Slika 1: Postavljanje laserskog zavarivanja za cilindrične module litij-ionske baterije. (Izvor slike: Photon Automation)
Cilindrične litij{0}}ionske baterije (kao što su modeli 18650, 21700 i veći 4680) naširoko se koriste u prijenosnoj elektronici, električnim alatima, sustavima za pohranu energije, a posebno u električnim vozilima zbog svoje visoke gustoće energije, standardiziranog dizajna i dokazane pouzdanosti. Ove baterije obično koriste poniklani čelik (Hilumin) kao materijal kućišta, budući da premaz od nikla pruža otpornost na koroziju, dok čelična podloga osigurava čvrstoću strukture da izdrži unutarnji pritisak i mehanička opterećenja.
Kako bi zadovoljili specifične zahtjeve dizajna i performansi, neke cilindrične ćelije promjera 46 mm koriste različite materijale kućišta kao što su aluminij i poniklani čelik. Kritični izazov tijekom proizvodnje modula ili baterijskog paketa je zavarivanje aluminija i čelika zajedno, zbog značajnih razlika u njihovim toplinskim svojstvima i ponašanju pri zavarivanju.
Konstruiranje cilindričnih baterijskih modula ili paketa uključuje raspoređivanje ćelija (pojedinačnih baterijskih jedinica) u određenom uzorku i njihovo serijsko ili paralelno povezivanje u skladu s naponskim i strujnim zahtjevima aplikacije. Ova konfiguracija omogućuje proizvođačima da prilagode ukupni energetski kapacitet i izlaznu snagu baterije kako bi zadovoljili zahtjeve specifičnih aplikacija, kao što su električna vozila ili stacionarni sustavi za pohranu energije. Ćelije su obično međusobno povezane preko aluminijskih sabirnica debljine 0,3–0,6 mm, koje se zatim laser-zavaruju kako bi se postigle pouzdane električne veze (vidi sliku 1). Poniklani čelik koji se koristi za kućišta baterija općenito ima debljinu od 0,4–0,6 mm, ovisno o dizajnu ćelije i marki proizvođača.
U primjenama električnih vozila, zavari koji povezuju aluminijske sabirnice s baterijskim ćelijama moraju održavati visoku strukturnu cjelovitost i električnu vodljivost u teškim dinamičkim uvjetima, uključujući udarce, vibracije i toplinske cikluse. Stoga je precizno i pouzdano lasersko zavarivanje ključno za-dugoročne performanse i sigurnost baterije. Lasersko zavarivanje iznimno je-prikladno za ovaj scenarij sklapanja. Proizvodi visoke-čvrste, čiste spojeve s malim unosom topline i minimalnim izobličenjem. Ove karakteristike su vitalne za prevladavanje izazova svojstvenih zavarivanju aluminija na poniklani-čelik.
Stvaranje krhkih intermetalnih spojeva (IMC)
Primarni izazov tijekom zavarivanja je stvaranje krhkih intermetalnih spojeva (IMC), koji značajno smanjuju čvrstoću spoja i električnu vodljivost. Ovaj problem proizlazi iz različitih svojstava aluminija i čelika, posebno njihovih različitih toplinskih odgovora: aluminij se topi i širi brže od čelika, stvarajući toplinska naprezanja koja potiču rast IMC-a tijekom zavarivanja. Ovi IMC-kao što su željezo-aluminijevi spojevi FeAl₃ i Fe₂Al5-obično pokazuju krhke teksture koje slabe čvrstoću spojeva, što dovodi do nastanka pukotina, smanjene čvrstoće i povećane osjetljivosti na koroziju.
Stvaranje i ukupni volumen IMC-a tijekom zavarivanja kritično utječu na kvalitetu zavara i-dugoročne performanse. Kako se IMC volumen povećava, krtost spojeva se pojačava, mehanička čvrstoća se smanjuje, a vjerojatnost kvara-izazvanog stresom raste. Dublje prodiranje zavara obično povećava ukupni IMC volumen, naglašavajući potrebu za preciznom kontrolom parametara zavarivanja kako bi se osigurala visoka čvrstoća spoja, pouzdanost i trajnost.
Opsežna istraživanja pokazuju da održavanje tankog, jednolikog IMC sloja (obično 2 µm do 10 µm) daje veću vlačnu čvrstoću na smicanje. Ovi tanki slojevi omogućuju učinkovito metalurško spajanje uz smanjenje lomljivosti spojeva. Međutim, kada IMC sloj premaši debljinu od 15 µm, njegova krtost često dovodi do smanjene vlačne čvrstoće zbog osjetljivosti na početak i širenje pukotina 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 isključivog oslanjanja na veću dubinu prodiranja. Proširenje područja sučelja poboljšava metalurško spajanje dok ograničava ukupni IMC volumen. To smanjuje krtost i potiče ravnomjerniju raspodjelu naprezanja na spoju, čime se poboljšava pouzdanost. Ovaj se učinak može postići kombiniranjem laserskih impulsa s tehnologijom skeniranja snopa radi precizne kontrole unosa topline i formiranja sučelja, minimizirajući rast IMC-a.
Photon Automation je razvio napredne kontrolere pulsa i snage sposobne mikrosekundne-precizne kontrole nad laserima, omogućujući prilagođeno oblikovanje pulsa. Finim-podešavanjem oblika pulsa smanjuje se lokalizirano toplinsko naprezanje, očuvana su idealna mehanička svojstva materijala, zona-zahvaćena toplinom (HAZ) svedena je na minimum, a životni vijek dijelova produljen. Tvrtkin WonderBOARD također se povezuje s galvo zrcalnim kontrolerima, omogućujući ravnomjernu distribuciju laserske energije preko obratka. To sprječava vruće točke i neravnomjerno zagrijavanje uzrokovano brzim kretanjem zrake.
Kontrola laserskog pulsa i oscilacije zrake za formiranje IMC
Pulsirajući laseri nude vrhunsku kontrolu ulazne topline, smanjujući rizik od prekomjernog-taljenja ili prskanja. Intervali hlađenja između impulsa minimiziraju akumulaciju topline, pomažući u sprječavanju kvarova kao -progorjelosti ili izobličenja. Za zavarivanje tankih-materijala ili spajanje različitih metala (npr. aluminij-na-čelik), pulsirajuća tehnologija također poboljšava stabilnost bazena taline.
Dinamičko skeniranje laserske zrake po zoni zavara putem galvanometra osigurava jednoliku raspodjelu energije. Ovo sprječava rubne efekte (pretjerano prodiranje, podrezivanje ili vruće točke uzrokovane produljenim zadržavanjem na početku/kraju putanje zavara). Tehnologija osciliranja također omogućuje prilagođene profile zavara (npr. kružni, spiralni ili pilasti) za povećanje mehaničke čvrstoće i ujednačenosti spoja.
Kombinacija pulsiranja i oscilacija stvara okruženje za zavarivanje koje se može vrlo kontrolirati i koje smanjuje 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 zavarenog šava i dosljedne kvalitete zavara.
U dizajnu cilindričnih ćelija, i pozitivne i negativne elektrode nalaze se na gornjoj površini-središnja elektrodna kapica služi kao pozitivna elektroda, dok okolno prstenasto područje funkcionira kao negativna elektroda. Ovakav raspored ograničava dostupno područje zavarivanja, zahtijevajući ekstremnu preciznost u pozicioniranju lasera. Čak i manja neusklađenost može rezultirati nedovoljnom čvrstoćom zavara, unutarnjim oštećenjima ili kratkim spojevima, što sve povećava rizik od kvara ćelija i, u težim slučajevima, može izazvati toplinski bijeg.
Tijekom sastavljanja, ovi baterijski moduli obično sadrže stotine tijesno zbijenih ćelija. Manje varijacije u visini ćelije uzrokovane proizvodnim tolerancijama ili rukovanjem mogu rezultirati neravnomjernim kontaktom između sabirnice ili alata za zavarivanje i ćelija. Ako se ne riješi ispravno, ovaj nedosljedni kontakt dovodi do fluktuirajuće kvalitete zavara, loših električnih veza i dugoročnih{2}}problema u radu.
Kako bi prevladali te izazove, proizvođači se oslanjaju na dva temeljna sustava: sustave vida i optičku koherentnu tomografiju (OCT).
Sustavi za vid otkrivaju i lociraju pozitivni terminal (središnji poklopac) i negativni terminal (vanjski prsten/rub) svake cilindrične ćelije. Dodatno, sustavi za viziju kompenziraju varijacije/tolerancije između ćelija-za-ćelijama i odstupanja u poravnanju učvršćenja, usmjeravajući lasersku zraku u ispravan položaj za zavarivanje dok izbjegava kontakt s izolacijskim slojevima ili rubnim područjima. To omogućuje dosljedno, visoko{4}}precizno zavarivanje preko modula koji sadrže stotine ćelija.
OCT mjeri visinu svake ćelije prije zavarivanja kako bi otkrio i najmanje varijacije visine. Dinamički prilagođava položaj žarišta lasera putem kolimirajuće leće s električnim pogonom, osiguravajući dosljedno fokusiranje lasera na preciznu ravninu zavara. Ovo poboljšava kvalitetu i pouzdanost zavara u automatiziranim proizvodnim okruženjima gdje mogu postojati manje varijacije visine između ćelija unutar baterijskog modula.
Praćenje procesa zavarivanja i prikupljanje podataka: temelj umjetne inteligencije
Implementacija sustava za praćenje laserskog zavarivanja (LWM) kritičan je korak prema postizanju kontrole procesa-vođene umjetnom inteligencijom. Tijekom interakcije laser-materijala, energija se oslobađa u više oblika: zračenje plazme (ultraljubičasta valna duljina), toplinsko zračenje (infracrvena valna duljina), povratna refleksija (stvarna valna duljina lasera) i snaga lasera koja se prenosi kroz optičke komponente. Svaki od ovih signala sadrži vrijedne informacije o parametrima procesa zavarivanja.
Senzori-temeljeni na fotodiodi hvataju te podatke o zračenju u stvarnom vremenu i uspoređuju ih s referentnim podacima za visoko{1}}kvalitetne zavare. Ovo kontinuirano prikupljanje podataka pomaže identificirati nedostatke kao što su nedostatak fuzije, propušteni zavari ili nedosljedna dubina prodiranja. Tijekom vremena, akumulacija procesnih podataka visoke-razlučivosti pruža temelj za obuku AI modela. Ovi modeli mogu detektirati uzorke, predvidjeti kvarove i omogućiti optimizaciju procesa zavarivanja zatvorenom{6}}petljom.
Validacija razvoja procesa za kvalitetu zavarivanja
U laserskom zavarivanju cilindričnih litij-ionskih baterija, osiguranje integriteta unutarnjih zavara ključno je za očuvanje sigurnosti i performansi baterije. Tijekom zavarivanja posebnu pozornost treba obratiti na zaštitu svih plastičnih ili gumenih materijala ispod gornje površine: prekomjerni unos topline, neodgovarajući laserski parametri ili prevelika dubina prodiranja mogu oštetiti donje izolacijske slojeve ili plastične/gumene strukturne komponente, što dovodi do kratkih spojeva, curenja, mehaničkog kvara ili toplinskog odlaska.
Slika 3: 3D-CT slika koja prikazuje detalje prodiranja zavara. (Izvor slike: Photon Automation)
Kompjuterizirana tomografija (CT) omogućuje ne-destruktivnu inspekciju zavarenih spojeva visoke{1}}razlučivosti, pružajući 2D i 3D podatke koji otkrivaju unutarnje nedostatke zavara kao što su poroznost, neravnomjerno prodiranje na sučelju zavara ili nedovoljno prodiranje (vidi sliku 3). Ovi 3D CT podaci podržavaju razvoj procesa provjerom kvalitete zavara i utvrđivanjem doseže li penetracija brtvene ili izolacijske materijale, čime se bolje sprječavaju takvi problemi tijekom zavarivanja.
