Квадратні літієві батареї з алюмінієвим корпусом мають багато переваг, таких як проста структура, хороша ударостійкість, висока щільність енергії та велика ємність елемента. Вони завжди були основним напрямком внутрішнього виробництва та розвитку літієвих батарей, на них припадає понад 40% ринку.
Структура квадратної літієвої батареї з алюмінієвим корпусом, як показано на малюнку, складається з сердечника батареї (пластини позитивного та негативного електродів, сепаратора), електроліту, оболонки, верхньої кришки та інших компонентів.
Структура літієвої батареї з квадратним алюмінієвим корпусом
У процесі виробництва та складання квадратних літієвих батарей з алюмінієвим корпусом велика кількістьлазерне зварюваннянеобхідні такі процеси, як: зварювання м’яких з’єднань елементів акумулятора та кришки, зварювання герметизації кришки, зварювання герметизуючих цвяхів тощо. Лазерне зварювання є основним методом зварювання для призматичних силових батарей. Завдяки високій щільності енергії, хорошій стабільності потужності, високій точності зварювання, легкій системній інтеграції та багатьом іншим перевагам,лазерне зварюванняє незамінним у процесі виробництва літієвих батарей з призматичним алюмінієвим корпусом. роль.
Платформа 4-осьового автоматичного гальванометра Mavenволоконний лазерний зварювальний апарат
Зварювальний шов ущільнювача верхньої кришки є найдовшим зварювальним швом у квадратній алюмінієвій батареї, а також це зварювальний шов, який займає найбільше часу для зварювання. В останні роки індустрія виробництва літієвих батарей швидко розвивалася, а технологія процесу лазерного зварювання верхньої кришки та технологія її обладнання також швидко розвивалися. Виходячи з різної швидкості зварювання та продуктивності обладнання, ми приблизно поділяємо обладнання для лазерного зварювання верхньої кришки та процеси на три періоди. Це ера 1.0 (2015-2017) зі швидкістю зварювання <100 мм/с, ера 2.0 (2017-2018) зі 100-200 мм/с і ера 3.0 (2019-) з 200-300 мм/с. Нижче представлено розвиток технологій на шляху часу:
1. Ера технології лазерного зварювання верхньої кришки 1.0
Швидкість зварювання＜100 мм/с
З 2015 по 2017 рр. у зв’язку з політикою почали стрімко зростати вітчизняні транспортні засоби на новій енергії, а індустрія акумуляторних батарей почала розвиватися. Проте накопичення технологій і кадровий потенціал вітчизняних підприємств все ще відносно невеликі. Відповідні процеси виробництва акумуляторів і технології обладнання також знаходяться в зародковому стані, а ступінь автоматизації обладнання відносно низький, виробники обладнання тільки почали приділяти увагу виробництву силових акумуляторів і збільшувати інвестиції в дослідження і розробки. На цьому етапі промислові вимоги до ефективності виробництва для обладнання для лазерної герметизації квадратних батарей зазвичай становлять 6-10 PPM. Рішення обладнання зазвичай використовує волоконний лазер потужністю 1 кВт для випромінювання через звичайнийлазерна зварювальна головка(як показано на малюнку), а зварювальна головка приводиться в рух двигуном сервоплатформи або лінійним двигуном. Рух і зварювання, швидкість зварювання 50-100мм/с.
Використовуючи лазер потужністю 1 кВт для зварювання верхньої кришки сердечника батареї
влазерне зварюваннязавдяки відносно низькій швидкості зварювання та відносно довгому часу термічного циклу зварного шва розплавлена ванна має достатньо часу для течії та затвердіння, а захисний газ може краще покривати розплавлену ванну, полегшуючи отримання гладкої та повна поверхня, зварювання з хорошою консистенцією, як показано нижче.
Формування зварного шва для низькошвидкісного зварювання верхньої кришки
Що стосується обладнання, хоча ефективність виробництва невисока, структура обладнання відносно проста, стабільність хороша, а вартість обладнання низька, що добре відповідає потребам розвитку промисловості на даному етапі та закладає основу для наступних технологічних розвитку.
Незважаючи на те, що зварювальне зварювання верхньої кришки 1.0 має переваги простого рішення обладнання, низької вартості та хорошої стабільності. Але його властиві обмеження також дуже очевидні. З точки зору обладнання, потужність двигуна не може задовольнити вимоги щодо подальшого збільшення швидкості; З точки зору технології, просте збільшення швидкості зварювання та вихідної потужності лазера для подальшого прискорення призведе до нестабільності процесу зварювання та зниження продуктивності: збільшення швидкості скорочує час термічного циклу зварювання, а процес плавлення металу є більш інтенсивним, бризки збільшуються, пристосовуваність до домішок буде гіршою, і ймовірність утворення бризок збільшується. У той же час час затвердіння розплавленої ванни скорочується, що спричинить шорсткість поверхні зварного шва та зниження консистенції. Коли лазерна пляма мала, підведення тепла невелике, і розбризкування можна зменшити, але співвідношення глибини до ширини зварного шва велике, а ширина зварного шва недостатня; коли лазерна пляма велика, для збільшення ширини зварювального шва потрібна більша потужність лазера. Великий, але в той же час це призведе до збільшення зварювальних бризок і поганої якості формування поверхні зварного шва. На технічному рівні на цьому етапі подальше прискорення означає, що врожайність повинна бути замінена на ефективність, а вимоги до модернізації обладнання та технології процесу стали вимогами галузі.
2. Ера верхньої обкладинки 2.0лазерне зварюваннятехнології
Швидкість зварювання 200мм/с
У 2016 році встановлена ємність автомобільних акумуляторів у Китаї становила приблизно 30,8 ГВт-год, у 2017 році – приблизно 36 ГВт-год, а в 2018 році, після подальшого зростання, встановлена ємність досягла 57 ГВт-год, що на 57% більше, ніж у минулому році. Також було вироблено майже один мільйон нових пасажирських транспортних засобів, що становить 80,7% більше, ніж у минулому році. За вибухом встановленої потужності стоїть випуск потужностей з виробництва літієвих батарей. Акумуляторні батареї для пасажирських транспортних засобів з новим енергоспоживанням становлять понад 50% встановленої ємності, що також означає, що галузеві вимоги до продуктивності та якості акумуляторів ставатимуть усе більш суворими, а супутні вдосконалення технології виробництва обладнання та технологічних процесів також вступили в нову еру. : щоб задовольнити вимоги до однолінійної виробничої потужності, виробничу потужність обладнання для лазерного зварювання верхньої кришки потрібно збільшити до 15-20 ppm, а йоголазерне зварюванняшвидкість повинна досягати 150-200 мм/с. Тому, що стосується приводних двигунів, різні виробники обладнання мають. Платформу лінійного двигуна було модернізовано таким чином, щоб її механізм руху відповідав вимогам щодо продуктивності руху для зварювання з рівномірною швидкістю 200 мм/с прямокутної траєкторії; однак те, як забезпечити якість зварювання при високошвидкісному зварюванні, вимагає подальших проривів у процесі, і компанії в галузі провели багато досліджень і досліджень: порівняно з ерою 1.0, проблема, з якою стикається високошвидкісне зварювання в епоху 2.0, полягає в наступному: звичайних волоконних лазерів для виведення одноточкового джерела світла через звичайні зварювальні головки, вибір важко задовольнити вимогу 200 мм/с.
У оригінальному технічному рішенні ефектом зварювального формування можна керувати лише шляхом налаштування опцій, налаштування розміру плями та налаштування основних параметрів, таких як потужність лазера: при використанні конфігурації з меншою плямою замкова щілина зварювальної ванни буде маленькою. , форма басейну буде нестабільною, а зварювання стане нестабільним. Ширина зварювання шва також відносно невелика; при використанні конфігурації з більшою світловою плямою замкову щілину збільшиться, але потужність зварювання буде значно збільшена, а швидкість бризок і вибухових отворів значно зросте.
Теоретично, якщо ви хочете забезпечити ефект формування зварного шва високої швидкостілазерне зварюванняверхньої кришки необхідно відповідати наступним вимогам:
① Зварювальний шов має достатню ширину, а співвідношення глибини зварювального шва до ширини є відповідним, що вимагає, щоб діапазон теплової дії джерела світла був достатньо великим, а енергія зварювальної лінії була в розумному діапазоні;
② Зварний шов є гладким, що вимагає, щоб час термічного циклу зварного шва був достатньо довгим під час процесу зварювання, щоб розплавлена ванна мала достатню текучість, а зварний шов застигав у гладкий металевий зварний шов під захистом захисного газу;
③ Зварний шов має хорошу консистенцію та мало пор і отворів. Це вимагає, щоб під час процесу зварювання лазер стабільно діяв на деталь, а високоенергетична пучкова плазма постійно генерувалася і діяла на внутрішню частину розплавленої ванни. Розплавлена ванна виробляє «ключ» під дією плазмової сили реакції. «дірка», замкова щілина досить велика та стабільна, тому утворену металеву пару та плазму нелегко викинути та витягнути краплі металу, утворюючи бризки, а розплавлену лужу навколо замкової щілини важко зруйнувати та залучити газ . Навіть якщо під час зварювання сторонні предмети спалюються, а гази виділяються з вибухом, більша замкова щілина більше сприяє виділенню вибухонебезпечних газів і зменшує бризки металу та утворення отворів.
У відповідь на наведені вище моменти компанії з виробництва акумуляторів і обладнання в галузі зробили різні спроби та практику: виробництво літієвих батарей було розроблено в Японії протягом десятиліть, і відповідні технології виробництва взяли на себе лідерство.
У 2004 році, коли технологія волоконного лазера ще не була широко комерційно застосована, Panasonic використовував напівпровідникові лазери LD і YAG-лазери з імпульсною ламповою накачкою для змішаного виходу (схема показана на малюнку нижче).
Принципова схема багатолазерної гібридної технології зварювання та конструкції зварювальної головки
Світлова пляма високої щільності, створена імпульснимYAG лазерз невеликою плямою використовується для впливу на заготовку для створення зварювальних отворів для отримання достатнього проникнення зварювання. У той же час напівпровідниковий лазер LD використовується для забезпечення безперервного лазера CW для попереднього нагрівання та зварювання заготовки. Розплавлена ванна під час процесу зварювання забезпечує більше енергії для отримання більших зварювальних отворів, збільшення ширини зварювального шва та подовження часу закриття зварювальних отворів, допомагаючи газу з розплавленої ванни виходити та зменшуючи пористість зварювання. шов, як показано нижче
Принципова схема гібридалазерне зварювання
Застосовуючи цю технологію,YAG лазериа LD-лазери потужністю лише кілька сотень ват можна використовувати для зварювання тонких корпусів літієвих батарей із високою швидкістю 80 мм/с. Ефект зварювання такий, як показано на малюнку.
Морфологія зварного шва за різних параметрів процесу
З розвитком і розвитком волоконних лазерів волоконні лазери поступово замінили імпульсні YAG-лазери в лазерній обробці металу завдяки їхнім численним перевагам, таким як хороша якість променя, висока ефективність фотоелектричного перетворення, тривалий термін служби, легке обслуговування та висока потужність.
Таким чином, комбінація лазерів у наведеному вище лазерному гібридному зварювальному рішенні перетворилася на волоконний лазер + напівпровідниковий лазер LD, і лазер також коаксіально виводиться через спеціальну головку обробки (зварювальна головка показана на малюнку 7). У процесі зварювання механізм дії лазера такий же.
Композитне лазерне зварювання
У цьому плані імпульснийYAG лазерзамінюється волоконним лазером із кращою якістю променя, більшою потужністю та безперервним вихідним сигналом, що значно підвищує швидкість зварювання та забезпечує кращу якість зварювання (ефект зварювання показано на малюнку 8). Тому цей план також віддають перевагу деяким клієнтам. В даний час це рішення використовується у виробництві ущільнювального зварювання верхньої кришки акумуляторної батареї та може досягати швидкості зварювання 200 мм/с.
Зовнішній вигляд зварного шва верхньої кришки гібридним лазерним зварюванням
Незважаючи на те, що рішення для лазерного зварювання з подвійною довжиною хвилі забезпечує стабільність зварювання високошвидкісного зварювання та відповідає вимогам якості зварювання високошвидкісного зварювання верхніх кришок акумуляторних елементів, це рішення все ще має деякі проблеми з точки зору обладнання та процесу.
Перш за все, апаратні компоненти цього рішення є відносно складними, вимагаючи використання двох різних типів лазерів і спеціальних зварювальних з’єднань з подвійною довжиною хвилі лазерного зварювання, що збільшує інвестиційні витрати на обладнання, ускладнює технічне обслуговування обладнання та збільшує ймовірність відмови обладнання. бали;
По-друге, двохвильовийлазерне зварюваннявикористовується з’єднання складається з кількох наборів лінз (див. рис. 4). Втрата потужності є більшою, ніж у звичайних зварювальних з’єднаннях, тому положення лінзи потрібно відрегулювати у відповідне положення, щоб забезпечити коаксіальний вихід двохвильового лазера. І фокусування на фіксованій фокальній площині, довготривала високошвидкісна робота, положення лінзи може стати вільним, спричиняючи зміни в оптичному шляху та впливаючи на якість зварювання, вимагаючи ручного повторного регулювання;
По-третє, під час зварювання відбиття лазера є серйозним і може легко пошкодити обладнання та компоненти. Особливо під час ремонту дефектних виробів гладка зварювальна поверхня відбиває велику кількість лазерного світла, що може легко викликати лазерну тривогу, і параметри обробки потрібно налаштувати для ремонту.
Щоб вирішити вищевказані проблеми, ми повинні знайти інший спосіб дослідження. У 2017-2018 роках ми вивчали високочастотний свінглазерне зварюваннятехнологію верхньої кришки батареї та сприяв її застосуванню у виробництві. Високочастотне поворотне зварювання лазерним променем (далі - поворотне зварювання) є ще одним поточним високошвидкісним процесом зварювання 200 мм/с.
У порівнянні з гібридним рішенням для лазерного зварювання апаратна частина цього рішення вимагає лише звичайного волоконного лазера в поєднанні з осцилюючою лазерною зварювальною головкою.
колебаться хитатися зварювальна головка
Усередині зварювальної головки є відбиваюча лінза з приводом від двигуна, яку можна запрограмувати для керування коливанням лазера відповідно до розробленого типу траєкторії (зазвичай кругової, S-подібної, 8-подібної тощо), амплітуди та частоти коливання. Різні параметри коливання можуть зробити зварювальний поперечний переріз. Поставляється в різних формах і різних розмірах.
Зварні шви, отримані при різних траєкторіях розгойдування
Високочастотна поворотна зварювальна головка приводиться в рух лінійним двигуном для зварювання вздовж зазору між заготовками. Відповідно до товщини стінки оболонки клітини вибирається відповідний тип і амплітуда траєкторії коливання. Під час зварювання статичний лазерний промінь утворює лише V-подібний переріз зварного шва. Однак під дією поворотної зварювальної головки пляма променя коливається з високою швидкістю у фокальній площині, утворюючи динамічну та обертову зварювальну замкову щілину, яка може отримати відповідне співвідношення глибини зварного шва до ширини;
Обертова зварювальна замкова щілина розмішує зварний шов. З одного боку, це сприяє виходу газу та зменшує пори зварного шва, а також має певний вплив на ремонт точкових отворів у точці вибуху зварного шва (див. Малюнок 12). З іншого боку, метал шва нагрівається та охолоджується впорядкованим чином. Циркуляція робить поверхню зварного шва регулярним і впорядкованим малюнком риб’ячої луски.
Формування поворотного зварювального шва
Адаптація зварних швів до забруднення фарбою при різних параметрах коливання
Вищезазначені пункти відповідають трьом основним вимогам якості для високошвидкісного зварювання верхньої кришки. Це рішення має й інші переваги:
① Оскільки більша частина потужності лазера вводиться в динамічну замкову щілину, зовнішній розсіяний лазер зменшується, тому потрібна лише менша потужність лазера, а споживання тепла під час зварювання відносно низьке (на 30% менше, ніж при зварюванні композитним матеріалом), що зменшує кількість обладнання втрати і втрати енергії;
② Метод поворотного зварювання має високу адаптивність до якості складання заготовок і зменшує кількість дефектів, спричинених такими проблемами, як етапи складання;
③Метод поворотного зварювання має сильний ефект ремонту зварних отворів, і коефіцієнт продуктивності використання цього методу для ремонту зварних отворів сердечника акумулятора надзвичайно високий;
④Система проста, а налагодження та обслуговування обладнання прості.
3. Ера технології лазерного зварювання верхньої кришки 3.0
Швидкість зварювання 300мм/с
Оскільки нові енергетичні субсидії продовжують скорочуватися, майже весь промисловий ланцюжок виробництва акумуляторів потрапив у червоне море. Галузь також вступила в період перебудови, і частка провідних компаній з масштабними та технологічними перевагами ще більше зросла. Але в той же час «підвищення якості, зниження витрат і підвищення ефективності» стане головною темою багатьох компаній.
У період низьких субсидій або відсутності субсидій ми можемо мати додаткові шанси на перемогу в конкурентній боротьбі, лише досягнувши періодичних модернізацій технологій, досягнувши вищої ефективності виробництва, зменшивши витрати на виробництво однієї батареї та покращивши якість продукції.
Han's Laser продовжує інвестувати в дослідження технології високошвидкісного зварювання верхніх кришок батарейних елементів. На додаток до кількох методів процесу, представлених вище, він також вивчає передові технології, такі як технологія кільцевого точкового лазерного зварювання та технологія лазерного зварювання гальванометра для верхніх кришок акумуляторних елементів.
Для подальшого підвищення ефективності виробництва дослідіть технологію зварювання верхньої кришки зі швидкістю 300 мм/с і вище. У 2017-2018 роках компанія Han's Laser досліджувала герметизацію лазерного зварювання зі скануючим гальванометром, подолаючи технічні труднощі, пов’язані зі складним газовим захистом заготовки під час зварювання гальванометром і поганим ефектом формування поверхні зварювання, і досягнувши 400-500 мм/с.лазерне зварюванняверхньої кришки комірки. Для батареї 26148 зварювання займає всього 1 секунду.
Однак через високу ефективність надзвичайно важко розробити допоміжне обладнання, яке відповідає ефективності, а вартість обладнання висока. Тому подальша розробка комерційної програми для цього рішення не проводилась.
З подальшим розвитком вволоконний лазербули запущені нові високопотужні волоконні лазери, які можуть безпосередньо виводити кільцеподібні світлові плями. Цей тип лазера може виводити точкові кільцеві лазерні плями через спеціальні багатошарові оптичні волокна, а форму плями та розподіл потужності можна регулювати, як показано на малюнку
Зварні шви, отримані при різних траєкторіях розгойдування
Завдяки регулюванню розподіл щільності потужності лазера можна зробити у формі пляма-пончик-топ. Цей тип лазера називається Corona, як показано на малюнку.
Регульований лазерний промінь (відповідно: центральне світло, центральне світло + кільце, кільце, два кільця)
У 2018 році було випробувано застосування декількох лазерів цього типу для зварювання верхніх кришок елементів акумуляторної батареї з алюмінієвої оболонки, і на основі лазера Corona було розпочато дослідження технологічного рішення 3.0 для лазерного зварювання верхніх кришок елементів акумуляторної батареї. Коли лазер Corona виконує виведення в режимі точкового кільця, характеристики розподілу щільності потужності його вихідного променя подібні до композитного виходу напівпровідникового + волоконного лазера.
Під час зварювального процесу центральна точкова лампа з високою щільністю потужності утворює замкову щілину для зварювання глибоким проплавленням, щоб отримати достатнє проникнення зварювального шва (подібно до випромінювання волоконного лазера в гібридному зварювальному рішенні), а кільцеве світло забезпечує більше надходження тепла, збільшити замкову щілину, зменшити вплив металевої пари та плазми на рідкий метал на краю замкової щілини, зменшити розбризкування металу в результаті цього та збільшити час термічного циклу зварного шва, допомагаючи газу з розплавленої ванни вийти назовні більше часу, покращуючи стабільність високошвидкісних процесів зварювання (подібно до виходу напівпровідникових лазерів у гібридних зварювальних рішеннях).
Під час випробування ми зварювали тонкостінні корпусні батареї та виявили, що консистенція розміру зварного шва була хорошою, а технологічна здатність CPK була хорошою, як показано на малюнку 18.
Зовнішній вигляд зварювання верхньої кришки акумулятора з товщиною стінки 0,8 мм (швидкість зварювання 300 мм/с)
З точки зору обладнання, на відміну від гібридного зварювального рішення, це рішення є простим і не вимагає двох лазерів або спеціальної гібридної зварювальної головки. Для цього потрібна лише звичайна звичайна високопотужна лазерна зварювальна головка (оскільки лише одне оптичне волокно видає лазер з однією довжиною хвилі, структура лінзи проста, не вимагає регулювання, а втрата потужності низька), що полегшує налагодження та обслуговування , і стабільність обладнання значно покращилася.
На додаток до простої системи апаратного рішення та відповідності вимогам процесу високошвидкісного зварювання верхньої кришки елемента батареї, це рішення має інші переваги в технологічних процесах.
Під час тестування ми зварювали верхню кришку батареї на високій швидкості 300 мм/с, і все одно досягли гарного ефекту формування зварювального шва. Більше того, для оболонок із різною товщиною стінок 0,4, 0,6 та 0,8 мм, лише шляхом простого налаштування режиму виходу лазера можна виконати гарне зварювання. Однак для гібридних рішень з двохвильовим лазерним зварюванням необхідно змінити оптичну конфігурацію зварювальної головки або лазера, що призведе до збільшення вартості обладнання та часу на налагодження.
Тому точка-кільце плямалазерне зварюванняРішення може не тільки досягти надшвидкісного зварювання верхньої кришки зі швидкістю 300 мм/с і підвищити ефективність виробництва силових батарей. Для компаній-виробників акумуляторів, які потребують частої зміни моделі, це рішення також може значно покращити якість обладнання та продукції. сумісність, скорочення часу зміни моделі та налагодження.
Зовнішній вигляд зварювання верхньої кришки акумулятора з товщиною стінки 0,4 мм (швидкість зварювання 300 мм/с)
Зовнішній вигляд зварювання верхньої кришки акумулятора з товщиною стінки 0,6 мм (швидкість зварювання 300 мм/с)
Коронне лазерне зварювання для зварювання тонкостінних комірок – можливості процесу
На додаток до лазера Corona, згаданого вище, лазери AMB і лазери ARM мають подібні оптичні вихідні характеристики і можуть використовуватися для вирішення таких проблем, як зменшення розбризкування лазерного зварювання, покращення якості поверхні зварювання та підвищення стабільності високошвидкісного зварювання.
4. Підведення підсумків
Усі різні рішення, згадані вище, використовуються у фактичному виробництві вітчизняними та іноземними компаніями-виробниками літієвих батарей. Через різний час виробництва та різну технічну підготовку в промисловості широко використовуються різні технологічні рішення, але компанії висувають вищі вимоги до ефективності та якості. Він постійно вдосконалюється, і невдовзі компанії, які перебувають на передньому краї технологій, застосовуватимуть нові технології.
Виробництво нових енергетичних батарей у Китаї розпочалося відносно пізно та швидко розвивалося завдяки національній політиці. Пов’язані технології продовжували розвиватися спільними зусиллями всієї ланцюжка галузі та значно скоротили розрив із видатними міжнародними компаніями. Як вітчизняний виробник обладнання для літієвих акумуляторів, Maven також постійно вивчає власні переваги, допомагаючи періодично оновлювати обладнання акумуляторних блоків і надаючи кращі рішення для автоматизованого виробництва нових блоків акумуляторних батарей для зберігання енергії.
Час публікації: 19 вересня 2023 р
