Producenci modułów akumulatorowych do pojazdów elektrycznych stoją w obliczu ciągłej presji, aby zwiększyć wydajność systemu - w szczególności poprzez zwiększenie zasięgu i skrócenie czasu ładowania - przy jednoczesnym obniżeniu kosztów produkcji. Ta presja cenowa często skłania producentów do preferowania ogniw pryzmatycznych, które są obecnie najbardziej ekonomiczną formą baterii. Niestety, ogniwa pryzmatyczne zazwyczaj zapewniają niższą wydajność w porównaniu do cylindrycznych alternatyw, pozostawiając projektantów systemów z rozwiązaną tylko połową problemu.
Możliwe jest poprawienie szybkości ładowania i rozładowania w konstrukcjach pryzmatycznych poprzez zwiększenie powierzchni przekroju poprzecznego szyny zbiorczej, zmniejszając w ten sposób rezystancję elektryczną. Jednak grubsze szyny zbiorcze wprowadzają nowe wyzwania, zwłaszcza w zakresie spawania. W szczególności lasery tradycyjnie stosowane do łączenia szyn zbiorczych z zaciskami mogą mieć trudności z osiągnięciem wymaganej głębszej penetracji bez stosowania nadmiernego ciepła, które zwiększa ryzyko uszkodzenia części.
Obecnie dwie technologie sprostały tym wyzwaniom, umożliwiając ekonomiczne spawanie grubszych szyn zbiorczych przy jednoczesnym zachowaniu szybkości, niezawodności i wydajności wymaganej w produkcji wielkoseryjnej. Pierwszą z tych technologii jest dwuwiązkowe włóknowy spawanie laserowe. Drugą jest pomiar i weryfikacja spoinw czasie rzeczywistym z wykorzystaniem optycznej koherentnej tomografii (OCT).
Tutaj dowiemy się, w jaki sposób każde z tych narzędzi wspiera kolejną generację zaawansowanej produkcji modułów akumulatorowych do pojazdów elektrycznych.
Spawanie laserowe z podwójną wiązką
Technologia podwójnej wiązki jest jednym z najbardziej znaczących postępów w obróbce laserowej w ostatnich latach. Jej wpływ jest szczególnie widoczny w produkcji e-mobilności, gdzie umożliwia niezawodne spawanie otworów po kluczu metali o wysokim współczynniku odbicia, takich jak miedź i aluminium, a także trudnych kombinacji różnych materiałów. Materiały te często doświadczają rozprysków, porowatości i niespójnej głębokości wtopienia podczas spawania tradycyjnymi jednowiązkowymi laserami włóknowy .
Najczęściej stosowana i najskuteczniejsza forma technologii podwójnej wiązki obejmuje centralną, okrągłą "wiązkę rdzeniową" otoczoną koncentryczną, pierścieniową "wiązką pierścieniową". Moc każdej z nich można regulować niezależnie - idealnie w całym zakresie od 0% do 100%.
Jak działa spawanie laserowe z podwójną wiązką
Aby zrozumieć korzyści płynące z tej konfiguracji, ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że stabilne spawanie laserowe otworów pod klucz wymaga odpowiedniego zrównoważenia dwóch przeciwstawnych sił w stopionym metalu.
Ciśnienie: Pierwszą siłą jest ciśnienie, które otwiera i utrzymuje dziurkę od klucza. Ciśnienie to powstaje, gdy laser podgrzewa powierzchnię, a odparowany metal rozszerza się.
Napięcie powierzchniowe: Drugi to połączenie napięcia powierzchniowego i sił lepkości w stopionym metalu, które działają w celu zamknięcia dziurki od klucza.
Gdy równowaga tych dwóch przeciwstawnych sił zostanie zakłócona, dziurka od klucza może drgać, zapaść się, uwięzić gaz lub wyrzucić stopiony metal.
W przypadku spawania laserowego dwuwiązkowego wiązka rdzeniowa inicjuje i utrzymuje otwór spawalniczy, podczas gdy wiązka pierścieniowa stabilizuje jeziorko spawalnicze. Wiązka pierścieniowa delikatnie podgrzewa i topi materiał wokół rdzenia. Wygładza to gradienty temperatury i umożliwia równomierne odprowadzanie oparów, redukując skoki ciśnienia, które powodują rozpryski, zapadanie się lub inne niestabilności. W ten sposób utrzymywana jest równowaga sił.
Utrzymywanie obszaru wokół dziurki od klucza w stanie stopionym umożliwia również przepływ materiału z powrotem do tego obszaru. Może on wtedy rozprzestrzeniać się bardziej równomiernie przed zestaleniem. Ponadto, ogrzewanie z wiązki pierścieniowej spowalnia chłodzenie i krzepnięcie, co zapobiega pękaniu aluminium na gorąco.
Wstępne topienie wiązką pierścieniową zwiększa również absorpcję światła podczerwonego w miedzi, zwiększając wydajność procesu i dodatkowo poprawiając stabilność.
Łącznie efekty te praktycznie eliminują rozpryski, zapewniają spójne wtopienie i wytwarzają gładsze połączenia o doskonałej wytrzymałości mechanicznej. Lasery dwuwiązkowe osiągają to przy prędkości spawania do dziesięciu razy większej niż systemy jednowiązkowe.
Osiągnięcie precyzji dzięki laserom jednomodowym
Lasery dwuwiązkowe są dostępne z wieloma możliwymi kombinacjami całkowitej mocy wyjściowej, stosunku rozmiaru pierścienia do rdzenia i ogólnego rozmiaru wiązki. Nie ma uniwersalnej "najlepszej" konfiguracji - Jak zawsze, optymalne parametry lasera zależą od konkretnego materiału (materiałów) i wymagań procesu.
W przypadku spawania grubszych szyn zbiorczych (ponad 2 mm), krytyczne znaczenie ma osiągnięcie głębokiego wtopienia wraz z dużymi, spójnymi przekrojami spoiny w celu zminimalizowania oporu elektrycznego. Istnieje kilka różnych podejść do osiągnięcia tego celu.
Pierwszym z nich jest użycie lasera o dużej mocy i podwójnej wiązce z wielomodową wiązką rdzeniową. Taka konfiguracja umożliwia szybkie dostarczenie dużej ilości energii lasera do stosunkowo dużej strefy spawania.
Zaletą tego podejścia jest szybkość. Pozwala ono bardzo szybko uzyskać spoinę o dużym przekroju.
Wadą jest to, że tak szybkie dostarczenie całej tej energii tworzy znaczną strefę wpływu ciepła (HAZ). Zwiększa to możliwość uszkodzenia pobliskich części lub struktur wrażliwych na ciepło (takich jak plastikowe elementy za terminalem).
Drugim podejściem jest użycie lasera dwuwiązkowego z wiązką główną o niższej mocy, jednomodową (TEM00). Pomimo niższej mocy całkowitej, wysoka jakość wiązki umożliwia skupienie wiązki centralnej na znacznie mniejszej plamce. Daje to wyższą gęstość energii niż w przypadku wiązki wielomodowej.
Wiązki o wyższej gęstości energii zapewniają głębszą penetrację w porównaniu z wiązkami o niższej gęstości energii o tej samej mocy całkowitej. Dodatkowo, profil wiązki lasera jednomodowego jest z natury bardziej spójny w czasie niż lasera wielomodowego, co pozwala na lepszą kontrolę otworów i większą spójność procesu.
W rezultacie laser dwuwiązkowy z jednomodową wiązką rdzeniową może szybko zainicjować spoinę nawet w metalach o wysokim współczynniku odbicia, takich jak miedź i aluminium. Jednocześnie szybko osiąga wymaganą głębokość wtopienia spoiny. Ponieważ większa część energii lasera przeznaczana jest na spawanie materiału, a nie na jego podgrzewanie, minimalizuje to strefę wpływu ciepła.
Jest jeszcze jedna, bardziej subtelna zaleta jednomodowej wiązki centralnej. Lepsza jakość trybu (M²) oznacza zwiększony zasięg Rayleigha. Jest to odległość, na której skupiona wiązka utrzymuje prawie stały rozmiar plamki.
Ponieważ rozmiar wiązki nie zmienia się tak bardzo powyżej i poniżej punktu skupienia, proces spawania staje się znacznie mniej wrażliwy na zmiany wysokości lub grubości materiału. Oznacza to bardziej tolerancyjny proces i szersze okno procesu. Może to mieć ogromny wpływ na wydajność w rzeczywistych środowiskach spawania produkcyjnego.
Na koniec należy zauważyć, że wszystkie te korzyści skalują się wraz z jakością trybu lasera. Wraz ze spadkiem M² (wskazującym na wyższą jakość wiązki), wszystkie te korzyści stają się bardziej wyraźne.
Oczywiście spawanie za pomocą jednomodowej wiązki rdzeniowej ma pewną wadę. Powoduje to węższy szew spawalniczy, co oznacza, że potrzeba dłuższej spoiny, aby uzyskać wystarczająco duży całkowity przekrój spoiny. Zazwyczaj osiąga się to poprzez spawanie wzoru (np. spirali) lub wykonywanie wielu, blisko siebie rozmieszczonych krótkich spoin, zamiast pojedynczej, długiej prostej spoiny.
W związku z tym istnieje wyraźny kompromis między szybkością procesu a jakością spoiny. Wielomodowe spawanie laserowe jest szybsze, ale generuje większą strefę wpływu ciepła. Spawanie laserem jednomodowym trwa dłużej, ale minimalizuje strefę wpływu ciepła i maksymalizuje jakość spoiny.
Ustalanie priorytetów w zakresie zapewniania jakości spoin
Moduł akumulatora EV może zawierać setki pojedynczych spawów. Pojedyncze wadliwe połączenie może zwiększyć rezystancję wewnętrzną, zmniejszyć wydajność pakietu, a nawet stworzyć zagrożenie dla bezpieczeństwa. Oznacza to, że wskaźnik defektów wynoszący zaledwie 1 na 10 000 może skutkować częstymi awariami na poziomie modułu. Sprawia to, że weryfikacja na linii produkcyjnej jest niezbędna, nawet przy użyciu wysoce niezawodnych systemów spawania laserowego.
Tradycyjnie większość systemów monitorowania spoin wykorzystuje czujniki fotodiodowe, które wykrywają światło emitowane przez jeziorko spawalnicze i smugę plazmy nad spoiną. Sygnały te są następnie porównywane statystycznie z przechowywanymi danymi referencyjnymi ze znanych dobrych spoin. Chociaż metoda ta może ujawnić ogólne zmiany w procesie, w rzeczywistości nie mierzy samej spoiny - a jedynie to, jak emitowane światło różni się od uśrednionych wartości z przeszłości.
Ponadto, ponieważ sygnał zależy od zebranego światła, a nie od rzeczywistej geometrii spoiny, łatwo wpływają na niego niepowiązane czynniki. Różnice w współczynniku odbicia powierzchni, ustawieniu wiązki lub pozycji ogniskowania mogą zmieniać ilość zwracanego światła i powodować fałszywe odczyty. Co gorsza, niedostateczna i nadmierna penetracja często generują niemal identyczne profile emisji. Ta niejednoznaczność może prowadzić do niepotrzebnych odpadów, przeróbek i ciągłej niepewności co do rzeczywistej jakości spoiny.
Optyczna tomografia koherencyjna (OCT ) została opracowana w celu zapewnienia bezpośredniego pomiaru rzeczywistej głębokości spoiny. OCT wykorzystuje wiązkę pomiarową o niskiej mocy, w bliskiej podczerwieni, rzutowaną przez ten sam układ optyczny co laser spawalniczy. Oznacza to, że zawsze pozostaje idealnie wyrównana i współosiowa z wiązką procesową.
Światło ze źródła OCT wpada do dziurki od klucza i jest odbijane z powrotem. Interferometria jest używana do uzyskania odległości do odbijającej powierzchni - W tym przypadku jest to dno dziurki od klucza.
Odbicie to jest stale monitorowane, aby zapewnić pomiar głębokości otworu w czasie rzeczywistym z dokładnością do mikrona. Ponieważ czujnik wykrywa poprzez koherentną interferencję, a nie opiera się na jasności lub temperaturze smugi spawalniczej, na OCT nie mają wpływu zmiany stanu powierzchni, współczynnika odbicia materiału lub mocy wiązki.
OCT jest szczególnie cenne w przypadku spawania jednomodową wiązką rdzeniową. Powoduje to powstawanie głębokich, wąskich otworów o wysokim współczynniku perspektywy, do których dostęp jest trudny dla większości systemów optycznych. OCT może jednak z łatwością badać otwory o szerokości zaledwie kilkudziesięciu mikronów. W rezultacie doskonale nadaje się do pomiaru penetracji w grubych szynach zbiorczych, gdzie kontrola głębokości ma krytyczne znaczenie.
Szybkość oprzyrządowania OCT umożliwia producentom walidację każdej wykonanej spoiny w czasie rzeczywistym. Warunki takie jak niedostateczna lub nadmierna penetracja mogą być natychmiast zidentyfikowane i oznaczone..
W przypadku wielkoseryjnej produkcji akumulatorów do pojazdów elektrycznych oznacza to zwiększoną przepustowość, wyższą wydajność i znacznie większą pewność, że każde połączenie szyn zbiorczych jest wykonane zgodnie ze specyfikacją. Ponadto przechowywane dane pomiarowe zapewniają wyższy stopień identyfikowalności.
Rozpoczęcie pracy z rozwiązaniem laserowym
Razem, dwuwiązkowe lasery włóknowy i pomiar głębokości spoiny OCT w czasie rzeczywistym umożliwiają niezawodne i ekonomiczne spawanie grubych szyn zbiorczych. IPG Photonics jest w stanie połączyć te technologie, aby zapewnić optymalne rozwiązanie dla konkretnego zastosowania spawalniczego.
Wynika to z faktu, że oferujemy największy wybór dwuwiązkowych laserów włóknowy , a także budujemy i integrujemy własne laserowe narzędzie do pomiaru spoin oparte na OCT. Zapewnia to niezmiennie wysoką jakość danych, stabilność i niezawodność działania.
Porozmawiaj z jednym z naszych ekspertów w dziedzinie spawania laserowego, aby rozpocząć wybór odpowiedniego systemu do spawania akumulatorowego.
