Литиумските батерии со квадратна алуминиумска обвивка имаат многу предности како што се едноставна структура, добра отпорност на удар, висока енергетска густина и голем капацитет на ќелиите. Тие отсекогаш биле главна насока на домашното производство и развој на литиумски батерии, кои сочинуваат повеќе од 40% од пазарот.
Структурата на квадратната алуминиумска обвивка литиумска батерија е како што е прикажана на сликата, која е составена од јадро на батеријата (листови со позитивна и негативна електрода, сепаратор), електролит, обвивка, горниот капак и други компоненти.
Структура на литиумска батерија со квадратна алуминиумска обвивка
За време на процесот на производство и монтажа на литиумски батерии со квадратна обвивка од алуминиум, голем број наласерско заварувањепотребни се процеси, како што се: заварување на меки приклучоци на ќелии на батерии и покривни плочи, заварување со запечатување на покривната плоча, заварување за заптивање на клинци итн. Ласерското заварување е главниот метод на заварување на призматичните батерии. Поради високата енергетска густина, добрата стабилност на моќноста, високата прецизност на заварувањето, лесната систематска интеграција и многу други предности,ласерско заварувањее незаменлив во процесот на производство на призматични алуминиумски обвивки литиумски батерии. улога.
Maven автоматска галванометарска платформа со 4 оскимашина за заварување со ласерски влакна
Шевот за заварување на заптивката на горниот капак е најдолгиот шев за заварување во квадратната алуминиумска обвивка батерија, а исто така и на заварувачкиот шев му треба најдолго време за заварување. Во последниве години, индустријата за производство на литиумски батерии брзо се развиваше, а технологијата на ласерско заварување за запечатување на горниот капак и технологијата на нејзината опрема исто така брзо се развија. Врз основа на различната брзина на заварување и перформанси на опремата, ние грубо ја делиме опремата и процесите за ласерско заварување на горниот капак во три епохи. Тоа се ерата 1.0 (2015-2017) со брзина на заварување <100mm/s, ерата 2.0 (2017-2018) со 100-200mm/s и ерата 3.0 (2019-) со 200-300mm/s. Следното ќе го воведе развојот на технологијата по патот на времето:
1. Ерата 1.0 на технологијата за ласерско заварување на горниот капак
Брзина на заварување＜100 mm/s
Од 2015 до 2017 година, домашните возила со нова енергија почнаа да експлодираат поттикнати од политиките, а индустријата за батерии за напојување почна да се шири. Сепак, акумулацијата на технологијата и резервите на таленти на домашните претпријатија сè уште се релативно мали. Сродните процеси на производство на батерии и технологии за опрема се исто така во повој, а степенот на автоматизација на опремата Релативно низок, производителите на опрема штотуку почнаа да обрнуваат внимание на производството на батерии за напојување и да ги зголемуваат инвестициите во истражување и развој. Во оваа фаза, барањата за производствена ефикасност на индустријата за опрема за ласерско запечатување на квадратни батерии обично се 6-10 PPM. Решението на опремата обично користи ласер со влакна од 1 kw за емитување преку обиченглава за ласерско заварување(како што е прикажано на сликата), а главата за заварување е управувана од мотор со серво платформа или линеарен мотор. Движење и заварување, брзина на заварување 50-100mm/s.
Користење на ласер од 1kw за заварување на горниот капак на јадрото на батеријата
Воласерско заварувањепроцес, поради релативно малата брзина на заварување и релативно долгото време на термички циклус на заварувањето, стопениот базен има доволно време да тече и да се зацврсти, а заштитниот гас може подобро да го покрие растопениот базен, што го прави лесно да се добие мазен и целосна површина, заварува со добра конзистентност, како што е прикажано подолу.
Формирање на споеви за заварување за заварување со мала брзина на горниот капак
Во однос на опремата, иако производната ефикасност не е висока, структурата на опремата е релативно едноставна, стабилноста е добра, а цената на опремата е мала, што добро ги задоволува потребите на развојот на индустријата во оваа фаза и ја поставува основата за последователни технолошки развој. ,
Иако ерата на заварување со запечатување на горниот капак 1.0 има предности на едноставно решение за опрема, ниска цена и добра стабилност. Но, нејзините инхерентни ограничувања се исто така многу очигледни. Во однос на опремата, капацитетот за возење на моторот не може да ја задоволи побарувачката за дополнително зголемување на брзината; во однос на технологијата, едноставното зголемување на брзината на заварување и излезната моќ на ласерот за дополнително забрзување ќе предизвика нестабилност во процесот на заварување и намалување на издашноста: зголемувањето на брзината го скратува времето на топлинскиот циклус на заварувањето, а металот Процесот на топење е поинтензивен, прскањето се зголемува, приспособливоста на нечистотии ќе биде полоша, а поверојатно е да се формираат дупки за прскање. Во исто време, времето на зацврстување на стопениот базен се скратува, што ќе предизвика површината на заварот да биде груба и да се намали конзистентноста. Кога ласерското место е мало, влезот на топлина не е голем и прскањето може да се намали, но односот длабочина-ширина на заварот е голем и ширината на заварот не е доволна; кога местото на ласерот е големо, потребно е да се внесе поголема ласерска моќност за да се зголеми ширината на заварот. Голем, но во исто време ќе доведе до зголемено прскање на заварувањето и слаб квалитет на формирање на површината на заварот. Под техничко ниво во оваа фаза, дополнителното забрзување значи дека приносот мора да се замени за ефикасност, а барањата за надградба на опремата и технологијата на процесот станаа барања на индустријата.
2. Ерата 2.0 на горниот капакласерско заварувањетехнологија
Брзина на заварување 200mm/s
Во 2016 година, инсталираниот капацитет на автомобилски батерии за напојување во Кина беше приближно 30,8 GWh, во 2017 година беше приближно 36 GWh, а во 2018 година, со понатамошна експлозија, инсталираната моќност достигна 57 GWh, што е годишно зголемување од 57%. Новите енергетски патнички возила, исто така, произведоа речиси еден милион, што е зголемување од 80,7% на годишно ниво. Зад експлозијата во инсталираниот капацитет е ослободувањето на капацитетот за производство на литиумски батерии. Новите енергетски батерии за патнички возила сочинуваат повеќе од 50% од инсталираниот капацитет, што исто така значи дека барањата на индустријата за перформанси и квалитет на батериите ќе станат сè построги, а придружните подобрувања во технологијата на опремата за производство и технологијата на процеси, исто така, влегоа во нова ера. : за да се исполнат барањата за производствен капацитет од една линија, производствениот капацитет на опремата за ласерско заварување на горниот капак треба да се зголеми на 15-20 PPM, аласерско заварувањебрзината треба да достигне 150-200 mm/s. Затоа, во однос на погонските мотори, различни производители на опрема имаат. сепак, како да се обезбеди квалитет на заварување при заварување со голема брзина бара дополнителни пробиви во процесот, а компаниите во индустријата спроведоа многу истражувања и студии: Во споредба со ерата 1.0, проблемот со кој се соочува брзото заварување во ерата 2.0 е: користење обичните ласери со влакно за излез на еден точен извор на светлина преку обичните глави за заварување, изборот е тешко да се задоволат барањата од 200 mm/s.
Во оригиналното техничко решение, ефектот на формирање на заварување може да се контролира само со конфигурирање опции, прилагодување на големината на местото и прилагодување на основните параметри како што е ласерската моќност: кога се користи конфигурација со помала точка, клучалката на базенот за заварување ќе биде мала , обликот на базенот ќе биде нестабилен, а заварувањето ќе стане нестабилно. Ширината на фузијата на шевот е исто така релативно мала; кога се користи конфигурација со поголема светлосна точка, клучалката ќе се зголеми, но моќта на заварување ќе биде значително зголемена, а стапките на прскање и експлозија ќе бидат значително зголемени.
Теоретски, ако сакате да го обезбедите ефектот на формирање на заварување со голема брзиналасерско заварувањеод горниот капак, треба да ги исполнувате следниве барања:
① Шевот за заварување има доволна ширина и соодносот длабочина-ширина на шевот за заварување е соодветен, што бара опсегот на топлинско дејство на изворот на светлина да биде доволно голем и енергијата на линијата за заварување да биде во разумен опсег;
② Заварот е мазен, што бара времето на термички циклус на заварот да биде доволно долго за време на процесот на заварување, така што стопениот базен има доволно флуидност, а заварот се зацврстува во мазен метален завар под заштита на заштитниот гас;
③ Заварениот шев има добра конзистентност и малку пори и дупки. Ова бара за време на процесот на заварување, ласерот да делува стабилно на работното парче, а плазмата со висока енергија постојано да се генерира и да делува на внатрешната страна на стопениот базен. Стопениот базен произведува „клуч“ под силата на реакцијата на плазмата. „дупка“, клучалката е доволно голема и доволно стабилна, така што создадената метална пареа и плазма не се лесно да се исфрлат и да се исфрлат метални капки, формирајќи прскање, а стопениот базен околу клучалката не е лесно да се сруши и да вклучи гас. . Дури и ако за време на процесот на заварување се изгорени туѓи предмети и експлозивно се ослободуваат гасови, поголема клучалка е попогодна за ослободување на експлозивни гасови и го намалува металното прскање и формираните дупки.
Како одговор на горенаведените точки, компаниите за производство на батерии и компаниите за производство на опрема во индустријата направија различни обиди и практики: Производството на литиумски батерии се развиваше во Јапонија со децении, а поврзаните производствени технологии го преземаа водството.
Во 2004 година, кога технологијата на ласерски влакна сè уште не беше широко применета комерцијално, Panasonic користеше LD полупроводнички ласери и ласери YAG со пулсна ламба за мешан излез (шемата е прикажана на сликата подолу).
Шема на дијаграм на технологија на мултиласерско хибридно заварување и структура на главата за заварување
Светлосната точка со висока моќност густина генерирана од пулсотYAG ласерсо мала точка се користи за дејствување на работното парче за да се генерираат дупки за заварување за да се добие доволна пенетрација на заварувањето. Во исто време, полупроводничкиот ласер LD се користи за да обезбеди CW континуиран ласер за претходно загревање и заварување на работното парче. Стопениот базен за време на процесот на заварување обезбедува повеќе енергија за да се добијат поголеми отвори за заварување, да се зголеми ширината на спојот за заварување и да се продолжи времето на затворање на дупките за заварување, помагајќи му на гасот во стопениот базен да избега и ја намалува порозноста на заварувањето цвест, како што е прикажано подолу
Шематски дијаграм на хибридласерско заварување
Применувајќи ја оваа технологија,YAG ласерии LD ласери со само неколку стотици вати моќ може да се користат за заварување на тенки кутии од литиумски батерии со голема брзина од 80 mm/s. Ефектот на заварување е како што е прикажано на сликата.
Морфологија на заварот под различни параметри на процесот
Со развојот и подемот на ласерите со влакна, ласерите со влакна постепено ги заменија импулсните YAG ласери во ласерската обработка на метали поради нивните многу предности како што се добриот квалитет на зракот, високата ефикасност на фотоелектричната конверзија, долгиот век на траење, лесното одржување и високата моќност.
Затоа, ласерската комбинација во горенаведениот раствор за ласерско хибридно заварување еволуираше во ласер со влакна + LD полупроводнички ласер, а ласерот исто така коаксијално излегува преку специјална глава за обработка (главата за заварување е прикажана на слика 7). За време на процесот на заварување, механизмот за ласерско дејство е ист.
Композитен ласерски спој за заварување
Во овој план, пулсотYAG ласерсе заменува со фибер ласер со подобар квалитет на зракот, поголема моќност и континуиран излез, што во голема мера ја зголемува брзината на заварување и добива подобар квалитет на заварување (ефектот на заварување е прикажан на слика 8). Овој план, исто така, Затоа, тој е фаворизиран од некои клиенти. Во моментов, ова решение се користи во производството на заварување за запечатување на горниот капак на батериите и може да достигне брзина на заварување од 200 mm/s.
Изглед на заварување на горниот капак со хибридно ласерско заварување
Иако решението за ласерско заварување со двојна бранова должина ја решава стабилноста на заварувањето на заварувањето со голема брзина и ги исполнува барањата за квалитет на заварот за брзо заварување на горните капаци на ќелиите на батериите, сè уште има некои проблеми со ова решение од гледна точка на опремата и процесот.
Како прво, хардверските компоненти на ова решение се релативно сложени, барајќи употреба на два различни типа ласери и специјални ласерски заварувачки спојници со двојна бранова должина, што ги зголемува трошоците за инвестирање на опремата, ја зголемува тешкотијата за одржување на опремата и го зголемува потенцијалниот дефект на опремата поени;
Второ, двојна бранова должиналасерско заварувањеупотребениот зглоб е составен од повеќе групи леќи (види Слика 4). Загубата на моќноста е поголема од онаа на обичните споеви за заварување, а положбата на леќите треба да се прилагоди на соодветната положба за да се обезбеди коаксијален излез на ласерот со двојна бранова должина. И фокусирајќи се на фиксна фокусна рамнина, долгорочна работа со голема брзина, положбата на леќата може да се олабави, предизвикувајќи промени во оптичката патека и влијаејќи на квалитетот на заварувањето, барајќи рачно повторно прилагодување;
Трето, за време на заварувањето, ласерската рефлексија е тешка и лесно може да ја оштети опремата и компонентите. Особено при поправка на неисправни производи, мазната површина на заварувањето рефлектира голема количина на ласерска светлина, што лесно може да предизвика ласерски аларм, а параметрите за обработка треба да се прилагодат за поправка.
За да ги решиме горенаведените проблеми, треба да најдеме друг начин за истражување. Во 2017-2018 година го проучувавме високофреквентното замавнувањеласерско заварувањетехнологија на горниот капак на батеријата и го промовираше во производствена апликација. Високофреквентно заварување со ласерски зрак (во натамошниот текст како заварување со нишање) е уште еден актуелен процес на заварување со голема брзина од 200 mm/s.
Во споредба со растворот за хибридно ласерско заварување, хардверскиот дел од ова решение бара само обичен ласер со влакна поврзан со осцилирачка ласерска глава за заварување.
се ниша нишава заварувачка глава
Внатре во главата за заварување има рефлектирачка леќа управувана од мотор, која може да се програмира да го контролира ласерот да се лула според дизајнираниот тип на траекторија (обично кружен, S-облик, во облик на 8, итн.), амплитудата и фреквенцијата на замавнување. Различни параметри за замавнување може да го направат пресекот за заварување Доаѓа во различни форми и различни големини.
Завари добиени под различни траектории на замавнување
Главата за заварување со нишање со висока фреквенција е управувана од линеарен мотор за заварување долж јазот помеѓу работните парчиња. Според дебелината на ѕидот на клеточната обвивка, се избираат соодветниот тип и амплитуда на траекторијата на замавнување. За време на заварувањето, статичкиот ласерски зрак ќе формира само пресек на заварот во форма на V. Меѓутоа, управувано од главата за заварување со нишање, точката на зракот се лула со голема брзина на фокусната рамнина, формирајќи динамична и ротирачка клучалка за заварување, која може да добие соодветен сооднос длабочина-ширина на заварот;
Ротирачката клучалка за заварување го промешува заварот. Од една страна, тоа му помага на гасот да избега и ги намалува порите на заварот и има одреден ефект врз поправка на дупките во точката на експлозија на заварот (види слика 12). Од друга страна, металот на заварот се загрева и лади на уреден начин. Циркулацијата прави површината на заварот да изгледа како редовна и уредна шема на лушпи од риби.
Формирање на шевовите за заварување со нишалка
Приспособливост на заварите за контаминација на боја под различни параметри на замавнување
Горенаведените точки ги исполнуваат трите основни барања за квалитет за брзо заварување на горниот капак. Ова решение има и други предности:
① Бидејќи поголемиот дел од ласерската моќ се вбризгува во динамичната клучалка, надворешниот расеан ласер е намален, така што е потребна само помала ласерска моќност, а влезот на топлина при заварување е релативно низок (30% помалку од композитното заварување), што ја намалува опремата загуба и загуба на енергија;
② Методот на заварување со нишање има висока приспособливост на квалитетот на склопување на работните парчиња и ги намалува дефектите предизвикани од проблеми како што се чекорите на склопување;
③ Методот на заварување со нишање има силен ефект на поправка на дупките за заварување, а стапката на принос при користење на овој метод за поправка на дупките за заварување на јадрото на батеријата е исклучително висока;
④ Системот е едноставен, а дебагирањето и одржувањето на опремата се едноставни.
3. Ерата 3.0 на технологијата за ласерско заварување на горниот капак
Брзина на заварување 300mm/s
Бидејќи новите енергетски субвенции продолжуваат да опаѓаат, речиси целиот индустриски синџир на индустријата за производство на батерии падна во црвено море. Индустријата исто така влезе во период на реконструкција, а процентот на водечки компании со обем и технолошки предности дополнително се зголеми. Но, во исто време, „подобрувањето на квалитетот, намалувањето на трошоците и зголемувањето на ефикасноста“ ќе стане главна тема на многу компании.
Во периодот на ниски или без субвенции, само со постигнување итеративни надградби на технологијата, постигнување поголема производствена ефикасност, намалување на производствените трошоци на една батерија и подобрување на квалитетот на производот, можеме да имаме дополнителни шанси за победа во конкуренцијата.
Han's Laser продолжува да инвестира во истражување на технологија за брзо заварување за горните капаци на ќелиите на батериите. Покрај неколкуте процесни методи воведени погоре, тој исто така ги проучува напредните технологии како што се технологијата за ласерско заварување со прстенеста точка и технологијата за ласерско заварување со галванометар за горните капаци на ќелиите на батериите.
Со цел дополнително да се подобри ефикасноста на производството, истражете ја технологијата за заварување на горниот капак со 300 mm/s и поголема брзина. Han's Laser го проучуваше скенирањето на ласерско заварување со галванометарско заварување во 2017-2018 година, пробивајќи ги техничките тешкотии на тешката гасна заштита на работното парче при заварување со галванометар и слаб ефект на формирање на површината на заварот, и постигнувајќи 400-500 mm/sласерско заварувањена горниот капак на ќелијата. Заварувањето трае само 1 секунда за батерија 26148.
Сепак, поради високата ефикасност, исклучително е тешко да се развие опрема за поддршка која одговара на ефикасноста, а цената на опремата е висока. Затоа, не беше извршен понатамошен развој на комерцијална апликација за ова решение.
Со понатамошниот развој наласер со влакнатехнологија, лансирани се нови ласери со високомоќни влакна кои можат директно да испуштаат светлосни точки во облик на прстен. Овој тип на ласер може да испушти точка-прстен ласерски точки преку специјални повеќеслојни оптички влакна, а формата на точката и дистрибуцијата на енергија може да се прилагодат, како што е прикажано на сликата
Завари добиени под различни траектории на замавнување
Преку прилагодување, распределбата на густината на моќноста на ласерот може да се направи во форма на точка-крофна-тофат. Овој тип на ласер е наречен Корона, како што е прикажано на сликата.
Прилагодлив ласерски зрак (соодветно: средно светло, средно светло + прстенесто светло, прстенесто светло, две прстенести светла)
Во 2018 година беше тестирана примената на повеќе ласери од овој тип при заварување на горните капаци на ќелиите на батериите од алуминиумска обвивка, а врз основа на ласерот Corona започна истражување на 3.0 процесно технолошко решение за ласерско заварување на горните капаци на батериските ќелии. Кога ласерот Corona изведува излез во режим на точка-прстен, карактеристиките на дистрибуција на густината на моќноста на неговиот излезен зрак се слични на композитниот излез на полупроводнички + ласер со влакна.
За време на процесот на заварување, светлото од централната точка со голема густина на моќност формира клучна дупка за заварување со длабока пенетрација за да се добие доволна пенетрација на заварување (слично на излезот на ласерот со влакна во хибридниот раствор за заварување), а прстенестото светло обезбедува поголем внес на топлина. зголемете ја клучалката, намалете го влијанието на металната пареа и плазмата врз течниот метал на работ од клучалката, намалете го добиеното метално прскање и зголемете го времето на термички циклус на заварот, помагајќи му на гасот во стопениот базен да избега за време подолго време, подобрување на стабилноста на процесите на заварување со голема брзина (слично на излезот на полупроводничките ласери кај хибридните раствори за заварување).
Во тестот, заварувавме батерии со тенки ѕидови и откривме дека конзистентноста на големината на заварот е добра и дека способноста за процесирање CPK е добра, како што е прикажано на Слика 18.
Изглед на заварување на горниот капак на батеријата со дебелина на ѕидот 0,8mm (брзина на заварување 300mm/s)
Во однос на хардверот, за разлика од хибридното решение за заварување, ова решение е едноставно и не бара два ласери или посебна хибридна глава за заварување. Потребна е само обична обична глава за заварување со ласер со висока моќност (бидејќи само едно оптичко влакно излегува со ласер со една бранова должина, структурата на леќата е едноставна, не е потребно прилагодување, а загубата на енергија е мала), што го прави лесен за отстранување грешки и одржување , а стабилноста на опремата е значително подобрена.
Покрај едноставниот систем на хардверското решение и исполнувањето на барањата за процесот на брзо заварување на горниот капак на ќелијата на батеријата, ова решение има и други предности во процесните апликации.
Во тестот, го заваривме горниот капак на батеријата со голема брзина од 300 mm/s и сепак постигнавме добри ефекти за формирање на шевовите за заварување. Освен тоа, за школки со различни дебелини на ѕидови од 0,4, 0,6 и 0,8 мм, само со едноставно прилагодување на излезниот режим на ласер може да се изврши добро заварување. Меѓутоа, за решенијата за ласерско хибридно заварување со двојна бранова должина, неопходно е да се промени оптичката конфигурација на главата или ласерот за заварување, што ќе донесе поголеми трошоци за опремата и трошоци за време на дебагирање.
Затоа, точка-прстен местоласерско заварувањерешението не само што може да постигне ултра-брзинско заварување на горниот капак со 300 mm/s и да ја подобри производната ефикасност на батериите за напојување. За компаниите за производство на батерии на кои им требаат чести промени на моделот, ова решение може значително да го подобри квалитетот на опремата и производите. компатибилност, скратување на промената на моделот и времето за дебагирање.
Изглед на заварување на горниот капак на батеријата со дебелина на ѕидот 0,4mm (брзина на заварување 300mm/s)
Изглед на заварување на горниот капак на батеријата со дебелина на ѕидот 0,6mm (брзина на заварување 300mm/s)
Корона ласерска пенетрација на завар за заварување со тенкоѕидни ќелии – можности за процесот
Покрај ласерот Corona споменат погоре, ласерите AMB и ARM ласерите имаат слични оптички излезни карактеристики и може да се користат за решавање на проблеми како што се подобрување на ласерското прскање на заварот, подобрување на квалитетот на површината на заварот и подобрување на стабилноста на заварувањето со голема брзина.
4. Резиме
Различните решенија споменати погоре се користат во вистинското производство од домашни и странски компании за производство на литиумски батерии. Поради различното време на производство и различното техничко потекло, различни процесни решенија се широко користени во индустријата, но компаниите имаат повисоки барања за ефикасност и квалитет. Постојано се подобрува, а повеќе нови технологии наскоро ќе се применуваат од компаниите кои се во првите редови на технологијата.
Новата кинеска индустрија за енергетски батерии започна релативно доцна и брзо се разви водена од националните политики. Поврзаните технологии продолжија да напредуваат со заедничките напори на целиот синџир на индустријата и сеопфатно го скратија јазот со извонредните меѓународни компании. Како домашен производител на опрема за литиумски батерии, Maven, исто така, постојано ги истражува сопствените области на предност, помагајќи во повторливите надградби на опремата за батериски пакети и обезбедувајќи подобри решенија за автоматизирано производство на нови пакети со батерии за складирање енергија.
Време на објавување: 19-ти септември 2023 година
