Čtvercové hliníkové lithiové baterie mají mnoho výhod, jako je jednoduchá konstrukce, dobrá odolnost proti nárazu, vysoká hustota energie a velká kapacita článků. Vždy byly hlavním směrem výroby a vývoje lithiových baterií v tuzemsku a představovaly více než 40 % trhu.
Struktura lithiové baterie se čtvercovým hliníkovým pláštěm je znázorněna na obrázku a skládá se z jádra baterie (kladné a záporné elektrody, separátor), elektrolytu, pláště, horního krytu a dalších součástí.
Čtvercová hliníková skořepina lithiové baterie
Během procesu výroby a montáže lithiových baterií se čtvercovým hliníkovým pláštěm se velké množstvílaserové svařováníJsou vyžadovány procesy, jako například: svařování měkkých spojů bateriových článků a krycích desek, svařování těsnění krycích desek, svařování těsnicích hřebíků atd. Laserové svařování je hlavní metodou svařování prizmatických výkonových baterií. Díky vysoké hustotě energie, dobré stabilitě výkonu, vysoké přesnosti svařování, snadné systematické integraci a mnoha dalším výhodám,laserové svařováníje nenahraditelná v procesu výroby lithiových baterií s prizmatickým hliníkovým pláštěm.
4osá automatická galvanometrická platforma Mavenvláknový laserový svařovací stroj
Svarový šev těsnění horního krytu je nejdelším svarovým švem u čtvercové hliníkové baterie a je to také svarový šev, jehož svařování trvá nejdéle. V posledních letech se průmysl výroby lithiových baterií rychle rozvíjí a také se rychle rozvíjí technologie laserového svařování těsnění horního krytu a technologie souvisejících zařízení. Na základě rozdílné rychlosti svařování a výkonu zařízení zhruba rozdělujeme zařízení a procesy laserového svařování horního krytu do tří epoch. Jsou to éra 1.0 (2015-2017) s rychlostí svařování <100 mm/s, éra 2.0 (2017-2018) se 100-200 mm/s a éra 3.0 (2019-) s 200-300 mm/s. Následující text představuje vývoj technologií v průběhu času:
1. Éra 1.0 technologie laserového svařování horního krytu
Rychlost svařování<100 mm/s
V letech 2015 až 2017 se v důsledku politik začaly domácí vozidla s novými zdroji energie prudce rozvíjet a odvětví baterií se začalo rozšiřovat. Nicméně technologická akumulace a talentové rezervy domácích podniků jsou stále relativně malé. Související výrobní procesy baterií a technologie zařízení jsou také v plenkách a stupeň automatizace zařízení je relativně nízký, výrobci zařízení se teprve začali zaměřovat na výrobu baterií a zvyšovat investice do výzkumu a vývoje. V této fázi jsou požadavky na efektivitu výroby zařízení pro laserové svařování čtvercových baterií v tomto odvětví obvykle 6-10 ppm. Řešení zařízení obvykle používá vláknový laser o výkonu 1 kW k vyzařování běžným...laserová svařovací hlava(jak je znázorněno na obrázku) a svařovací hlava je poháněna servomotorem plošiny nebo lineárním motorem. Pohyb a svařování, rychlost svařování 50-100 mm/s.
Použití 1kw laseru ke svařování horního krytu jádra baterie
Vlaserové svařováníDíky relativně nízké rychlosti svařování a relativně dlouhé době tepelného cyklu svaru má roztavená lázeň dostatek času k vytečení a ztuhnutí a ochranný plyn ji může lépe pokrýt, což usnadňuje dosažení hladkého a plného povrchu a svaru s dobrou konzistencí, jak je znázorněno níže.
Tvarování svarových švů pro nízkorychlostní svařování horního krytu
Pokud jde o zařízení, ačkoli efektivita výroby není vysoká, konstrukce zařízení je relativně jednoduchá, stabilita dobrá a náklady na zařízení nízké, což v této fázi dobře splňuje potřeby rozvoje průmyslu a pokládá základy pro následný technologický rozvoj.
Přestože svařování s horním krytem a těsněním éry 1.0 má výhody jednoduchého zařízení, nízkých nákladů a dobré stability, jsou zde i zřejmá jeho inherentní omezení. Z hlediska zařízení nemůže výkon motoru uspokojit požadavky na další zvýšení rychlosti. Z technologického hlediska pouhé zvýšení rychlosti svařování a výkonu laseru pro další zrychlení způsobí nestabilitu svařovacího procesu a snížení výtěžnosti: zvýšení rychlosti zkracuje dobu tepelného cyklu svařování a kov se taví intenzivněji, zvyšuje se rozstřik, zhoršuje se jeho odolnost vůči nečistotám a snáze se tvoří rozstřiky. Zároveň se zkracuje doba tuhnutí roztavené lázně, což způsobuje drsný povrch svaru a snižuje jeho konzistenci. Pokud je laserový bod malý, není příkon tepla velký a rozstřik lze snížit, ale poměr hloubky k šířce svaru je velký a šířka svaru není dostatečná. Pokud je laserový bod velký, je pro zvětšení šířky svaru potřeba větší výkon laseru. Velký, ale zároveň povede ke zvýšenému rozstřiku při svařování a špatné kvalitě tvarování povrchu svaru. V této fázi, kdy je technická úroveň nedostatečná, další zrychlení znamená, že výtěžnost musí být vyměněna za efektivitu a požadavky na modernizaci zařízení a procesních technologií se staly požadavky průmyslu.
2. Éra horního krytu 2.0laserové svařovánítechnologie
Rychlost svařování 200 mm/s
V roce 2016 činila instalovaná kapacita automobilových baterií v Číně přibližně 30,8 GWh, v roce 2017 to bylo přibližně 36 GWh a v roce 2018 došlo k dalšímu nárůstu, kdy instalovaná kapacita dosáhla 57 GWh, což představuje meziroční nárůst o 57 %. Nové osobní automobily vyrobily téměř jeden milion kusů, což představuje meziroční nárůst o 80,7 %. Za explozí instalované kapacity stojí uvolnění výrobní kapacity lithiových baterií. Nové osobní automobily tvoří více než 50 % instalované kapacity, což také znamená, že požadavky odvětví na výkon a kvalitu baterií budou stále přísnější a související vylepšení technologie výrobních zařízení a procesních technologií také vstoupilo do nové éry: aby bylo možné splnit požadavky na výrobní kapacitu jedné linky, je třeba zvýšit výrobní kapacitu zařízení pro laserové svařování horních krytů na 15–20 ppm.laserové svařováníRychlost musí dosáhnout 150-200 mm/s. Proto, pokud jde o hnací motory, různí výrobci zařízení... Platforma lineárních motorů byla modernizována tak, aby její pohybový mechanismus splňoval požadavky na výkon pohybu pro svařování rovnoměrnou rychlostí 200 mm/s po obdélníkové trajektorii; jak však zajistit kvalitu svařování při vysokorychlostním svařování, vyžaduje další průlomové procesy a společnosti v oboru provedly mnoho průzkumů a studií: Ve srovnání s érou 1.0 je problémem vysokorychlostního svařování v éře 2.0: použití běžných vláknových laserů k výstupu bodového zdroje světla prostřednictvím běžných svařovacích hlav je obtížné splnit požadavek 200 mm/s.
V původním technickém řešení lze tvarovací efekt svařování ovládat pouze konfigurací možností, úpravou velikosti bodu a úpravou základních parametrů, jako je výkon laseru: při použití konfigurace s menším bodem bude klíčový otvor svařovací lázně malý, tvar lázně nestabilní a svařování se stane nestabilním. Šířka svaru je také relativně malá; při použití konfigurace s větším světelným bodem se klíčový otvor zvětší, ale svařovací výkon se výrazně zvýší a míra rozstřiku a trhaviny se výrazně zvýší.
Teoreticky, pokud chcete zajistit efekt tváření svaru při vysoké rychlostilaserové svařováníhorního krytu musíte splňovat následující požadavky:
① Svarový šev má dostatečnou šířku a poměr hloubky k šířce svaru je vhodný, což vyžaduje, aby rozsah tepelného působení světelného zdroje byl dostatečně velký a energie svařovací linie byla v rozumném rozsahu;
② Svar je hladký, což vyžaduje dostatečně dlouhou dobu tepelného cyklu svaru během svařovacího procesu, aby roztavená lázeň měla dostatečnou tekutost a svar pod ochranou ochranného plynu ztuhl do hladkého kovového svaru;
③ Svarový šev má dobrou konzistenci a málo pórů a děr. To vyžaduje, aby laser během svařovacího procesu stabilně působil na obrobek a aby se kontinuálně generoval vysokoenergetický plazmový paprsek, který by působil na vnitřní stranu roztavené lázně. Roztavená lázeň vytváří vlivem plazmové reakční síly „klíč“. „Klíčový otvor“ je dostatečně velký a stabilní, aby generované kovové páry a plazma nebyly snadno vymrštěny a nevytvářely kovové kapičky, které by mohly vytvářet rozstřiky, a aby se roztavená lázeň kolem klíčového otvoru snadno nezhroutila a nezahrnovala plyn. I když se během svařovacího procesu spálí cizí předměty a plyny se uvolní explozivně, větší klíčový otvor lépe uvolňuje výbušné plyny a snižuje rozstřik kovu a tvorbu děr.
V reakci na výše uvedené body podnikly společnosti vyrábějící baterie a zařízení v tomto odvětví různé pokusy a postupy: Výroba lithiových baterií se v Japonsku vyvíjí již po celá desetiletí a související výrobní technologie se ujaly vedení.
V roce 2004, kdy technologie vláknových laserů ještě nebyla komerčně široce používána, společnost Panasonic používala pro smíšený výstup LD polovodičové lasery a pulzní lampou buzené YAG lasery (schéma je znázorněno na obrázku níže).
Schéma technologie multilaserového hybridního svařování a konstrukce svařovací hlavy
Světelná skvrna s vysokou hustotou výkonu generovaná pulznímYAG lasers malým bodem se působí na obrobek a vytváří svarové otvory pro dosažení dostatečného provaření svaru. Současně se LD polovodičový laser používá k zajištění kontinuálního laseru CW pro předehřívání a svařování obrobku. Roztavená lázeň během svařovacího procesu poskytuje více energie pro získání větších svarových otvorů, zvětšení šířky svarového švu a prodloužení doby uzavírání svarových otvorů, což pomáhá plynu z roztavené lázně unikat a snižuje poréznost svarového švu, jak je znázorněno níže.
Schéma hybridulaserové svařování
Použitím této technologie,YAG laserya LD lasery s výkonem pouze několika stovek wattů lze použít ke svařování tenkých pouzder lithiových baterií vysokou rychlostí 80 mm/s. Svařovací efekt je znázorněn na obrázku.
Morfologie svaru za různých procesních parametrů
S rozvojem a vzestupem vláknových laserů postupně nahradily pulzní YAG lasery v laserovém zpracování kovů díky svým mnoha výhodám, jako je dobrá kvalita paprsku, vysoká účinnost fotoelektrické konverze, dlouhá životnost, snadná údržba a vysoký výkon.
Proto se laserová kombinace ve výše uvedeném řešení laserového hybridního svařování vyvinula do vláknového laseru + LD polovodičového laseru, přičemž laser je také koaxiálně vyveden přes speciální procesní hlavu (svařovací hlava je znázorněna na obrázku 7). Během svařovacího procesu je mechanismus působení laseru stejný.
Kompozitní laserový svařovaný spoj
V tomto plánu pulzníYAG laserje nahrazen vláknovým laserem s lepší kvalitou paprsku, větším výkonem a nepřetržitým výstupem, což výrazně zvyšuje rychlost svařování a dosahuje lepší kvality svařování (svařovací efekt je znázorněn na obrázku 8). Tento plán je proto upřednostňován některými zákazníky. V současné době se toto řešení používá při výrobě těsnicích svařování horních krytů baterií a může dosáhnout rychlosti svařování 200 mm/s.
Vzhled svaru horního krytu hybridním laserovým svařováním
Přestože řešení svařování laserem s dvojitou vlnovou délkou řeší stabilitu svaru při vysokorychlostním svařování a splňuje požadavky na kvalitu svaru při vysokorychlostním svařování horních krytů bateriových článků, z hlediska zařízení a procesu stále existují určité problémy s tímto řešením.
Za prvé, hardwarové komponenty tohoto řešení jsou relativně složité a vyžadují použití dvou různých typů laserů a speciálních laserových svařovacích spojů s dvojitou vlnovou délkou, což zvyšuje investiční náklady na zařízení, zvyšuje obtížnost údržby zařízení a zvyšuje potenciální riziko selhání zařízení;
Za druhé, dvojí vlnová délkalaserové svařováníPoužitý spoj se skládá z několika sad čoček (viz obrázek 4). Ztráta výkonu je větší než u běžných svařovaných spojů a poloha čočky musí být upravena do vhodné polohy, aby byl zajištěn koaxiální výstup laseru s dvojitou vlnovou délkou. A při zaostřování na pevnou ohniskovou rovinu a dlouhodobém vysokorychlostním provozu se poloha čočky může uvolnit, což způsobí změny v optické dráze a ovlivní kvalitu svařování, což vyžaduje ruční přenastavení.
Za třetí, během svařování je laserový odraz silný a může snadno poškodit zařízení a součásti. Zejména při opravách vadných výrobků hladký svarový povrch odráží velké množství laserového světla, což může snadno způsobit laserový alarm a pro opravu je nutné upravit parametry zpracování.
Abychom vyřešili výše uvedené problémy, musíme najít jiný způsob, jak je prozkoumat. V letech 2017-2018 jsme studovali vysokofrekvenční swinglaserové svařovánítechnologie horního krytu baterie a její zavedení do výroby. Vysokofrekvenční kyvné svařování laserovým paprskem (dále jen kyvné svařování) je další současný vysokorychlostní svařovací proces s rychlostí 200 mm/s.
Ve srovnání s hybridním laserovým svařovacím řešením vyžaduje hardwarová část tohoto řešení pouze běžný vláknový laser spojený s oscilační laserovou svařovací hlavou.
kývavá kývavá svařovací hlava
Uvnitř svařovací hlavy je motoricky poháněná reflexní čočka, kterou lze naprogramovat tak, aby ovládala laserový paprsek a kývala se podle navrženého typu trajektorie (obvykle kruhová, ve tvaru S, 8 atd.), amplitudy a frekvence kývání. Různé parametry kývání mohou ovlivnit svařovací průřez. Dodává se v různých tvarech a velikostech.
Svary získané za různých trajektorií kývání
Vysokofrekvenční kyvná svařovací hlava je poháněna lineárním motorem a svařuje podél mezery mezi obrobky. V závislosti na tloušťce stěny pláště buňky se volí vhodný typ a amplituda kyvu. Během svařování bude statický laserový paprsek tvořit pouze svarový průřez ve tvaru V. Poháněn kyvnou svařovací hlavou se však bod paprsku kyvá vysokou rychlostí v ohniskové rovině a vytváří dynamický a rotující svařovací otvor, který umožňuje dosáhnout vhodného poměru hloubky a šířky svaru.
Rotující svařovací otvor promíchává svar. Na jedné straně pomáhá unikat plynům a zmenšuje póry svaru a má určitý vliv na opravu otvorů v místě exploze svaru (viz obrázek 12). Na druhé straně se svarový kov uspořádaně zahřívá a ochlazuje. Cirkulace způsobuje, že povrch svaru vypadá jako pravidelný a uspořádaný vzor rybích šupin.
Tvarování švů otočným svarem
Adaptabilita svarů na kontaminaci barvou za různých parametrů kyvu
Výše uvedené body splňují tři základní požadavky na kvalitu pro vysokorychlostní svařování horního krytu. Toto řešení má i další výhody:
① Protože většina laserového výkonu je vstřikována do dynamické klíčové dírky, je externí rozptýlený laser snížen, takže je potřeba pouze menší laserový výkon a svařovací tepelný příkon je relativně nízký (o 30 % nižší než při svařování kompozitních materiálů), což snižuje ztráty zařízení a energie;
② Metoda kyvného svařování se vyznačuje vysokou přizpůsobivostí kvalitě montáže obrobků a snižuje vady způsobené problémy, jako jsou například kroky montáže;
③Metoda kyvného svařování má silný opravný účinek na svarové otvory a míra výtěžnosti použití této metody k opravě svarových otvorů v jádrech baterií je extrémně vysoká;
④Systém je jednoduchý a ladění a údržba zařízení jsou snadné.
3. Éra 3.0 technologie laserového svařování horního krytu
Rychlost svařování 300 mm/s
Vzhledem k neustálému poklesu nových energetických dotací se téměř celý průmyslový řetězec odvětví výroby baterií propadl do rudého moře. Odvětví také vstoupilo do období restrukturalizace a podíl předních společností s rozsahem a technologickými výhodami se dále zvýšil. Zároveň se však hlavním tématem mnoha společností stane „zlepšování kvality, snižování nákladů a zvyšování efektivity“.
V období nízkých nebo žádných dotací můžeme mít větší šanci na vítězství v soutěži pouze dosažením iterativní modernizace technologií, dosažením vyšší efektivity výroby, snížením výrobních nákladů na jednu baterii a zlepšením kvality produktů.
Společnost Han's Laser i nadále investuje do výzkumu technologie vysokorychlostního svařování horních krytů bateriových článků. Kromě několika výše uvedených procesních metod se zabývá také pokročilými technologiemi, jako je technologie prstencového bodového laserového svařování a technologie galvanometrického laserového svařování horních krytů bateriových článků.
Za účelem dalšího zlepšení efektivity výroby prozkoumejte technologii svařování horního krytu rychlostí 300 mm/s a vyšší. Společnost Han's Laser v letech 2017–2018 studovala svařování a utěsnění skenovacím galvanometrickým laserem, přičemž překonala technické obtíže spojené s obtížnou ochranou obrobku před plynem během svařování galvanometrem a špatným tvarováním svarového povrchu a dosáhla rychlosti 400–500 mm/s.laserové svařováníhorního krytu článku. Svařování baterie 26148 trvá pouze 1 sekundu.
Vzhledem k vysoké účinnosti je však extrémně obtížné vyvinout podpůrné zařízení, které by odpovídalo dané účinnosti, a náklady na zařízení jsou vysoké. Proto nebyl pro toto řešení proveden žádný další vývoj komerčních aplikací.
S dalším rozvojemvláknový laserDíky technologii byly uvedeny na trh nové vysoce výkonné vláknové lasery, které mohou přímo vyzařovat prstencové světelné skvrny. Tento typ laseru dokáže vyzařovat bodové prstencové laserové skvrny prostřednictvím speciálních vícevrstvých optických vláken a tvar skvrny a rozložení výkonu lze nastavit, jak je znázorněno na obrázku.
Svary získané za různých trajektorií kývání
Nastavením lze rozložení hustoty laserového výkonu vytvořit do tvaru bodu-koblihy-topheadu. Tento typ laseru se nazývá Corona, jak je znázorněno na obrázku.
Nastavitelný laserový paprsek (po řadě: středové světlo, středové světlo + kruhové světlo, kruhové světlo, dvě kruhová světla)
V roce 2018 bylo testováno použití více laserů tohoto typu při svařování hliníkových krytů bateriových článků a na základě korónového laseru byl zahájen výzkum technologického řešení procesní technologie 3.0 pro laserové svařování horních krytů bateriových článků. Když korónový laser pracuje v bodovém kruhovém režimu, charakteristiky rozložení hustoty výkonu jeho výstupního paprsku jsou podobné kompozitnímu výstupu polovodičového a vláknového laseru.
Během svařovacího procesu vytváří bodové světlo s vysokou hustotou výkonu klíčovou díru pro hluboké provařování, čímž se dosáhne dostatečné penetrace svaru (podobně jako výstup vláknového laseru v hybridním svařovacím řešení), a kruhové světlo poskytuje větší tepelný příkon, zvětšuje klíčovou díru, snižuje dopad kovových par a plazmatu na tekutý kov na okraji klíčové díry, snižuje výsledné rozstřikování kovu a prodlužuje dobu tepelného cyklu svaru, čímž pomáhá plynu z roztavené lázně unikat po delší dobu a zlepšuje stabilitu vysokorychlostních svařovacích procesů (podobně jako výstup polovodičových laserů v hybridních svařovacích řešeních).
V testu jsme svařovali tenkostěnné baterie a zjistili jsme, že konzistence velikosti svaru byla dobrá a procesní schopnost CPK byla dobrá, jak je znázorněno na obrázku 18.
Vzhled svaru horního krytu baterie s tloušťkou stěny 0,8 mm (rychlost svařování 300 mm/s)
Z hlediska hardwaru je toto řešení na rozdíl od hybridního svařování jednoduché a nevyžaduje dva lasery ani speciální hybridní svařovací hlavu. Vyžaduje pouze běžnou vysoce výkonnou laserovou svařovací hlavu (protože pouze jedno optické vlákno vydává laser o jedné vlnové délce, je konstrukce čočky jednoduchá, není nutné žádné nastavování a ztráta výkonu je nízká), což usnadňuje ladění a údržbu a výrazně zlepšuje stabilitu zařízení.
Kromě jednoduchého systému hardwarového řešení a splnění požadavků vysokorychlostního svařovacího procesu na horní kryt bateriových článků má toto řešení i další výhody v procesních aplikacích.
V testu jsme svařovali horní kryt baterie vysokou rychlostí 300 mm/s a přesto jsme dosáhli dobrých výsledků svařování. Navíc u plášťů s různou tloušťkou stěny 0,4, 0,6 a 0,8 mm lze kvalitní svařování dosáhnout pouze pouhým nastavením režimu laserového výstupu. U hybridních svařovacích řešení s dvojitou vlnovou délkou laseru je však nutné změnit optickou konfiguraci svařovací hlavy nebo laseru, což povede k vyšším nákladům na zařízení a čas potřebný k odstraňování problémů.
Proto bodový prsteneclaserové svařováníToto řešení dokáže nejen dosáhnout ultrarychlého svařování horního krytu rychlostí 300 mm/s a zlepšit efektivitu výroby baterií. Pro společnosti vyrábějící baterie, které potřebují časté změny modelů, může toto řešení také výrazně zlepšit kvalitu zařízení a produktů, zkrátit dobu změny modelu a ladění.
Vzhled svaru horního krytu baterie s tloušťkou stěny 0,4 mm (rychlost svařování 300 mm/s)
Vzhled svaru horního krytu baterie s tloušťkou stěny 0,6 mm (rychlost svařování 300 mm/s)
Penetrace svařování tenkostěnnými buňkami koronovým laserem – procesní možnosti
Kromě výše zmíněného koronového laseru mají lasery AMB a ARM podobné optické výstupní charakteristiky a lze je použít k řešení problémů, jako je zlepšení rozstřiku laserového svaru, zlepšení kvality svařovaného povrchu a zlepšení stability vysokorychlostního svařování.
4. Shrnutí
Různá výše uvedená řešení používají ve skutečné výrobě domácí i zahraniční společnosti vyrábějící lithiové baterie. Vzhledem k různým časům výroby a různým technickým zkušenostem se v průmyslu široce používají různá procesní řešení, ale společnosti mají vyšší požadavky na efektivitu a kvalitu. Neustále se zlepšuje a společnosti, které jsou v popředí technologií, brzy začnou uplatňovat další nové technologie.
Čínský průmysl s novými energetickými bateriemi vznikl relativně pozdě a díky národním politikám se rychle rozvíjel. Související technologie se díky společnému úsilí celého průmyslového řetězce dále rozvíjely a komplexně zkrátily rozdíly s předními mezinárodními společnostmi. Společnost Maven, jakožto domácí výrobce lithiových baterií, neustále zkoumá své vlastní výhody, pomáhá s iterativní modernizací bateriových sad a poskytuje lepší řešení pro automatizovanou výrobu nových modulů pro skladování energie.
Čas zveřejnění: 19. září 2023
