เทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์สำหรับแบตเตอรี่กำลัง: คู่มือการผลิตที่สำคัญ

ในการผลิตแบตเตอรี่สำหรับยานยนต์ไฟฟ้า (EV) การเลือกวิธีการและกระบวนการเชื่อมจะส่งผลโดยตรงต่อต้นทุนการผลิต คุณภาพผลิตภัณฑ์ ความปลอดภัย และความสม่ำเสมอของแบตเตอรี่ ในบรรดาเทคโนโลยีต่างๆ การเชื่อมด้วยเลเซอร์กลายเป็นตัวเลือกชั้นนำสำหรับ-การผลิตแบตเตอรี่ระดับไฮเอนด์ สำหรับข้อมูลสรุปที่มีโครงสร้างของกระบวนการเชื่อมแบตเตอรี่ทุกขั้นตอน - แท็บ บัสบาร์ วาล์ว และชุดประกอบ PACK - ดูประโยชน์ของการเชื่อมด้วยเลเซอร์เพื่อการผลิตแบตเตอรี่.

การเชื่อมด้วยเลเซอร์ใช้ประโยชน์จากทิศทางที่โดดเด่นและความหนาแน่นของพลังงานสูงของลำแสงเลเซอร์ ลำแสงพลังงานสูง-ที่โฟกัสผ่านระบบออปติกไปยังพื้นที่นาทีเดียวจะสร้างแหล่งความร้อนที่มีความเข้มข้นสูงภายในเสี้ยววินาที วิธีนี้จะละลายวัสดุฐานอย่างรวดเร็ว จากนั้นจึงแข็งตัวเป็นข้อต่อที่มีความแข็งแรงสูง-และเชื่อมตะเข็บเมื่อเย็นตัวลง

ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของพลังงานและข้อกำหนดในการใช้งาน การเชื่อมด้วยเลเซอร์สามารถแบ่งได้เป็นหลายโหมด:

การเชื่อมการนำความร้อนกับการเชื่อมแบบเจาะลึก (รูกุญแจ)

• การเชื่อมการนำความร้อน:ลำแสงเลเซอร์ละลายพื้นผิวชิ้นงานตามแนวข้อต่อ และวัสดุที่หลอมละลายจะไหลเข้าหากันและแข็งตัว โหมดนี้ถูกจำกัดโดยการนำความร้อนของวัสดุ ซึ่งหมายความว่าความกว้างของการเชื่อมจะมากกว่าความลึกของการเจาะเสมอ โดยส่วนใหญ่จะใช้กับวัสดุที่บางเป็นพิเศษ-
• การเจาะลึก (รูกุญแจ) การเชื่อม:เมื่อเลเซอร์กำลังสูง-กระทบกับพื้นผิวโลหะ พลังงานจะสะสมเร็วกว่าความร้อนที่จะกระจายออกไป ทำให้เกิด "รูกุญแจ" ที่ระเหยเป็นไอซึ่งช่วยให้เลเซอร์เจาะลึกเข้าไปในวัสดุได้ โหมดนี้ให้ความเร็วในการประมวลผลสูง -โซนที่ได้รับผลกระทบ (HAZ) ความร้อนน้อยที่สุด และการบิดเบือนเล็กน้อย ทำให้เหมาะสำหรับการเชื่อมลึกหรือซ้อนวัสดุหลาย-ชั้น

โหมดพัลส์กับโหมดคลื่นต่อเนื่อง (CW)

• การเชื่อมโหมดพัลส์:ต้องการการเลือกรูปคลื่นการเชื่อมที่แม่นยำ (เช่น คลื่นสี่เหลี่ยม คลื่นพีค หรือไบโมดัล) เมื่อเชื่อมอลูมิเนียมอัลลอยด์ที่มีการสะท้อนแสงสูง พลังงานเลเซอร์ 60% ถึง 98% อาจสูญเสียไปกับการสะท้อนพื้นผิว การใช้รูปคลื่นแหลมหรือสองโมดัล-ซึ่งมีความกว้างพัลส์ขยายที่ฐาน-สามารถลดความเสี่ยงของความพรุนและการแตกร้าวจากความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ

เคล็ดลับกระบวนการ:เพื่อป้องกันการสะท้อนกลับในแนวตั้ง-จากการทำลายเลนส์โฟกัส โดยทั่วไปหัวเชื่อมจะเอียงในมุมที่กำหนด มุมเอียง 40 องศาจะทำให้พื้นผิวข้อต่อมีประสิทธิผลสูงสุด ในขณะที่มุมที่เกิน 60 องศาจะช่วยลดการเจาะที่มีประสิทธิภาพให้เป็นศูนย์ นอกจากนี้ การเปลี่ยนการจัดตำแหน่งจุดเลเซอร์ให้ครอบคลุม 65% ของแผ่นปิดและ 35% ของกล่องแบตเตอรี่สามารถลดการเป่าที่เกิดจากความคลาดเคลื่อนของกล่องได้อย่างมาก

• การเชื่อมคลื่นต่อเนื่อง (CW):การเชื่อมด้วยเลเซอร์ CW ​​ต่างจากวงจรความร้อนที่รุนแรงของเลเซอร์แบบพัลซิ่ง การเชื่อมด้วยเลเซอร์ CW ​​จะให้ความร้อนและทำให้วัสดุเย็นลงทีละน้อย ซึ่งช่วยลดแนวโน้มที่จะแตกร้าวได้อย่างมาก ทำให้พื้นผิวการเชื่อมเรียบและสม่ำเสมอ ปราศจากการกระเด็น ข้อบกพร่องที่พื้นผิว หรือรอยแตกขนาดเล็ก-ภายใน แม้ว่าการเชื่อมแบบ CW จะช่วยลดความจำเป็นในการขัดหลังการเชื่อม-ได้อย่างมากและลดต้นทุนการผลิต แต่ขนาดจุดที่เล็กกว่านั้นต้องใช้ความคลาดเคลื่อนในการประกอบชิ้นงานที่เข้มงวด

เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการเชื่อมแบบเดิมๆ การเชื่อมด้วยเลเซอร์ให้ความแม่นยำ ความเร็ว และความน่าเชื่อถือที่ไม่มีใครเทียบได้- ซึ่งมีความสำคัญต่อการปฏิบัติตามมาตรฐานความปลอดภัยและโครงสร้างที่เข้มงวดของอุตสาหกรรมยานยนต์ไฟฟ้า (EV) ด้วยการใช้ประโยชน์จากอินพุตความร้อนเฉพาะจุดและการกำหนดเป้าหมายด้วยแสงขั้นสูง เทคโนโลยีนี้จึงสามารถจัดการกับปัญหาคอขวดในการผลิตอันเป็นเอกลักษณ์ที่เกี่ยวข้องกับส่วนประกอบแบตเตอรี่น้ำหนักเบาได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การนำการเชื่อมด้วยเลเซอร์มาใช้ทำให้เกิดความได้เปรียบในการแข่งขันที่แตกต่างกันหลายประการในการประกอบแบตเตอรี่พลังงาน:

• ความแม่นยำสูงและประสิทธิภาพสูง:พลังงานที่เข้มข้นทำให้ได้อัตราส่วนความลึก-ถึง-ความกว้างสูงและความแม่นยำในการตัดเฉือนที่ยอดเยี่ยม ลำแสงเลเซอร์สามารถนำทาง วางแนว และโฟกัสได้อย่างง่ายดายผ่านเครื่องมือวัดแสง ช่วยให้สามารถเชื่อมแบบไม่-สัมผัสบนโครงสร้างเชิงพื้นที่ที่ท้าทายหรือรอบๆ สิ่งกีดขวางที่เครื่องมือเชื่อมแบบเดิมๆ ไม่สามารถเข้าถึงได้
• พลังงานที่ควบคุมและระบบอัตโนมัติ:การส่งผ่านไฟเบอร์ออปติกที่ยืดหยุ่น-ทำให้สามารถรวมเข้ากับสายการผลิตอัตโนมัติได้อย่างราบรื่น การควบคุมพลังงานที่แม่นยำช่วยให้มั่นใจได้ถึงการเชื่อมที่มีความเสถียรและสวยงาม โดยไม่มีความเสี่ยงที่-การหลอมละลาย (การเผาไหม้- ผ่าน) ทั่วไปในการเชื่อมอาร์กแบบทั่วไป
• ออกแบบมาเพื่อการมีน้ำหนักเบา:เซลล์แบตเตอรี่สมัยใหม่นิยมใช้วัสดุอะลูมิเนียมที่บางและน้ำหนักเบา โดยทั่วไปผู้ผลิตทั่วไปจะใช้เคส ฝาครอบ และพื้นที่มีความหนาต่ำกว่า 1.0 มม. (โดยทั่วไปประมาณ 0.8 มม.) ซึ่งเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการประมวลผลด้วยเลเซอร์
• การเชื่อมโลหะที่แตกต่างกัน:การเชื่อมด้วยเลเซอร์ทำให้เกิดข้อต่อที่แข็งแกร่งสำหรับการผสมผสานวัสดุที่มีความท้าทายสูง เช่น ข้อต่อทองแดง-ถึง-อะลูมิเนียม และการเชื่อมต่อทองแดงชุบนิกเกิล- โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การกำหนดค่าเครื่องเชื่อมเลเซอร์อะลูมิเนียม-ถึง-เฉพาะทางให้ความแม่นยำที่จำเป็นในการเชื่อมแถบที่ชุบนิกเกิล-เข้ากับขั้วต่อทองแดงหรืออะลูมิเนียมโดยตรง โดยไม่ทำให้ค่าการนำไฟฟ้าลดลง

เครื่องเชื่อมเลเซอร์อะลูมิเนียม-ถึง-นิกเกิล

อลูมิเนียมอัลลอยด์มีสัดส่วนมากกว่า 90% ของโครงแบตเตอรี่ที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน อย่างไรก็ตาม แสงเลเซอร์สะท้อนแสงสูงและความไวต่อข้อบกพร่องสูงทำให้เกิดความท้าทายในการผลิตที่สำคัญ:

• ความพรุน:โดยทั่วไปจะปรากฏเป็นรูขุมขนไฮโดรเจนหรือโพรงรูกุญแจพังทลาย เนื่องจากการเชื่อมด้วยเลเซอร์ต้องใช้อัตราการเย็นตัวที่รวดเร็วมาก ก๊าซไฮโดรเจนจึงติดอยู่ได้ง่าย การเพิ่มประสิทธิภาพการป้องกันก๊าซและการปรับลำแสงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการปล่อยให้ก๊าซหลบหนีก่อนที่จะแข็งตัว
• การแคร็กร้อน:เนื่องจากเป็นโลหะผสมยูเทคติกแบบคลาสสิก อลูมิเนียมจึงมีความไวสูงต่อรอยแตกร้าวจากการตกผลึกในบริเวณรอยเชื่อมและรอยแตกแยกจากของเหลวใน HAZ เนื่องจากการแยกขอบเขตของเกรนภายใต้ความเครียดจากความร้อน
• โปรยลงมาและระเบิด:เกิดจากวัสดุเจือปน สิ่งปนเปื้อนบนพื้นผิว หรือความไม่เสถียรของเลเซอร์ ความเข้าใจผิดที่พบบ่อยในหมู่ซัพพลายเออร์ก็คือ "คุณภาพลำแสงที่ดีกว่าย่อมเท่ากับการเชื่อมที่ดีกว่าเสมอ" ในความเป็นจริง ความหนาแน่นของพลังงานที่มากเกินไปจากแกนไฟเบอร์ที่แคบเป็นพิเศษ-สามารถกระตุ้นให้เกิดความไม่เสถียรและการระเบิดของรูกุญแจได้อย่างง่ายดาย สิ่งสำคัญอยู่ที่การปรับสมดุลคุณภาพของลำแสงด้วยพารามิเตอร์กระบวนการที่ปรับแต่งโดยเฉพาะ

ข้อมูลจำเพาะส่วนประกอบโครงสร้าง:

แท็บเซลล์กระเป๋า:ตัวเชื่อมขั้วต่อแบบยืดหยุ่นต้องใช้อุปกรณ์จับยึดที่มีความแม่นยำสูง-เพื่อขจัดช่องว่าง เส้นทางขั้นสูง เช่น เส้นโค้ง S- หรือการเชื่อมแบบเกลียวถูกนำมาใช้เพื่อเพิ่มพื้นผิวข้อต่อและความแข็งแรงเชิงกลให้สูงสุด

เซลล์ทรงกระบอก:ใช้เป็นหลักในการเชื่อมขั้วบวก กรอบขั้วลบมีความบางมากและมีแนวโน้มที่จะไหม้-ทะลุผ่านได้ง่าย ด้วยเหตุนี้ ผู้ผลิตหลายรายจึงเปลี่ยนไปใช้การกำหนดค่า "การเชื่อมแบบลบ-ฟรี-" โดยใช้การเชื่อมด้วยเลเซอร์เฉพาะกับขั้วบวกเท่านั้น

กล่องแบบแท่งปริซึม (การปิดผนึกตู้):นี่เป็นกระบวนการที่สำคัญที่สุดในการประกอบเซลล์แบบแท่งปริซึม ซึ่งแบ่งออกเป็นการเชื่อม-ฝาครอบด้านบนและด้านล่าง- ผู้ผลิตบางรายใช้ปลอกหุ้มลึก-เพื่อขจัดตะเข็บด้านล่างทั้งหมด

• การเชื่อมด้านข้าง:ลดการปนเปื้อนของเซลล์ภายในให้เหลือน้อยที่สุด เนื่องจากโปรยลงมาถูกพุ่งออกไปจากภายใน แต่รอยเชื่อมใดๆ ก็สามารถรบกวนการประกอบโมดูลครั้งต่อไปได้
• การเชื่อมยอดนิยม:ทำงานจากด้านเดียว ลดความซับซ้อนในการรวมอุปกรณ์และการผลิตจำนวนมาก อย่างไรก็ตาม มีความเสี่ยงสูงที่จะเกิดการกระเด็นเข้าไปในเซลล์ และต้องมีเกณฑ์ความคลาดเคลื่อนของชิ้นส่วนที่เข้มงวดมากขึ้น

คุณภาพการเชื่อมได้รับการประเมินโดยพิจารณาจากความต้านทานแรงเฉือน ความต้านทานการลอก การนำไฟฟ้า ความแน่นหนาของอากาศ อายุการใช้งานของความล้า และความต้านทานการกัดกร่อน การบรรลุมาตรฐานเหล่านี้จำเป็นต้องมีการควบคุมเวกเตอร์หลักสามตัวอย่างแม่นยำ:

1) ประสิทธิภาพของอุปกรณ์เลเซอร์

ตัวชี้วัดหลักคือโหมดลำแสง กำลังเอาท์พุต และความเสถียร ลำแสงโหมดพื้นฐาน (TEM00) หรือลำแสงโหมดลำดับต่ำ-เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้ได้พลังงานที่มีความหนาแน่นสูงซึ่งจำเป็นสำหรับการเจาะลึก นอกจากนี้ การเลือกทางยาวโฟกัสของเลนส์โฟกัส (โดยทั่วไปคือ 127 มม. ถึง 200 มม.) จะต้องรักษาสมดุลของขนาดจุดที่แคบกับความเสี่ยงของการปนเปื้อนของเลนส์จากการกระเด็น เพื่อให้บรรลุมาตรฐานอุตสาหกรรมที่เข้มงวดเหล่านี้โดยใช้ขั้นสูงเครื่องเชื่อมไฟเบอร์เลเซอร์เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการรับประกันความเสถียรของเอาต์พุตและลดการบิดเบือนจากความร้อนในระหว่างการผลิตที่{0}}มีความเร็วสูง

การดูดซับวัสดุ:ความยาวคลื่นที่สั้นกว่าจะทำให้การดูดซึมดีขึ้น ที่ความยาวคลื่นมาตรฐาน ค่าการสะท้อนแสงจะสูงเป็นพิเศษสำหรับโลหะนำไฟฟ้า (เงิน: 96% อลูมิเนียม: 92% ทองแดง: 90% เหล็ก: 60%) ค่าการดูดซึมจะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงกับอุณหภูมิ และสามารถเพิ่มประสิทธิภาพได้โดยใช้สารดูดซับที่พื้นผิว เช่น ฟอสเฟตหรือกราไฟท์

2) สภาพชิ้นงานและการติดตั้ง

เนื่องจากจุดเลเซอร์นั้นแคบและโดยทั่วไปไม่ใช้ลวดตัวเติม ช่องว่างรอยต่อจึงต้องได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวด-ภายใน 10% ของความหนาของแผ่น ข้อต่อชนมาตรฐานต้องมีช่องว่างในการประกอบและความเบี่ยงเบนของจุดน้อยกว่า 0.1 มม. โดยมีการวางแนวไม่ตรงต่ำกว่า 0.2 มม. สำหรับแถบแบตเตอรี่ที่เปราะบางซึ่งฝังอยู่ในโมดูลขนาดใหญ่ การยึดจับทางกลแบบพิเศษถือเป็นสิ่งสำคัญในการป้องกันการบิดงอ

3) การเพิ่มประสิทธิภาพพารามิเตอร์กระบวนการ

• ความหนาแน่นของพลังงาน:การเปลี่ยนจากความหนาแน่นของพลังงานต่ำไปสูงจะเปลี่ยนกระบวนการจากการเชื่อมแบบการนำไฟฟ้าที่เสถียร ผ่านโซนการเปลี่ยนผ่านที่ไม่เสถียร ไปสู่การเชื่อมแบบเจาะลึกที่มั่นคง ต้องหลีกเลี่ยงโซนที่ไม่เสถียรโดยเด็ดขาด
• ความเร็วในการเชื่อมเทียบกับการเจาะ:ภายในระบบการเจาะลึก ความลึกของการเชื่อมจะเป็นสัดส่วนกับกำลังเลเซอร์ (ประมาณกำลัง 0.7) และแปรผกผันกับความเร็วในการเชื่อม
• ก๊าซป้องกัน:มีการใช้ฮีเลียมหรืออาร์กอนเพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชัน ป้องกันเลนส์ และปราบปรามพลาสมา ฮีเลียมซึ่งมีศักยภาพในการแตกตัวเป็นไอออนและการนำความร้อนสูงกว่า สามารถยับยั้งพลาสมาได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าอาร์กอน ทำให้สามารถเจาะทะลุได้ลึกกว่า
• ปิด-การตรวจสอบลูป:แม้ว่าความเร็วและการไหลของก๊าซจะควบคุมได้ง่าย แต่กำลังเลเซอร์แบบไดนามิกและตำแหน่งโฟกัสทันทีจะผันผวนเนื่องจากเลนส์ความร้อนหรือการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง 3 มิติ การรวมระบบการตรวจสอบด้วยแสงแบบลูปปิด-แบบเรียลไทม์เข้าด้วยกันถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับ-ความน่าเชื่อถือระดับอุตสาหกรรม

หมายเหตุเกี่ยวกับสารประกอบอินเตอร์เมทัลลิก (IMCs):เนื่องจากการเชื่อมด้วยเลเซอร์เป็นกระบวนการฟิวชันที่รวดเร็ว การเชื่อมโลหะที่ไม่เหมือนกัน เช่น ทองแดงและอะลูมิเนียม อาจทำให้เกิดการก่อตัวของสารประกอบอินเตอร์เมทัลลิกที่มีความต้านทานสูง{0}}เปราะได้ แม้ว่าการเชื่อมต่อไมโครอิเล็กทรอนิกส์จะลดประสิทธิภาพลงเมื่อเวลาผ่านไป แต่ผลกระทบระยะยาว-ที่แม่นยำต่ออายุการใช้งานแบตเตอรี่ลิเธียม EV ยังคงเป็นประเด็นสำคัญในการเพิ่มประสิทธิภาพและการศึกษา