Slika 1: Lasersko zavarivanje modula cilindričnih litijum{1}}jonskih baterija. (Izvor slike: Photon Automation)
Cilindrične litijum{0}}ionske baterije (kao što su 18650, 21700 i veći modeli 4680) se široko koriste u prijenosnoj elektronici, električnim alatima, sistemima za pohranu energije, a posebno električnim vozilima zbog svoje velike gustine energije, standardiziranog dizajna i dokazane pouzdanosti. Ove baterije obično koriste niklovani čelik (Hilumin) kao materijal kućišta, jer premaz od nikla pruža otpornost na koroziju, dok čelična podloga osigurava strukturnu čvrstoću da izdrži unutrašnji pritisak i mehanički stres.
Da bi se ispunili specifični zahtjevi za dizajn i performanse, neke cilindrične ćelije promjera 46 mm koriste različite materijale kućišta kao što su aluminijum i niklovani -čelik. Kritični izazov tokom proizvodnje modula ili baterijskog paketa je zavarivanje aluminijuma i čelika zajedno, zbog značajnih razlika u njihovim termičkim svojstvima i ponašanju pri zavarivanju.
Izrada cilindričnih baterijskih modula ili paketa uključuje raspoređivanje ćelija (pojedinačnih baterijskih jedinica) u određenom uzorku i njihovo serijsko ili paralelno povezivanje u skladu sa zahtjevima napona i struje aplikacije. Ova konfiguracija omogućava proizvođačima da prilagode ukupni energetski kapacitet i izlaznu snagu baterijskog paketa kako bi zadovoljili zahtjeve specifičnih aplikacija, kao što su električna vozila ili stacionarni sistemi za skladištenje energije. Ćelije su obično međusobno povezane preko aluminijumskih sabirnica debljine 0,3–0,6 mm, koje se zatim laserski-zavaruju kako bi se postigle pouzdane električne veze (vidi sliku 1). Ponikl-čelik koji se koristi za kućišta baterija obično ima debljinu od 0,4–0,6 mm, ovisno o dizajnu ćelije i brendu proizvođača.
U primjenama električnih vozila, zavari koji povezuju aluminijske sabirnice sa ćelijama akumulatora moraju održavati visok strukturalni integritet i električnu provodljivost u teškim dinamičkim uvjetima, uključujući udar, vibracije i termičke cikluse. Stoga je precizno i pouzdano lasersko zavarivanje ključno za-dugoročni učinak i sigurnost baterije. Lasersko zavarivanje je izuzetno dobro-prikladno za ovaj scenario montaže. On proizvodi čiste spojeve velike-vrste sa malim unosom toplote i minimalnim izobličenjem. Ove karakteristike su od vitalnog značaja za prevazilaženje izazova svojstvenih zavarivanju aluminijuma sa niklovanim-elikom.
Formiranje krhkih intermetalnih jedinjenja (IMC)
Primarni izazov tokom zavarivanja je stvaranje krhkih intermetalnih spojeva (IMC), koji značajno smanjuju čvrstoću spoja i električnu provodljivost. Ovaj problem proizlazi iz različitih svojstava aluminija i čelika, posebno njihovih različitih termičkih odgovora: aluminij se topi i širi brže od čelika, stvarajući termička naprezanja koja pospješuju rast IMC-a tijekom zavarivanja. Ovi IMC-kao što su gvožđe-aluminijumska jedinjenja FeAl₃ i Fe₂Al₅-tipično pokazuju lomljive teksture koje slabe čvrstoću spoja, što dovodi do nastanka pukotina, smanjene čvrstoće i povećane podložnosti koroziji.
Formiranje i ukupna zapremina IMC-a tokom zavarivanja kritično utiču na kvalitet zavara i dugotrajne{0}}izvedbe. Kako se IMC volumen povećava, krtost zgloba se intenzivira, mehanička čvrstoća se smanjuje, a vjerovatnoća kvara izazvanog stresom-povećava se. Dublje prodiranje zavara obično povećava ukupni volumen IMC-a, naglašavajući potrebu za preciznom kontrolom parametara zavarivanja kako bi se osigurala visoka čvrstoća spoja, pouzdanost i izdržljivost.
Opsežna istraživanja pokazuju da održavanje tankog, jednolikog IMC sloja (obično 2 µm do 10 µm) daje veću zateznu čvrstoću na smicanje. Ovi tanki slojevi omogućavaju efikasno metalurško vezivanje, a minimiziraju lomljivost spojeva. Međutim, kada IMC sloj prelazi 15 µm u debljini, njegova krhkost često dovodi do smanjene vlačne čvrstoće zbog podložnosti nastanku pukotina i širenju pod opterećenjem (vidi sliku 2).
Slika 2: Utjecaj debljine IMC sloja na vlačnu čvrstoću. (Izvor slike: H. He et al.) [1]
Da bi se riješio ovaj problem, učinkovitiji pristup je povećanje površine spoja zavara umjesto oslanjanja samo na veću dubinu prodiranja. Proširenje područja sučelja poboljšava metalurško vezivanje dok ograničava ukupni volumen IMC. Ovo smanjuje lomljivost i promovira ravnomjerniju raspodjelu naprezanja na spoju, čime se poboljšava pouzdanost. Ovaj efekat se može postići kombinovanjem laserskih impulsa sa tehnologijom skeniranja zraka za preciznu kontrolu unosa toplote i formiranja interfejsa, minimizirajući rast IMC-a.
Photon Automation je razvio napredne kontrolere impulsa i snage sposobne za preciznu kontrolu nad laserima -nivoa mikrosekunde, omogućavajući prilagođeno oblikovanje impulsa. Finim-podešavanjem oblika impulsa, lokalizirani termički stres se smanjuje, idealna mehanička svojstva materijala su očuvana, zona utjecaja topline (HAZ) je minimizirana, a vijek trajanja dijela je produžen. WonderBOARD kompanije takođe se povezuje sa galvo kontrolerima ogledala, omogućavajući ujednačenu distribuciju laserske energije po radnim komadima. Ovo sprječava vruće tačke i neravnomjerno zagrijavanje uzrokovano brzim kretanjem zraka.
Kontrola laserskih impulsa i oscilacija zraka za formiranje IMC
Pulsni laseri nude vrhunsku kontrolu termičkog ulaza, smanjujući rizik od prekomjernog-otopljenja ili prskanja. Intervali hlađenja između impulsa minimiziraju akumulaciju topline, pomažući u sprječavanju defekata kao što su izgaranje-izobličenja ili izobličenja. Za zavarivanje tankih{4}}materijala ili spajanje različitih metala (npr. aluminijum-na-čelik), pulsna tehnologija također poboljšava stabilnost bazena taline.
Dinamičko skeniranje laserskog snopa preko zone zavara preko galvanometra osigurava ujednačenu distribuciju energije. Ovo sprečava efekte ivica (prekomerno prodiranje, podrezivanje ili vruće tačke uzrokovane produženim zadržavanjem na početku/kraju puta zavarivanja). Oscilirajuća tehnologija također omogućava prilagođene profile zavarivanja (npr. kružni, spiralni ili pilasti) za poboljšanje mehaničke čvrstoće i uniformnosti spoja.
Kombinacija pulsiranja i oscilacije stvara okruženje zavarivanja koje se može kontrolirati i koje minimizira toplinske gradijente, optimizira metalurško spajanje i osigurava ravnomjerniju raspodjelu naprezanja. Ovaj pristup je posebno kritičan u proizvodnji baterija, omogućavajući preciznu kontrolu energije kako bi se izbjeglo oštećenje osjetljivih komponenti ili izoliranih područja.
Drugi izazov uključuje postizanje preciznog pozicioniranja šava i dosljedan kvalitet zavara.
U dizajnu cilindričnih ćelija, i pozitivne i negativne elektrode nalaze se na gornjoj površini-centralni poklopac elektrode služi kao pozitivna elektroda, dok okolni prstenasti dio funkcionira kao negativna elektroda. Ovaj raspored ograničava dostupno područje zavarivanja, zahtijevajući ekstremnu preciznost u laserskom pozicioniranju. Čak i manja neusklađenost može dovesti do nedovoljne čvrstoće zavara, unutrašnjeg oštećenja ili kratkih spojeva, što sve povećava rizik kvara ćelije i, u teškim slučajevima, može izazvati termalni bijeg.
Tokom sastavljanja, ovi baterijski moduli obično sadrže stotine usko zbijenih ćelija. Manje varijacije u visini ćelije uzrokovane proizvodnim tolerancijama ili rukovanjem mogu dovesti do neravnomjernog kontakta između sabirnice ili alata za zavarivanje i ćelija. Ako se ne riješi pravilno, ovaj nedosljedan kontakt dovodi do fluktuacije kvaliteta zavara, loših električnih veza i dugotrajnih-problema u radu.
Da bi prevazišli ove izazove, proizvođači se oslanjaju na dva osnovna sistema: sisteme vida i optičku koherentnu tomografiju (OCT).
Sistemi za vid otkrivaju i lociraju pozitivni terminal (centralni poklopac) i negativni terminal (spoljni prsten/ivica) svake cilindrične ćelije. Dodatno, sistemi za vid kompenzuju varijacije/tolerancije između ćelija-do-ćelije i odstupanja u poravnanju učvršćenja, usmjeravajući laserski snop u ispravan položaj zavarivanja, izbjegavajući kontakt sa slojevima izolacije ili rubnim područjima. Ovo omogućava konzistentno,{4}}precizno zavarivanje modula koji sadrže stotine ćelija.
OCT mjeri visinu svake ćelije prije zavarivanja kako bi otkrio i najmanje varijacije visine. Dinamički prilagođava poziciju fokusa lasera putem električno pokretane kolimirajuće leće, osiguravajući da se laser dosljedno fokusira na preciznu ravan zavara. Ovo poboljšava kvalitet i pouzdanost zavara u automatizovanim proizvodnim okruženjima gde mogu postojati manje varijacije u visini između ćelija unutar baterijskog modula.
Praćenje procesa zavarivanja i prikupljanje podataka: Temelj AI
Implementacija sistema za nadzor laserskog zavarivanja (LWM) je kritičan korak ka postizanju kontrole procesa vođene AI{0}}om. Tokom interakcije laserskog-materijala, energija se oslobađa u više oblika: zračenje plazme (ultraljubičasta talasna dužina), toplotno zračenje (infracrvena talasna dužina), povratna refleksija (stvarna talasna dužina lasera) i snaga lasera koja se prenosi kroz optičke komponente. Svaki od ovih signala sadrži vrijedne informacije o parametrima procesa zavarivanja.
Senzori bazirani na fotodiodama{0}}hvataju ove informacije o zračenju u realnom vremenu i upoređuju ih sa referentnim podacima za-kvalitetne zavare. Ovo kontinuirano prikupljanje podataka pomaže u identifikaciji nedostataka kao što su nedostatak spajanja, promašeni zavari ili nedosljedna dubina prodiranja. Vremenom, akumulacija procesnih podataka visoke{4}}rezolucije pruža osnovu za obuku AI modela. Ovi modeli mogu otkriti uzorke, predvidjeti kvarove i omogućiti zatvorenu{6}}optimizaciju procesa zavarivanja.
Validacija razvoja procesa za kvalitet zavarivanja
Kod laserskog zavarivanja cilindričnih litijum{0}}jonskih baterija, osiguranje integriteta unutrašnjih zavara je ključno za očuvanje sigurnosti i performansi baterija. Tokom zavarivanja, posebna pažnja se mora posvetiti zaštiti bilo kojeg plastičnog ili gumenog materijala ispod gornje površine: prekomjeran unos topline, nepravilni laserski parametri ili prevelika dubina prodiranja mogu oštetiti izolacijske slojeve ili plastične/gumene strukturne komponente, što može dovesti do kratkih spojeva, curenja, mehaničkog kvara ili toplinskog bijega.
Slika 3: 3D-CT slika koja prikazuje detalje penetracije zavara. (Izvor slike: Photon Automation)
Kompjuterska tomografija (CT) omogućava ne-destruktivnu,-inspekciju visoke{1}}razlučivosti zavarenih spojeva, pružajući 2D i 3D podatke koji otkrivaju unutrašnje defekte zavara kao što su poroznost, neravnomjerno prodiranje na sučelju zavara ili nedovoljna penetracija (vidi sliku 3). Ovi 3D CT podaci podržavaju razvoj procesa potvrđivanjem kvaliteta zavara i utvrđivanjem da li penetracija doseže zaptivne ili izolacijske materijale, čime se bolje sprječavaju takvi problemi tokom zavarivanja.
