Слика 1: Ласерско заваривање модула цилиндричних литијум{1}}јонских батерија. (Извор слике: Пхотон Аутоматион)
Цилиндричне литијум{0}}јонске батерије (као што су модели 18650, 21700 и већи 4680) се широко користе у преносивој електроници, електричним алатима, системима за складиштење енергије, а посебно у електричним возилима због своје велике густине енергије, стандардизованог дизајна и доказане поузданости. Ове батерије обично користе никловани челик (Хилумин) као материјал кућишта, пошто никловани премаз пружа отпорност на корозију, док челична подлога обезбеђује структурну чврстоћу да издржи унутрашњи притисак и механичко напрезање.
Да би се испунили специфични захтеви за дизајн и перформансе, неке цилиндричне ћелије пречника 46 мм користе различите материјале кућишта као што су алуминијум и никловани челик. Критични изазов током производње модула или батеријског пакета је заваривање алуминијума и челика заједно, због значајних разлика у њиховим термичким својствима и понашању при заваривању.
Конструисање цилиндричних батеријских модула или пакета укључује распоређивање ћелија (појединачних батеријских јединица) у одређеном обрасцу и њихово серијско или паралелно повезивање у складу са захтевима напона и струје апликације. Ова конфигурација омогућава произвођачима да прилагоде укупни енергетски капацитет и излазну снагу батеријског пакета како би задовољили захтеве специфичних апликација, као што су електрична возила или стационарни системи за складиштење енергије. Ћелије су обично међусобно повезане преко алуминијумских сабирница дебљине 0,3–0,6 мм, које се затим ласерски-заварују да би се постигле поуздане електричне везе (погледајте слику 1). Никловани -челик који се користи за кућишта батерија обично има дебљину од 0,4–0,6 мм, у зависности од дизајна ћелије и бренда произвођача.
У апликацијама на електричним возилима, завари који повезују алуминијумске сабирнице са ћелијама батерије морају одржавати висок структурални интегритет и електричну проводљивост у тешким динамичким условима, укључујући удар, вибрације и термичке циклусе. Због тога је прецизно и поуздано ласерско заваривање кључно за-дугорочни учинак и безбедност батерије. Ласерско заваривање је изузетно-погодно за овај сценарио склапања. Он производи чисте спојеве велике-врсте са малим уносом топлоте и минималним изобличењем. Ове карактеристике су од виталног значаја за превазилажење изазова својствених заваривању алуминијума до никлованог-елика.
Формирање крхких интерметалних једињења (ИМЦ)
Примарни изазов током заваривања је стварање крхких интерметалних једињења (ИМЦ), које значајно смањују чврстоћу споја и електричну проводљивост. Овај проблем произилази из различитих својстава алуминијума и челика, посебно њихових различитих термичких одговора: алуминијум се топи и шири брже од челика, стварајући термичка напрезања која промовишу раст ИМЦ током заваривања. Ови ИМЦ-као што су гвожђе-алуминијумска једињења ФеАл₃ и Фе₂Ал₅-типично показују ломљиве текстуре које слабе чврстоћу споја, што доводи до настанка пукотина, смањене чврстоће и повећане подложности корозији.
Формирање и укупна запремина ИМЦ-а током заваривања критично утичу на квалитет завара и{0}}дугорочни учинак. Како се запремина ИМЦ повећава, кртост зглобова се интензивира, механичка чврстоћа се смањује, а вероватноћа квара изазваног стресом-повећава се. Дубље продирање завара обично повећава укупну запремину ИМЦ-а, наглашавајући потребу за прецизном контролом параметара заваривања како би се осигурала висока чврстоћа споја, поузданост и издржљивост.
Опсежна истраживања показују да одржавање танког, униформног ИМЦ слоја (обично 2 µм до 10 µм) даје већу затезну чврстоћу на смицање. Ови танки слојеви омогућавају ефикасно металуршко везивање док минимизирају крхкост спојева. Међутим, када ИМЦ слој премашује 15 µм дебљине, његова кртост често доводи до смањене затезне чврстоће због подложности настанку пукотина и ширењу под оптерећењем (видети слику 2).
Слика 2: Утицај дебљине ИМЦ слоја на затезну чврстоћу. (Извор слике: Х. Хе ет ал.) [1]
Да би се решио овај проблем, ефикаснији приступ је да се повећа површина интерфејса завара уместо да се ослања само на већу дубину продирања. Проширење површине интерфејса побољшава металуршко везивање док ограничава укупну запремину ИМЦ. Ово смањује ломљивост и промовише равномернију расподелу напрезања на споју, чиме се побољшава поузданост. Овај ефекат се може постићи комбиновањем ласерских импулса са технологијом скенирања зрака за прецизну контролу уноса топлоте и формирања интерфејса, минимизирајући раст ИМЦ-а.
Пхотон Аутоматион је развио напредне контролере импулса и снаге који могу да контролишу ласере са прецизношћу{0}}микросекундног нивоа, омогућавајући прилагођено обликовање импулса. Финим-подешавањем облика импулса, локализовани термички стрес се смањује, идеална механичка својства материјала су очувана, зона{3}}захваћена топлотом (ХАЗ) је минимизирана, а животни век дела је продужен. ВондерБОАРД компаније такође се повезује са галво контролерима огледала, омогућавајући равномерну дистрибуцију ласерске енергије по радним комадима. Ово спречава вруће тачке и неравномерно загревање узроковано брзим кретањем зрака.
Контрола осцилација ласерског импулса и снопа за формирање ИМЦ
Импулсни ласери нуде супериорну контролу термичког улаза, смањујући ризик од прекомерног-отопљења или прскања. Интервали хлађења између импулса минимизирају акумулацију топлоте, помажући у спречавању дефеката као што су прегоревање-изобличења или изобличења. За заваривање танких-материјала или спајање различитих метала (нпр. алуминијум-на-челик), пулсна технологија такође побољшава стабилност базена растопљеног материјала.
Динамичко скенирање ласерског зрака преко зоне заваривања преко галванометра обезбеђује уједначену дистрибуцију енергије. Ово спречава ивичне ефекте (прекомерно продирање, подрезивање или вруће тачке узроковане продуженим задржавањем на почетку/крају пута заваривања). Технологија осциловања такође омогућава прилагођене профиле заваривања (нпр. кружни, спирални или назубљени) за побољшање механичке чврстоће и униформности споја.
Комбинација пулсирања и осциловања ствара окружење заваривања које се може контролисати које минимизира топлотне градијенте, оптимизује металуршко везивање и обезбеђује равномернију дистрибуцију напона. Овај приступ је посебно критичан у производњи батерија, омогућавајући прецизну контролу енергије како би се избегло оштећење осетљивих компоненти или изолованих подручја.
Други изазов укључује постизање прецизног позиционирања завареног шава и доследног квалитета завара.
У дизајну цилиндричних ћелија, и позитивне и негативне електроде се налазе на горњој површини-централни поклопац електроде служи као позитивна електрода, док околни прстенасти регион функционише као негативна електрода. Овај распоред ограничава доступну област заваривања, захтевајући екстремну прецизност у ласерском позиционирању. Чак и мања неусклађеност може да доведе до недовољне чврстоће завара, унутрашњег оштећења или кратких спојева, што све повећава ризик од отказивања ћелије и, у тешким случајевима, може да изазове термички бег.
Током склапања, ови батеријски модули обично садрже стотине тесно збијених ћелија. Мање варијације у висини ћелије узроковане производним толеранцијама или руковањем могу довести до неравномерног контакта између сабирнице или алата за заваривање и ћелија. Ако се не адресира на одговарајући начин, овај недоследан контакт доводи до флуктуације квалитета завара, лоших електричних веза и дугорочних-проблема са перформансама.
Да би превазишли ове изазове, произвођачи се ослањају на два основна система: системе вида и оптичку кохерентну томографију (ОЦТ).
Системи за вид откривају и лоцирају позитивни терминал (централни поклопац) и негативни терминал (спољни прстен/ивица) сваке цилиндричне ћелије. Поред тога, системи за вид компензују варијације/толеранције између ћелија-до-ћелије и одступања од поравнања уређаја, усмеравајући ласерски зрак у исправну позицију заваривања, избегавајући контакт са изолационим слојевима или областима ивица. Ово омогућава доследно,{4}}високо прецизно заваривање модула који садрже стотине ћелија.
ОЦТ мери висину сваке ћелије пре заваривања да би се откриле и најмање варијације у висини. Динамички прилагођава положај ласерског фокуса преко електричних колимирајућих сочива, осигуравајући да се ласер доследно фокусира на прецизну раван завара. Ово побољшава квалитет и поузданост завара у аутоматизованим производним окружењима где могу постојати мање варијације у висини између ћелија унутар батеријског модула.
Праћење процеса заваривања и прикупљање података: основа АИ
Имплементација система за надзор ласерског заваривања (ЛВМ) је критичан корак ка постизању контроле процеса вођене АИ{0}}. Током интеракције ласерског-материјала, енергија се ослобађа у више облика: зрачење плазме (ултраљубичаста таласна дужина), топлотно зрачење (инфрацрвена таласна дужина), повратна рефлексија (стварна таласна дужина ласера) и снага ласера која се преноси кроз оптичке компоненте. Сваки од ових сигнала садржи вредне информације о параметрима процеса заваривања.
Сензори засновани на фотодиодама{0}}ухватају ове информације о зрачењу у реалном времену и упоређују их са референтним подацима за заварене-квалитете. Ово континуирано прикупљање података помаже у идентификацији недостатака као што су недостатак спајања, промашени завари или недоследна дубина продирања. Временом, акумулација процесних података високе{4}}резолуције представља основу за обуку АИ модела. Ови модели могу да открију обрасце, предвиде кварове и омогуће затворену{6}}оптимизацију процеса заваривања.
Валидација развоја процеса за квалитет заваривања
Код ласерског заваривања цилиндричних литијум{0}}јонских батерија, обезбеђивање интегритета унутрашњих заварених спојева је кључно за очување безбедности и перформанси батерија. Током заваривања, посебна пажња се мора посветити заштити било каквог пластичног или гуменог материјала испод горње површине: прекомерни унос топлоте, неправилни ласерски параметри или превелика дубина продирања могу оштетити изолационе слојеве или пластичне/гумене структурне компоненте, што доводи до кратког споја, цурења, механичког квара или топлотног одласка.
Слика 3: 3Д-ЦТ слика која приказује детаље продора завара. (Извор слике: Пхотон Аутоматион)
Компјутерска томографија (ЦТ) омогућава не-деструктивну,-инспекцију високе{1}}заварених спојева, пружајући 2Д и 3Д податке који откривају унутрашње дефекте завара као што су порозност, неравномерно продирање на интерфејсу завара или недовољно продирање (погледајте слику 3). Ови 3Д ЦТ подаци подржавају развој процеса потврђивањем квалитета завара и идентификацијом да ли пенетрација допире до заптивних или изолационих материјала, чиме се боље спречавају такви проблеми током заваривања.
