Літієві акумулятори з квадратним алюмінієвим корпусом мають багато переваг, таких як проста структура, хороша ударостійкість, висока щільність енергії та велика ємність елементів. Вони завжди були основним напрямком вітчизняного виробництва та розвитку літієвих акумуляторів, складаючи понад 40% ринку.
Структура літієвої батареї з квадратним алюмінієвим корпусом показана на рисунку, яка складається з сердечника батареї (листи позитивного та негативного електродів, сепаратор), електроліту, корпусу, верхньої кришки та інших компонентів.
Структура літієвої батареї з квадратним алюмінієвим корпусом
Під час виробництва та складання літієвих акумуляторів з квадратним алюмінієвим корпусом велика кількістьлазерне зварюваннянеобхідні процеси, такі як: зварювання м'яких з'єднань елементів акумулятора та кришок, зварювання герметизації кришок, зварювання герметизуючих цвяхів тощо. Лазерне зварювання є основним методом зварювання призматичних акумуляторів. Завдяки високій щільності енергії, хорошій стабільності потужності, високій точності зварювання, легкій систематичній інтеграції та багатьом іншим перевагам,лазерне зварюваннянезамінний у процесі виробництва призматичних літієвих батарей з алюмінієвою оболонкою. роль.
4-осьова автоматична гальванометрична платформа Mavenзварювальний апарат з волоконним лазером
Зварювальний шов ущільнення верхньої кришки є найдовшим зварювальним швом у квадратному алюмінієвому корпусі акумулятора, і це також зварювальний шов, який займає найдовший час для зварювання. В останні роки виробництво літієвих акумуляторів швидко розвивалося, як і технологія лазерного зварювання верхніх кришок та технології обладнання для їх ущільнення. Виходячи з різної швидкості зварювання та продуктивності обладнання, ми приблизно поділяємо обладнання та процеси лазерного зварювання верхніх кришок на три епохи. Це ера 1.0 (2015-2017) зі швидкістю зварювання <100 мм/с, ера 2.0 (2017-2018) зі 100-200 мм/с та ера 3.0 (2019-) з 200-300 мм/с. Далі буде представлено розвиток технологій протягом часу:
1. Епоха 1.0 технології лазерного зварювання верхньої кришки
Швидкість зварювання100 мм/с
З 2015 по 2017 рік вітчизняні транспортні засоби на нових джерелах енергії почали стрімко розвиватися завдяки політичним рішенням, а індустрія акумуляторів почала розширюватися. Однак накопичення технологій та резерв талантів вітчизняних підприємств все ще відносно невеликі. Пов'язані з ними процеси виробництва акумуляторів та технології обладнання також перебувають у зародковому стані, а ступінь автоматизації обладнання відносно низький, виробники обладнання лише почали звертати увагу на виробництво акумуляторів та збільшувати інвестиції в дослідження та розробки. На цьому етапі вимоги галузі до ефективності виробництва обладнання для лазерного герметизації квадратних акумуляторів зазвичай становлять 6-10 ppm. Обладнання зазвичай використовує волоконний лазер потужністю 1 кВт для випромінювання через звичайний...лазерна зварювальна головка(як показано на малюнку), а зварювальна головка приводиться в рух серводвигуном платформи або лінійним двигуном. Рух та зварювання, швидкість зварювання 50-100 мм/с.
Використання лазера потужністю 1 кВт для зварювання верхньої кришки сердечника акумулятора
Улазерне зварюванняУ процесі зварювання, завдяки відносно низькій швидкості зварювання та відносно тривалому термічному циклу зварювання, розплавлена ванна має достатньо часу для розтікання та затвердіння, а захисний газ може краще покривати розплавлену ванну, що дозволяє легко отримати гладку та повну поверхню, зварні шви з хорошою консистенцією, як показано нижче.
Формування зварного шва для низькошвидкісного зварювання верхньої кришки
Що стосується обладнання, то хоча ефективність виробництва не висока, його структура відносно проста, стабільність хороша, а вартість обладнання низька, що добре відповідає потребам розвитку галузі на цьому етапі та закладає основу для подальшого технологічного розвитку.
Хоча зварювання верхньої кришки ери 1.0 з герметизацією має переваги простого обладнання, низької вартості та гарної стабільності. Однак його притаманні обмеження також дуже очевидні. Що стосується обладнання, потужність двигуна не може задовольнити потреби в подальшому збільшенні швидкості; з точки зору технології, просте збільшення швидкості зварювання та вихідної потужності лазера для подальшого прискорення призведе до нестабільності процесу зварювання та зниження виходу: збільшення швидкості скорочує час термічного циклу зварювання, а метал плавиться інтенсивніше, збільшується розбризкування, погіршується адаптивність до домішок, а також збільшується ймовірність утворення отворів від розбризкування. Водночас скорочується час затвердіння розплавленої ванни, що призводить до шорсткості поверхні зварювання 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 зварного шва потрібно підводити більшу потужність лазера. Великий, але водночас це призведе до збільшення розбризкування зварювання та погіршення якості формування поверхні зварного шва. На цьому етапі, за технічного рівня, подальше прискорення означає, що вихід продукції має бути обміняний на ефективність, а вимоги до модернізації обладнання та технологічних процесів стали вимогами галузі.
2. Ера верхньої обкладинки 2.0лазерне зварюваннятехнологія
Швидкість зварювання 200 мм/с
У 2016 році встановлена потужність автомобільних акумуляторів у Китаї становила приблизно 30,8 ГВт·год, у 2017 році – приблизно 36 ГВт·год, а у 2018 році відбувся черговий вибух, встановлена потужність досягла 57 ГВт·год, що на 57% більше, ніж минулого року. Також було вироблено майже один мільйон легкових автомобілів на нових енергетичних системах, що на 80,7% більше, ніж минулого року. Вибухове зростання встановленої потужності зумовлене вивільненням виробничих потужностей літієвих акумуляторів. Акумулятори для легкових автомобілів на нових енергетичних системах становлять понад 50% встановленої потужності, що також означає, що вимоги галузі до продуктивності та якості акумуляторів стають дедалі суворішими, а супутні вдосконалення технології виробничого обладнання та технологічних процесів також вступили в нову еру: для того, щоб відповідати вимогам до виробничої потужності однієї лінії, виробничу потужність лазерного зварювального обладнання для верхньої кришки необхідно збільшити до 15-20 ppm.лазерне зварюванняшвидкість повинна досягати 150-200 мм/с. Тому, що стосується приводних двигунів, різні виробники обладнання вдосконалили платформу лінійних двигунів, щоб її механізм руху відповідав вимогам до продуктивності руху для зварювання з рівномірною швидкістю 200 мм/с за прямокутною траєкторією; однак, як забезпечити якість зварювання під час високошвидкісного зварювання, потрібні подальші прориви в процесі, і компанії в галузі провели багато досліджень: Порівняно з епохою 1.0, проблема, з якою стикається високошвидкісне зварювання в еру 2.0, полягає в наступному: використання звичайних волоконних лазерів для виведення точкового джерела світла через звичайні зварювальні головки ускладнює вибір для задоволення вимоги 200 мм/с.
У вихідному технічному рішенні ефект формування зварювання можна контролювати лише шляхом налаштування опцій, регулювання розміру плями та регулювання основних параметрів, таких як потужність лазера: при використанні конфігурації з меншою плямою отвір зварювальної ванни буде малим, форма ванни буде нестабільною, а зварювання стане нестабільним. Ширина шва зварювання також відносно невелика; при використанні конфігурації з більшою світловою плямою отвір збільшиться, але потужність зварювання значно збільшиться, а швидкість розбризкування та вибухових отворів значно збільшиться.
Теоретично, якщо ви хочете забезпечити ефект формування зварного шва на високій швидкостілазерне зварюванняверхньої кришки, вам потрібно відповідати наступним вимогам:
① Зварювальний шов має достатню ширину, а співвідношення глибини до ширини зварювального шва є відповідним, що вимагає достатньо великого діапазону теплової дії джерела світла та наявності енергії лінії зварювання в межах розумного діапазону;
② Зварний шов гладкий, що вимагає достатньої тривалості термічного циклу зварювання під час процесу зварювання, щоб розплавлена ванна мала достатню текучість, а зварний шов затвердів у гладкий металевий шов під захистом захисного газу;
③ Зварний шов має добру консистенцію та мало пор і отворів. Це вимагає, щоб під час процесу зварювання лазер стабільно впливав на заготовку, а високоенергетичний плазмовий промінь безперервно генерувався та впливав на внутрішню частину розплавленої ванни. Розплавлена ванна під дією сили реакції плазми утворює «ключовий отвір». «Отвор» – замковий отвір достатньо великий і стабільний, щоб утворена пара металу та плазма не викидалися та не вивільнялися краплі металу, утворюючи бризки, а розплавлена ванна навколо замкового отвору не руйнується та не втягує газ. Навіть якщо під час процесу зварювання сторонні предмети згорають і гази вивільняються вибухово, більший замковий отвір сприяє виділенню вибухонебезпечних газів та зменшує розбризкування металу та утворення отворів.
У відповідь на вищезазначені пункти, компанії з виробництва акумуляторів та обладнання в галузі зробили різні спроби та практики: виробництво літієвих акумуляторів розвивається в Японії протягом десятиліть, а відповідні виробничі технології займають провідні позиції.
У 2004 році, коли технологія волоконних лазерів ще не набула широкого комерційного застосування, компанія Panasonic використовувала напівпровідникові лазери LD та імпульсні лампові лазери YAG для змішаного виходу (схема показана на малюнку нижче).
Схема технології гібридного зварювання з кількома лазерами та конструкції зварювальної головки
Світлова пляма високої щільності потужності, що генерується імпульснимYAG-лазерз невеликою плямою, яка впливає на заготовку для створення зварювальних отворів та отримання достатнього проникнення зварювання. Водночас, напівпровідниковий лазер LD використовується для забезпечення безперервного лазерного випромінювання 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 зварювального шва, 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 з високою швидкістю 80 мм/с. Ефект зварювання показано на рисунку.
Морфологія зварного шва за різних параметрів процесу
З розвитком та поширенням волоконних лазерів, волоконні лазери поступово замінили імпульсні YAG-лазери в лазерній обробці металу завдяки своїм численним перевагам, таким як хороша якість променя, висока ефективність фотоелектричного перетворення, тривалий термін служби, просте обслуговування та висока потужність.
Таким чином, комбінація лазерів у вищезгаданому рішенні для лазерного гібридного зварювання перетворилася на волоконний лазер + напівпровідниковий LD-лазер, причому лазер також коаксіально виводиться через спеціальну обробну головку (зварювальна головка показана на рисунку 7). Під час процесу зварювання механізм дії лазера однаковий.
Лазерне зварювання композитного з'єднання
У цьому плані імпульснийYAG-лазерзамінюється волоконним лазером з кращою якістю променя, більшою потужністю та безперервним виходом, що значно збільшує швидкість зварювання та забезпечує кращу якість зварювання (ефект зварювання показано на рисунку 8). Цей план також, тому, користується популярністю у деяких клієнтів. Наразі це рішення використовується у виробництві герметизації верхніх кришок акумуляторних батарей і може досягати швидкості зварювання 200 мм/с.
Зовнішній вигляд зварного шва верхньої кришки, отриманого гібридним лазерним зварюванням
Хоча рішення для лазерного зварювання з двома довжинами хвиль вирішує питання стабільності зварювання при високошвидкісному зварюванні та відповідає вимогам до якості зварювання при високошвидкісному зварюванні верхніх кришок акумуляторних елементів, з точки зору обладнання та процесу це рішення все ще має деякі проблеми.
Перш за все, апаратні компоненти цього рішення є відносно складними, вимагаючи використання двох різних типів лазерів та спеціальних лазерних зварювальних з'єднань з двома довжинами хвиль, що збільшує інвестиційні витрати на обладнання, ускладнює його обслуговування та збільшує потенційну кількість точок відмови обладнання;
По-друге, подвійна довжина хвилілазерне зварюванняВикористане з'єднання складається з кількох наборів лінз (див. рисунок 4). Втрати потужності більші, ніж у звичайних зварювальних з'єднаннях, і положення лінзи необхідно відрегулювати у відповідне положення, щоб забезпечити коаксіальний вихідний сигнал двохвильового лазера. А при фокусуванні на фіксованій фокальній площині та тривалій роботі на високій швидкості положення лінзи може розхитатися, що призведе до змін оптичного шляху та вплине на якість зварювання, що вимагатиме ручного повторного налаштування;
По-третє, під час зварювання лазерне відбиття є сильним і може легко пошкодити обладнання та компоненти. Особливо під час ремонту дефектних виробів гладка поверхня зварювання відбиває велику кількість лазерного світла, що може легко спричинити лазерну тривогу, і для ремонту необхідно скоригувати параметри обробки.
Щоб вирішити вищезазначені проблеми, нам потрібно знайти інший спосіб дослідження. У 2017-2018 роках ми вивчали високочастотний свінглазерне зварюваннятехнологію верхньої кришки акумулятора та просування її до виробничого застосування. Лазерне високочастотне зварювання з поворотним механізмом (далі – зварювання з поворотним механізмом) – це ще один сучасний високошвидкісний процес зварювання зі швидкістю 200 мм/с.
Порівняно з гібридним лазерним зварювальним рішенням, апаратна частина цього рішення вимагає лише звичайного волоконного лазера, поєднаного з коливальною лазерною зварювальною головкою.
зварювальна головка з хитанням
Усередині зварювальної головки є відбивна лінза з моторним приводом, яку можна запрограмувати на керування лазером для коливання відповідно до заданого типу траєкторії (зазвичай кругової, S-подібної, 8-подібної тощо), амплітуди та частоти коливання. Різні параметри коливання можуть змінювати форму та розмір поперечного перерізу зварювання.
Зварні шви, отримані за різних траєкторій коливання
Високочастотна поворотна зварювальна головка приводиться в рух лінійним двигуном для зварювання вздовж зазору між заготовками. Залежно від товщини стінки оболонки комірки вибирається відповідний тип траєкторії коливання та амплітуда. Під час зварювання статичний лазерний промінь формуватиме лише V-подібний поперечний переріз зварного шва. Однак, керований поворотною зварювальною головкою, точка променя коливається з високою швидкістю у фокальній площині, утворюючи динамічний та обертовий зварювальний отвір, що дозволяє отримати відповідне співвідношення глибини до ширини зварного шва;
Обертовий зварювальний отвір перемішує зварний шов. З одного боку, це сприяє виходу газу та зменшує пори зварного шва, а також певним чином впливає на відновлення отворів у точці вибуху зварного шва (див. Рисунок 12). З іншого боку, зварний метал нагрівається та охолоджується упорядкованим чином. Циркуляція надає поверхні зварного шва рівномірного та упорядкованого візерунка риб'ячої луски.
Формування шва зварюванням поворотним зварюванням
Адаптивність зварних швів до забруднення фарбою за різних параметрів коливань
Вищезазначені пункти відповідають трьом основним вимогам якості для високошвидкісного зварювання верхньої кришки. Це рішення має й інші переваги:
① Оскільки більша частина лазерної потужності вводиться в динамічний отвір, зовнішній розсіяний лазер зменшується, тому потрібна лише менша лазерна потужність, а підведення тепла до зварювання є відносно низьким (на 30% менше, ніж при зварюванні композитів), що зменшує втрати обладнання та енергії;
② Метод зварювання поворотним механізмом має високу адаптивність до якості складання заготовок та зменшує кількість дефектів, спричинених такими проблемами, як етапи складання;
③Метод зварювання поворотом має сильний ремонтний ефект на зварні отвори, а коефіцієнт виходу з ладу при використанні цього методу для ремонту зварних отворів сердечника акумулятора надзвичайно високий;
④Система проста, а налагодження та обслуговування обладнання прості.
3. Епоха 3.0 технології лазерного зварювання верхньої кришки
Швидкість зварювання 300 мм/с
Оскільки нові енергетичні субсидії продовжують скорочуватися, майже весь промисловий ланцюг виробництва акумуляторів потрапив у червоне море. Галузь також вступила в період перестановок, і частка провідних компаній з перевагами у масштабі та технологічних досягненнях ще більше зросла. Але водночас «покращення якості, зниження витрат та підвищення ефективності» стане головною темою багатьох компаній.
У період низьких або відсутніх субсидій, лише завдяки ітеративному вдосконаленню технологій, підвищенню ефективності виробництва, зниженню виробничих витрат на одну батарею та покращенню якості продукції ми можемо мати додаткові шанси на перемогу в конкурентній боротьбі.
Компанія Han's Laser продовжує інвестувати в дослідження технології високошвидкісного зварювання верхніх кришок акумуляторних елементів. Окрім кількох вищезгаданих технологічних методів, вона також вивчає передові технології, такі як технологія кільцевого точкового лазерного зварювання та технологія гальванометричного лазерного зварювання верхніх кришок акумуляторних елементів.
З метою подальшого підвищення ефективності виробництва, досліджувати технологію зварювання верхньої кришки зі швидкістю 300 мм/с і вище. У 2017-2018 роках компанія Han's Laser досліджувала герметизацію скануючим гальванометричним лазерним зварюванням, подолавши технічні труднощі, пов'язані зі складним газовим захистом заготовки під час гальванометричного зварювання та поганим ефектом формування поверхні зварювання, і досягнувши швидкості 400-500 мм/с.лазерне зварюванняверхньої кришки елемента. Зварювання акумулятора 26148 займає лише 1 секунду.
Однак, через високу ефективність, надзвичайно важко розробити допоміжне обладнання, яке відповідає цій ефективності, а вартість обладнання є високою. Тому подальша комерційна розробка цього рішення не проводилася.
З подальшим розвиткомволоконний лазерЗавдяки технології були запущені нові потужні волоконні лазери, які можуть безпосередньо випромінювати кільцеподібні світлові плями. Цей тип лазера може випромінювати точкові кільцеподібні лазерні плями через спеціальні багатошарові оптичні волокна, а форму плями та розподіл потужності можна регулювати, як показано на рисунку.
Зварні шви, отримані за різних траєкторій коливання
Шляхом регулювання розподіл густини потужності лазера можна надати йому форми «пляма-бублик-вершина». Цей тип лазера називається Corona, як показано на рисунку.
Регульований лазерний промінь (відповідно: центральне світло, центральне світло + кільцеве світло, кільцеве світло, два кільцеві світильники)
У 2018 році було протестовано застосування кількох лазерів цього типу для зварювання верхніх кришок алюмінієвих корпусів акумуляторних елементів, і на основі лазера Corona було розпочато дослідження технологічного рішення 3.0 для лазерного зварювання верхніх кришок акумуляторних елементів. Коли лазер Corona працює в точково-кільцевому режимі, характеристики розподілу щільності потужності його вихідного променя подібні до складеного виходу напівпровідникового + волоконного лазера.
Під час процесу зварювання центральна точка світла з високою щільністю потужності утворює отвір для глибокого проникнення зварювання, щоб отримати достатнє проникнення зварювання (подібно до виходу волоконного лазера в гібридному зварювальному розчині), а кільцеве світло забезпечує більший вхід тепла, розширює отвір, зменшує вплив пари металу та плазми на рідкий метал на краю отвору, зменшує розбризкування металу та збільшує час термічного циклу зварювання, допомагаючи газу в розплавленій ванні виходити протягом тривалішого часу, покращуючи стабільність високошвидкісних зварювальних процесів (подібно до виходу напівпровідникових лазерів у гібридних зварювальних розчинах).
Під час випробування ми зварювали тонкостінні акумулятори та виявили, що однорідність розміру шва була хорошою, а технологічна здатність CPK – хорошою, як показано на рисунку 18.
Зовнішній вигляд зварного шва верхньої кришки акумулятора з товщиною стінки 0,8 мм (швидкість зварювання 300 мм/с)
Що стосується апаратного забезпечення, на відміну від гібридного зварювання, це рішення просте та не вимагає двох лазерів чи спеціальної гібридної зварювальної головки. Для нього потрібна лише звичайна потужна лазерна зварювальна головка (оскільки лише одне оптичне волокно випромінює лазер з однією довжиною хвилі, структура лінзи проста, не потрібне регулювання та низькі втрати потужності), що спрощує налагодження та обслуговування, а також значно покращує стабільність роботи обладнання.
Окрім простої системи апаратного рішення та відповідності вимогам високошвидкісного зварювального процесу верхньої кришки акумуляторних елементів, це рішення має й інші переваги в технологічних застосуваннях.
Під час випробування ми зварювали верхню кришку акумулятора з високою швидкістю 300 мм/с і все одно досягли хороших результатів формування зварного шва. Більше того, для оболонок з різною товщиною стінок 0,4, 0,6 та 0,8 мм, якісне зварювання можна виконати лише простим регулюванням режиму лазерного випромінювання. Однак для гібридних лазерних зварювальних рішень з двома довжинами хвиль необхідно змінювати оптичну конфігурацію зварювальної головки або лазера, що призведе до збільшення витрат на обладнання та часу налагодження.
Отже, точково-кільцева плямалазерне зварюванняЦе рішення може не лише досягти надшвидкісного зварювання верхньої кришки зі швидкістю 300 мм/с, а й підвищити ефективність виробництва акумуляторних батарей. Для компаній-виробників акумуляторів, яким потрібна часта зміна моделей, це рішення також може значно покращити якість обладнання та продукції, скоротивши час зміни моделей та налагодження.
Зовнішній вигляд зварного шва верхньої кришки акумулятора з товщиною стінки 0,4 мм (швидкість зварювання 300 мм/с)
Зовнішній вигляд зварного шва верхньої кришки акумулятора з товщиною стінки 0,6 мм (швидкість зварювання 300 мм/с)
Проникнення коронного лазерного зварювання для тонкостінного зварювання комірок – можливості процесу
Окрім згаданого вище коронного лазера, лазери AMB та лазери ARM мають подібні оптичні вихідні характеристики та можуть бути використані для вирішення таких проблем, як покращення розбризкування лазерного зварювання, покращення якості поверхні зварювання та підвищення стабільності високошвидкісного зварювання.
4. Підсумок
Різні вищезгадані рішення використовуються у реальному виробництві вітчизняними та іноземними компаніями з виробництва літієвих акумуляторів. Через різний час виробництва та різний технічний досвід, у галузі широко використовуються різні технологічні рішення, але компанії мають вищі вимоги до ефективності та якості. Вона постійно вдосконалюється, і компанії, що перебувають на передовій технологій, незабаром застосовуватимуть більше нових технологій.
Нова індустрія енергетичних акумуляторів у Китаї розпочалася відносно пізно та швидко розвивалася завдяки національній політиці. Супутні технології продовжують розвиватися завдяки спільним зусиллям усього галузевого ланцюга та всебічно скоротили розрив із провідними міжнародними компаніями. Як вітчизняний виробник обладнання для літієвих акумуляторів, Maven також постійно досліджує власні переваги, допомагаючи в ітеративній модернізації обладнання для акумуляторних блоків та пропонуючи кращі рішення для автоматизованого виробництва нових модулів акумуляторних батарей.
Час публікації: 19 вересня 2023 р.
