Las baterías de litio con carcasa cuadrada de aluminio ofrecen numerosas ventajas, como una estructura sencilla, buena resistencia a los impactos, alta densidad energética y gran capacidad. Han sido tradicionalmente la principal línea de producción y desarrollo de baterías de litio en el país, representando más del 40% del mercado.
La estructura de la batería de litio con carcasa cuadrada de aluminio es la que se muestra en la figura, y está compuesta por el núcleo de la batería (láminas de electrodos positivo y negativo, separador), el electrolito, la carcasa, la tapa superior y otros componentes.
Estructura de batería de litio con carcasa cuadrada de aluminio
Durante el proceso de fabricación y ensamblaje de baterías de litio con carcasa cuadrada de aluminio, se produce una gran cantidad desoldadura láserSe requieren procesos tales como: soldadura de conexiones blandas de celdas de batería y placas de cubierta, soldadura de sellado de placas de cubierta, soldadura de clavos de sellado, etc. La soldadura láser es el principal método de soldadura para baterías de potencia prismáticas. Debido a su alta densidad de energía, buena estabilidad de potencia, alta precisión de soldadura, fácil integración sistemática y muchas otras ventajas,soldadura láseres insustituible en el proceso de producción de baterías de litio con carcasa de aluminio prismático. función.
Plataforma de galvanómetro automático de 4 ejes Mavenmáquina de soldadura láser de fibra
La soldadura de la tapa superior es la más larga en la batería de carcasa cuadrada de aluminio, y también la que requiere más tiempo para soldarse. En los últimos años, la industria de fabricación de baterías de litio se ha desarrollado rápidamente, al igual que la tecnología de soldadura láser de la tapa superior y sus equipos. Según la velocidad y el rendimiento de soldadura de los equipos, dividimos los procesos y equipos de soldadura láser de la tapa superior en tres etapas: la etapa 1.0 (2015-2017) con una velocidad de soldadura <100 mm/s, la etapa 2.0 (2017-2018) con 100-200 mm/s y la etapa 3.0 (2019-) con 200-300 mm/s. A continuación, se describe el desarrollo tecnológico a lo largo del tiempo:
1. La era 1.0 de la tecnología de soldadura láser de cubiertas superiores
Velocidad de soldadura＜100 mm/s
Entre 2015 y 2017, los vehículos de nueva energía nacionales experimentaron un auge impulsado por políticas gubernamentales, y la industria de baterías de potencia comenzó a expandirse. Sin embargo, la acumulación de tecnología y las reservas de talento de las empresas nacionales aún son relativamente pequeñas. Los procesos de fabricación de baterías y las tecnologías de equipos relacionados también se encuentran en sus inicios, y el grado de automatización de los equipos es relativamente bajo. Los fabricantes de equipos apenas han comenzado a prestar atención a la fabricación de baterías de potencia y a aumentar la inversión en investigación y desarrollo. En esta etapa, los requisitos de eficiencia de producción de la industria para los equipos de sellado láser de baterías cuadradas suelen ser de 6 a 10 PPM. La solución de equipo generalmente utiliza un láser de fibra de 1 kW para emitir a través de uncabezal de soldadura láser(como se muestra en la imagen), y el cabezal de soldadura es accionado por un servomotor de plataforma o un motor lineal. Movimiento y soldadura, velocidad de soldadura 50-100 mm/s.
Utilizando un láser de 1 kW para soldar la tapa superior del núcleo de la batería.
En elsoldadura láserEn este proceso, debido a la velocidad de soldadura relativamente baja y al tiempo de ciclo térmico relativamente largo de la soldadura, el baño de fusión tiene tiempo suficiente para fluir y solidificarse, y el gas protector puede cubrir mejor el baño de fusión, lo que facilita la obtención de una superficie lisa y uniforme, y soldaduras con buena consistencia, como se muestra a continuación.
Formación de cordón de soldadura para soldadura a baja velocidad de la cubierta superior
En cuanto al equipamiento, si bien la eficiencia de producción no es alta, la estructura del equipo es relativamente simple, la estabilidad es buena y el coste del equipo es bajo, lo que satisface bien las necesidades del desarrollo de la industria en esta etapa y sienta las bases para el desarrollo tecnológico posterior.
Aunque la era 1.0 de soldadura de sellado de cubierta superior tiene las ventajas de una solución de equipo simple, bajo costo y buena estabilidad, sus limitaciones inherentes también son muy evidentes. En términos de equipo, la capacidad de accionamiento del motor no puede satisfacer la demanda de un mayor aumento de velocidad; en términos de tecnología, simplemente aumentar la velocidad de soldadura y la salida de potencia láser para acelerar aún más causará inestabilidad en el proceso de soldadura y una disminución del rendimiento: el aumento de velocidad acorta el tiempo del ciclo térmico de soldadura, el proceso de fusión del metal es más intenso, aumenta la salpicadura, la adaptabilidad a las impurezas será peor y es más probable que se formen poros de salpicadura. Al mismo tiempo, el tiempo de solidificación del baño de fusión se acorta, lo que hará que la superficie de soldadura sea rugosa y se reduzca la consistencia. Cuando el punto láser es pequeño, el aporte de calor no es grande y se puede reducir la salpicadura, pero la relación profundidad-ancho de la soldadura es grande y el ancho de soldadura es insuficiente; cuando el punto láser es grande, se necesita un aporte de potencia láser mayor para aumentar el ancho de la soldadura. Si bien es un proceso grande, también conlleva un aumento de las salpicaduras de soldadura y una mala calidad de la superficie soldada. Con el nivel técnico actual, una mayor aceleración implica sacrificar la eficiencia en aras del rendimiento, y los requisitos de actualización de los equipos y la tecnología de procesos se han convertido en exigencias de la industria.
2. La era 2.0 de la portada principalsoldadura lásertecnología
Velocidad de soldadura: 200 mm/s
En 2016, la capacidad instalada de baterías de potencia para automóviles en China fue de aproximadamente 30,8 GWh, en 2017 fue de aproximadamente 36 GWh, y en 2018, se produjo una explosión adicional, la capacidad instalada alcanzó los 57 GWh, un aumento interanual del 57%. Los vehículos de pasajeros de nueva energía también produjeron casi un millón, un aumento interanual del 80,7%. Detrás de la explosión en la capacidad instalada está la liberación de la capacidad de fabricación de baterías de litio. Las baterías para vehículos de pasajeros de nueva energía representan más del 50% de la capacidad instalada, lo que también significa que los requisitos de la industria para el rendimiento y la calidad de las baterías serán cada vez más estrictos, y las mejoras concomitantes en la tecnología de equipos de fabricación y la tecnología de procesos también han entrado en una nueva era: para cumplir con los requisitos de capacidad de producción de una sola línea, la capacidad de producción del equipo de soldadura láser de cubierta superior debe aumentarse a 15-20 PPM, y susoldadura láserLa velocidad debe alcanzar los 150-200 mm/s. Por lo tanto, en términos de motores de accionamiento, varios fabricantes de equipos han La plataforma del motor lineal se ha actualizado de modo que su mecanismo de movimiento cumpla con los requisitos de rendimiento de movimiento para la soldadura de velocidad uniforme de trayectoria rectangular de 200 mm/s; sin embargo, cómo garantizar la calidad de la soldadura bajo soldadura de alta velocidad requiere avances de proceso adicionales, y las empresas de la industria han realizado muchas exploraciones y estudios: En comparación con la era 1.0, el problema que enfrenta la soldadura de alta velocidad en la era 2.0 es: usar láseres de fibra ordinarios para emitir una única fuente de luz puntual a través de cabezales de soldadura ordinarios, la selección es difícil para cumplir con el requisito de 200 mm/s.
En la solución técnica original, el efecto de formación de la soldadura solo se puede controlar configurando opciones, ajustando el tamaño del punto y los parámetros básicos como la potencia del láser: al usar una configuración con un punto más pequeño, el orificio del baño de soldadura será pequeño, la forma del baño será inestable y la soldadura se volverá inestable. El ancho de fusión de la costura también es relativamente pequeño; al usar una configuración con un punto de luz más grande, el orificio aumentará, pero la potencia de soldadura aumentará significativamente y las tasas de salpicaduras y porosidad aumentarán significativamente.
Teóricamente, si quieres asegurar el efecto de formación de soldadura de alta velocidadsoldadura láserPara la cubierta superior, debe cumplir con los siguientes requisitos:
① La costura de soldadura tiene un ancho suficiente y la relación profundidad-ancho de la costura de soldadura es apropiada, lo que requiere que el rango de acción térmica de la fuente de luz sea lo suficientemente grande y la energía de la línea de soldadura esté dentro de un rango razonable;
② La soldadura es lisa, lo que requiere que el tiempo del ciclo térmico de la soldadura sea lo suficientemente largo durante el proceso de soldadura para que el baño fundido tenga suficiente fluidez y la soldadura se solidifique en una soldadura de metal lisa bajo la protección del gas protector;
③ La soldadura presenta buena consistencia y pocos poros y agujeros. Esto requiere que, durante el proceso de soldadura, el láser actúe de forma estable sobre la pieza de trabajo y el plasma del haz de alta energía se genere continuamente y actúe en el interior del baño de fusión. El baño de fusión produce un "agujero" bajo la fuerza de reacción del plasma. El agujero es lo suficientemente grande y estable como para que el vapor metálico y el plasma generados no se expulsen fácilmente y produzcan gotas de metal, formando salpicaduras, y el baño de fusión alrededor del agujero no se colapse fácilmente ni involucre gas. Incluso si se queman objetos extraños durante el proceso de soldadura y se liberan gases de forma explosiva, un agujero más grande favorece la liberación de gases explosivos y reduce las salpicaduras de metal y la formación de agujeros.
En respuesta a los puntos anteriores, las empresas fabricantes de baterías y de equipos del sector han realizado diversos intentos y adoptado diversas prácticas: la fabricación de baterías de litio se ha desarrollado en Japón durante décadas, y las tecnologías de fabricación relacionadas han tomado la delantera.
En 2004, cuando la tecnología láser de fibra aún no se había aplicado comercialmente de forma generalizada, Panasonic utilizó láseres semiconductores LD y láseres YAG bombeados por lámparas pulsadas para obtener una salida mixta (el esquema se muestra en la figura siguiente).
Diagrama esquemático de la tecnología de soldadura híbrida multiláser y la estructura del cabezal de soldadura.
El punto de luz de alta densidad de potencia generado por el pulsoláser YAGSe utiliza un pequeño haz de luz para actuar sobre la pieza de trabajo y generar orificios de soldadura que permitan una penetración suficiente. Al mismo tiempo, se emplea un láser semiconductor LD para proporcionar un haz láser continuo (CW) que precalienta y suelda la pieza. El baño de fusión durante el proceso de soldadura proporciona más energía para obtener orificios de soldadura más grandes, aumentar el ancho del cordón de soldadura y prolongar el tiempo de cierre de los orificios, facilitando la salida de los gases del baño de fusión y reduciendo la porosidad del cordón de soldadura, como se muestra a continuación.
Diagrama esquemático de híbridosoldadura láser
Aplicando esta tecnología,láseres YAGLos láseres LD, con una potencia de tan solo unos cientos de vatios, pueden utilizarse para soldar carcasas delgadas de baterías de litio a una alta velocidad de 80 mm/s. El efecto de soldadura se muestra en la figura.
Morfología de la soldadura bajo diferentes parámetros de proceso
Con el desarrollo y el auge de los láseres de fibra, estos han ido sustituyendo gradualmente a los láseres YAG pulsados en el procesamiento láser de metales debido a sus numerosas ventajas, como la buena calidad del haz, la alta eficiencia de conversión fotoeléctrica, la larga vida útil, el fácil mantenimiento y la alta potencia.
Por lo tanto, la combinación láser en la solución de soldadura híbrida láser descrita anteriormente ha evolucionado a un láser de fibra + láser semiconductor LD, y el láser también se emite coaxialmente a través de un cabezal de procesamiento especial (el cabezal de soldadura se muestra en la Figura 7). Durante el proceso de soldadura, el mecanismo de acción del láser es el mismo.
Junta de soldadura láser compuesta
En este plan, el pulsadoláser YAGSe reemplaza por un láser de fibra con mejor calidad de haz, mayor potencia y salida continua, lo que aumenta considerablemente la velocidad de soldadura y permite obtener una mejor calidad de soldadura (el efecto de soldadura se muestra en la Figura 8). Este plan también es el preferido por algunos clientes. Actualmente, esta solución se utiliza en la producción de soldadura de sellado de tapas superiores de baterías de potencia y puede alcanzar una velocidad de soldadura de 200 mm/s.
Aspecto de la soldadura de la cubierta superior mediante soldadura láser híbrida
Si bien la solución de soldadura láser de doble longitud de onda resuelve el problema de la estabilidad de la soldadura de alta velocidad y cumple con los requisitos de calidad de soldadura para la soldadura de alta velocidad de las tapas superiores de las celdas de batería, esta solución aún presenta algunos problemas desde la perspectiva del equipo y el proceso.
En primer lugar, los componentes de hardware de esta solución son relativamente complejos, ya que requieren el uso de dos tipos diferentes de láseres y juntas de soldadura láser especiales de doble longitud de onda, lo que aumenta los costos de inversión en equipos, incrementa la dificultad del mantenimiento de los mismos y aumenta los posibles puntos de falla de los mismos;
En segundo lugar, la doble longitud de ondasoldadura láserLa unión utilizada está compuesta por varios conjuntos de lentes (véase la figura 4). La pérdida de potencia es mayor que la de las uniones de soldadura ordinarias, y la posición de la lente debe ajustarse a la posición adecuada para garantizar la salida coaxial del láser de doble longitud de onda. Además, al enfocar en un plano focal fijo, durante un funcionamiento prolongado a alta velocidad, la posición de la lente puede aflojarse, provocando cambios en la trayectoria óptica y afectando la calidad de la soldadura, lo que requiere un reajuste manual.
En tercer lugar, durante la soldadura, la reflexión del láser es intensa y puede dañar fácilmente los equipos y componentes. Especialmente al reparar productos defectuosos, la superficie lisa de la soldadura refleja una gran cantidad de luz láser, lo que puede provocar fácilmente una alarma láser y obligar a ajustar los parámetros de procesamiento para la reparación.
Para resolver los problemas anteriores, tenemos que encontrar otra forma de explorar. En 2017-2018, estudiamos el swing de alta frecuencia.soldadura láserLa tecnología de la tapa superior de la batería se impulsó a su aplicación en la producción. La soldadura oscilante de alta frecuencia por haz láser (en adelante, soldadura oscilante) es otro proceso de soldadura de alta velocidad actual de 200 mm/s.
En comparación con la solución de soldadura láser híbrida, la parte de hardware de esta solución solo requiere un láser de fibra convencional acoplado a un cabezal de soldadura láser oscilante.
cabezal de soldadura oscilante
Dentro del cabezal de soldadura hay una lente reflectante motorizada que se puede programar para controlar el movimiento del láser según la trayectoria predefinida (generalmente circular, en forma de S, en forma de 8, etc.), la amplitud y la frecuencia de oscilación. Los diferentes parámetros de oscilación permiten obtener secciones transversales de soldadura con distintas formas y tamaños.
Soldaduras obtenidas bajo diferentes trayectorias de oscilación.
El cabezal de soldadura oscilante de alta frecuencia es accionado por un motor lineal para soldar a lo largo del espacio entre las piezas. Según el espesor de la pared de la carcasa, se selecciona el tipo y la amplitud de trayectoria oscilante adecuados. Durante la soldadura, el haz láser estático solo forma una sección transversal de soldadura en forma de V. Sin embargo, impulsado por el cabezal de soldadura oscilante, el punto del haz oscila a alta velocidad en el plano focal, formando un orificio de soldadura dinámico y giratorio, lo que permite obtener una relación adecuada entre la profundidad y el ancho de la soldadura.
El orificio de soldadura giratorio agita la soldadura. Por un lado, facilita la salida de los gases y reduce los poros, y contribuye a reparar los pequeños orificios en el punto de explosión de la soldadura (véase la figura 12). Por otro lado, el metal de soldadura se calienta y enfría de forma uniforme. Esta circulación crea en la superficie de la soldadura un patrón escamoso regular y ordenado.
Formación de costuras mediante soldadura oscilante
Adaptabilidad de las soldaduras a la contaminación por pintura bajo diferentes parámetros de oscilación.
Los puntos anteriores cumplen con los tres requisitos básicos de calidad para la soldadura de alta velocidad de la tapa superior. Esta solución tiene otras ventajas:
① Dado que la mayor parte de la potencia del láser se inyecta en el orificio dinámico, se reduce la dispersión externa del láser, por lo que solo se necesita una potencia de láser menor y el aporte de calor de soldadura es relativamente bajo (un 30 % menos que en la soldadura compuesta), lo que reduce las pérdidas de equipo y de energía;
② El método de soldadura por oscilación tiene una alta adaptabilidad a la calidad de ensamblaje de las piezas de trabajo y reduce los defectos causados por problemas como los pasos de ensamblaje;
③El método de soldadura oscilante tiene un fuerte efecto de reparación en los agujeros de soldadura, y la tasa de rendimiento del uso de este método para reparar los agujeros de soldadura del núcleo de la batería es extremadamente alta;
④El sistema es simple, y la depuración y el mantenimiento del equipo son simples.
3. La era 3.0 de la tecnología de soldadura láser de cubiertas superiores
Velocidad de soldadura: 300 mm/s
A medida que disminuyen los subsidios a las energías renovables, casi toda la cadena de valor de la industria de fabricación de baterías se encuentra en una situación crítica. El sector también ha entrado en un periodo de reestructuración, y la proporción de empresas líderes con ventajas tecnológicas y de escala ha aumentado aún más. Sin embargo, al mismo tiempo, la mejora de la calidad, la reducción de costes y el aumento de la eficiencia se convertirán en la prioridad de muchas empresas.
En un período de subsidios bajos o inexistentes, solo mediante mejoras tecnológicas progresivas, una mayor eficiencia de producción, la reducción del costo de fabricación de cada batería y la mejora de la calidad del producto podremos tener una oportunidad adicional de ganar en la competencia.
Han's Laser continúa invirtiendo en investigación sobre tecnología de soldadura de alta velocidad para las tapas superiores de las celdas de batería. Además de los diversos métodos de procesamiento mencionados anteriormente, también estudia tecnologías avanzadas como la soldadura láser por puntos anulares y la soldadura láser por galvanómetro para las tapas superiores de las celdas de batería.
Para mejorar aún más la eficiencia de producción, explore la tecnología de soldadura de cubierta superior a 300 mm/s y velocidades superiores. Han's Laser estudió el sellado de soldadura láser de galvanómetro de escaneo en 2017-2018, superando las dificultades técnicas de la difícil protección de gas de la pieza de trabajo durante la soldadura de galvanómetro y el efecto deficiente de formación de la superficie de soldadura, y logrando 400-500 mm/s.soldadura láserde la tapa superior de la celda. Soldar una batería 26148 solo lleva 1 segundo.
Sin embargo, debido a su alta eficiencia, resulta extremadamente difícil desarrollar equipos de apoyo que igualen dicha eficiencia, y el costo de estos equipos es elevado. Por lo tanto, no se llevó a cabo ningún desarrollo comercial adicional para esta solución.
Con el desarrollo posterior deláser de fibraSe han lanzado nuevos láseres de fibra de alta potencia con tecnología avanzada que pueden generar directamente puntos de luz en forma de anillo. Este tipo de láser puede generar puntos láser en forma de anillo a través de fibras ópticas multicapa especiales, y la forma del punto y la distribución de potencia se pueden ajustar, como se muestra en la figura.
Soldaduras obtenidas bajo diferentes trayectorias de oscilación.
Mediante ajustes, la distribución de la densidad de potencia del láser puede adoptar una forma de punto-anillo-sombrero de copa. Este tipo de láser se denomina Corona, como se muestra en la figura.
Rayo láser ajustable (respectivamente: luz central, luz central + luz anular, luz anular, dos luces anulares)
En 2018, se probó la aplicación de múltiples láseres de este tipo en la soldadura de tapas superiores de celdas de baterías de aluminio, y, basándose en el láser Corona, se inició la investigación sobre la solución de tecnología de proceso 3.0 para la soldadura láser de dichas tapas. Cuando el láser Corona emite en modo de anillo puntual, las características de distribución de densidad de potencia de su haz de salida son similares a las de la salida compuesta de un láser de semiconductor + fibra.
Durante el proceso de soldadura, el punto central de luz con alta densidad de potencia forma un orificio para una soldadura de penetración profunda, lo que permite obtener una penetración suficiente (similar a la salida del láser de fibra en la solución de soldadura híbrida). La luz anular proporciona una mayor entrada de calor, agranda el orificio, reduce el impacto del vapor metálico y el plasma sobre el metal líquido en el borde del orificio, disminuye las salpicaduras de metal resultantes y aumenta el tiempo del ciclo térmico de la soldadura, lo que ayuda a que el gas en el baño de fusión escape durante más tiempo, mejorando la estabilidad de los procesos de soldadura de alta velocidad (similar a la salida de los láseres semiconductores en las soluciones de soldadura híbrida).
En la prueba, soldamos baterías de carcasa de paredes delgadas y descubrimos que la uniformidad del tamaño de la soldadura era buena y la capacidad del proceso CPK era buena, como se muestra en la Figura 18.
Aspecto de la soldadura de la tapa superior de la batería con un espesor de pared de 0,8 mm (velocidad de soldadura de 300 mm/s).
En cuanto al hardware, a diferencia de la solución de soldadura híbrida, esta solución es sencilla y no requiere dos láseres ni un cabezal de soldadura híbrido especial. Solo necesita un cabezal de soldadura láser común de alta potencia (ya que una sola fibra óptica emite un láser de una sola longitud de onda, la estructura de la lente es simple, no requiere ajustes y la pérdida de potencia es baja), lo que facilita la depuración y el mantenimiento, y mejora considerablemente la estabilidad del equipo.
Además de la sencillez del sistema de la solución de hardware y de cumplir con los requisitos del proceso de soldadura de alta velocidad de la tapa superior de la celda de la batería, esta solución presenta otras ventajas en las aplicaciones de proceso.
En la prueba, soldamos la tapa superior de la batería a una alta velocidad de 300 mm/s y aun así obtuvimos buenos resultados en la formación de la costura de soldadura. Además, para carcasas con diferentes espesores de pared de 0,4, 0,6 y 0,8 mm, con solo ajustar el modo de salida del láser, se puede realizar una buena soldadura. Sin embargo, para soluciones de soldadura híbrida láser de doble longitud de onda, es necesario cambiar la configuración óptica del cabezal de soldadura o del láser, lo que conlleva mayores costos de equipo y tiempo de depuración.
Por lo tanto, el punto del anillo de puntossoldadura láserEsta solución no solo permite soldar la tapa superior a una velocidad ultrarrápida de 300 mm/s y mejora la eficiencia de producción de las baterías. Para las empresas fabricantes de baterías que necesitan cambios frecuentes de modelo, esta solución también mejora significativamente la calidad de los equipos y productos, así como la compatibilidad, reduciendo el tiempo de cambio de modelo y depuración.
Aspecto de la soldadura de la tapa superior de la batería con un espesor de pared de 0,4 mm (velocidad de soldadura de 300 mm/s).
Aspecto de la soldadura de la tapa superior de la batería con un espesor de pared de 0,6 mm (velocidad de soldadura de 300 mm/s).
Penetración de soldadura láser corona para soldadura de celdas de pared delgada: capacidades del proceso
Además del láser Corona mencionado anteriormente, los láseres AMB y ARM tienen características de salida óptica similares y pueden utilizarse para resolver problemas como la reducción de salpicaduras en la soldadura láser, la mejora de la calidad de la superficie de la soldadura y la mejora de la estabilidad de la soldadura a alta velocidad.
4. Resumen
Las diversas soluciones mencionadas anteriormente son utilizadas en la producción real por empresas nacionales y extranjeras fabricantes de baterías de litio. Debido a los diferentes tiempos de producción y las distintas bases técnicas, se emplean diversas soluciones de proceso en la industria, pero las empresas exigen mayor eficiencia y calidad. La mejora continua es constante, y las empresas líderes en tecnología pronto aplicarán nuevas tecnologías.
La industria china de baterías de nueva energía comenzó relativamente tarde y se ha desarrollado rápidamente impulsada por las políticas nacionales. Las tecnologías relacionadas han seguido avanzando gracias al esfuerzo conjunto de toda la cadena de valor, reduciendo significativamente la brecha con las principales empresas internacionales. Como fabricante nacional de equipos para baterías de litio, Maven también explora constantemente sus áreas de ventaja competitiva, facilitando la mejora continua de los equipos para baterías y ofreciendo mejores soluciones para la producción automatizada de módulos de baterías para almacenamiento de energía de nueva energía.
Fecha de publicación: 19 de septiembre de 2023
