Elektrikli araç batarya modülü üreticileri sistem performansını artırmak için sürekli bir baskıyla karşı karşıya - özellikle menzili uzatarak ve şarj sürelerini kısaltarak - aynı zamanda üretim maliyetlerini düşürerek. Bu fiyat baskıları genellikle üreticileri şu anda en ekonomik pil form faktörü olan prizmatik hücreleri tercih etmeye yönlendirmektedir. Ne yazık ki prizmatik hücreler tipik olarak silindirik alternatiflere kıyasla daha düşük performans sunmakta ve sistem tasarımcılarına sorunlarının sadece yarısını çözmüş olarak bırakmaktadır.
Prizmatik tasarımlarda, baranın kesit alanını artırarak şarj ve deşarj oranlarını iyileştirmek ve böylece elektrik direncini azaltmak mümkündür. Ancak daha kalın baralar, özellikle kaynak için yeni zorluklar ortaya çıkarmaktadır. Özellikle, geleneksel olarak baradan terminale birleştirme için kullanılan lazerler, parça hasarı olasılığını artıran aşırı ısı uygulamadan gereken daha derin penetrasyonu elde etmekte zorlanabilir.
Artık iki teknoloji bu zorlukların üstesinden gelerek daha kalın baraların uygun maliyetli bir şekilde kaynaklanmasını sağlarken yüksek hacimli üretim için gereken hız, güvenilirlik ve verimi de koruyor. Bu teknolojilerden ilki çift ışınlı fiber lazer kaynağıdır. İkincisi ise optik koherens tomografi (OCT) kullanarak gerçek zamanlı, proses içi kaynak ölçümü ve doğrulamasıdır.
Burada, bu araçların her birinin yeni nesil gelişmiş EV akü modülü üretimini nasıl desteklediğini öğreneceğiz.
Çift Işınlı Lazer Kaynağı
Çift ışın teknolojisi, lazer işleme alanında son yıllarda kaydedilen en önemli ilerlemelerden biridir. Etkisi, özellikle bakır ve alüminyum gibi yüksek oranda yansıtıcı metallerin yanı sıra zorlu farklı malzeme kombinasyonlarının güvenilir anahtar deliği kaynağını mümkün kıldığı e-mobilite üretiminde belirgindir. Bu malzemeler geleneksel tek ışınlı fiber lazerlerle kaynaklandığında genellikle sıçrama, gözeneklilik ve tutarsız penetrasyon derinliği ile karşılaşılır.
Çift ışın teknolojisinin en yaygın kullanılan ve etkili biçimi, eşmerkezli dairesel bir "halka ışın" ile çevrili merkezi, yuvarlak bir "çekirdek ışın" içerir. Her birinin gücü bağımsız olarak ayarlanabilir - ideal olarak %0 ila %100 aralığının tamamında.
Çift Işınlı Lazer Kaynağı Nasıl Çalışır?
Bu konfigürasyonun faydalarını anlamak için, kararlı lazer anahtar deliği kaynağının erimiş metal içindeki iki karşıt kuvveti düzgün bir şekilde dengelemeyi gerektirdiğini anlamak önemlidir.
Basınç: İlk kuvvet, anahtar deliğini açan ve koruyan basınçtır. Bu basınç, lazer yüzeyi ısıttığında ve buharlaşan metal genleştiğinde oluşur.
Yüzey Gerilimi: İkincisi, anahtar deliğini kapatmak için hareket eden erimiş metaldeki yüzey gerilimi ve viskoz kuvvetlerin bir kombinasyonudur.
Bu iki karşıt kuvvetin dengesi bozulduğunda, anahtar deliği salınım yapabilir, çökebilir, gazı hapsedebilir veya erimiş metali dışarı atabilir.
Çift ışınlı lazer kaynağında, halka ışın kaynak havuzunu stabilize ederken çekirdek ışın kaynak anahtar deliğini başlatır ve korur. Özellikle, halka ışın çekirdek etrafındaki malzemeyi nazikçe ön ısıtır ve eritir. Bu, sıcaklık gradyanlarını yumuşatır ve buharın düzenli olarak dışarı çıkmasını sağlayarak sıçrama, çökme veya diğer kararsızlıklara neden olan basınç artışlarını azaltır. Bu şekilde kuvvet dengesi korunur.
Anahtar deliğinin etrafındaki alanı erimiş halde tutmak, malzemenin içine geri akmasını da sağlar. Daha sonra katılaşmadan önce daha eşit bir şekilde yayılabilir. Ayrıca, halka kirişten gelen ısıtma soğumayı ve katılaşmayı yavaşlatarak alüminyumda sıcak çatlamayı önler.
Halka ışın ön eritme aynı zamanda bakırda kızılötesi ışığın emilimini artırarak proses verimliliğini yükseltir ve stabiliteyi daha da geliştirir.
Bu etkiler birlikte sıçramayı neredeyse ortadan kaldırır, tutarlı penetrasyon sağlar ve üstün mekanik mukavemete sahip daha pürüzsüz bağlantılar üretir. Ve çift ışınlı lazerler bunu tek ışınlı sistemlere göre on kata kadar daha hızlı kaynak hızlarında gerçekleştirir.
Tek Modlu Lazerler ile Hassasiyet Elde Etmek
Çift ışınlı lazerler, toplam çıkış gücü, halka-çekirdek boyutu oranı ve genel ışın boyutunun birçok olası kombinasyonuyla mevcuttur. Evrensel bir "en iyi" yapılandırma yoktur - Her zaman olduğu gibi, optimum lazer parametreleri özel malzeme(ler)e ve proses gereksinimlerine bağlıdır.
Daha kalın baraların (2 mm'den fazla) kaynaklanması durumunda, elektrik direncini en aza indirmek için büyük, tutarlı kaynak kesitleriyle birlikte derin nüfuziyet elde etmek kritik önem taşır. Bunu başarmak için birkaç farklı yaklaşım vardır.
Birincisi, çok modlu bir çekirdek ışına sahip yüksek güçlü, çift ışınlı bir lazer kullanmaktır. Bu yapılandırma, nispeten büyük bir kaynak bölgesine hızlı bir şekilde büyük miktarda lazer enerjisi verilmesini mümkün kılar.
Bu yaklaşımın avantajı hızdır. Çok hızlı bir şekilde büyük kesitli bir kaynak üretir.
Olumsuz yanı ise, tüm bu enerjinin bu kadar hızlı bir şekilde iletilmesinin oldukça büyük bir ısıdan etkilenen bölge (HAZ) oluşturmasıdır. Bu da yakındaki ısıya duyarlı parçalara veya yapılara (terminalin arkasındaki plastik bileşenler gibi) zarar verme olasılığını artırır.
İkinci yaklaşım, daha düşük güçlü, tek modlu (TEM00) bir çekirdek ışına sahip çift ışınlı bir lazer kullanmaktır. Daha düşük toplam gücüne rağmen, yüksek ışın kalitesi merkez ışının çok daha küçük bir noktaya odaklanmasını sağlar. Bu, tipik olarak çok modlu bir ışınla elde edilebilecek olandan daha yüksek enerji yoğunluğu sağlar.
Daha yüksek enerji yoğunluklu ışınlar, aynı toplam güce sahip daha düşük enerji yoğunluklu ışınlara kıyasla daha derin penetrasyon sağlar. Ayrıca, tek modlu bir lazerin ışın profili, çok modlu bir lazere göre zaman içinde doğal olarak daha tutarlıdır, bu da daha iyi anahtar deliği kontrolü ve gelişmiş süreç tutarlılığı sağlar.
Sonuç olarak, tek modlu bir çekirdek ışına sahip çift ışınlı bir lazer, bakır ve alüminyum gibi yüksek yansıtma özelliğine sahip metallerde bile hızlı bir şekilde kaynak başlatabilir. Aynı zamanda, gerekli kaynak penetrasyon derinliğine hızla ulaşır. Lazer enerjisinin daha fazlası malzemeyi ısıtmak yerine kaynağa gittiği için HAZ'ı en aza indirir.
Tek modlu merkez ışınının daha ince bir faydası daha vardır. Daha iyi mod kalitesi (M²) Rayleigh aralığının artması anlamına gelir. Bu, odaklanmış ışının neredeyse sabit bir nokta boyutunu koruduğu mesafedir.
Işın boyutu odak noktasının üstünde ve altında çok fazla değişmediğinden, kaynak işlemi malzeme yüksekliği veya kalınlığındaki değişikliklere karşı çok daha az hassas hale gelir. Bu da daha toleranslı bir proses ve daha geniş bir proses penceresi anlamına gelir. Bu, gerçek üretim kaynak ortamlarında verim üzerinde büyük bir etkiye sahip olabilir.
Son olarak, tüm bu faydaların lazer modu kalitesiyle ölçeklendiğine dikkat edilmelidir. M² azaldıkça (ışın kalitesinin arttığını gösterir), tüm bu faydalar daha belirgin hale gelir.
Elbette, tek modlu bir çekirdek ışınla kaynak yapmanın bir dezavantajı vardır. Bunu yapmak daha dar bir kaynak dikişi üretir, yani yeterince büyük bir toplam kaynak kesiti oluşturmak için daha uzun bir kaynak gerekir. Tipik olarak bu, tek bir uzun düz kaynak yerine bir desen (spiral gibi) kaynaklayarak veya birden fazla, yakın aralıklı kısa kaynak yaparak elde edilir.
Bu nedenle, proses hızı ve kaynak kalitesi arasında net bir denge vardır. Çok modlu lazer kaynağı daha hızlıdır ancak daha büyük bir HAZ oluşturur. Tek modlu lazer kaynağı, belirli bir kesiti kaynaklamak için daha uzun sürer, ancak HAZ'ı en aza indirir ve kaynak bağlantı kalitesini en üst düzeye çıkarır.
Kaynak Kalite Güvencesine Öncelik Verme
Bir EV akü modülü yüzlerce ayrı kaynak içerebilir. Tek bir kusurlu bağlantı dahili direnci artırabilir, paket performansını düşürebilir ve hatta bir güvenlik tehlikesi yaratabilir. Bu da 10.000'de 1 gibi düşük bir hata oranının sık sık modül düzeyinde arızalara yol açabileceği anlamına gelir. Bu durum, son derece güvenilir lazer kaynak sistemleri kullanıldığında bile hat içi doğrulamayı zorunlu kılmaktadır.
Geleneksel olarak, çoğu kaynak izleme sistemi, erimiş havuzdan ve kaynak üzerindeki plazma tüyünden yayılan ışığı algılayan fotodiyot sensörleri kullanmıştır. Bu sinyaller daha sonra bilinen iyi kaynaklara ait depolanmış referans verilerle istatistiksel olarak karşılaştırılır. Bu yöntem genel süreç değişikliklerini ortaya çıkarabilse de, aslında kaynağın kendisini ölçmez - sadece yayılan ışığın geçmiş ortalamalardan ne kadar farklı olduğu.
Ayrıca, sinyal gerçek kaynak geometrisinden ziyade toplanan ışığa bağlı olduğundan, ilgisiz faktörlerden kolayca etkilenir. Yüzey yansıtıcılığındaki, ışın hizalamasındaki veya odak konumundaki değişikliklerin tümü geri dönen ışık miktarını değiştirebilir ve yanlış okumaları tetikleyebilir. Daha da kötüsü, az ve fazla penetrasyon genellikle neredeyse aynı emisyon profillerini oluşturur. Bu belirsizlik, gereksiz hurdaya, yeniden çalışmaya ve gerçek kaynak kalitesi hakkında sürekli belirsizliğe yol açabilir.
Optik Koherens Tomografi (OCT) gerçek kaynak derinliğinin doğrudan ölçümünü sağlamak için geliştirilmiştir. OCT, kaynak lazeriyle aynı optikler aracılığıyla yansıtılan düşük güçlü, kızılötesine yakın bir ölçüm ışını kullanır. Bu, her zaman proses ışını ile mükemmel şekilde hizalanmış ve eş eksenli kaldığı anlamına gelir.
OCT kaynağından gelen ışık anahtar deliğine girer ve geri yansıtılır. Yansıyan yüzeye olan mesafeyi elde etmek için interferometri kullanılır - Bu durumda anahtar deliğinin alt kısmı.
Bu yansıma, mikron düzeyinde hassasiyetle anahtar deliği derinliğinin gerçek zamanlı ölçümünü sağlamak için sürekli olarak izlenir. Kaynak dumanı parlaklığına veya sıcaklığına dayanmak yerine tutarlı girişim yoluyla algıladığından, OCT yüzey durumundaki, malzeme yansıtıcılığındaki veya ışın gücündeki değişikliklerden etkilenmez.
OCT özellikle tek modlu çekirdek ışın kaynağı için değerlidir. Bu, çoğu optik sistemin erişmesi zor olan derin, dar, yüksek perspektif oranlı anahtar delikleri üretir. Ancak OCT, yalnızca birkaç on mikron genişliğindeki delikleri kolayca araştırabilir. Sonuç olarak, derinlik kontrolünün kritik olduğu kalın baralarda penetrasyon ölçümü için son derece uygundur.
OCT enstrümantasyonunun hızı, üreticilerin gerçekleştirilen her kaynağı gerçek zamanlı olarak doğrulamasını sağlar. Eksik veya fazla penetrasyon gibi durumlar anında tespit edilebilir ve işaretlenebilir.
Yüksek hacimli EV batarya üretimi için bu, daha fazla verim, daha yüksek randıman ve her bara bağlantısının spesifikasyona uygun yapıldığına dair çok daha fazla güven anlamına gelir. Ayrıca, depolanan ölçüm verileri daha yüksek derecede izlenebilirlik sağlar.
Lazer Çözümüyle Başlarken
Çift ışınlı fiber lazerler ve gerçek zamanlı, hat içi OCT kaynak derinliği ölçümü birlikte, kalın baraların güvenilir ve uygun maliyetli bir şekilde kaynaklanmasını sağlar. IPG Photonics, özel kaynak uygulamanız için en uygun çözümü sunmak üzere bu teknolojileri benzersiz bir şekilde bir araya getirebilmektedir.
Bunun nedeni, mevcut en geniş çift ışınlı fiber lazer yelpazesini sunmamız ve ayrıca kendi OCT tabanlı lazer kaynak ölçüm aracımızı oluşturup entegre etmemizdir. Bu, sürekli olarak yüksek veri kalitesi, kararlılık ve operasyonel güvenilirlik sağlar.
Akü kaynağı ihtiyaçlarınız için doğru sistemi seçmeye başlamak üzere lazer kaynağı uzmanlarımızdan biriyle görüşün.
