Корзина
10 отзывов
E-MAIL: marketing@theseuslab.cz
+375 17 2374211
Применение технологии лазерной сварки в производстве аккумуляторных батарей

Применение технологии лазерной сварки в производстве аккумуляторных батарей

Применение технологии лазерной сварки в производстве аккумуляторных батарей
Сравнение методов сварки, основные места сварки аккумуляторных батарей. Знакомство с процессом лазерной сварки аккумуляторных батарей

26.06.17

Современные силовые аккумуляторные батареи являются новым видом чистой энергии и точкой притяжения для исследователей по всему миру. Это вид аккумуляторных батарей, обеспечивающий питание электромобилей, электропоездов, электрических велосипедов и гольф-каров. Такие батареи применяются в широком спектре отраслей и стали частью жизни людей.

Батарея в основном состоит из анодного материала, катодного материала (углеродного материала), разделителя, электролита, оболочки аккумуляторной батареи и других компонентов. Являясь основным компонентом новых электрических транспортных средств, батареи определяют их основные характеристики. Лазерная сварка является одним из производственных процессов для объединения исходных материалов в аккумуляторный элемент, батарею и т. д., и играет очень важную роль в общем процессе производства.


Рисунок 1 – Состав и область применения силовых батарей


 

1. Сравнение методов сварки аккумуляторных батарей

В настоящее время в производстве аккумуляторных батарей применяется множество технологий упаковки: лазерная сварка, электрическая резистивная сварка, ультразвуковая сварка, технология сварки с холодным переносом металла (CMT), пайка, вакуумная электронно-лучевая сварка и т. д. Соответствующие методы сварки и оптимизированные параметры процесса вносят значительный вклад в себестоимость батареи, ее однородность, надежность и безопасность. Гибкая, эффективная и точная лазерная сварка – это один из видов бесконтактного процесса, который не только отвечает требованиям процесса производства аккумуляторных батарей, но и значительно ускоряет разработку новых технологий питания.

На рисунке 2 показаны изображения сварного шва с применением обычных методов сварки, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки в определенных областях применения. Результаты вакуумной электро-лучевой сварки и лазерной сварки практически не отличаются, так они используют энергию с высокой плотностью. Однако электронно-лучевая сварка имеет высокие требования к месту размещения системы и рабочей среде (вакуум), поэтому при ее применении в массовом производстве возникают большие трудности. В настоящее время такой вид сварки применяется только при производстве специальных суперконденсаторов. Лазерная сварка имеет следующие преимущества: низкая потеря материала шва, отсутствие необходимости в сварочном флюсе, красивый сварочный шов, стабильная производительность, простота в эксплуатации, хорошее качество сварки, высокая степень автоматизации и повторяемости процесса, которые не могут быть достигнуты с другими методами сварки.


Рисунок 2 – Сравнение сварочных швов основных методов сварки

a)    Ультразвуковая сварка;
b)    Электрическая резистивная сварка;
c)    Пайка;
d)    Сварка с холодным переносом металла;
e)    Вакуумная электронно-лучевая сварка;
f)    Лазерная сварка.


2. Основные места сварки аккумуляторных батарей

В соответствии с изображением, представленным на рисунке 3, аккумуляторные батареи можно разделить на три вида: призматический аккумулятор, цилиндрический аккумулятор и пакетный элемент, которые названы исходя из их размеров и внешнего вида. Например, призматический литий-ионный аккумулятор модель 383450 соответствует реальным размерам 34 мм в ширину, 3,8 мм в толщину и 50 мм в длину. Цилиндрическая модель 18650 соответствует диаметру аккумулятора 18 мм и ширине – 65 мм. Пакетный элемент модели 383450 соответствует реальным размерам аккумулятора с шириной 34 мм, толщиной 3.8 мм и длиной 50 мм.

 
Рисунок 3 – Основные внешние размеры аккумуляторных батарей
(a)Призматическая батарея (b) Цилиндрическая батарея (с) Пакетный элемент

В настоящее время все три типа батарей используются в производстве электрических машин, однако цилиндрические и призматические батареи применяются наиболее часто. Различные формы силовых батарей предусматривают разные параметры процесса сварки. В качестве примера можно привести электрический автомобиль Tesla в США. В автомобиле применяется аккумуляторная батарея, состоящая из более чем 7000 элементов Panasonic NCR 18650 3100 мАч, обеспечивающих длительный срок службы батареи. Кроме того, серия BYD Dynasty, самый продаваемый электрический автомобиль на китайском рынке, является еще одним примером применения аккумуляторных батарей с призматическими элементами и алюминиевой оболочкой. Технологический процесс лазерной сварки призматической аккумуляторной батареи показан на рисунке 4.

 
Рисунок 4 – Процесс лазерной сварки призматической аккумуляторной батареи

Силовая батарея имеет шесть точек лазерной сварки, включающих защитное вентиляционное отверстие в крышке, полюсный штырь, аккумуляторную оболочку, уплотнительный штифт (отверстие для ввода электролита), вывод батареи, вывод элемента и верхнюю крышку.  Кроме того, местами сварки суперконденсатора в основном являются его разъем и катод (герметичный сварной шов). Точки лазерной сварки суперконденсатора и различных типов батарей питания показаны на рисунке 5.

 
Рисунок 5 – Места лазерной сварки различных типов батарей


 

3. Знакомство с процессом лазерной сварки аккумуляторных батарей

Алюминиевый сплав и нержавеющая сталь являются двумя основными материалами оболочки аккумуляторных батарей. Наиболее широко используемыми алюминиевыми сплавами являются сплавы 1xxx и 3xxx серии. Нержавеющая сталь хорошо поддается лазерной сварке. Лазерная сварка нержавеющей стали серии 304 импульсным либо непрерывным лазером позволяет получить хороший внешний вид и механические свойства сварного шва. Сварка алюминиевого сплава более сложный процесс по сравнению с обработкой нержавеющей стали, как следствие во время процесса производства может образовываться вспученная сварочная поверхность, воздушные полости, искры и т. д. Проблемы вспученной поверхности и воздушных полостей могут быть вызваны малым диаметром волокна, высокой энергией лазера или скоростью сварки. Появление искр в сварном шве может возникать из-за множества факторов (таких как чистота материала, его свойства и т.д).

С целью соответствия конечного результата требованиям производства батарей персонал осуществляет выбор подходящих параметров работы лазера и процесса (такие как скорость сварки, форма сигнала, пиковое значение, угол наклона сварочной головки и т. д.) исходя из материала, формы, толщины и тягового усилия. Для алюминиевых сплавов 1xxx и 3xxx можно применять импульсную или непрерывную сварку. Тем не менее, непрерывная сварка является лучшим выбором среди других серий алюминиевого сплава. В следующем разделе, например,  представлены особенности лазерной сварки призматической батареи.


3.1. Лазерная сварка оболочки призматической батареи

 
Рисунок 6 – Структурная схема призматической батареи

На рисунке 6 представлена общая структурная схема призматической батареи. Сварка накладки оболочки осуществляется сверху и сборку. Сверху расположена прямоугольная накладка с клеммой анода. Поместите накладку на оболочке таким образом, чтобы она была заподлицо с верхним концом. Затем используйте повторяющийся непрерывный лазер для сварки и герметизации шва между накладкой и оболочкой. Этот процесс называется верхней сваркой, во время которой не требуется перемещение лазерного луча. После закрепления призматической батареи на рабочем столе и позиционировании лазерного луча на сварочном шве, запустите рабочий стол, чтобы батарея двигалась в системе X, Y координат рабочего стола в соответствии с направлением сварного шва. Верхняя сварка подразумевает очень высокие требования к размерному допуску и точности сварного шва. По сравнению с процессом верхней сварки боковая сварка предполагает более низкие требования к допускам и верхняя крышка может быть легко герметизирована. Однако во время боковой сварки закрепленная заготовка должна вращаться, что повышает стоимость и снижает эффективность. При сварке призматической батареи 27148 верхняя сварка осуществляется примерно на 1,5 секунды быстрее боковой.

Рисунок 7 – Процесс верхней и боковой сварки призматической батареи
(a) Верхняя сварка; (b) Боковая сварка

Сравнение верхней и боковой сварки призматической аккумуляторной батареи показывает свои преимущества и недостатки для каждого из методов:

Боковая сварка оказывает гораздо меньшее влияние на внутреннюю часть элемента питания, при этом брызгам сложно попасть во внутреннюю часть оболочки. Недостатком такого подхода является то, что после сварки оболочка может вспучиваться, что повлияет на последующий процесс сборки. Поэтому боковая сварка имеет более высокие требования к стабильности лазера, чистоте материала и зазору между верхней крышкой и оболочкой.

Верхняя сварка выполняется в одной плоскости и может быть произведена сразу с четырех сторон, что обеспечивает высокую эффективность процесса. Тем не менее, при таком подходе предъявляются очень высокие требования к точности позиционирования предшествующего процесса и уровню автоматизации сварочного аппарата. Поскольку при применении верхней сварки призматической батареи в четырех углах зачастую возникают проблемы со сварным швом настройка формы сигнала, мощности и скорости сварки должна осуществляться в соответствии с фактической ситуацией. Лазерная сварка цилиндрических батарей не имеет таких недостатков – для боковой сварки цилиндрическая батарея обычно фиксируется на трех зажимных патронах, но интеграция цилиндрических элементов в батарейный модуль является более сложной задачей.


3.2. Лазерная сварка защитного вентиляционного отверстия призматической батареи

Защитное вентиляционное отверстие представляет собой тонкостенный клапан на верхней крышке. Когда внутреннее давление батареи превышает указанное значение клапан разрушается благодаря чему открывается предохранительное вентиляционное отверстие, что обеспечивает защиту батареи. Многие конструкции защитных вентиляционных отверстий запатентованы производителями аккумуляторов. Однако общим процессом при их изготовлении является сварка двух алюминиевых частей. Когда внутреннее давление превышает определенное значение, алюминиевая пластина трескается и предотвращает разрыв батареи. Таким образом данная конструкция предъявляет высокие технические требования к процессу лазерной сварки, который должен обеспечить надежную герметизацию сварного шва. Кроме того, разрывное давление шва должно быть больше, чем у канавки алюминиевого листа. На рисунке 8 представлено два основных вида предохранительных отверстий.

Рисунок 8 – Основные виды защитных вентиляционных отверстий призматических батарей

На рисунке 9 представлены сварные швы предохранительных отверстий, полученные с применением непрерывной и импульсной лазерной сварки. Для сварки контура защитного вентиляционного отверстия с батареей могут применяться оба вида сварки.  Непрерывная сварка может быть получена с импульсным лазером при перекрытии точек сварки, однако такой подход имеет низкую эффективность и плохие параметры герметизации (неверная настройка импульсного лазера может привести к возникновению дефектов сварного шва). Несмотря на то, что непрерывная лазерная сварка имеет более высокие требования к точности сборки изделия, она обеспечивает высококачественный сварной шов с высокой скоростью и стабильностью, а также позволяет повысить эффективность и производительность. Например, при использовании импульсного лазера с мощностью 300 Вт на сварку клапана с размерами 25х15 мм требуется 10 секунд, в то время как для однорежимного волоконного лазера с мощностью 1000 Вт требуется всего лишь 2 секунды.

 

Рисунок 9 – Сварной шов защитного клапана при использовании непрерывной и импульсной сварки


3.3. Лазерная сварка разъема и вывода призматической батареи

Полюсный штырь аккумуляторной батареи имеет внутреннее и внешнее подключение: Внутри батареи сварка выполняется между выводом элемента и штырем. Снаружи штырь аккумулятора приваривается к разъему для формирования последовательной либо параллельной цепи аккумуляторного блока. Вывод представляет собой катод и анод батареи, с алюминием, используемым для анода и медью для катода. В зависимости от модели и размеров аккумулятора размеры алюминиевых (медных) выводов также отличаются. Для сварки должен применяться волоконный лазер с качественным лучом небольшого диаметра при этом должны соблюдаться требования к конструкции, тяговому усилию и проводимости. На рисунке 10 представлен процесс лазерной сварки алюминиевых и лазерных выводов.


  
Рисунок 10 – Сварка полюсного штыря и вывода батареи с применением гальванометрического сканера

Поскольку материал, структура и метод сварки вывода аккумулятора и разъема очень похожи, технический процесс практически не отличается. Разница в том, что для разъема требуется более высокая интенсивность сварки, так как он расположен снаружи батареи.

Жесткий разъем: толщина разъема батарейного блока между полюсными штырями составляет от 1,5 мм до 2 мм. Для достижения максимальной производительности следует использовать оптоволоконный лазер с мощностью 4000 ~ 6000 Вт в сочетании с мощным гальванометрическим сканером и роботом. Лазер, управляемый сканером с гальванометрическим зеркалом может выполнять сварку с чрезвычайно высокой скоростью (100 ~ 300 мм/с), перемещение в режиме холостого хода осуществляется со скоростью (2000 ~ 3000 мм/с). Каждый раз, когда робот перемещается в определенную позицию, сканер гальванометра может сваривать от 4 до 9 штырей, с большей эффективностью по сравнению с другими лазерами (с той же мощностью, что и гальванометрический сканер, работающий вместе с XYZ платформой и сварочной головкой).

  
 
Рисунок 11 – Сварка полюсного штыря и разъема аккумулятора
 

 

3.4. Лазерная сварка уплотняющего штифта призматической батареи

Существует множество различных типов уплотнительных штырей (крышка отверстия для впрыска), которые очень похожи на круглую крышку с диаметром 8 мм и толщиной 0,8 и могут быть сварены с помощью импульсного лазера. Стоит отметить, что, поскольку некоторые крышки подвергаются холодной обработке, трещины в сварных швах могут быть легко вызваны механическим упрочнением и остаточным напряжением. Поэтому перед сваркой крышка должна подвергаться термообработке. Уплотнительный штырь призматической аккумуляторной батареи обычно расклепывается либо сваривается импульсным YAG лазером (лазер на алюмоиттриевом гранате). При сварке уплотнительного штыря диаметром около 8 мм с применением импульсного лазера LP YAG мощностью 300 Вт эффективность работы может достигать 6 импульсов в минуту. Для повышения производительности необходимо увеличивать скорость сварки, что становится возможным с применением волоконного лазера для непрерывной сварки. Однако, данный лазер предъявляет высокие требования к чистоте обрабатываемого материала, так как остатки электролита и его кристаллов могут легко привести к разбрызгиванию и появлению небольших полостей. Поэтому лазерная очистка является очень важной частью технологического процесса.

 

Рисунок 12 –Непрерывная лазерная сварка уплотнительного штифта

 

Выводы

Независимо от вида батарей проблемы технологического процесса необходимо решать в соответствии с конкретной практической ситуацией. Благодаря своим уникальным преимуществам лазерная сварка широко применяется в промышленности, особенно при изготовлении аккумуляторных батарей. Нерешенные проблемы требуют нашего дальнейшего изучения, и компания Han's Laser Technology Industry Group приложит все усилия по созданию более быстрых и стабильных сварочных устройств для производителей аккумуляторов, и содействию развитию отрасли.

 

По вопросам приобретения оборудования лазерной сварки, резки, маркировки и гравировки, лазерного напыления, наплавки и плакирования обращайтесь к нашему специалисту по тел.+375 (29) 187-33-89.

Предыдущие статьи
Контакты
  • Телефон:
    +375 (29) 640-41-26
    +375 (17) 237-42-11 доб. 418,
  • Контактное лицо:
    Дежурный специалист
  • Адрес:
    ул. Кропоткина, 91 а, Минск, 220020, Беларусь
Карта
social-icon
Loading...