Квадратне алуминијумске литијумске батерије имају многе предности као што су једноставна структура, добра отпорност на ударце, велика густина енергије и велики капацитет ћелија. Они су одувек били главни правац производње и развоја домаћих литијумских батерија, чинећи више од 40% тржишта.
Структура квадратне литијумске батерије од алуминијума је као што је приказано на слици, која се састоји од језгра батерије (позитивне и негативне електроде, сепаратор), електролита, шкољке, горњег поклопца и других компоненти.
Структура литијумске батерије квадратног алуминијумског омотача
Током процеса производње и монтаже квадратних литијумских батерија од алуминијума, велики бројласерско заваривањепотребни су процеси као што су: заваривање меких спојева батерија ћелија и поклопаца, заваривање поклопца, заваривање ексера и др. Ласерско заваривање је главна метода заваривања призматичних енергетских батерија. Због своје велике густине енергије, добре стабилности снаге, високе прецизности заваривања, лаке систематске интеграције и многих других предности,ласерско заваривањеје незаменљив у процесу производње призматичних алуминијумских литијумских батерија. улога.
Мавен 4-осна аутоматска галванометарска платформамашина за ласерско заваривање влакана
Шав за заваривање заптивке горњег поклопца је најдужи шав за заваривање у квадратној алуминијумској батерији, а такође је и заварени шав за који је потребно најдуже време за заваривање. Последњих година, индустрија производње литијумских батерија се брзо развила, а технологија процеса ласерског заваривања горњег поклопца и технологија опреме такође су се брзо развили. На основу различите брзине заваривања и перформанси опреме, опрему и процесе за ласерско заваривање горњег поклопца грубо делимо у три ере. То су ера 1.0 (2015-2017) са брзином заваривања <100мм/с, ера 2.0 (2017-2018) са 100-200мм/с и ера 3.0 (2019-) са 200-300мм/с. Следеће ће представити развој технологије на путу времена:
1. 1.0 ера технологије ласерског заваривања горњег поклопца
Брзина заваривања＜100мм/с
Од 2015. до 2017. домаћа нова енергетска возила почела су да експлодирају вођена политикама, а индустрија електричних батерија почела је да се шири. Међутим, акумулација технологије и резерве талената домаћих предузећа су још увек релативно мале. Повезани процеси производње батерија и технологије опреме су такође у повоју, а степен аутоматизације опреме Релативно низак, произвођачи опреме су тек почели да обраћају пажњу на производњу енергетских батерија и повећавају улагања у истраживање и развој. У овој фази, захтеви индустрије за ефикасност производње за опрему за ласерско заптивање квадратних батерија су обично 6-10 ППМ. Решење опреме обично користи ласер са влакнима од 1кв за емитовање кроз обичанглава за ласерско заваривање(као што је приказано на слици), а главу за заваривање покреће мотор серво платформе или линеарни мотор. Кретање и заваривање, брзина заваривања 50-100мм/с.
Коришћењем ласера од 1кв за заваривање горњег поклопца језгра батерије
Уласерско заваривањепроцес, због релативно ниске брзине заваривања и релативно дугог термичког циклуса заваривања, растопљени базен има довољно времена да тече и очврсне, а заштитни гас може боље да покрије растопљени базен, што олакшава постизање глатке и пуна површина, завари добре конзистенције, као што је приказано у наставку.
Обликовање шава за заваривање горњег поклопца малом брзином
Што се тиче опреме, иако ефикасност производње није висока, структура опреме је релативно једноставна, стабилност је добра, а цена опреме је ниска, што добро задовољава потребе развоја индустрије у овој фази и поставља основу за каснију технолошку развој.
Иако горњи поклопац за заваривање 1.0 ера има предности једноставног решења опреме, ниске цене и добре стабилности. Али његова инхерентна ограничења су такође веома очигледна. Што се тиче опреме, погонски капацитет мотора не може задовољити потребе за даљим повећањем брзине; у смислу технологије, једноставно повећање брзине заваривања и излазне снаге ласера ради даљег убрзања ће изазвати нестабилност у процесу заваривања и смањење приноса: повећање брзине скраћује време термичког циклуса заваривања, а метал Процес топљења је интензивнији, прскање се повећава, прилагодљивост на нечистоће ће бити гора, а већа је вероватноћа да ће се формирати рупе од прскања. Истовремено, скраћује се време очвршћавања растопљеног базена, што ће довести до тога да површина завара буде храпава и конзистенција ће се смањити. Када је ласерска тачка мала, унос топлоте није велики и прскање се може смањити, али је однос дубине и ширине завара велики и ширина завара није довољна; када је ласерска тачка велика, потребна је већа снага ласера да би се повећала ширина завара. Велика, али у исто време ће довести до повећаног прскања заваривања и лошег квалитета формирања површине вара. Под техничким нивоом у овој фази, даље убрзање значи да се принос мора заменити ефикасношћу, а захтеви за надоградњом опреме и процесне технологије постали су захтеви индустрије.
2. 2.0 ера горњих корицаласерско заваривањетехнологије
Брзина заваривања 200мм/с
У 2016. години, инсталирани капацитет акумулатора за аутомобиле у Кини био је приближно 30,8 ГВх, 2017. био је приближно 36 ГВх, а 2018. године, уведеном у даљу експлозију, инсталирани капацитет је достигао 57 ГВх, што је повећање од 57% у односу на претходну годину. Нова енергетска путничка возила такође су произвела скоро милион, што је повећање од 80,7% у односу на претходну годину. Иза експлозије инсталираног капацитета је ослобађање производног капацитета литијумских батерија. Акумулатори нових енергетских путничких возила чине више од 50% инсталираног капацитета, што такође значи да ће захтеви индустрије за перформансама и квалитетом батерија постати све строжи, а пратећа побољшања у технологији производне опреме и процесне технологије такође су ушла у нову еру. : да би се задовољили захтеви за производним капацитетима једне линије, производни капацитет опреме за ласерско заваривање горњег поклопца треба повећати на 15-20 ППМ, а њенласерско заваривањебрзина треба да достигне 150-200 мм / с. Због тога, у погледу погонских мотора, различити произвођачи опреме имају платформу линеарног мотора надограђену тако да њен механизам кретања испуњава захтеве перформанси кретања за правоугаоне трајекторије заваривања равномерном брзином од 200 мм/с; међутим, како да се обезбеди квалитет заваривања при заваривању великом брзином захтева даљи напредак у процесу, а компаније у индустрији су спровеле многа истраживања и студије: У поређењу са ером 1.0, проблем са којим се суочава заваривање великом брзином у ери 2.0 је: коришћење обични ласери са влакнима за излаз извора светлости у једној тачки кроз обичне главе за заваривање, избор је тешко испунити захтев од 200 мм/с.
У оригиналном техничком решењу, ефекат формирања заваривања се може контролисати само конфигурисањем опција, подешавањем величине тачке и подешавањем основних параметара као што је снага ласера: када се користи конфигурација са мањом тачком, кључаоница базена за заваривање ће бити мала , облик базена ће бити нестабилан, а заваривање ће постати нестабилно. Ширина спајања шавова је такође релативно мала; када се користи конфигурација са већом светлосном тачком, кључаоница ће се повећати, али ће снага заваривања бити значајно повећана, а стопе прскања и експлозије рупе ће се значајно повећати.
Теоретски, ако желите да обезбедите ефекат формирања вара велике брзинеласерско заваривањегорњег поклопца, потребно је да испуните следеће услове:
① Заварени шав има довољну ширину и однос дубине и ширине шава заваривања је одговарајући, што захтева да је опсег топлотног дејства извора светлости довољно велики и енергија линије заваривања у разумном опсегу;
② Завар је гладак, што захтева да време термичког циклуса завара буде довољно дуго током процеса заваривања тако да растопљени базен има довољну течност, а завар се учврсти у глатки метални завар под заштитом заштитног гаса;
③ Заварени шав има добру конзистенцију и мало пора и рупа. Ово захтева да током процеса заваривања ласер делује стабилно на радни предмет, а високоенергетски сноп плазме се континуирано генерише и делује на унутрашњост растопљеног базена. Растопљени базен производи "кључ" под реакционом силом плазме. „рупа“, кључаоница је довољно велика и довољно стабилна, тако да генерисану металну пару и плазму није лако избацити и избацити металне капљице, формирајући прскање, а растопљени базен око кључаонице није лако срушити и укључити гас . Чак и ако се страни предмети сагоре током процеса заваривања и гасови се испуштају експлозивно, већа кључаоница погоднија је за ослобађање експлозивних гасова и смањује прскање метала и формиране рупе.
Као одговор на горе наведене тачке, компаније за производњу батерија и компаније за производњу опреме у индустрији су направиле различите покушаје и праксе: производња литијумских батерија је деценијама развијена у Јапану, а сродне производне технологије су преузеле водећу улогу.
У 2004. години, када технологија фибер ласера још није била широко комерцијално примењена, Панасониц је користио ЛД полупроводничке ласере и ИАГ ласере са пумпном лампом за мешовити излаз (шема је приказана на слици испод).
Шематски дијаграм мулти-ласерске хибридне технологије заваривања и структуре главе за заваривање
Светлосна тачка велике густине коју генерише пулсирањеИАГ ласерса малом тачком се користи да делује на радни предмет за стварање рупа за заваривање како би се добио довољан продор заваривања. У исто време, ЛД полупроводнички ласер се користи да обезбеди ЦВ континуирани ласер за претходно загревање и заваривање радног предмета. Растопљени базен током процеса заваривања обезбеђује више енергије за добијање већих рупа за заваривање, повећање ширине шава за заваривање и продужење времена затварања рупа за заваривање, помажући гасу у растопљеном базену да побегне и смањујући порозност заваривања шав, као што је приказано испод
Шематски дијаграм хибридаласерско заваривање
Примењујући ову технологију,ИАГ ласерии ЛД ласери са само неколико стотина вати снаге могу се користити за заваривање танких кућишта литијумских батерија при великој брзини од 80 мм/с. Ефекат заваривања је као што је приказано на слици.
Морфологија завара под различитим параметрима процеса
Са развојем и порастом ласера са влакнима, ласери са влакнима су постепено заменили импулсне ИАГ ласере у ласерској обради метала због њихових бројних предности као што су добар квалитет зрака, висока ефикасност фотоелектричне конверзије, дуг животни век, лако одржавање и велика снага.
Због тога је комбинација ласера у горњем ласерском хибридном решењу за заваривање еволуирала у ласер са влакнима + ЛД полупроводнички ласер, а ласер се такође коаксијално излази кроз специјалну главу за обраду (глава за заваривање је приказана на слици 7). Током процеса заваривања, механизам деловања ласера је исти.
Композитни спој за ласерско заваривање
У овом плану, пулсниИАГ ласерје замењен влакнастим ласером са бољим квалитетом зрака, већом снагом и континуираним излазом, чиме се у великој мери повећава брзина заваривања и добија бољи квалитет заваривања (ефекат заваривања је приказан на слици 8). И овај план је стога фаворизован од стране неких купаца. Тренутно се ово решење користи у производњи заваривања горњег поклопца батерије за напајање и може да достигне брзину заваривања од 200 мм/с.
Изглед шава горњег поклопца хибридним ласерским заваривањем
Иако решење за ласерско заваривање са две таласне дужине решава стабилност шава заваривања великом брзином и испуњава захтеве квалитета шава за брзо заваривање горњих поклопаца ћелија батерије, још увек постоје неки проблеми са овим решењем из перспективе опреме и процеса.
Пре свега, хардверске компоненте овог решења су релативно сложене, захтевају употребу два различита типа ласера и специјалних спојева за ласерско заваривање са две таласне дужине, што повећава трошкове улагања у опрему, отежава одржавање опреме и повећава потенцијални квар опреме. бодова;
Друго, двострука таласна дужиналасерско заваривањеспој који се користи се састоји од више сетова сочива (видети слику 4). Губитак снаге је већи него код обичних спојева за заваривање, а положај сочива треба да се подеси на одговарајући положај да би се обезбедио коаксијални излаз ласера са две таласне дужине. И фокусирајући се на фиксну фокалну раван, дуготрајан рад велике брзине, положај сочива може постати лабав, изазивајући промене у оптичкој путањи и утичући на квалитет заваривања, што захтева ручно поновно подешавање;
Треће, током заваривања, ласерска рефлексија је озбиљна и може лако оштетити опрему и компоненте. Нарочито када се поправљају неисправни производи, глатка површина завара рефлектује велику количину ласерске светлости, што лако може изазвати ласерски аларм, а параметре обраде је потребно прилагодити за поправку.
Да бисмо решили горе наведене проблеме, морамо да пронађемо други начин истраживања. У 2017-2018, проучавали смо високофреквентни замахласерско заваривањетехнологију горњег поклопца батерије и промовисао је у производну примену. Ласерско заваривање високофреквентним заваривањем (у даљем тексту заваривање замахом) је још један тренутни процес заваривања великом брзином од 200 мм/с.
У поређењу са решењем за хибридно ласерско заваривање, хардверски део овог решења захтева само обичан ласер са влакнима у комбинацији са осцилујућом ласерском главом за заваривање.
клати се клатна глава за заваривање
Унутар главе за заваривање налази се рефлектирајућа сочива на моторни погон, која се може програмирати да контролише ласер да се љуља према пројектованом типу путање (обично кружни, у облику слова С, у облику 8, итд.), амплитуди и фреквенцији замаха. Различити параметри замаха могу учинити пресек заваривања Долази у различитим облицима и различитим величинама.
Завари добијени под различитим путањама замаха
Главу за заваривање високе фреквенције покреће линеарни мотор за заваривање дуж размака између радних комада. У складу са дебљином зида омотача ћелије, бира се одговарајући тип путање и амплитуда замаха. Током заваривања, статички ласерски зрак ће формирати само попречни пресек завара у облику слова В. Међутим, вођена окретном главом за заваривање, тачка снопа се љуља великом брзином у фокалној равни, формирајући динамичку и ротирајућу кључаоницу за заваривање, која може да добије одговарајући однос дубине и ширине заваривања;
Ротирајући отвор за заваривање меша завар. С једне стране, помаже да гас изађе и смањује поре завара, и има одређени ефекат на поправку рупица у тачки експлозије шава (види слику 12). С друге стране, метал шава се загрева и хлади на уредан начин. Циркулација чини да површина завара изгледа као правилан и уредан узорак рибље љуске.
Формирање шава за заваривање
Прилагодљивост завара на контаминацију боје под различитим параметрима замаха
Горе наведене тачке испуњавају три основна захтева квалитета за брзо заваривање горњег поклопца. Ово решење има и друге предности:
① Пошто се већина ласерске снаге убризгава у динамичку кључаоницу, спољни расејани ласер је смањен, тако да је потребна само мања снага ласера, а унос топлоте заваривања је релативно низак (30% мањи од композитног заваривања), што смањује опрему губитак и губитак енергије;
② Метода заваривања има високу прилагодљивост квалитету монтаже радних комада и смањује дефекте узроковане проблемима као што су кораци монтаже;
③Метода заваривања има снажан ефекат поправке на рупама за заваривање, а стопа приноса коришћења ове методе за поправку рупа за заваривање језгра батерије је изузетно висока;
④Систем је једноставан, а отклањање грешака и одржавање опреме су једноставни.
3. 3.0 ера технологије ласерског заваривања горњег поклопца
Брзина заваривања 300мм/с
Како нове енергетске субвенције настављају да опадају, скоро цео индустријски ланац индустрије производње батерија пао је у црвено море. Индустрија је такође ушла у период реконструкције, а удео водећих компанија са обимом и технолошким предностима је додатно порастао. Али у исто време, „побољшање квалитета, смањење трошкова и повећање ефикасности“ постаће главна тема многих компанија.
У периоду ниских субвенција или без њих, само постизањем итеративних надоградњи технологије, постизањем веће ефикасности производње, смањењем трошкова производње једне батерије и побољшањем квалитета производа можемо имати додатне шансе за победу у конкуренцији.
Хан'с Ласер наставља да улаже у истраживање технологије заваривања велике брзине за горње поклопце батеријских ћелија. Поред неколико горе наведених метода процеса, такође проучава напредне технологије као што су технологија ласерског заваривања прстенастог тачака и технологија ласерског заваривања галванометара за горње поклопце батеријских ћелија.
Да бисте додатно побољшали ефикасност производње, истражите технологију заваривања горњег поклопца при 300 мм/с и већој брзини. Хан'с Ласер је проучавао скенирање галванометарског ласерског заваривања заваривања у 2017-2018, пробијајући се кроз техничке потешкоће тешке заштите од гаса радног предмета током галванометарског заваривања и лошег ефекта формирања површине завара, и постигавши 400-500 мм/сласерско заваривањегорњег поклопца ћелије. Заваривање траје само 1 секунду за батерију 26148.
Међутим, због високе ефикасности, изузетно је тешко развити пратећу опрему која одговара ефикасности, а цена опреме је висока. Због тога за ово решење није вршен даљи развој комерцијалних апликација.
Са даљим развојем одфибер ласертехнологије, лансирани су нови влакнасти ласери велике снаге који могу директно да емитују светлосне тачке у облику прстена. Овај тип ласера може да емитује ласерске тачке са тачкастим прстеном кроз специјална вишеслојна оптичка влакна, а облик тачке и расподела снаге се могу подесити, као што је приказано на слици
Завари добијени под различитим путањама замаха
Кроз подешавање, дистрибуција густине снаге ласера може се направити у облику тачака-крофне-топхат. Овај тип ласера се зове Цорона, као што је приказано на слици.
Подесиви ласерски зрак (односно: централно светло, централно светло + прстенасто светло, прстенасто светло, два прстенаста светла)
У 2018. години тестирана је примена више ласера овог типа у заваривању горњих поклопаца ћелија акумулатора алуминијумске шкољке, а на основу Цорона ласера покренута су истраживања 3.0 процесне технологије решења за ласерско заваривање горњих поклопаца батеријских ћелија. Када корона ласер врши излаз у режиму тачкастог прстена, карактеристике дистрибуције густине снаге његовог излазног снопа су сличне композитном излазу ласера са полупроводником + влакнима.
Током процеса заваривања, светло централне тачке са великом густином снаге формира кључаоницу за заваривање са дубоким продирањем како би се постигла довољна пенетрација заваривања (слично излазу ласера са влакнима у хибридном решењу за заваривање), а прстенасто светло обезбеђује већи унос топлоте, повећати кључаоницу, смањити утицај металне паре и плазме на течни метал на ивици кључаонице, смањити резултујуће прскање метала и повећати време термичког циклуса завара, помажући гасу у растопљеном базену да побегне на дуже време, побољшавајући стабилност процеса заваривања великом брзином (слично као код полупроводничких ласера у хибридним решењима за заваривање).
У тесту смо заварили батерије са танким зидовима и открили да је конзистентност величине завара била добра и да је процесна способност ЦПК добра, као што је приказано на слици 18.
Изглед заваривања горњег поклопца батерије са дебљином зида 0,8мм (брзина заваривања 300мм/с)
Што се тиче хардвера, за разлику од решења за хибридно заваривање, ово решење је једноставно и не захтева два ласера или специјалну хибридну главу за заваривање. Потребна је само обична глава за ласерско заваривање велике снаге (пошто само једно оптичко влакно даје ласер са једном таласном дужином, структура сочива је једноставна, није потребно подешавање, а губитак енергије је мали), што олакшава отклањање грешака и одржавање , а стабилност опреме је знатно побољшана.
Поред једноставног система хардверског решења и испуњавања захтева процеса заваривања великом брзином горњег поклопца батеријске ћелије, ово решење има и друге предности у процесним применама.
У тесту смо заварили горњи поклопац батерије великом брзином од 300 мм/с, а ипак смо постигли добре ефекте формирања шавова заваривања. Штавише, за шкољке са различитим дебљинама зида од 0,4, 0,6 и 0,8 мм, само једноставним подешавањем излазног режима ласера може се извести добро заваривање. Међутим, за двоталасна ласерска хибридна решења за заваривање, неопходно је променити оптичку конфигурацију главе за заваривање или ласера, што ће донети веће трошкове опреме и временске трошкове отклањања грешака.
Дакле, тачка-прстен спотласерско заваривањерешење не само да може постићи ултра-брзо заваривање горњег поклопца при 300 мм/с и побољшати ефикасност производње енергетских батерија. За компаније које се баве производњом батерија којима су потребне честе промене модела, ово решење такође може значајно побољшати квалитет опреме и производа. компатибилност, скраћивање промене модела и време отклањања грешака.
Изглед заваривања горњег поклопца батерије са дебљином зида 0,4мм (брзина заваривања 300мм/с)
Изглед заваривања горњег поклопца батерије са дебљином зида 0,6мм (брзина заваривања 300мм/с)
Пробијање коронског ласера у заваривању за заваривање танких зидова – могућности процеса
Поред горе поменутог Цорона ласера, АМБ ласери и АРМ ласери имају сличне оптичке излазне карактеристике и могу се користити за решавање проблема као што су побољшање прскања ласерског заваривања, побољшање квалитета површине завара и побољшање стабилности заваривања при великој брзини.
4. Резиме
Разна горе поменута решења користе се у стварној производњи домаћих и страних компанија за производњу литијумских батерија. Због различитог времена производње и различите техничке позадине, различита процесна решења се широко користе у индустрији, али компаније имају веће захтеве за ефикасношћу и квалитетом. Стално се побољшава, а компаније које су на челу технологије ускоро ће примењивати нове технологије.
Кинеска индустрија нових енергетских батерија почела је релативно касно и брзо се развијала вођена националним политикама. Повезане технологије су наставиле да напредују заједничким напорима читавог индустријског ланца и свеобухватно су скратиле јаз са изванредним међународним компанијама. Као домаћи произвођач опреме за литијумске батерије, Мавен такође константно истражује сопствена подручја предности, помажући итеративним надоградњама опреме за батеријске пакете и пружајући боља решења за аутоматизовану производњу нових пакета батеријских модула за складиштење енергије.
Време поста: 19.09.2023
