Firkantede aluminiumsskall litiumbatterier har mange fordeler som enkel struktur, god slagfasthet, høy energitetthet og stor cellekapasitet. De har alltid vært hovedretningen for innenlandsk produksjon og utvikling av litiumbatterier, og står for mer enn 40% av markedet.
Strukturen til det firkantede aluminiumsskalllitiumbatteriet er som vist på figuren, som består av batterikjerne (positive og negative elektrodeark, separator), elektrolytt, skall, toppdeksel og andre komponenter.
Firkantet aluminiumsskall litiumbatteristruktur
Under produksjons- og monteringsprosessen av firkantede aluminiumsskall litiumbatterier, et stort antalllasersveisingdet kreves prosesser, som: sveising av myke koblinger av battericeller og dekkplater, dekkplate-tetningssveising, forsegling av spikersveising osv. Lasersveising er hovedsveisemetoden for prismatiske kraftbatterier. På grunn av sin høye energitetthet, gode kraftstabilitet, høye sveisepresisjon, enkel systematisk integrasjon og mange andre fordeler,lasersveisinger uerstattelig i produksjonsprosessen av prismatiske aluminiumsskall litiumbatterier. rolle.
Maven 4-akset automatisk galvanometerplattformfiber laser sveisemaskin
Sveisesømmen til toppdekselpakningen er den lengste sveisesømmen i det firkantede aluminiumsskallbatteriet, og det er også sveisesømmen som bruker lengst tid å sveise. De siste årene har produksjonsindustrien for litiumbatterier utviklet seg raskt, og toppdekselforseglingslasersveisingsteknologien og utstyrsteknologien har også utviklet seg raskt. Basert på ulik sveisehastighet og ytelse til utstyret deler vi grovt sett inn toppdeksellasersveiseutstyret og -prosessene i tre epoker. De er 1.0-epoken (2015-2017) med sveisehastighet <100 mm/s, 2.0-tiden (2017-2018) med 100-200 mm/s, og 3.0-tiden (2019-) med 200-300 mm/s. Følgende vil introdusere utviklingen av teknologi langs tidens vei:
1. 1.0-æraen for toppdeksellasersveiseteknologi
Sveisehastighet＜100 mm/s
Fra 2015 til 2017 begynte innenlandske nye energikjøretøyer å eksplodere drevet av politikk, og strømbatteriindustrien begynte å ekspandere. Imidlertid er teknologiakkumuleringen og talentreservene til innenlandske bedrifter fortsatt relativt små. Relaterte batteriproduksjonsprosesser og utstyrsteknologier er også i sin spede begynnelse, og graden av utstyrsautomatisering Relativt lav har utstyrsprodusenter nettopp begynt å ta hensyn til kraftbatteriproduksjon og øke investeringene i forskning og utvikling. På dette stadiet er industriens krav til produksjonseffektivitet for laserforseglingsutstyr for kvadratisk batteri vanligvis 6-10PPM. Utstyrsløsningen bruker vanligvis en 1kw fiberlaser for å sende ut gjennom en ordinærlaser sveisehode(som vist på bildet), og sveisehodet drives av en servoplattformmotor eller en lineærmotor. Bevegelse og sveising, sveisehastighet 50-100mm/s.
Bruke 1kw laser for å sveise toppdekselet til batterikjernen
Ilasersveisingprosess, på grunn av den relativt lave sveisehastigheten og den relativt lange termiske syklustiden til sveisen, har smeltebassenget nok tid til å flyte og størkne, og beskyttelsesgassen kan bedre dekke det smeltede bassenget, noe som gjør det enkelt å oppnå en jevn og hel overflate, sveiser med god konsistens, som vist nedenfor.
Sveisesømforming for lavhastighetssveising av toppdeksel
Når det gjelder utstyr, selv om produksjonseffektiviteten ikke er høy, er utstyrsstrukturen relativt enkel, stabiliteten er god og utstyrskostnaden er lav, noe som godt tilfredsstiller behovene til industriutvikling på dette stadiet og legger grunnlaget for påfølgende teknologisk utvikling. ?
Selv om toppdekselets forseglingssveising 1.0-æra har fordelene med enkel utstyrsløsning, lav pris og god stabilitet. Men dens iboende begrensninger er også veldig åpenbare. Utstyrsmessig kan ikke motorens kjørekapasitet møte kravet om ytterligere hastighetsøkning; når det gjelder teknologi, vil bare å øke sveisehastigheten og lasereffekten for å øke hastigheten føre til ustabilitet i sveiseprosessen og en reduksjon i utbytte: hastighetsøkning forkorter den termiske sveisesyklustiden, og metallet Smelteprosessen er mer intens, spruten øker, tilpasningsevnen til urenheter blir dårligere, og det er mer sannsynlig at det dannes spruthull. Samtidig forkortes størkningstiden til smeltebassenget, noe som vil føre til at sveiseoverflaten blir ru og konsistensen reduseres. Når laserpunktet er lite, er varmetilførselen ikke stor og sprut kan reduseres, men dybde-til-bredde-forholdet til sveisen er stort og sveisebredden er ikke nok; når laserpunktet er stort, må større laserkraft tilføres for å øke sveisens bredde. Store, men samtidig vil det føre til økt sveisesprut og dårlig overflatedannende kvalitet på sveisen. Under det tekniske nivået på dette stadiet betyr ytterligere fremskyndelse at yield må byttes mot effektivitet, og oppgraderingskravene til utstyr og prosessteknologi er blitt industrikrav.
2. Toppdekselets 2.0-æralasersveisingteknologi
Sveisehastighet 200mm/s
I 2016 var Kinas installerte kapasitet for bilbatterier omtrent 30,8 GWh, i 2017 var den omtrent 36 GWh, og i 2018, innledet en ytterligere eksplosjon, nådde den installerte kapasiteten 57 GWh, en år-til-år økning på 57 %. Nye energipassasjerbiler produserte også nesten én million, en år-til-år økning på 80,7 %. Bak eksplosjonen i installert kapasitet ligger frigjøringen av produksjonskapasiteten for litiumbatterier. Nye energibatterier til personbiler står for mer enn 50 % av den installerte kapasiteten, noe som også betyr at bransjens krav til batteriytelse og kvalitet vil bli stadig strengere, og de medfølgende forbedringene innen produksjonsutstyrsteknologi og prosessteknologi har også gått inn i en ny æra : For å møte kravene til en-linje produksjonskapasitet, må produksjonskapasiteten til toppdeksellasersveiseutstyr økes til 15-20PPM, og denslasersveisinghastigheten må nå 150-200 mm/s. Derfor, når det gjelder drivmotorer, har ulike utstyrsprodusenter. Den lineære motorplattformen har blitt oppgradert slik at dens bevegelsesmekanisme oppfyller kravene til bevegelsesytelse for rektangulær bane 200mm/s jevn hastighet sveising; hvordan man sikrer sveisekvalitet under høyhastighetssveising krever imidlertid ytterligere prosessgjennombrudd, og selskaper i industrien har utført mange undersøkelser og studier: Sammenlignet med 1.0-æraen, er problemet med høyhastighetssveising i 2.0-æraen: vanlige fiberlasere for å sende ut en enkeltpunkts lyskilde gjennom vanlige sveisehoder, er utvalget vanskelig å oppfylle 200 mm/s-kravet.
I den originale tekniske løsningen kan sveiseformingseffekten kun kontrolleres ved å konfigurere alternativer, justere punktstørrelsen og justere grunnleggende parametere som laserkraft: når du bruker en konfigurasjon med et mindre punkt, vil nøkkelhullet til sveisebassenget være lite , vil bassengformen være ustabil, og sveisingen vil bli ustabil. Sømfusjonsbredden er også relativt liten; når du bruker en konfigurasjon med en større lysflekk, vil nøkkelhullet øke, men sveisekraften vil økes betydelig, og sprut- og sprengningshullhastigheten økes betydelig.
Teoretisk, hvis du ønsker å sikre sveisedannende effekten av høyhastighetslasersveisingav toppdekselet må du oppfylle følgende krav:
① Sveisesømmen har tilstrekkelig bredde og sveisesømmens dybde-til-bredde-forhold er passende, noe som krever at varmevirkningsområdet til lyskilden er stort nok og sveiselinjeenergien er innenfor et rimelig område;
② Sveisen er glatt, noe som krever at den termiske syklustiden til sveisen er lang nok under sveiseprosessen slik at det smeltede bassenget har tilstrekkelig fluiditet, og sveisen størkner til en jevn metallsveis under beskyttelse av beskyttelsesgassen;
③ Sveisesømmen har god konsistens og få porer og hull. Dette krever at laseren under sveiseprosessen virker stabilt på arbeidsstykket, og høyenergistråleplasmaet genereres kontinuerlig og virker på innsiden av smeltebassenget. Det smeltede bassenget produserer "nøkkel" under plasmareaksjonskraften. "hull", nøkkelhullet er stort nok og stabilt nok, slik at den genererte metalldampen og plasmaen ikke er lett å støte ut og få ut metalldråper, danner sprut, og det smeltede bassenget rundt nøkkelhullet er ikke lett å kollapse og involvere gass . Selv om fremmedlegemer brennes under sveiseprosessen og gasser frigjøres eksplosivt, er et større nøkkelhull mer gunstig for utslipp av eksplosive gasser og reduserer metallsprut og hull som dannes.
Som svar på punktene ovenfor har batteriprodusenter og utstyrsprodusenter i industrien gjort forskjellige forsøk og praksis: Litiumbatteriproduksjon har blitt utviklet i Japan i flere tiår, og relaterte produksjonsteknologier har tatt ledelsen.
I 2004, da fiberlaserteknologi ennå ikke hadde blitt mye kommersielt brukt, brukte Panasonic LD-halvlederlasere og pulslampepumpede YAG-lasere for blandet utgang (skjemaet er vist i figuren nedenfor).
Skjemadiagram av multi-laser hybrid sveiseteknologi og sveisehodestruktur
Lysflekken med høy effekttetthet generert av den pulsedeYAG lasermed en liten flekk brukes til å virke på arbeidsstykket for å generere sveisehull for å oppnå tilstrekkelig sveisegjennomtrengning. Samtidig brukes LD-halvlederlaseren for å gi CW kontinuerlig laser for å forvarme og sveise arbeidsstykket. Det smeltede bassenget under sveiseprosessen gir mer energi for å oppnå større sveisehull, øke bredden på sveisesømmen og forlenge lukketiden til sveisehullene, noe som hjelper gassen i det smeltede bassenget å unnslippe og reduserer porøsiteten til sveisingen. søm, som vist nedenfor
Skjematisk diagram av hybridlasersveising
Ved å bruke denne teknologien,YAG lasereog LD-lasere med bare noen få hundre watt effekt kan brukes til å sveise tynne litiumbatterier med en høy hastighet på 80 mm/s. Sveiseeffekten er som vist på figuren.
Sveisemorfologi under ulike prosessparametere
Med utviklingen og fremveksten av fiberlasere har fiberlasere gradvis erstattet pulsede YAG-lasere i lasermetallbehandling på grunn av deres mange fordeler som god strålekvalitet, høy fotoelektrisk konverteringseffektivitet, lang levetid, enkelt vedlikehold og høy effekt.
Derfor har laserkombinasjonen i den ovennevnte laserhybrid sveiseløsningen utviklet seg til en fiberlaser + LD halvlederlaser, og laseren sendes også koaksialt ut gjennom et spesielt prosesseringshode (sveisehodet er vist i figur 7). Under sveiseprosessen er laservirkningsmekanismen den samme.
Kompositt lasersveiseskjøt
I denne planen pulsetYAG lasererstattes av en fiberlaser med bedre strålekvalitet, større effekt og kontinuerlig effekt, noe som øker sveisehastigheten kraftig og gir bedre sveisekvalitet (sveiseeffekten er vist i figur 8). Denne planen også Derfor er den foretrukket av noen kunder. For tiden har denne løsningen blitt brukt i produksjonen av tetningssveising på toppdekselet, og kan nå en sveisehastighet på 200 mm/s.
Utseende av toppdekselsveis ved hybridlasersveising
Selv om lasersveiseløsningen med dobbel bølgelengde løser sveisestabiliteten til høyhastighetssveising og oppfyller sveisekvalitetskravene til høyhastighetssveising av battericelletoppdeksler, er det fortsatt noen problemer med denne løsningen fra utstyrs- og prosessperspektivet.
For det første er maskinvarekomponentene i denne løsningen relativt komplekse, og krever bruk av to forskjellige typer lasere og spesielle dobbelbølgelengde lasersveiseskjøter, noe som øker utstyrsinvesteringskostnadene, øker vanskeligheten med utstyrsvedlikehold og øker potensiell utstyrsfeil poeng;
For det andre, den doble bølgelengdenlasersveisingleddet som brukes er sammensatt av flere sett med linser (se figur 4). Strømtapet er større enn for vanlige sveiseskjøter, og linseposisjonen må justeres til riktig posisjon for å sikre koaksial utgang fra laseren med dobbel bølgelengde. Og med fokus på et fast fokalplan, langsiktig høyhastighetsdrift, kan posisjonen til linsen bli løs, forårsake endringer i den optiske banen og påvirke sveisekvaliteten, noe som krever manuell omjustering;
For det tredje, under sveising er laserrefleksjon alvorlig og kan lett skade utstyr og komponenter. Spesielt ved reparasjon av defekte produkter reflekterer den glatte sveiseoverflaten en stor mengde laserlys, noe som lett kan forårsake en laseralarm, og behandlingsparametrene må justeres for reparasjon.
For å løse problemene ovenfor, må vi finne en annen måte å utforske på. I 2017-2018 studerte vi høyfrekvenssvingenlasersveisingteknologien til batteridekselet og fremmet det til produksjonsapplikasjon. Høyfrekvent svingsveising med laserstråle (heretter referert til som svingsveising) er en annen nåværende høyhastighetssveiseprosess på 200 mm/s.
Sammenlignet med hybridlasersveiseløsningen krever maskinvaredelen av denne løsningen kun en vanlig fiberlaser kombinert med et oscillerende lasersveisehode.
wobble wobble sveisehode
Det er en motordrevet reflekterende linse inne i sveisehodet, som kan programmeres til å styre laseren til å svinge i henhold til den utformede banetypen (vanligvis sirkulær, S-formet, 8-formet, etc.), svingamplitude og frekvens. Ulike svingparametere kan gjøre sveisetverrsnittet Kommer i forskjellige former og forskjellige størrelser.
Sveiser oppnådd under forskjellige svingbaner
Det høyfrekvente svingsveisehodet drives av en lineær motor for å sveise langs gapet mellom arbeidsstykkene. I henhold til veggtykkelsen til celleskallet velges den passende svingbanetypen og amplituden. Under sveising vil den statiske laserstrålen kun danne et V-formet sveisetverrsnitt. Imidlertid, drevet av svingsveisehodet, svinger strålepunktet med høy hastighet på fokalplanet, og danner et dynamisk og roterende sveisenøkkelhull, som kan oppnå et passende sveisedybde-til-bredde-forhold;
Det roterende sveisenøkkelhullet rører i sveisen. På den ene siden hjelper det gassen til å slippe ut og reduserer sveiseporene, og har en viss effekt på å reparere nålehullene i sveiseeksplosjonspunktet (se figur 12). På den annen side varmes og avkjøles sveisemetallet på en ryddig måte. Sirkulasjonen gjør at overflaten av sveisen fremstår som et regelmessig og ryddig fiskeskjellmønster.
Forming av svingsveisesøm
Tilpasning av sveiser til malingforurensning under forskjellige svingparametere
Punktene ovenfor oppfyller de tre grunnleggende kvalitetskravene for høyhastighetssveising av toppdekselet. Denne løsningen har andre fordeler:
① Siden mesteparten av laserkraften injiseres inn i det dynamiske nøkkelhullet, reduseres den eksterne spredte laseren, så det trengs bare en mindre lasereffekt, og sveisevarmetilførselen er relativt lav (30 % mindre enn sammensatt sveising), noe som reduserer utstyret tap og energitap;
② Svingsveisemetoden har høy tilpasningsevne til monteringskvaliteten til arbeidsstykker og reduserer defekter forårsaket av problemer som monteringstrinn;
③Svingsveisemetoden har en sterk reparasjonseffekt på sveisehull, og utbyttegraden ved å bruke denne metoden til å reparere batterikjernesveisehull er ekstremt høy;
④Systemet er enkelt, og utstyrsfeilsøking og vedlikehold er enkelt.
3. 3.0-æraen for toppdeksellasersveiseteknologi
Sveisehastighet 300mm/s
Ettersom nye energisubsidier fortsetter å avta, har nesten hele industrikjeden til batteriproduksjonsindustrien falt i rødt hav. Bransjen har også gått inn i en omstillingsperiode, og andelen ledende selskaper med skala og teknologiske fortrinn har økt ytterligere. Men samtidig vil "forbedre kvalitet, redusere kostnader og øke effektiviteten" bli hovedtemaet for mange selskaper.
I perioden med lave eller ingen subsidier, bare ved å oppnå iterative oppgraderinger av teknologi, oppnå høyere produksjonseffektivitet, redusere produksjonskostnadene for et enkelt batteri og forbedre produktkvaliteten kan vi ha en ekstra sjanse til å vinne i konkurransen.
Han's Laser fortsetter å investere i forskning på høyhastighets sveiseteknologi for battericelletoppdeksler. I tillegg til de flere prosessmetodene som er introdusert ovenfor, studerer den også avanserte teknologier som ringformet punktlasersveiseteknologi og galvanometerlasersveiseteknologi for battericelletoppdeksler.
For å forbedre produksjonseffektiviteten ytterligere, utforsk toppdekselsveiseteknologi ved 300 mm/s og høyere hastighet. Han's Laser studerte skanningsgalvanometer lasersveising i 2017-2018, og brøt gjennom de tekniske vanskelighetene med vanskelig gassbeskyttelse av arbeidsstykket under galvanometersveising og dårlig sveiseoverflatedannende effekt, og oppnådde 400-500 mm/slasersveisingav celletoppdekselet. Sveising tar bare 1 sekund for et 26148 batteri.
På grunn av den høye effektiviteten er det imidlertid ekstremt vanskelig å utvikle støtteutstyr som matcher effektiviteten, og utstyrskostnadene er høye. Det ble derfor ikke utført ytterligere kommersiell applikasjonsutvikling for denne løsningen.
Med videreutvikling avfiber laserteknologi, har nye høyeffektfiberlasere som direkte kan sende ut ringformede lysflekker blitt lansert. Denne typen laser kan gi punktringlaserflekker gjennom spesielle flerlags optiske fibre, og punktformen og kraftfordelingen kan justeres, som vist i figuren
Sveiser oppnådd under forskjellige svingbaner
Gjennom justering kan laserkrafttetthetsfordelingen gjøres til en spot-donut-tophat-form. Denne typen laser heter Corona, som vist på figuren.
Justerbar laserstråle (henholdsvis: senterlys, senterlys + ringlys, ringlys, to ringlys)
I 2018 ble bruken av flere lasere av denne typen i sveising av battericelletoppdeksler av aluminiumskall testet, og basert på Corona-laseren ble forskning på 3.0 prosessteknologiløsningen for lasersveising av battericelletoppdeksler lansert. Når Corona-laseren utfører punktringmodusutgang, er effekttetthetsfordelingskarakteristikkene til utgangsstrålen lik komposittutgangen til en halvleder + fiberlaser.
Under sveiseprosessen danner midtpunktlyset med høy effekttetthet et nøkkelhull for dyp penetrasjonssveising for å oppnå tilstrekkelig sveiseinntrengning (ligner på utgangen av fiberlaseren i hybridsveiseløsningen), og ringlyset gir større varmetilførsel , forstørre nøkkelhullet, reduser innvirkningen av metalldamp og plasma på det flytende metallet ved kanten av nøkkelhullet, reduser det resulterende metallspruten, og øke sveisens termiske syklustid, noe som hjelper gassen i det smeltede bassenget til å slippe ut i en lengre tid, forbedre stabiliteten til høyhastighets sveiseprosesser (ligner på utgangen av halvlederlasere i hybrid sveiseløsninger).
I testen sveiset vi tynnveggede skallbatterier og fant ut at sveisestørrelseskonsistensen var god og prosesskapasiteten CPK var god, som vist i figur 18.
Utseende til sveising av batteridekselet med veggtykkelse 0,8 mm (sveisehastighet 300 mm/s)
Maskinvaremessig, i motsetning til hybridsveiseløsningen, er denne løsningen enkel og krever ikke to lasere eller et spesielt hybridsveisehode. Det krever bare et vanlig ordinært lasersveisehode med høy effekt (siden bare én optisk fiber gir ut en enkelt bølgelengdelaser, linsestrukturen er enkel, ingen justering er nødvendig, og strømtapet er lavt), noe som gjør det enkelt å feilsøke og vedlikeholde , og stabiliteten til utstyret er kraftig forbedret.
I tillegg til det enkle systemet til maskinvareløsningen og oppfyller kravene til høyhastighetssveiseprosessen til battericellens toppdeksel, har denne løsningen andre fordeler i prosessapplikasjoner.
I testen sveiset vi batteridekselet med en høy hastighet på 300 mm/s, og oppnådde fortsatt gode sveisesømdannende effekter. Dessuten, for skall med forskjellige veggtykkelser på 0,4, 0,6 og 0,8 mm, bare ved å justere laserutgangsmodusen, kan god sveising utføres. For to-bølgelengde laserhybrid sveiseløsninger er det imidlertid nødvendig å endre den optiske konfigurasjonen av sveisehodet eller laseren, noe som vil gi større utstyrskostnader og feilsøkingstidskostnader.
Derfor, punkt-ring spotlasersveisingløsningen kan ikke bare oppnå ultra-høyhastighets toppdekselsveising med 300 mm/s og forbedre produksjonseffektiviteten til strømbatterier. For batteriprodusenter som trenger hyppige modellbytter, kan denne løsningen også forbedre kvaliteten på utstyr og produkter betraktelig. kompatibilitet, forkorte modellbyttet og feilsøkingstiden.
Utseendet til sveising av batteridekselet med veggtykkelse 0,4 mm (sveisehastighet 300 mm/s)
Utseende til sveising av batteridekselet med veggtykkelse 0,6 mm (sveisehastighet 300 mm/s)
Koronalasersveising for tynnveggssveising – prosessegenskaper
I tillegg til Corona-laseren nevnt ovenfor, har AMB-lasere og ARM-lasere lignende optiske utgangsegenskaper og kan brukes til å løse problemer som å forbedre lasersveisesprut, forbedre sveiseoverflatekvaliteten og forbedre høyhastighets sveisestabilitet.
4. Sammendrag
De ulike løsningene nevnt ovenfor brukes alle i faktisk produksjon av innenlandske og utenlandske litiumbatteriprodusenter. På grunn av ulik produksjonstid og ulik teknisk bakgrunn er ulike prosessløsninger mye brukt i industrien, men bedrifter har høyere krav til effektivitet og kvalitet. Det blir stadig bedre, og flere nye teknologier vil snart bli tatt i bruk av selskaper i teknologifronten.
Kinas nye energibatteriindustri startet relativt sent og har utviklet seg raskt drevet av nasjonal politikk. Relaterte teknologier har fortsatt å utvikle seg med felles innsats fra hele industrikjeden, og har omfattende forkortet gapet med fremragende internasjonale selskaper. Som en innenlandsk produsent av litiumbatteriutstyr, utforsker Maven også stadig sine egne fordelsområder, hjelper iterative oppgraderinger av batteripakkeutstyr og gir bedre løsninger for automatisert produksjon av nye energilagringsbatterimodulpakker.
Innleggstid: 19. september 2023
