Литиумските батерии со квадратна алуминиумска обвивка имаат многу предности како што се едноставна структура, добра отпорност на удар, висока густина на енергија и голем капацитет на ќелиите. Тие отсекогаш биле главна насока на домашното производство и развој на литиумски батерии, сочинувајќи повеќе од 40% од пазарот.
Структурата на литиумската батерија со квадратна алуминиумска обвивка е како што е прикажано на сликата, која е составена од јадро на батеријата (плочи со позитивни и негативни електроди, сепаратор), електролит, обвивка, горен капак и други компоненти.
Квадратна структура на литиумска батерија од алуминиумска обвивка
За време на процесот на производство и монтажа на литиумски батерии со квадратна алуминиумска обвивка, голем број наласерско заварувањепотребни се процеси, како што се: заварување на меки врски на батерии и капаци, заварување со запечатување на капаци, заварување со запечатување на шајки итн. Ласерското заварување е главен метод на заварување за призматични батерии. Поради високата густина на енергија, добрата стабилност на моќност, високата прецизност на заварувањето, лесната систематска интеграција и многу други предности,ласерско заварувањее незаменлив во процесот на производство на призматични литиумски батерии со алуминиумска обвивка. улога.
Maven 4-оска автоматска галванометарска платформамашина за заварување со фибер ласер
Заварскиот шев на заптивката на горниот капак е најдолгиот шев за заварување кај квадратната алуминиумска батерија, а исто така е и шевот за заварување кој трае најдолго време за заварување. Во последниве години, индустријата за производство на литиумски батерии брзо се разви, а технологијата за ласерско заварување со запечатување на горниот капак и нејзината технологија на опрема исто така брзо се развија. Врз основа на различната брзина на заварување и перформансите на опремата, грубо ја делиме опремата и процесите за ласерско заварување на горниот капак во три ери. Тие 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. Следново ќе го претстави 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 нови енергетски возила почнаа да експлодираат водени од политиките, а индустријата за батерии почна да се шири. Сепак, акумулацијата на технологија и резервите на таленти на домашните претпријатија се сè уште релативно мали. Поврзаните процеси на производство на батерии и технологиите за опрема се исто така во повој, а степенот на автоматизација на опремата е релативно низок, производителите на опрема штотуку почнаа да обрнуваат внимание на производството на батерии и да ги зголемуваат инвестициите во истражување и развој. Во оваа фаза, барањата на индустријата за ефикасност на производството за опрема за ласерско запечатување на квадратни батерии се обично 6-10PPM. Решението за опрема обично користи фибер ласер од 1kW за емитување низ обичен...ласерска глава за заварување(како што е прикажано на сликата), а главата за заварување е управувана од серво платформски мотор 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 ниската брзина на заварување и релативно долгото време на термички циклус на заварот, стопениот базен има доволно време да тече и да се зацврсти, а заштитниот гас може подобро да го покрие стопениот базен, олеснувајќи го добивањето мазна и целосна површина, завари со добра конзистентност, како што е прикажано подолу.
Формирање на заварски споеви за заварување со мала брзина на горниот капак
Во однос на опремата, иако ефикасноста на производството не е висока, структурата на опремата е релативно едноставна, стабилноста е добра, а цената на опремата е ниска, што добро ги задоволува потребите на развојот на индустријата во оваа фаза и ги поставува темелите за понатамошен технолошки развој.
Иако заварувањето со запечатување на горниот капак од ерата 1.0 има предности како едноставно решение за опремата, ниска цена и добра стабилност. Но, неговите вродени ограничувања се исто така многу очигледни. Во однос на опремата, капацитетот на моторот не може да ја задоволи побарувачката за понатамошно зголемување на брзината; во однос на технологијата, едноставното зголемување на брзината на заварување и излезната моќност на ласерот за понатамошно забрзување ќе предизвика нестабилност во процесот на заварување и намалување на приносот: зголемувањето на брзината го скратува времето на термичкиот циклус на заварувањето, а процесот на топење на металот е поинтензивен, прскањето се зголемува, прилагодливоста на нечистотиите ќе биде полоша, а дупките од прскањето се поверојатно да се формираат. Во исто време, времето на зацврстување на стопениот базен е скратено, што ќе предизвика површината на заварот да биде груба и конзистентноста да се намали. Кога ласерската точка е мала, 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 ласерската точка е голема, потребна е поголема моќност на ласерот за да се зголеми ширината на заварот. Големо, но во исто време ќе доведе до зголемено прскање од заварувањето и лош квалитет на формирање на површината на заварот. Според техничкото ниво во оваа фаза, понатамошното забрзување значи дека приносот мора да се замени со ефикасност, а барањата за надградба на опремата и технологијата на процесот станаа индустриски барања.
2. Ерата 2.0 на горната корицаласерско заварувањетехнологија
Брзина на заварување 200 mm/s
Во 2016 година, инсталираниот капацитет на Кина за автомобилски батерии беше приближно 30,8 GWh, во 2017 година беше приближно 36 GWh, а во 2018 година, со понатамошна експлозија, инсталираниот капацитет достигна 57 GWh, што е зголемување од 57% во однос на претходната година. Новите патнички возила со енергија, исто така, произведоа речиси еден милион, што е зголемување од 80,7% во однос на претходната година. Зад експлозијата на 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 капацитет за производство со една линија, производствениот капацитет на опремата за ласерско заварување со горен капак треба да се зголеми на 15-20 PPM, а нејзината...ласерско заварувањеБрзината треба да достигне 150-200 mm/s. Затоа, во однос на погонските мотори, различни производители на опрема ја надградија платформата на линеарниот мотор, така што неговиот механизам за движење ги исполнува барањата за перформанси на движење за правоаголна траекторија од 200 mm/s со униформна брзина на заварување; сепак, како да се обезбеди квалитет на заварување при брзо заварување бара понатамошни откритија 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: користењето на обични фибер ласери за производство на извор на светлина од една точка преку обични глави за заварување, изборот е тежок за исполнување на барањето од 200 mm/s.
Во оригиналното техничко решение, ефектот на формирање на заварување може да се контролира само со конфигурирање на опции, прилагодување на големината на точката и прилагодување на основните параметри како што е моќноста на ласерот: 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 спојувањето на споеви 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 на дупките ќе бидат значително зголемени.
Теоретски, ако сакате да го обезбедите ефектот на формирање на завар со голема брзиналасерско заварувањена горниот капак, треба да ги исполнувате следниве барања:
① Заварскиот шев има доволна ширина и односот помеѓу длабочината и ширината на заварскиот шев 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 доволна флуидност, а заварот се стврднува во мазен метален завар под заштита на заштитниот гас;
③ Заварениот спој има добра конзистентност и малку пори и дупки. Ова бара за време на процесот на заварување, ласерот да дејствува стабилно на работното парче, а плазмата со висока енергија континуирано да се генерира и да дејствува на внатрешноста на стопениот базен. Стопениот базен произведува „клуч“ под силата на реакција на плазмата. „Дупка“, клучалката е доволно голема и доволно стабилна, така што генерираната метална пареа и плазма не се лесно исфрлани и изнесуваат метални капки, формирајќи прскања, а стопениот базен околу клучалката не се лесно колабира и вклучува гас. Дури и ако туѓи предмети се изгорат за време на процесот на заварување и гасовите се ослободуваат експлозивно, поголема клучалка е попогодна за ослободување на експлозивни гасови и го намалува прскањето на металот и формираните дупки.
Како одговор на горенаведените точки, компаниите за производство на батерии и компаниите за производство на опрема во индустријата направија разни обиди и практики: Производството на литиумски батерии е развиено во Јапонија со децении, а поврзаните технологии за производство го презедоа водството.
Во 2004 година, кога технологијата на фибер ласер сè уште не беше широко комерцијално применета, Panasonic користеше LD полупроводнички ласери и YAG ласери со пумпање на пулсна ламба за мешан излез (шемата е прикажана на сликата подолу).
Шема на мулти-ласерска хибридна технологија за заварување и структура на глава за заварување
Светлосната точка со висока густина на моќност генерирана од пулсиранатаYAG 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, LD полупроводничкиот ласер се користи за да обезбеди CW континуиран ласер за претходно загревање и заварување на работното парче. Растопениот базен за време на процесот на заварување обезбедува повеќе енергија за да се добијат поголеми дупки за заварување, да се зголеми ширината на заварскиот спој и да се продолжи времето на затворање на дупките за заварување, помагајќи му на гасот во растопениот базен да излезе и намалувајќи ја порозноста на заварскиот спој, како што е прикажано подолу.
Шематски дијаграм на хибридласерско заварување
Применувајќи ја оваа технологија,YAG ласерии LD ласери со моќност од само неколку стотици вати можат да се користат за заварување на тенки куќишта од литиумски батерии со голема брзина од 80 mm/s. Ефектот на заварување е прикажан на сликата.
Морфологија на заварот под различни параметри на процесот
Со развојот и подемот на фибер ласери, фибер ласери постепено ги заменуваат пулсирачките YAG ласери во ласерската обработка на метали поради нивните бројни предности како што се добар квалитет на зракот, висока ефикасност на фотоелектрична конверзија, долг век на траење, лесно одржување и голема моќност.
Затоа, комбинацијата на ласери во горенаведеното решение за ласерско хибридно заварување еволуираше во ласер од влакна + LD полупроводнички ласер, а ласерот исто така коаксијално се испушта преку специјална глава за обработка (главата за заварување е прикажана на Слика 7). За време на процесот на заварување, механизмот на дејство на ласерот е ист.
Композитен ласерски спој за заварување
Во овој план, пулсираниотYAG ласерсе заменува со фибер ласер со подобар квалитет на зрак, поголема моќност и континуиран излез, што значително ја зголемува брзината на заварување и добива подобар квалитет на заварување (ефектот на заварување е прикажан на Слика 8). Овој план е исто така фаворизиран од некои клиенти. Во моментов, ова решение се користи во производството на заварување со 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 го решава проблемот со стабилноста на заварувањето при брзо заварување и ги исполнува барањата за квалитет на заварувањето при брзо заварување на горните капаци на батериите, сè уште постојат некои проблеми со ова решение од перспектива на опремата и процесот.
Прво на сите, хардверските компоненти на ова решение се релативно сложени, барајќи употреба на два различни типа ласери и специјални ласерски споеви за заварување со двојна бранова должина, што ги зголемува инвестициските трошоци за опрема, ја зголемува тежината на одржувањето на опремата и ги зголемува потенцијалните точки на дефект на опремата;
Второ, двојната бранова должиналасерско заварувањеСпојот што се користи е составен од повеќе сета леќи (видете ја Слика 4). Загубата на енергија е поголема од онаа кај обичните споеви за заварување, а положбата на леќата 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, долгорочно работење со голема брзина, положбата на леќата може да се олабави, предизвикувајќи промени во оптичката патека и влијаејќи на квалитетот на заварувањето, што бара рачно повторно прилагодување;
Трето, за време на заварувањето, рефлексијата на ласерот е силна и лесно може да ја оштети опремата и компонентите. Особено при поправка на неисправни производи, мазната површина на заварот 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, мора да најдеме друг начин за истражување. Во 2017-2018 година, го проучувавме високофреквентниот замавласерско заварувањетехнологијата на горниот капак на батеријата и ја промовираше во производствена примена. Високофреквентно заварување со ласерски зрак (во понатамошниот текст заварување со завртување) е уште еден тековен процес на заварување со голема брзина од 200 mm/s.
Во споредба со хибридното ласерско решение за заварување, хардверскиот дел од ова решение бара само обичен фибер ласер поврзан со осцилирачка ласерска глава за заварување.
глава за заварување со нишање
Внатре во главата за заварување има рефлективна леќа управувана од мотор, која може да се програмира да го контролира ласерот да се ниша според дизајнираниот тип на траекторија (обично кружна, S-форма, 8-форма итн.), амплитудата и фреквенцијата на нишање. Различни параметри на нишање можат да го направат напречниот пресек за заварување. Достапен е во различни форми и различни големини.
Заварувања добиени под различни траектории на замав
Високофреквентната завртена глава за заварување е управувана од линеарен мотор за заварување по должината на празнината помеѓу работните парчиња. Според дебелината на ѕидот на обвивката на ќелијата, се избираат соодветниот тип и амплитуда на завртување. За време на заварувањето, статичкиот ласерски зрак ќе формира само пресек на заварот во форма на V. Сепак, управуван од завртената глава за заварување, точката на зракот се ниша 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 раздвижува заварот. Од една страна, таа помага во излегувањето на гасот и ги намалува порите на заварот, а има и одреден ефект врз поправката на дупките во точката на експлозија на заварот (видете ја Слика 12). Од друга страна, металот за заварување се загрева и лади на уреден начин. Циркулацијата ја прави површината на заварот да изгледа како правилен и уреден модел на рибини лушпи.
Формирање на споеви со заварување со висечко заварување
Прилагодливост на заварите на контаминација на бојата под различни параметри на нишање
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 моќност се вбризгува во динамичната клучалка, надворешниот расфрлан ласер е намален, па затоа е потребна само помала ласерска моќност, а влезот на топлина за заварување е релативно низок (30% помалку од композитно заварување), што ги намалува загубите на опрема и загубите на енергија;
② Методот на заварување со нишање има висока прилагодливост кон квалитетот на склопувањето 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 во 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 300 mm/s
Со продолжувањето на намалувањето на новите енергетски субвенции, речиси целиот индустриски синџир на индустријата за производство на батерии е во црвено море. Индустријата, исто така, влезе во период на реконструкција, а уделот на водечки компании со предности од областа на обемот и технологијата дополнително се зголеми. Но, во исто време, „подобрување на квалитетот, намалување на трошоците и зголемување на ефикасноста“ ќе стане главна тема на многу компании.
Во периодот на ниски или никакви субвенции, само со постигнување на итеративни надградби на технологијата, постигнување поголема ефикасност на производството, намалување на трошоците за производство на една батерија и подобрување на квалитетот на производот можеме да имаме дополнителна шанса за победа во конкуренцијата.
Ханс Ласер продолжува да инвестира во истражување на технологија за брзо заварување за горни капаци на батерии. Покрај неколкуте методи на обработка воведени погоре, тие исто така проучуваат напредни технологии како што се технологијата за прстенесто ласерско заварување и технологијата за галванометарско ласерско заварување за горни капаци на батерии.
Со цел дополнително да се подобри ефикасноста на производството, да се истражи технологијата за заварување на горниот капак со брзина од 300 mm/s и поголема. Ханс Ласер го проучувал запечатувањето со ласерско заварување со скенирачки галванометар во 2017-2018 година, пробивајќи ги техничките тешкотии на тешката заштита на работното парче од гас за време на заварувањето со галванометар и слабиот ефект на формирање на површината на заварувањето, и постигнувајќи 400-500 mm/s.ласерско 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 што одговара на ефикасноста, а цената на опремата е висока. Затоа, за ова решение не е извршен понатамошен развој на комерцијална апликација.
Со понатамошниот развој нафибер ласертехнологија, лансирани се нови високомоќни фибер ласери кои можат директно да испраќаат светлосни точки во облик на прстен. Овој тип на ласер може да испраќа точки со ласерски прстен преку специјални повеќеслојни оптички влакна, а обликот на точката и распределбата на моќноста може да се прилагодат, како што е прикажано на сликата.
Заварувања добиени под различни траектории на замав
Преку прилагодување, распределбата на густината на моќноста на ласерот може да се направи во форма на точка-крофна-топат. Овој тип на ласер се нарекува Корона, како што е прикажано на сликата.
Прилагодлив ласерски зрак (соодветно: централно светло, централно светло + прстенесто светло, прстенесто светло, две прстенести светла)
Во 2018 година, беше тестирана примената на повеќе ласери од овој тип во заварувањето на горни капаци на алуминиумски ќелии на батерии, и врз основа на ласерот Corona, беше започнато истражување на технолошкото решение на процесот 3.0 за ласерско заварување на горни капаци на батерии. Кога ласерот Corona изведува излез во режим на точкаст прстен, карактеристиките на распределба на густината на моќност на неговиот излезен зрак се слични на композитниот излез на полупроводнички + фибер ласер.
За време на процесот на заварување, светлото од централната точка со висока густина на моќност формира клучалка за заварување со длабока пенетрација за да се добие доволна пенетрација на заварувањето (слично на излезот на фибер ласерот во хибридното решение за заварување), а прстенестата светлина обезбедува поголем влез на топлина, ја зголемува клучалката, го намалува влијанието на металната пареа и плазмата врз течниот метал на работ на клучалката, го намалува прскањето на металот и го зголемува времето на термичкиот циклус на заварот, помагајќи му на гасот во стопениот базен да избега подолго време, подобрувајќи ја стабилноста на процесите на заварување со голема брзина (слично на излезот на полупроводничките ласери во хибридните решенија за заварување).
Во тестот, заваривме батерии со тенки ѕидови и откривме дека конзистентноста на големината на заварот е добра, а процесната способност CPK е добра, како што е прикажано на Слика 18.
Изглед на заварување на горниот капак на батеријата со дебелина на ѕидот од 0,8 mm (брзина на заварување 300 mm/s)
Во однос на хардверот, за разлика од хибридното решение за заварување, ова решение е едноставно и не бара два ласери или специјална хибридна глава за заварување. Потребна е само обична ласерска глава за заварување со голема моќност (бидејќи само едно оптичко влакно произведува ласер со една бранова должина, структурата на леќата е едноставна, не е потребно прилагодување, а загубата на енергија е мала), што го олеснува дебагирањето и одржувањето, а стабилноста на опремата е значително подобрена.
Покрај едноставниот систем на хардверско решение и задоволувањето на барањата за 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, а сепак постигнавме добри ефекти на формирање на споеви за заварување. Покрај тоа, за обвивки со различна дебелина на ѕидот од 0,4, 0,6 и 0,8 mm, само со едноставно прилагодување на излезниот режим на ласерот, може да се изврши добро заварување. Сепак, за решенија за хибридно ласерско заварување со двојна бранова должина, потребно е да се промени оптичката конфигурација на главата за заварување или ласерот, што ќе донесе поголеми трошоци за опрема и време за дебагирање.
Затоа, точката на прстенотласерско заварувањеРешението не само што може да постигне ултра-брзо заварување на горниот капак со брзина од 300 mm/s и да ја подобри ефикасноста на производството на батерии. За компаниите за производство на батерии на кои им се потребни чести промени на моделите, ова решение може значително да го подобри и квалитетот на опремата и производите, компатибилноста, скратувајќи ја промената на моделот и времето за дебагирање.
Изглед на заварување на горниот капак на батеријата со дебелина на ѕидот од 0,4 mm (брзина на заварување 300 mm/s)
Изглед на заварување на горниот капак на батеријата со дебелина на ѕидот од 0,6 mm (брзина на заварување 300 mm/s)
Пенетрација на заварување со Corona Laser за заварување со тенки ѕидови – Процесни можности
Покрај гореспоменатиот Corona ласер, AMB ласерите и ARM ласерите имаат слични оптички излезни карактеристики и можат да се користат за решавање проблеми како што се подобрување на ласерското распрскување на заварот, подобрување на квалитетот на површината на заварот и подобрување на стабилноста на заварувањето при голема брзина.
4. Резиме
Различните решенија споменати погоре се користат во вистинското производство од страна на домашни и странски компании за производство на литиумски батерии. Поради различното време на производство и различната техничка позадина, различните процесни решенија се широко користени во индустријата, но компаниите имаат повисоки барања за ефикасност и квалитет. Таа постојано се подобрува и наскоро ќе се применуваат повеќе нови технологии од страна на компаниите кои се на чело на технологијата.
Кинеската индустрија за нови енергетски батерии започна релативно доцна и брзо се разви водена од националните политики. Поврзаните технологии продолжија да напредуваат со заеднички напори на целиот индустриски синџир и сеопфатно го намалија јазот со извонредните меѓународни компании. Како домашен производител на опрема за литиумски батерии, Maven постојано ги истражува своите предности, помагајќи во итеративните надградби на опремата за батерии и обезбедувајќи подобри решенија за автоматизирано производство на нови модули за батерии за складирање на енергија.
Време на објавување: 19 септември 2023 година
