Čtvercové lithiové baterie s hliníkovým pláštěm mají mnoho výhod, jako je jednoduchá struktura, dobrá odolnost proti nárazu, vysoká hustota energie a velká kapacita článků. Vždy byly hlavním směrem výroby a vývoje domácích lithiových baterií a představují více než 40 % trhu.
Struktura čtvercové lithiové baterie s hliníkovým pláštěm je znázorněna na obrázku, která se skládá z jádra baterie (kladné a záporné elektrodové listy, separátor), elektrolytu, pláště, horního krytu a dalších součástí.
Čtvercová hliníková struktura lithiové baterie
Během výrobního a montážního procesu čtvercových lithiových baterií s hliníkovým pláštěm vzniká velké množstvílaserové svařováníjsou vyžadovány procesy, jako jsou: svařování měkkých spojů článků baterie a krycích desek, svařování těsnění krycí desky, svařování hřebíků atd. Laserové svařování je hlavní metodou svařování prizmatických napájecích baterií. Díky vysoké hustotě energie, dobré stabilitě výkonu, vysoké přesnosti svařování, snadné systematické integraci a mnoha dalším výhodám,laserové svařováníje nenahraditelný ve výrobním procesu prizmatických hliníkových plášťových lithiových baterií. role.
4osá automatická galvanometrická platforma Mavenvláknový laserový svařovací stroj
Svar těsnění horního krytu je nejdelším svarem ve čtvercové hliníkové skořepinové baterii a je to také svar, který svařuje nejdéle. V posledních letech se průmysl výroby lithiových baterií rychle rozvíjel a technologie procesu laserového svařování s těsněním horního krytu a technologie jeho zařízení se také rychle rozvíjely. Na základě různé rychlosti svařování a výkonu zařízení zhruba rozdělujeme zařízení a procesy pro laserové svařování horního krytu do tří epoch. Jsou to éra 1.0 (2015–2017) s rychlostí svařování <100 mm/s, éra 2.0 (2017–2018) 100–200 mm/s a éra 3.0 (2019–) s 200–300 mm/s. Následující text představí vývoj technologií na cestě doby:
1. Éra 1.0 technologie laserového svařování horního krytu
Rychlost svařování＜100 mm/s
Od roku 2015 do roku 2017 začaly díky politikám explodovat domácí nová energetická vozidla a začal se rozšiřovat průmysl energetických baterií. Technologická akumulace a talentové rezervy tuzemských podniků jsou však stále relativně malé. Související procesy výroby baterií a technologie zařízení jsou také v plenkách a stupeň automatizace zařízení Relativně nízký, výrobci zařízení právě začali věnovat pozornost výrobě napájecích baterií a zvýšit investice do výzkumu a vývoje. V této fázi jsou průmyslové požadavky na efektivitu výroby na zařízení pro laserové těsnění čtvercových baterií obvykle 6-10 PPM. Řešení zařízení obvykle používá 1kw vláknový laser k vyzařování přes obyčejnýlaserová svařovací hlava(jak je znázorněno na obrázku) a svařovací hlava je poháněna servomotorem nebo lineárním motorem. Pohyb a svařování, rychlost svařování 50-100mm/s.
Pomocí 1kw laseru svařte horní kryt jádra baterie
Vlaserové svařováníDíky relativně nízké rychlosti svařování a relativně dlouhé době tepelného cyklu sváru má roztavená lázeň dostatek času na to, aby tekla a ztuhla, a ochranný plyn může lépe pokrýt roztavenou lázeň, což usnadňuje dosažení hladké a celoplošné, svary s dobrou konzistencí, jak je znázorněno níže.
Tvarování svaru pro nízkorychlostní svařování horního krytu
Pokud jde o zařízení, ačkoli efektivita výroby není vysoká, struktura zařízení je relativně jednoduchá, stabilita je dobrá a náklady na zařízení jsou nízké, což dobře odpovídá potřebám rozvoje průmyslu v této fázi a pokládá základ pro následné technologické rozvoj.
Přestože éra těsnění horního krytu 1.0 má výhody jednoduchého řešení zařízení, nízké ceny a dobré stability. Ale jeho inherentní omezení jsou také velmi zřejmá. Z hlediska výbavy nemůže hnací kapacita motoru uspokojit požadavek na další zvyšování rychlosti; pokud jde o technologii, pouhé zvýšení rychlosti svařování a dalšího zrychlení výkonu laseru způsobí nestabilitu svařovacího procesu a snížení výtěžnosti: zvýšení rychlosti zkrátí dobu tepelného cyklu svařování a kov Proces tavení je intenzivnější, rozstřik se zvyšuje, přizpůsobivost nečistotám bude horší a pravděpodobně se vytvoří díry po rozstřiku. Zároveň se zkracuje doba tuhnutí roztavené lázně, což způsobí zdrsnění povrchu svaru a snížení konzistence. Když je laserový bod malý, tepelný příkon není velký a rozstřik lze snížit, ale poměr hloubek k šířce svaru je velký a šířka svaru nestačí; když je laserová skvrna velká, je potřeba větší výkon laseru, aby se zvětšila šířka svaru. Velké, ale zároveň to povede ke zvýšenému rozstřiku při svařování a špatné kvalitě tváření povrchu svaru. Na technické úrovni v této fázi další zrychlení znamená, že výnos musí být vyměněn za efektivitu a požadavky na modernizaci zařízení a procesní technologie se staly požadavky průmyslu.
2. Éra horního krytu 2.0laserové svařovánítechnologie
Rychlost svařování 200 mm/s
V roce 2016 byla instalovaná kapacita automobilových baterií v Číně přibližně 30,8 GWh, v roce 2017 to bylo přibližně 36 GWh a v roce 2018, kdy došlo k další explozi, dosáhla instalovaná kapacita 57 GWh, což představuje meziroční nárůst o 57 %. Nová energetická osobní vozidla také vyrobila téměř jeden milion, což představuje meziroční nárůst o 80,7 %. Za explozí instalované kapacity je uvolnění výrobní kapacity lithiových baterií. Nové energetické baterie osobních vozidel tvoří více než 50 % instalované kapacity, což také znamená, že požadavky průmyslu na výkon a kvalitu baterií budou stále přísnější a doprovodná vylepšení technologie výrobního zařízení a technologie procesů také vstoupila do nové éry. : Aby byly splněny požadavky na výrobní kapacitu jedné linky, je třeba zvýšit výrobní kapacitu zařízení pro laserové svařování horního krytu na 15-20PPM a jeholaserové svařovánírychlost musí dosáhnout 150-200 mm/s. Proto, pokud jde o hnací motory, mají různí výrobci zařízení Platforma lineárních motorů byla modernizována tak, aby její pohybový mechanismus splňoval požadavky na výkon pohybu pro svařování s pravoúhlou trajektorií 200 mm/s jednotnou rychlostí; jak však zajistit kvalitu svařování při vysokorychlostním svařování vyžaduje další průlomové procesy a společnosti v tomto odvětví provedly mnoho průzkumů a studií: Ve srovnání s érou 1.0 je problémem vysokorychlostního svařování v éře 2.0: běžné vláknové lasery pro výstup jednobodového zdroje světla přes běžné svařovací hlavy, výběr je obtížný splnit požadavek 200 mm/s.
V původním technickém řešení lze efekt tvarování svařování ovládat pouze konfigurací možností, úpravou velikosti bodu a úpravou základních parametrů, jako je výkon laseru: při použití konfigurace s menším bodem bude klíčová dírka svařovací lázně malá tvar bazénu bude nestabilní a svařování se stane nestabilním. Šířka švu je také relativně malá; při použití konfigurace s větším světelným bodem se klíčová dírka zvýší, ale výrazně se zvýší svařovací výkon a výrazně se zvýší rychlost rozstřiku a tryskání.
Teoreticky, pokud chcete zajistit svar tvarování efekt vysoké rychlostilaserové svařováníhorního krytu, musíte splnit následující požadavky:
① Svařovací šev má dostatečnou šířku a poměr hloubky a šířky svarového švu je vhodný, což vyžaduje, aby rozsah působení tepla světelného zdroje byl dostatečně velký a energie svařovacího vedení byla v rozumném rozsahu;
② Svar je hladký, což vyžaduje, aby doba tepelného cyklu svaru byla během procesu svařování dostatečně dlouhá, aby roztavená lázeň měla dostatečnou tekutost a svar ztuhl do hladkého kovového svaru pod ochranou ochranného plynu;
③ Svar má dobrou konzistenci a málo pórů a děr. To vyžaduje, aby během svařovacího procesu laser stabilně působil na obrobek a plazma vysokoenergetického paprsku byla nepřetržitě generována a působila uvnitř tavné lázně. Roztavená lázeň vytváří „klíč“ pod reakční silou plazmy. „díra“, klíčová dírka je dostatečně velká a dostatečně stabilní, takže generované kovové páry a plazma není snadné vymrštit a vynést z nich kapičky kovu, které tvoří cákance, a roztavenou kaluž kolem klíčové dírky není snadné zhroutit a zahrnout plyn . I když se během procesu svařování spálí cizí předměty a dojde k explozivnímu uvolňování plynů, větší klíčová dírka napomáhá uvolňování výbušných plynů a snižuje rozstřik kovu a vytvořené díry.
V reakci na výše uvedené body podnikly společnosti vyrábějící baterie a společnosti vyrábějící zařízení v tomto odvětví různé pokusy a praktiky: Výroba lithiových baterií se vyvíjela v Japonsku po desetiletí a související výrobní technologie převzaly vedení.
V roce 2004, kdy technologie vláknového laseru ještě nebyla široce komerčně aplikována, Panasonic použil polovodičové lasery LD a lasery YAG s pulzní lampou pro smíšený výkon (schéma je znázorněna na obrázku níže).
Schéma vícelaserové hybridní svařovací technologie a konstrukce svařovací hlavy
Světelný bod s vysokou hustotou výkonu generovaný pulzovánímYAG lasers malým bodem se používá k působení na obrobek k vytvoření svařovacích otvorů pro získání dostatečného průvaru svařování. Současně se LD polovodičový laser používá k poskytování CW kontinuálního laseru pro předehřívání a svařování obrobku. Tavenina během procesu svařování poskytuje více energie pro získání větších svařovacích otvorů, zvětšení šířky svarového švu a prodloužení doby uzavření svarových otvorů, což pomáhá plynu v roztavené lázni unikat a snižuje poréznost svařování. šev, jak je znázorněno níže
Schéma hybridulaserové svařování
Aplikací této technologie,YAG laserya lasery LD s výkonem pouze několika set wattů lze použít ke svařování tenkých pouzder lithiových baterií při vysoké rychlosti 80 mm/s. Svařovací efekt je znázorněn na obrázku.
Morfologie svaru při různých procesních parametrech
S rozvojem a vzestupem vláknových laserů vláknové lasery postupně nahradily pulzní YAG lasery v laserovém zpracování kovů kvůli jejich mnoha výhodám, jako je dobrá kvalita paprsku, vysoká účinnost fotoelektrické konverze, dlouhá životnost, snadná údržba a vysoký výkon.
Proto se kombinace laseru ve výše uvedeném řešení hybridního laserového svařování vyvinula ve vláknový laser + LD polovodičový laser a laser je také koaxiálně vyveden přes speciální zpracovatelskou hlavu (svařovací hlava je znázorněna na obrázku 7). Během procesu svařování je mechanismus působení laseru stejný.
Kompozitní laserový svařovací spoj
V tomto plánu pulzníYAG laserje nahrazen vláknovým laserem s lepší kvalitou paprsku, větším výkonem a kontinuálním výkonem, který výrazně zvyšuje rychlost svařování a dosahuje lepší kvality svařování (účinek svařování je znázorněn na obrázku 8). Tento plán také Proto je některými zákazníky zvýhodňován. V současné době se toto řešení používá při výrobě těsnění horního krytu napájecích baterií a může dosáhnout rychlosti svařování 200 mm/s.
Vzhled svaru horního krytu hybridním laserovým svařováním
Přestože řešení laserového svařování s dvojitou vlnovou délkou řeší stabilitu svaru vysokorychlostního svařování a splňuje požadavky na kvalitu svaru vysokorychlostního svařování horních krytů článků baterie, stále existují určité problémy s tímto řešením z hlediska zařízení a procesu.
Za prvé, hardwarové komponenty tohoto řešení jsou poměrně složité, vyžadují použití dvou různých typů laserů a speciálních dvouvlnných laserových svařovacích spojů, což zvyšuje investiční náklady na zařízení, zvyšuje obtížnost údržby zařízení a zvyšuje potenciální poruchu zařízení. body;
Za druhé, duální vlnová délkalaserové svařovánípoužitý kloub se skládá z více sad čoček (viz obrázek 4). Ztráta výkonu je větší než u běžných svařovaných spojů a polohu čočky je třeba upravit do vhodné polohy, aby byl zajištěn koaxiální výstup laseru s dvojitou vlnovou délkou. A zaměření na pevnou ohniskovou rovinu, dlouhodobý vysokorychlostní provoz, poloha čočky se může uvolnit, způsobit změny v optické dráze a ovlivnit kvalitu svařování, což vyžaduje ruční přenastavení;
Za třetí, během svařování je odraz laseru silný a může snadno poškodit zařízení a součásti. Zejména při opravách vadných výrobků odráží hladký povrch svaru velké množství laserového světla, které může snadno způsobit laserový poplach a pro opravu je potřeba upravit parametry zpracování.
Abychom mohli vyřešit výše uvedené problémy, musíme najít jiný způsob, jak prozkoumat. V letech 2017-2018 jsme studovali vysokofrekvenční swinglaserové svařovánítechnologie vrchního krytu baterie a povýšil ji do produkční aplikace. Vysokofrekvenční švihové svařování laserovým paprskem (dále jen švihové svařování) je dalším současným vysokorychlostním svařovacím procesem 200 mm/s.
Ve srovnání s hybridním řešením laserového svařování vyžaduje hardwarová část tohoto řešení pouze běžný vláknový laser spojený s oscilační laserovou svařovací hlavou.
viklá wobble svářecí hlava
Uvnitř svařovací hlavy je motoricky poháněná reflexní čočka, kterou lze naprogramovat tak, aby řídila výkyv laseru podle navrženého typu trajektorie (obvykle kruhová, ve tvaru S, ve tvaru 8 atd.), amplitudy a frekvence výkyvu. Různé parametry výkyvu mohou vytvořit průřez svařování Dodává se v různých tvarech a různých velikostech.
Svary získané při různých trajektoriích výkyvu
Vysokofrekvenční výkyvná svařovací hlava je poháněna lineárním motorem pro svařování podél mezery mezi obrobky. Podle tloušťky stěny pláště článku se zvolí vhodný typ trajektorie kývání a amplituda. Během svařování vytvoří statický laserový paprsek pouze průřez svaru ve tvaru V. Avšak, poháněný výkyvnou svařovací hlavou, se bod paprsku otáčí vysokou rychlostí v ohniskové rovině a vytváří dynamickou a rotující svařovací klíčovou dírku, která může získat vhodný poměr hloubka k šířce svaru;
Rotující svařovací klíčová dírka míchá svar. Na jedné straně napomáhá úniku plynu a redukuje póry svaru a má určitý vliv na opravu dírek v místě výbuchu svaru (viz obrázek 12). Na druhé straně se svarový kov ohřívá a chladí uspořádaným způsobem. Cirkulace způsobuje, že povrch svaru vypadá jako pravidelný a uspořádaný vzor rybích šupin.
Tvarování švu švihem
Adaptabilita svarů na znečištění barvou při různých parametrech výkyvu
Výše uvedené body splňují tři základní kvalitativní požadavky na vysokorychlostní svařování vrchního krytu. Toto řešení má další výhody:
① Protože většina výkonu laseru je vstřikována do dynamické klíčové dírky, snižuje se externí rozptýlený laser, takže je potřeba pouze menší výkon laseru a příkon svařovacího tepla je relativně nízký (o 30 % nižší než u kompozitního svařování), což snižuje počet zařízení. ztráta a ztráta energie;
② Metoda švihového svařování má vysokou přizpůsobivost kvalitě montáže obrobků a snižuje vady způsobené problémy, jako jsou montážní kroky;
③Metoda švihového svařování má silný opravný účinek na svarové otvory a výtěžnost použití této metody k opravě svarových otvorů jádra baterie je extrémně vysoká;
④Systém je jednoduchý a ladění a údržba zařízení jsou jednoduché.
3. Éra 3.0 technologie laserového svařování horního krytu
Rychlost svařování 300 mm/s
Vzhledem k tomu, že nové dotace na energii stále klesají, téměř celý průmyslový řetězec průmyslu výroby baterií spadl do rudého moře. Odvětví také vstoupilo do období restrukturalizace a podíl předních společností s velkými a technologickými výhodami se dále zvýšil. Ale zároveň se „zlepšování kvality, snižování nákladů a zvyšování efektivity“ stane hlavním tématem mnoha společností.
V období nízkých nebo žádných dotací můžeme mít extra šanci na vítězství v soutěži pouze dosažením opakovaného upgradu technologie, dosažení vyšší efektivity výroby, snížení výrobních nákladů na jednu baterii a zlepšení kvality produktu.
Han's Laser pokračuje v investicích do výzkumu vysokorychlostní svařovací technologie pro horní kryty bateriových článků. Kromě několika výše uvedených procesních metod studuje také pokročilé technologie, jako je technologie prstencového bodového laserového svařování a technologie laserového svařování galvanometrem pro horní kryty bateriových článků.
Chcete-li dále zlepšit efektivitu výroby, prozkoumejte technologii svařování horního krytu rychlostí 300 mm/s a vyšší rychlostí. Han's Laser studoval těsnění laserovým svařováním pomocí skenovacího galvanometru v letech 2017-2018, čímž prolomil technické potíže spojené s obtížnou ochranou obrobku plynem během svařování galvanometrem a špatným efektem tvarování povrchu svaru a dosáhl rychlosti 400-500 mm/slaserové svařováníhorního krytu buňky. Svařování trvá u baterie 26148 pouze 1 sekundu.
Vzhledem k vysoké účinnosti je však extrémně obtížné vyvinout podpůrné zařízení, které by odpovídalo účinnosti, a náklady na zařízení jsou vysoké. Proto nebyl pro toto řešení realizován žádný další vývoj komerční aplikace.
S dalším vývojemvláknový laserbyly uvedeny na trh nové vysoce výkonné vláknové lasery, které mohou přímo vydávat kruhové světelné skvrny. Tento typ laseru může vydávat bodové prstencové laserové body prostřednictvím speciálních vícevrstvých optických vláken a tvar bodu a rozložení výkonu lze upravit, jak je znázorněno na obrázku
Svary získané při různých trajektoriích výkyvu
Prostřednictvím úpravy lze rozložení hustoty výkonu laseru vytvořit do tvaru bod-kobliha-tophat. Tento typ laseru se nazývá Corona, jak je znázorněno na obrázku.
Nastavitelný laserový paprsek (respektive: centrální světlo, centrální světlo + kruhové světlo, kruhové světlo, dvě kruhová světla)
V roce 2018 byla testována aplikace více laserů tohoto typu při svařování hliníkových skořepinových vrchních krytů bateriových článků a na základě Corona laseru byl zahájen výzkum 3.0 procesního technologického řešení pro laserové svařování vrchních krytů bateriových článků. Když Corona laser provádí výstup v režimu bodového prstence, charakteristiky distribuce hustoty výkonu jeho výstupního paprsku jsou podobné kompozitnímu výstupu polovodičového + vláknového laseru.
Během procesu svařování vytváří středové světlo s vysokou hustotou výkonu klíčovou dírku pro svařování s hlubokým průvarem, aby se dosáhlo dostatečného průvaru svařování (podobně jako výstup vláknového laseru u hybridního svařovacího řešení) a kruhové světlo poskytuje větší tepelný příkon. zvětšit klíčovou dírku, snížit dopad kovových par a plazmy na tekutý kov na okraji klíčové dírky, snížit výsledný rozstřik kovu a prodloužit dobu tepelného cyklu svaru, což napomáhá úniku plynu z roztavené lázně. delší čas, zlepšení Stabilita vysokorychlostních svařovacích procesů (podobně jako výkon polovodičových laserů v hybridních svařovacích řešeních).
V testu jsme svařili tenkostěnné skořepinové baterie a zjistili jsme, že konzistence velikosti svaru byla dobrá a procesní schopnost CPK byla dobrá, jak je znázorněno na obrázku 18.
Vzhled svařování horního krytu baterie s tloušťkou stěny 0,8 mm (rychlost svařování 300 mm/s)
Hardwarově je toto řešení na rozdíl od hybridního svařovacího řešení jednoduché a nevyžaduje dva lasery ani speciální hybridní svařovací hlavu. Vyžaduje pouze běžnou běžnou vysoce výkonnou laserovou svařovací hlavu (protože pouze jedno optické vlákno vydává laser s jedinou vlnovou délkou, struktura čočky je jednoduchá, není nutné žádné nastavování a ztráta výkonu je nízká), což usnadňuje ladění a údržbu a stabilita zařízení se výrazně zlepšila.
Kromě jednoduchého systému hardwarového řešení a splnění požadavků na vysokorychlostní svařovací proces horního krytu baterie má toto řešení další výhody v procesních aplikacích.
V testu jsme svařili horní kryt baterie při vysoké rychlosti 300 mm/s, a přesto jsme dosáhli dobrých efektů formování svaru. Navíc pro skořepiny s různou tloušťkou stěny 0,4, 0,6 a 0,8 mm, pouze jednoduchým nastavením režimu laserového výstupu lze provést dobré svařování. U dvouvlnných laserových hybridních řešení svařování je však nutné změnit optickou konfiguraci svařovací hlavy nebo laseru, což přinese větší náklady na vybavení a náklady na čas odladění.
Proto bod-ring spotlaserové svařovánířešení může nejen dosáhnout ultra-vysokorychlostního svařování horního krytu rychlostí 300 mm/s a zlepšit efektivitu výroby napájecích baterií. Pro společnosti vyrábějící baterie, které potřebují časté změny modelu, může toto řešení také výrazně zlepšit kvalitu zařízení a produktů. kompatibilita, zkrácení doby změny modelu a ladění.
Vzhled svařování horního krytu baterie s tloušťkou stěny 0,4 mm (rychlost svařování 300 mm/s)
Vzhled svařování horního krytu baterie s tloušťkou stěny 0,6 mm (rychlost svařování 300 mm/s)
Průnik koronového laseru pro svařování tenkých stěn – procesní schopnosti
Kromě výše uvedeného Corona laseru mají lasery AMB a lasery ARM podobné optické výstupní charakteristiky a lze je použít k řešení problémů, jako je zlepšení rozstřiku laserového svaru, zlepšení kvality povrchu svaru a zlepšení stability vysokorychlostního svařování.
4. Shrnutí
Různá řešení uvedená výše jsou všechna používána ve skutečné výrobě domácími a zahraničními společnostmi vyrábějícími lithiové baterie. Vzhledem k různé době výroby a různému technickému zázemí se v průmyslu široce používají různá procesní řešení, ale společnosti mají vyšší požadavky na efektivitu a kvalitu. Neustále se zlepšuje a další nové technologie budou brzy uplatňovány společnostmi, které jsou v technologické špičce.
Nový čínský průmysl energetických baterií začal relativně pozdě a rychle se rozvíjel řízen národními politikami. Související technologie pokračovaly v pokroku společným úsilím celého průmyslového řetězce a komplexně zkrátily propast s vynikajícími mezinárodními společnostmi. Jako domácí výrobce lithiových baterií Maven také neustále zkoumá své vlastní oblasti výhod, pomáhá iterativním upgradům zařízení bateriových sad a poskytuje lepší řešení pro automatizovanou výrobu nových bateriových modulů pro ukládání energie.
Čas odeslání: 19. září 2023
