Лазерная сварка против точечной сварки: полное руководство по межсоединениям батарей

Автор: Дэни Хуанг, доктор философии.

Генеральный директор и руководитель исследований и разработок, TOB New Energy

Свяжитесь с доктором Хуангом в LinkedIn

Резюме и ключевые выводы

Сварка межбатарейных соединений сводится к использованию двух принципиально разных источников энергии. Точечная сварка сопротивлением основана на контактном сопротивлении и объемном нагреве; он работает с тонкими резистивными металлами, такими как никель. Сварка волоконным лазером создает «замочную скважину», которая игнорирует электропроводность и оксидные пленки, что делает ее единственным промышленно жизнеспособным процессом соединения медных-с-алюминиевых шин.

• Возможности процесса: Соединения меди и алюминия, сваренные лазерной-сваркой, стабильно достигают 85–90 % прочности на разрыв основного металла, в то время как эквиваленты, полученные точечной сваркой, редко превышают 65 % из-за деградации электрода и оксидных включений.
• Тепловой след: зона термического воздействия лазера находится в пределах 300 мкм; точечная сварка пропитывает весь терминал, рискуя повредить внутренний сепаратор аккумуляторов большой емкости.
• Стабильность производства: Электроды для точечной сварки меди разрушаются после 150–300 соединений, что приводит к необходимости частой правки и брака. Лазерная оптика требует минимального обслуживания каждые несколько тысяч сварных швов.
• Свобода дизайна: Лазерные лучи с гальвосканированием проникают в ограниченные пространства без применения физической силы; точечная сварка требует двустороннего доступа к зажиму, который не может быть обеспечен во многих конструкциях модулей.

Каждый инженер по соединению батарей в конечном итоге усваивает один и тот же урок физики: электропроводность и свариваемость обратно пропорциональны.

Медь и алюминий являются прекрасным примером. Они проводят ток с минимальными потерями-именно поэтому образуют шины и клеммы. Но та же самая высокая проводимость делает их беспощадными при контактной точечной сварке. Приложите медный электрод к медному выступу, подайте ток в тысячи ампер, и электрический путь отдаст предпочтение электродному сплаву, а не заготовке. Тепло накапливается там, где не должно. Электроды разрушаются, самородки сжимаются, а сила тяги падает.

Лазер полностью обходит эту проблему. Сфокусированный луч не заботится о контактном сопротивлении. Энергия попадает непосредственно на поверхность, плавя точный столб металла и сплавляя две части. Это не маркетинговый язык. В этом разница между процессом, который ухудшается с каждым выстрелом, и процессом, который поддерживает постоянную производительность в течение десятков тысяч циклов.

Термическая проблема: почему точечная сварка угрожает целостности ячейки

Когда аппарат для контактной точечной сварки зажимается на клемме призматического элемента и поджигает, тепло не локализуется на желаемом самородке. Ток распространяется по всей клемме, нагревая ее, как резистивную планку. Измерения термопары в лаборатории показывают, что температура корпуса терминала может превысить 200 градусов в течение 30 миллисекунд после сильноточного импульса на медь.

Для небольшой цилиндрической ячейки с вентиляционной крышкой тепловая масса мала, а активные слои находятся далеко от вывода. Повреждения редки. Но в призматических или пакетных элементах большого формата контактный штифт приваривается непосредственно-или даже формируется как продолжение-внутренней фольги коллектора. Примените то же тепло сопротивления, и энергия будет направлена ​​прямо в рулет с желе. Сепаратор, обычно представляющий собой полиэтиленовую или полипропиленовую пленку, начинает сжиматься и закрывать поры при температуре около 130 градусов. Точечная сварка не только рискует получить слабое соединение; это рискует создать локальное внутреннее короткое замыкание, которое не обнаружит ни один цикл формирования.

При лазерной сварке используется гораздо меньшая общая доза энергии, которая в течение микросекунд попадает на микроскопическую область. Окружающий материал терминала почти не нагревается. Термопара, расположенная на расстоянии 2 мм от сварочной ванны, обычно регистрирует повышение температуры менее 20 градусов. Активный материал остается в безопасности. Вот почему международные стандарты безопасности, такие как ООН 38.3, фактически предписывают процессы с низким тепловложением для высокоэнергетических элементов. Не потому, что точечная сварка запрещена по названию, а потому, что она не соответствует неявному температурному пределу.

Материальный барьер: медь, алюминий и оксидная оболочка.

Два свойства чрезвычайно затрудняют точечную сварку обычных аккумуляторных металлов.

Во-первых, объемное сопротивление меди слишком низкое. Чтобы расплавить самородок, сварщик должен произвести достаточно локального тепла на прилегающей поверхности. Поскольку медный лист проводит ток легче, чем поверхность раздела электродов, непропорциональная доля резистивного нагрева происходит непосредственно внутри самого кончика электрода. Это ускоряет электромиграцию, при которой атомы меди сплавляются с поверхностью электрода и еще больше повышают его сопротивление. Этот процесс становится саморазрушительным. Данные испытаний на отслаивание типичной точечной сварки медь-медь показывают, что коэффициент отклонения прочности превышает 30 % уже после 100 выстрелов.

Во-вторых, алюминий всегда имеет твердый керамический слой оксида алюминия. Его температура плавления составляет примерно 2070 градусов, что намного выше температуры плавления 660 градусов основного металла. Точечная сварка может привести к тому, что алюминий достигнет температуры расплавления, но оксидная пленка часто остается частично неповрежденной, запертой внутри самородка. В результате получается сварной шов, полный оксидных включений, которые действуют как уже существовавшие трещины. Когда модуль подвергается вибрации или термоциклированию, эти трещины распространяются вдоль границы самородка. Соединение разрушается при нагрузках, значительно ниже допустимых для основного металла.

Волоконный лазер, напротив, мгновенно испаряет оксидный слой. В режиме «замочной скважины» луч удерживается внутри парового канала, и ванна расплава циркулирует вокруг капилляра. При добавлении колебания луча-небольшое круговое колебание сфокусированного пятна-расплавленный сплав механически перемешивается. Фрагменты оксида разбиваются и растворяются по всему шву, образуя плотное, однородное соединение без трещин. Это не незначительное улучшение. Это разница между Cpk 0,6 и Cpk выше 1,5.

Где точечная сварка все еще удерживает свои позиции

Ясность в отношении ограничений не означает, что точечная сварка устарела. Существует четко определенный диапазон, в котором он остается оптимальным и наиболее экономически эффективным выбором.

Три условия, определяющие диапазон точечной сварки:

• Обе заготовки изготовлены из никеля, никелированной стали или простых стальных сплавов.
• Толщина язычка менее 0,2 мм.
• Объем производства не требует автоматизированных систем правки электродов.

В таких ситуациях прецизионный инверторный аппарат для точечной сварки обеспечивает получение одинаковых самородков и выполняет тысячи циклов, прежде чем появится какой-либо измеримый износ электрода. Низкая теплопроводность никеля и стали удерживает тепло именно там, где оно необходимо, а образование оксидов незначительно. Блок цилиндрических элементов для электроинструментов, электровелосипедов и небольших прототипов ESS идеально помещается в этот рабочий блок.

Граница становится резкой в ​​тот момент, когда медь или алюминий входят в спецификацию. Ни одна производственная линия, которую мы анализировали на протяжении многих лет, не смогла поддерживать приемлемые показатели качества медных шин точечной сварки, за исключением низкопроизводительного прототипирования. Экономическая точка пересечения, основанная исключительно на затратах на расходные материалы и металлолом, достигает удивительно скромных объемов,-обычно несколько тысяч ячеек в неделю.

Пробелы в автоматизации и ремонте

Сварка межкомпонентных соединений аккумуляторной батареи – это не просто создание соединения; речь идет о повторяемом выполнении этого соединения внутри модуля, где доступ ограничен, а время цикла измеряется в секундах.

Аппарату контактной точечной сварки требуется, чтобы оба электрода физически сжимали заготовку с усилием от 50 Н до более 500 Н. Сварочную головку необходимо ввести на жесткий рычаг, расположить с точностью до десятых долей миллиметра, а затем вытащить. Инструменты быстро усложняются. Если конструкция модуля изменится или будет введен новый формат ячейки, весь набор электродов, а зачастую и механическая конструкция, придется перепроектировать и заново обработать. Это значительные единовременные затраты на проектирование.

Совершенно иначе работает аккумуляторный лазерный сварочный аппарат с гальвосканирующей головкой. Луч управляется крошечными, быстро движущимися зеркалами. Он может переходить от сварного шва к сварному шву за миллисекунды, прикладывать нулевую механическую силу и проникать в углубления, к которым никогда не сможет получить доступ громоздкий электрододержатель. Изменение рисунка сварного шва представляет собой редактирование программного обеспечения. Это делает лазерные системы более гибкими для производства смешанных моделей и значительно сокращает время, необходимое для ввода в эксплуатацию конструкции нового модуля.

Бессиловая природа лазерной сварки также означает, что приспособлению больше не приходится реагировать на давление в сотни ньютонов. Чтобы сохранить правильное фокусное положение, зажиму необходимо удерживать шину на расстоянии не более 0,2 мм от поверхности клеммы. Светильники становятся легче, дешевле и их легче интегрировать с автоматизированными конвейерами.

Наука о параметрах: предотвращение трещин и пористости в сварных швах, пригодных для аккумуляторных батарей

Необычайная мощность лазера не обеспечивает автоматически надежных аккумуляторных сварных швов. Окно процесса должно быть тщательно настроено. Три наиболее распространенных вида отказа, с которыми мы сталкиваемся при устранении неполадок на линиях клиентов, — это растрескивание по центральной линии, разбрызгивание и подповерхностная пористость.

Растрескивание по центральной линииВ сварочных ваннах с высоким содержанием алюминия возникает явление сегрегации. По мере затвердевания ванны от краев внутрь, эвтектики с низкой температурой плавления вытесняются к центру. Они образуют слабую границу, которая трескается под воздействием термического сжатия. Универсальное решение — раскачивание луча. При вращении лазерного пятна по малому кругу с частотой 200–300 Гц фронт затвердевания разрывается и примеси диспергируются. Под микроскопом получается мелкая равноосная зернистая структура без непрерывной центральной линии.

Брызгивозникает, когда замочная скважина становится нестабильной. Влага, загрязнение поверхности или неправильное покрытие защитным газом могут привести к резкому разрушению замочной скважины и выбросу капель. Исправление начинается с чистоты газа и расхода: аргон, 15–25 л/мин, подается через сопло, расположенное под углом 30–40 градусов от нормального. Поверхности клемм должны быть сухими. Во влажной среде предварительное запекание при температуре 80 градусов в течение 30 минут удаляет впитавшуюся влагу.

Подповерхностная пористостьчасто связано с растворенным в алюминии водородом. Во время быстрого затвердевания водород выходит из раствора и образует микроскопические пузырьки, которые действуют как концентраторы напряжений. Переход на защитную смесь аргона и гелия (обычно 70/30) уменьшает пористость, поскольку более высокая теплопроводность гелия помогает дегазировать бассейн до того, как он замерзнет.

Это не академические наблюдения. Это непосредственные технические исправления, которые неделю за неделей применяются на реальном производственном оборудовании.

Часто задаваемые вопросы: Решения для сварки межсоединения аккумуляторов

Вопрос 1. Что может надежно сварить точечная сварка в аккумуляторном блоке?
Никелевые ленты к банкам из никелированной стали. Для любого соединения, включающего медь или алюминий толщиной более 0,15 мм, точечная сварка представляет собой высокий технологический риск и не рекомендуется для производственных линий.

В2: Требуется ли для лазерной сварки присадочный материал?
Для соединений шин с клеммами стандартом является автогенная сварка (без наполнителя). Только когда зазор превышает примерно 15 % диаметра лазерного пятна, возникает необходимость в наполнителе, что обычно является тревожным сигналом при проектировании для производства.

Вопрос 3: Насколько быстро происходит типичный процесс лазерной сварки аккумуляторной батареи?
Одна сварка шины с клеммой с помощью волоконного лазера мощностью 2 кВт занимает примерно 0,3–0,6 секунды. При гальвосканировании положение луча меняется менее чем за 0,1 секунды, в результате чего время цикла составляет 20–35 сварных швов в минуту.

Вопрос 4: Какое обслуживание требуется системе волоконной лазерной сварки?
Первичная очистка или замена защитного стекла каждые несколько тысяч сварных швов. Замены охлаждающей жидкости и фильтров производятся в соответствии со стандартными графиками работы волоконного лазера. Здесь нет электродов, которые нужно править, и чувствительных к силе механических частей, требующих повторной калибровки.

Вопрос 5: Можно ли интегрировать аккумуляторный лазерный сварочный аппарат с существующей системой MES?
Да. Современные промышленные лазерные контроллеры поддерживают стандартные протоколы полевой шины (Profinet, EtherCAT и т. д.) и могут регистрировать параметры сварки в режиме реального времени для удобства управления и статистического управления процессом.