggio, più sottile, di un fascio centrale monomodale. La migliore qualità del modo (M²) significa un aumento della portata di Rayleigh. Si tratta della distanza su cui il fascio focalizzato mantiene una dimensione quasi costante del punto.
Poiché le dimensioni del fascio non variano tanto sopra e sotto il punto di fuoco, il processo di saldatura diventa molto meno sensibile alle variazioni di altezza o spessore del materiale. Ciò significa un processo più tollerante e una finestra di processo più ampia. Ciò può avere un enorme impatto sui rendimenti negli ambienti di saldatura di produzione.
Infine, va notato che tutti questi vantaggi sono proporzionali alla qualità del modo laser. Al diminuire di M² (che indica una maggiore qualità del fascio), tutti questi vantaggi si accentuano.
Naturalmente, la saldatura con un fascio centrale monomodale presenta uno svantaggio. In questo modo si ottiene un cordone di saldatura più stretto, il che significa che occorre una saldatura più lunga per ottenere una sezione trasversale totale sufficientemente ampia. In genere, questo si ottiene saldando un modello (come una spirale) o eseguendo più saldature corte e ravvicinate, piuttosto che un'unica lunga saldatura diritta.
Pertanto, c'è un chiaro compromesso tra velocità del processo e qualità della saldatura. La saldatura laser multimodale è più veloce ma genera una ZTA più ampia. La saldatura laser monomodale richiede più tempo per saldare una determinata sezione trasversale, ma riduce al minimo la ZTA e massimizza la qualità del giunto di saldatura.
Priorità alla garanzia di qualità delle saldature
Un modulo di batteria EV può contenere centinaia di singole saldature. Un singolo collegamento difettoso può aumentare la resistenza interna, ridurre le prestazioni del pacco o addirittura creare un pericolo per la sicurezza. Ciò significa che una percentuale di difetti pari a 1 su 10.000 può comportare frequenti guasti a livello di modulo. Ciò rende imperativa la verifica in linea, anche quando si utilizzano sistemi di saldatura laser altamente affidabili.
Tradizionalmente, la maggior parte dei sistemi di monitoraggio delle saldature utilizza sensori a fotodiodi che rilevano la luce emessa dalla pozza fusa e dal pennacchio di plasma sopra la saldatura. Questi segnali vengono poi confrontati statisticamente con i dati di riferimento memorizzati di buone saldature conosciute. Sebbene questo metodo possa rivelare cambiamenti generali nel processo, non misura effettivamente la saldatura stessa - solo il modo in cui la luce emessa differisce dalle medie del passato.
Inoltre, poiché il segnale dipende dalla luce raccolta piuttosto che dalla vera geometria della saldatura, è facilmente influenzato da fattori non correlati. Variazioni nella riflettività della superficie, nell'allineamento del fascio o nella posizione di messa a fuoco possono modificare la quantità di luce restituita e generare false letture. A peggiorare le cose, la sottopenetrazione e la sovrapenetrazione spesso generano profili di emissione quasi identici. Questa ambiguità può portare a inutili scarti, rilavorazioni e continue incertezze sulla qualità effettiva della saldatura.
La tomografia a coerenza ottica (OCT) è stata sviluppata per fornire una misura diretta della reale profondità della saldatura. L'OCT utilizza un fascio di misurazione a bassa potenza e vicino all'infrarosso, proiettato attraverso la stessa ottica del laser di saldatura. Ciò significa che rimane sempre perfettamente allineato e coassiale con il fascio di processo.
La luce proveniente dalla sorgente OCT entra nel foro della chiave e viene riflessa. L'interferometria viene utilizzata per ottenere la distanza dalla superficie riflettente - in questo caso il fondo del buco della serratura.
Questa riflessione viene monitorata continuamente per fornire una misura in tempo reale della profondità del foro chiave con una precisione a livello di micron. Poiché rileva attraverso l'interferenza coerente, anziché basarsi sulla luminosità o sulla temperatura del pennacchio di saldatura, l'OCT non è influenzato da variazioni delle condizioni della superficie, della riflettività del materiale o della potenza del fascio.
L'OCT è particolarmente utile per la saldatura del fascio centrale monomodale. Questo produce fori chiave profondi, stretti e ad alto rapporto d'aspetto che sono difficili da raggiungere per la maggior parte dei sistemi ottici. Ma l'OCT è in grado di sondare facilmente fori di chiave larghi solo poche decine di micron. Di conseguenza, è particolarmente adatto a misurare la penetrazione in sbarre spesse, dove il controllo della profondità è fondamentale.
La velocità della strumentazione OCT consente ai produttori di convalidare ogni saldatura eseguita in tempo reale. Condizioni come la sotto- o la sovra-penetrazione possono essere identificate e segnalate immediatamente..
Per la produzione di batterie EV ad alto volume, ciò significa un aumento della produttività, una maggiore resa e una maggiore sicurezza che ogni connessione delle sbarre sia fatta secondo le specifiche. Inoltre, i dati di misura memorizzati consentono un maggior grado di tracciabilità.
Come iniziare con una soluzione laser
Insieme, i laser a fibra a doppio raggio e la misurazione della profondità di saldatura OCT in linea e in tempo reale consentono una saldatura affidabile ed economica di sbarre spesse. IPG Photonics è in grado di combinare in modo unico queste tecnologie per offrire la soluzione ottimale per la vostra specifica applicazione di saldatura.
Questo perché offriamo la più ampia selezione di laser a fibra a doppio raggio disponibile sul mercato e costruiamo e integriamo il nostro strumento di misurazione laser della saldatura basato su OCT. Questo garantisce una qualità dei dati, una stabilità e un'affidabilità operativa sempre elevate.
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