Litiumbatterier med fyrkantiga aluminiumskal har många fördelar som enkel struktur, bra slagtålighet, hög energitäthet och stor cellkapacitet. De har alltid varit huvudriktningen för tillverkning och utveckling av inhemska litiumbatterier, och står för mer än 40% av marknaden.
Strukturen på det fyrkantiga aluminiumhöljet litiumbatteri är som visas i figuren, som består av batterikärna (positiva och negativa elektrodskivor, separator), elektrolyt, skal, topplock och andra komponenter.
Fyrkantigt aluminiumskal med litiumbatteristruktur
Under tillverknings- och monteringsprocessen av fyrkantiga litiumbatterier av aluminiumskal, har ett stort antallasersvetsningprocesser krävs, såsom: svetsning av mjuka anslutningar av battericeller och täckplåtar, täckplåtssvetsning, tätande spiksvetsning etc. Lasersvetsning är den huvudsakliga svetsmetoden för prismatiska kraftbatterier. På grund av sin höga energitäthet, goda kraftstabilitet, höga svetsprecision, lätta systematiska integration och många andra fördelar,lasersvetsningär oersättlig i produktionsprocessen av prismatiska litiumbatterier av aluminiumskal. roll.
Maven 4-axlig automatisk galvanometerplattformfiberlasersvetsmaskin
Svetssömmen på topplocktätningen är den längsta svetssömmen i det fyrkantiga aluminiumskalbatteriet, och det är också svetssömmen som tar längst tid att svetsa. Under de senaste åren har tillverkningsindustrin för litiumbatterier utvecklats snabbt, och topplockets tätningslasersvetsningsteknik och dess utrustningsteknik har också utvecklats snabbt. Baserat på utrustningens olika svetshastighet och prestanda, delar vi grovt in topphöljets lasersvetsutrustning och processer i tre epoker. De är 1.0-eran (2015-2017) med svetshastighet <100 mm/s, 2.0-eran (2017-2018) med 100-200 mm/s och 3.0-eran (2019-) med 200-300 mm/s. Följande kommer att introducera utvecklingen av teknik längs tidens väg:
1. 1.0-eran av lasersvetsteknik för topphölje
Svetshastighet＜100 mm/s
Från 2015 till 2017 började inhemska nya energifordon explodera drivna av policyer, och batteriindustrin började expandera. Teknikackumuleringen och talangreserverna hos inhemska företag är dock fortfarande relativt små. Relaterade batteritillverkningsprocesser och utrustningsteknologier är också i sin linda, och graden av utrustningsautomatisering Relativt låg har utrustningstillverkare precis börjat uppmärksamma kraftbatteritillverkning och öka investeringarna i forskning och utveckling. I detta skede är branschens produktionseffektivitetskrav för lasertätningsutrustning för fyrkantiga batterier vanligtvis 6-10PPM. Utrustningslösningen använder vanligtvis en 1kw fiberlaser för att sända genom en vanliglasersvetshuvud(som visas på bilden), och svetshuvudet drivs av en servoplattformsmotor eller en linjärmotor. Rörelse och svetsning, svetshastighet 50-100mm/s.
Använda 1kw laser för att svetsa batterikärnan topplocket
I denlasersvetsningprocess, på grund av den relativt låga svetshastigheten och den relativt långa termiska cykeltiden för svetsen, har den smälta poolen tillräckligt med tid att flyta och stelna, och skyddsgasen kan bättre täcka den smälta poolen, vilket gör det enkelt att få en jämn och hel yta, svetsar med god konsistens, som visas nedan.
Svetssömsformning för låghastighetssvetsning av topplocket
När det gäller utrustning, även om produktionseffektiviteten inte är hög, är utrustningsstrukturen relativt enkel, stabiliteten är god och utrustningskostnaden är låg, vilket väl uppfyller behoven för industriutveckling i detta skede och lägger grunden för efterföljande tekniska utveckling. .
Även om topplockets tätningssvetsning 1.0-eran har fördelarna med enkel utrustningslösning, låg kostnad och god stabilitet. Men dess inneboende begränsningar är också mycket uppenbara. Utrustningsmässigt kan motorns drivförmåga inte möta kravet på ytterligare hastighetsökning; i termer av teknik, att helt enkelt öka svetshastigheten och lasereffekten för att ytterligare påskynda kommer att orsaka instabilitet i svetsprocessen och en minskning av utbytet: hastighetsökning förkortar svetsens termiska cykeltid, och metallen Smältprocessen är mer intensiv, stänken ökar, anpassningsförmågan till föroreningar blir sämre och det är mer sannolikt att stänkhål bildas. Samtidigt förkortas stelningstiden för den smälta poolen, vilket gör att svetsytan blir grov och konsistensen minskar. När laserpunkten är liten är värmetillförseln inte stor och stänken kan reduceras, men svetsens djup-till-breddförhållande är stort och svetsbredden är inte tillräcklig; när laserpunkten är stor, behöver större lasereffekt tillföras för att öka svetsbredden. Stora, men samtidigt kommer det att leda till ökat svetsstänk och dålig ytformningskvalitet på svetsen. Under den tekniska nivån i detta skede innebär ytterligare snabbhet att utbyte måste bytas ut mot effektivitet, och kraven på uppgradering av utrustning och processteknik har blivit industrikrav.
2. Topplockets 2.0-eralasersvetsningteknologi
Svetshastighet 200mm/s
2016 var Kinas installerade kapacitet för bilbatterier cirka 30,8 GWh, 2017 var den cirka 36 GWh, och 2018, inledde en ytterligare explosion, nådde den installerade kapaciteten 57 GWh, en ökning med 57 % från år till år. Nya energibilar producerade också nästan en miljon, en ökning med 80,7 % jämfört med föregående år. Bakom explosionen i installerad kapacitet ligger frigörandet av tillverkningskapacitet för litiumbatterier. Nya energibatterier för personbilar står för mer än 50 % av den installerade kapaciteten, vilket också innebär att branschens krav på batteriprestanda och kvalitet kommer att bli allt strängare, och de åtföljande förbättringarna av tillverkningsutrustningsteknik och processteknik har också gått in i en ny era : för att möta kraven på produktionskapacitet i en rad måste produktionskapaciteten för lasersvetsutrustning för topplock ökas till 15-20PPM, och desslasersvetsninghastigheten måste nå 150-200 mm/s. Därför, när det gäller drivmotorer, har olika utrustningstillverkare. Den linjära motorplattformen har uppgraderats så att dess rörelsemekanism uppfyller kraven för rörelseprestanda för rektangulär bana 200 mm/s svetsning med jämn hastighet; hur man säkerställer svetskvalitet under höghastighetssvetsning kräver dock ytterligare processgenombrott, och företag i branschen har genomfört många undersökningar och studier: Jämfört med 1.0-eran är problemet med höghastighetssvetsning i 2.0-eran: vanliga fiberlasrar för att mata ut en enda punktljuskälla genom vanliga svetshuvuden, valet är svårt att uppfylla kravet på 200 mm/s.
I den ursprungliga tekniska lösningen kan svetsformningseffekten endast kontrolleras genom att konfigurera alternativ, justera punktstorleken och justera grundläggande parametrar som laserkraft: när du använder en konfiguration med en mindre punkt kommer nyckelhålet i svetsbassängen att vara litet , blir poolformen instabil och svetsningen blir instabil. Sömsmältningsbredden är också relativt liten; när du använder en konfiguration med en större ljuspunkt kommer nyckelhålet att öka, men svetseffekten kommer att ökas avsevärt, och sprut- och spränghålshastigheterna kommer att öka betydligt.
Teoretiskt, om du vill säkerställa den svetsbildande effekten av hög hastighetlasersvetsningav topplocket måste du uppfylla följande krav:
① Svetssömmen har tillräcklig bredd och förhållandet mellan svetssömsdjup och bredd är lämpligt, vilket kräver att ljuskällans värmeverkansområde är tillräckligt stort och svetslinjeenergin ligger inom ett rimligt område;
② Svetsen är slät, vilket kräver att den termiska cykeltiden för svetsen är tillräckligt lång under svetsprocessen så att den smälta poolen har tillräcklig flytbarhet och svetsen stelnar till en slät metallsvets under skydd av den skyddande gasen;
③ Svetssömmen har bra konsistens och få porer och hål. Detta kräver att lasern under svetsprocessen verkar stabilt på arbetsstycket, och högenergistråleplasman genereras kontinuerligt och verkar på insidan av den smälta poolen. Den smälta poolen producerar "nyckel" under plasmareaktionskraften. "hål", nyckelhålet är tillräckligt stort och tillräckligt stabilt, så att den alstrade metallångan och plasman inte är lätt att mata ut och få ut metalldroppar, vilket bildar stänk, och den smälta poolen runt nyckelhålet är inte lätt att kollapsa och involvera gas . Även om främmande föremål bränns under svetsprocessen och gaser släpps ut explosivt, är ett större nyckelhål mer gynnsamt för utsläpp av explosiva gaser och minskar metallstänk och hål som bildas.
Som svar på ovanstående punkter har batteritillverkningsföretag och utrustningstillverkande företag i branschen gjort olika försök och metoder: Tillverkning av litiumbatterier har utvecklats i Japan i decennier, och relaterad tillverkningsteknik har tagit ledningen.
2004, när fiberlasertekniken ännu inte hade tillämpats i stor utsträckning kommersiellt, använde Panasonic LD-halvledarlasrar och pulslampspumpade YAG-lasrar för blandad uteffekt (schemat visas i figuren nedan).
Schema över multilaserhybridsvetsteknik och svetshuvudstruktur
Ljusfläcken med hög effekttäthet som genereras av den pulsadeYAG lasermed en liten fläck används för att verka på arbetsstycket för att generera svetshål för att erhålla tillräcklig svetspenetration. Samtidigt används LD-halvledarlasern för att tillhandahålla CW kontinuerlig laser för att förvärma och svetsa arbetsstycket. Den smälta poolen under svetsprocessen ger mer energi för att erhålla större svetshål, öka svetsfogens bredd och förlänga stängningstiden för svetshålen, vilket hjälper gasen i den smälta poolen att fly och minskar svetsens porositet söm, som visas nedan
Schematiskt diagram av hybridlasersvetsning
Genom att tillämpa denna teknik,YAG-lasraroch LD-lasrar med bara några hundra watts effekt kan användas för att svetsa tunna litiumbatterihöljen med en hög hastighet på 80 mm/s. Svetseffekten är som visas i figuren.
Svetsmorfologi under olika processparametrar
Med utvecklingen och framväxten av fiberlasrar har fiberlasrar gradvis ersatt pulsade YAG-lasrar vid lasermetallbearbetning på grund av deras många fördelar såsom god strålkvalitet, hög fotoelektrisk konverteringseffektivitet, lång livslängd, enkelt underhåll och hög effekt.
Därför har laserkombinationen i ovanstående laserhybridsvetslösning utvecklats till en fiberlaser + LD-halvledarlaser, och lasern matas även koaxiellt ut genom ett speciellt bearbetningshuvud (svetshuvudet visas i figur 7). Under svetsprocessen är laserverkansmekanismen densamma.
Kompositlasersvetsfog
I denna plan pulsadeYAG laserersätts av en fiberlaser med bättre strålkvalitet, större effekt och kontinuerlig effekt, vilket kraftigt ökar svetshastigheten och erhåller bättre svetskvalitet (svetseffekten visas i figur 8). Denna plan också Därför är det gynnat av vissa kunder. För närvarande har den här lösningen använts vid tillverkning av tätningssvetsning av batteritopplock och kan nå en svetshastighet på 200 mm/s.
Utseende av topplocksvets genom hybridlasersvetsning
Även om lasersvetsningslösningen med dubbla våglängder löser svetsstabiliteten för höghastighetssvetsning och uppfyller svetskvalitetskraven för höghastighetssvetsning av battericellslock, finns det fortfarande några problem med denna lösning ur utrustningens och processens perspektiv.
För det första är hårdvarukomponenterna i denna lösning relativt komplexa och kräver användning av två olika typer av lasrar och speciella lasersvetsfogar med dubbla våglängder, vilket ökar investeringskostnaderna för utrustning, ökar svårigheten att underhålla utrustningen och ökar potentiella utrustningsfel poäng;
För det andra, den dubbla våglängdenlasersvetsningled som används är sammansatt av flera uppsättningar linser (se figur 4). Effektförlusten är större än för vanliga svetsfogar, och linsens position måste justeras till lämplig position för att säkerställa koaxialutgången från dubbelvåglängdslasern. Och med fokus på ett fast fokusplan, långvarig höghastighetsdrift, kan linsens position lossna, vilket orsakar förändringar i den optiska banan och påverkar svetskvaliteten, vilket kräver manuell omjustering;
För det tredje, under svetsning är laserreflektion allvarlig och kan lätt skada utrustning och komponenter. Speciellt vid reparation av defekta produkter reflekterar den släta svetsytan en stor mängd laserljus, vilket lätt kan orsaka ett laserlarm, och bearbetningsparametrarna måste justeras för reparation.
För att lösa ovanstående problem måste vi hitta ett annat sätt att utforska. Under 2017-2018 studerade vi högfrekvenssvängningenlasersvetsningteknologin för batterilocket och främjade det till produktionsapplikation. Högfrekvent svängsvetsning med laserstråle (nedan kallad svängsvetsning) är en annan aktuell höghastighetssvetsprocess på 200 mm/s.
Jämfört med hybridlasersvetslösningen kräver hårdvarudelen av denna lösning endast en vanlig fiberlaser kopplad till ett oscillerande lasersvetshuvud.
wobble wobble svetshuvud
Det finns en motordriven reflekterande lins inuti svetshuvudet, som kan programmeras för att styra lasern att svänga enligt den designade banatypen (vanligtvis cirkulär, S-formad, 8-formad, etc.), svängamplitud och frekvens. Olika svängparametrar kan göra svetstvärsnittet Finns i olika former och olika storlekar.
Svetsar erhållna under olika svängbanor
Det högfrekventa svängsvetshuvudet drivs av en linjär motor för att svetsa längs gapet mellan arbetsstyckena. Beroende på cellskalets väggtjocklek väljs den lämpliga svängbanan och amplituden. Under svetsning kommer den statiska laserstrålen endast att bilda ett V-format svetstvärsnitt. Emellertid, driven av svängsvetshuvudet, svänger strålpunkten med hög hastighet på fokalplanet, och bildar ett dynamiskt och roterande svetsnyckelhål, som kan erhålla ett lämpligt förhållande mellan svetsdjup och bredd;
Det roterande svetsnyckelhålet rör om svetsen. Å ena sidan hjälper det gasen att fly och minskar svetsporerna och har en viss effekt på att reparera hålen i svetsexplosionspunkten (se figur 12). Å andra sidan värms och kyls svetsmetallen på ett ordnat sätt. Cirkulationen gör att svetsytan framstår som ett regelbundet och ordnat fiskfjällmönster.
Formning av svängsvetssöm
Anpassning av svetsar till färgföroreningar under olika svängningsparametrar
Ovanstående punkter uppfyller de tre grundläggande kvalitetskraven för höghastighetssvetsning av topplocket. Denna lösning har andra fördelar:
① Eftersom det mesta av laserkraften injiceras i det dynamiska nyckelhålet, reduceras den externa spridda lasern, så att endast en mindre lasereffekt behövs, och svetsvärmetillförseln är relativt låg (30 % mindre än kompositsvetsning), vilket minskar utrustningen förlust och energiförlust;
② Svängsvetsmetoden har hög anpassningsförmåga till monteringskvaliteten för arbetsstycken och minskar defekter som orsakas av problem som monteringssteg;
③ Svängsvetsmetoden har en stark reparationseffekt på svetshål, och utbytet för att använda denna metod för att reparera svetshål i batterikärnan är extremt hög;
④Systemet är enkelt, och utrustningens felsökning och underhåll är enkelt.
3. 3.0-eran av lasersvetsteknik för topplock
Svetshastighet 300mm/s
När nya energisubventioner fortsätter att minska har nästan hela industrikedjan inom batteritillverkningsindustrin fallit i ett rött hav. Branschen har också gått in i en ombildningsperiod och andelen ledande företag med skalfördelar och tekniska fördelar har ökat ytterligare. Men samtidigt kommer "att förbättra kvaliteten, minska kostnaderna och öka effektiviteten" att bli huvudtemat för många företag.
Under perioden med låga eller inga subventioner kan vi bara genom att uppnå iterativa uppgraderingar av teknik, uppnå högre produktionseffektivitet, minska tillverkningskostnaden för ett enskilt batteri och förbättra produktkvaliteten ha en extra chans att vinna i tävlingen.
Han's Laser fortsätter att investera i forskning om höghastighetssvetsteknik för battericellslock. Utöver de flera processmetoder som introducerats ovan, studerar den även avancerade teknologier såsom ringformig punktlasersvetsteknik och galvanometerlasersvetsteknik för battericellslock.
För att ytterligare förbättra produktionseffektiviteten, utforska topplocksvetsteknik vid 300 mm/s och högre hastighet. Han's Laser studerade scanning galvanometer lasersvetsning 2017-2018, bröt igenom de tekniska svårigheterna med svårt gasskydd av arbetsstycket under galvanometersvetsning och dålig svetsytbildningseffekt, och uppnådde 400-500 mm/slasersvetsningav cellöverdelen. Svetsning tar bara 1 sekund för ett 26148-batteri.
På grund av den höga effektiviteten är det dock extremt svårt att utveckla stödutrustning som matchar effektiviteten och utrustningskostnaden är hög. Därför genomfördes ingen ytterligare kommersiell applikationsutveckling för denna lösning.
Med vidareutvecklingen avfiberlaserteknologi har nya högeffektfiberlasrar som direkt kan mata ut ringformade ljuspunkter lanserats. Denna typ av laser kan mata ut punktringlaserfläckar genom speciella optiska flerskiktsfibrer, och punktformen och effektfördelningen kan justeras, som visas i figuren
Svetsar erhållna under olika svängbanor
Genom justering kan laserns effekttäthetsfördelning göras till en spot-donut-tophat-form. Denna typ av laser heter Corona, som visas i figuren.
Justerbar laserstråle (respektive: mittljus, mittljus + ringljus, ringljus, två ringljus)
Under 2018 testades tillämpningen av flera lasrar av denna typ vid svetsning av battericelltopplock av aluminiumskal, och baserat på Corona-lasern lanserades forskning om 3.0-processteknologilösningen för lasersvetsning av battericelltoppkåpor. När Corona-lasern utför punkt-ringlägesutmatning, liknar effektdensitetsfördelningsegenskaperna för dess utgående stråle den sammansatta utsignalen från en halvledare + fiberlaser.
Under svetsprocessen bildar mittpunktsljuset med hög effekttäthet ett nyckelhål för djup penetrationssvetsning för att erhålla tillräcklig svetspenetration (liknande uteffekten från fiberlasern i hybridsvetslösningen), och ringljuset ger större värmetillförsel , förstora nyckelhålet, minska inverkan av metallånga och plasma på den flytande metallen vid kanten av nyckelhålet, minska det resulterande metallstänket och öka svetsens termiska cykeltid, vilket hjälper gasen i den smälta poolen att fly under en längre tid, förbättrar stabiliteten i höghastighetssvetsprocesser (liknande uteffekten av halvledarlasrar i hybridsvetslösningar).
I testet svetsade vi tunnväggiga skalbatterier och fann att svetsstorlekskonsistensen var god och processförmågan CPK var god, som visas i figur 18.
Utseende av svetsning av batterilocket med väggtjocklek 0,8 mm (svetshastighet 300 mm/s)
Hårdvarumässigt, till skillnad från hybridsvetslösningen, är denna lösning enkel och kräver inte två lasrar eller ett speciellt hybridsvetshuvud. Det kräver bara ett vanligt vanligt högeffektlasersvetshuvud (eftersom endast en optisk fiber matar ut en laser med en enda våglängd, linsstrukturen är enkel, ingen justering krävs och effektförlusten är låg), vilket gör det enkelt att felsöka och underhålla , och utrustningens stabilitet är avsevärt förbättrad.
Förutom det enkla systemet för hårdvarulösningen och uppfylla kraven på höghastighetssvetsprocessen för battericellens topplock, har denna lösning andra fördelar i processtillämpningar.
I testet svetsade vi batteriets topplock med en hög hastighet på 300 mm/s, och uppnådde fortfarande goda svetssömsbildande effekter. Dessutom, för skal med olika väggtjocklekar på 0,4, 0,6 och 0,8 mm, endast genom att helt enkelt justera laserutgångsläget, kan bra svetsning utföras. För hybridsvetslösningar med dubbla våglängder är det dock nödvändigt att ändra den optiska konfigurationen av svetshuvudet eller lasern, vilket kommer att medföra högre utrustningskostnader och kostnader för felsökningstid.
Därför punkt-ring platslasersvetsningLösningen kan inte bara uppnå ultrahöghastighetssvetsning av topplocket vid 300 mm/s och förbättra produktionseffektiviteten för kraftbatterier. För batteritillverkande företag som behöver frekventa modellbyten kan denna lösning också avsevärt förbättra kvaliteten på utrustning och produkter. kompatibilitet, förkortar modellbytet och felsökningstiden.
Utseende av svetsning av batterilocket med väggtjocklek 0,4 mm (svetshastighet 300 mm/s)
Utseende av svetsning av batterilocket med väggtjocklek 0,6 mm (svetshastighet 300 mm/s)
Corona-lasersvetsgenomträngning för tunnväggssvetsning – Processkapacitet
Förutom Corona-lasern som nämns ovan, har AMB-lasrar och ARM-lasrar liknande optiska utdataegenskaper och kan användas för att lösa problem som att förbättra lasersvetsstänk, förbättra svetsytans kvalitet och förbättra svetsstabiliteten vid hög hastighet.
4. Sammanfattning
De olika lösningarna som nämns ovan används alla i faktisk produktion av inhemska och utländska litiumbatteritillverkningsföretag. På grund av olika produktionstid och olika tekniska bakgrunder används olika processlösningar flitigt i branschen, men företag har högre krav på effektivitet och kvalitet. Det förbättras ständigt och fler nya teknologier kommer snart att tillämpas av företag i teknikens framkant.
Kinas nya energibatteriindustri startade relativt sent och har utvecklats snabbt driven av nationell politik. Relaterade teknologier har fortsatt att utvecklas med gemensamma ansträngningar från hela branschkedjan och har avsevärt kortat avståndet till enastående internationella företag. Som en inhemsk tillverkare av litiumbatteriutrustning, utforskar Maven också ständigt sina egna fördelar, hjälper till med iterativa uppgraderingar av batteripaketutrustning och tillhandahåller bättre lösningar för automatiserad produktion av nya energilagringsbatterimodulpaket.
Posttid: 2023-09-19
