Rajah 1: Persediaan kimpalan laser untuk modul bateri-ion litium silinder. (Sumber imej: Automasi Foton)
Bateri litium-silinder (seperti model 18650, 21700 dan 4680 yang lebih besar) digunakan secara meluas dalam elektronik mudah alih, alatan kuasa, sistem storan tenaga, dan terutamanya kenderaan elektrik kerana ketumpatan tenaga yang tinggi, reka bentuk piawai dan kebolehpercayaan yang terbukti. Bateri ini biasanya menggunakan keluli bersalut nikel-(Hilumin) sebagai bahan selongsong, kerana salutan nikel memberikan rintangan kakisan manakala substrat keluli memastikan kekuatan struktur untuk menahan tekanan dalaman dan tekanan mekanikal.
Untuk memenuhi keperluan reka bentuk dan prestasi khusus, beberapa sel silinder berdiameter 46 mm menggunakan bahan selongsong yang berbeza seperti aluminium dan{1}}keluli bersalut nikel. Cabaran kritikal semasa pembuatan modul atau pek bateri ialah mengimpal aluminium dan keluli bersama-sama, disebabkan perbezaan ketara dalam sifat terma dan tingkah laku kimpalan.
Membina modul atau pek bateri silinder melibatkan penyusunan sel (unit bateri individu) dalam corak tertentu dan menyambungkannya secara bersiri atau selari mengikut keperluan voltan dan arus aplikasi. Konfigurasi ini membolehkan pengeluar menyesuaikan kapasiti tenaga keseluruhan dan output kuasa pek bateri untuk memenuhi permintaan aplikasi tertentu, seperti kenderaan elektrik atau sistem storan tenaga pegun. Sel biasanya disambungkan melalui busbar aluminium dengan ketebalan 0.3–0.6 mm, yang kemudiannya dikimpal-laser untuk mencapai sambungan elektrik yang boleh dipercayai (lihat Rajah 1). Keluli bersalut nikel-yang digunakan untuk selongsong bateri biasanya mempunyai ketebalan 0.4–0.6 mm, bergantung pada reka bentuk sel dan jenama pengeluar.
Dalam aplikasi kenderaan elektrik, kimpalan yang menyambungkan basbar aluminium ke sel bateri mesti mengekalkan integriti struktur yang tinggi dan kekonduksian elektrik di bawah keadaan dinamik yang teruk, termasuk kejutan, getaran dan kitaran haba. Oleh itu, kimpalan laser yang tepat dan boleh dipercayai adalah penting untuk-prestasi jangka panjang dan keselamatan bateri. Kimpalan laser sangat sesuai-untuk senario pemasangan ini. Ia menghasilkan-kekuatan tinggi, sambungan bersih dengan input haba yang rendah dan herotan yang minimum. Ciri-ciri ini penting untuk mengatasi cabaran yang wujud dalam mengimpal aluminium kepada-keluli bersalut nikel.
Pembentukan Sebatian Antara Logam Rapuh (IMC)
Cabaran utama semasa mengimpal ialah pembentukan sebatian antara logam rapuh (IMC), yang mengurangkan kekuatan sendi dan kekonduksian elektrik dengan ketara. Isu ini berpunca daripada sifat aluminium dan keluli yang berbeza, terutamanya tindak balas haba yang berbeza: aluminium cair dan mengembang lebih cepat daripada keluli, menjana tegasan terma yang menggalakkan pertumbuhan IMC semasa kimpalan. IMC ini-seperti sebatian aluminium-besi FeAl₃ dan Fe₂Al₅-biasanya mempamerkan tekstur rapuh yang melemahkan kekuatan sendi, membawa kepada permulaan retak, mengurangkan kekuatan dan meningkatkan kerentanan terhadap kakisan.
Pembentukan dan jumlah volum IMC semasa mengimpal secara kritikal mempengaruhi kualiti kimpalan dan prestasi-jangka panjang. Apabila volum IMC meningkat, kerapuhan sendi bertambah kuat, kekuatan mekanikal berkurangan dan kemungkinan kegagalan tekanan-disebabkan meningkat. Penembusan kimpalan yang lebih dalam biasanya meningkatkan jumlah volum IMC, menekankan keperluan untuk kawalan parameter kimpalan yang tepat untuk memastikan kekuatan sendi yang tinggi, kebolehpercayaan dan ketahanan.
Penyelidikan meluas menunjukkan bahawa mengekalkan lapisan IMC yang nipis dan seragam (biasanya 2 µm hingga 10 µm) menghasilkan kekuatan ricih tegangan yang lebih tinggi. Lapisan nipis ini membolehkan ikatan metalurgi yang berkesan sambil meminimumkan kerapuhan sendi. Walau bagaimanapun, apabila lapisan IMC melebihi ketebalan 15 µm, kerapuhannya sering membawa kepada kekuatan tegangan yang berkurangan disebabkan oleh kerentanan terhadap permulaan retak dan perambatan di bawah beban (lihat Rajah 2).
Rajah 2: Kesan ketebalan lapisan IMC pada kekuatan tegangan. (Sumber imej: H. He et al.) [1]
Untuk menangani isu ini, pendekatan yang lebih berkesan adalah untuk meningkatkan kawasan antara muka kimpalan dan bukannya hanya bergantung pada kedalaman penembusan yang lebih besar. Memperluaskan kawasan antara muka meningkatkan ikatan metalurgi sambil mengehadkan volum IMC keseluruhan. Ini mengurangkan kerapuhan dan menggalakkan pengagihan tegasan yang lebih seragam pada sambungan, dengan itu meningkatkan kebolehpercayaan. Kesan ini boleh dicapai dengan menggabungkan denyutan laser dengan teknologi pengimbasan pancaran untuk mengawal input haba dan pembentukan antara muka dengan tepat, meminimumkan pertumbuhan IMC.
Automasi Foton telah membangunkan pengawal nadi dan kuasa lanjutan yang mampu mengawal ketepatan tahap-mikrosaat ke atas laser, membolehkan pembentukan nadi tersuai. Dengan-menalaan halus bentuk nadi, tegasan terma setempat dikurangkan, sifat mekanikal yang ideal bagi bahan dikekalkan, haba-zon terjejas (HAZ) diminimumkan dan jangka hayat sebahagian dilanjutkan. WonderBOARD syarikat juga antara muka dengan pengawal cermin galvo, membolehkan pengedaran seragam tenaga laser merentas bahan kerja. Ini menghalang bintik panas dan pemanasan tidak sekata yang disebabkan oleh pergerakan rasuk yang cepat.
Denyutan Laser dan Kawalan Ayunan Rasuk untuk Pembentukan IMC
Laser berdenyut menawarkan kawalan input haba yang unggul, mengurangkan risiko lebihan-cairan atau percikan. Selang penyejukan antara denyutan meminimumkan pengumpulan haba, membantu mengelakkan kecacatan seperti terbakar-atau herotan. Untuk-bahan kimpalan nipis atau penyambung logam yang tidak serupa (cth, aluminium-ke-keluli), teknologi berdenyut juga meningkatkan kestabilan kolam cair.
Pengimbasan dinamik pancaran laser merentasi zon kimpalan melalui galvanometer memastikan pengagihan tenaga seragam. Ini menghalang kesan tepi (penembusan berlebihan, undercut, atau bintik panas yang disebabkan oleh tinggal berpanjangan di permulaan/penghujung laluan kimpalan). Teknologi ayunan juga membolehkan profil kimpalan tersuai (cth, bulat, heliks atau gigi gergaji) untuk meningkatkan kekuatan mekanikal sendi dan keseragaman.
Gabungan denyutan dan ayunan mewujudkan persekitaran kimpalan yang sangat terkawal yang meminimumkan kecerunan terma, mengoptimumkan ikatan metalurgi, dan memastikan pengagihan tegasan yang lebih seragam. Pendekatan ini amat kritikal dalam pembuatan bateri, membolehkan kawalan tenaga yang tepat untuk mengelakkan kerosakan komponen sensitif atau kawasan terlindung.
Cabaran kedua melibatkan mencapai kedudukan jahitan kimpalan yang tepat dan kualiti kimpalan yang konsisten.
Dalam reka bentuk sel silinder, kedua-dua elektrod positif dan negatif berada di permukaan atas-penutup elektrod pusat berfungsi sebagai elektrod positif, manakala kawasan anulus di sekeliling berfungsi sebagai elektrod negatif. Susun atur ini mengehadkan kawasan kimpalan yang tersedia, menuntut ketepatan yang melampau dalam kedudukan laser. Malah salah jajaran kecil boleh mengakibatkan kekuatan kimpalan yang tidak mencukupi, kerosakan dalaman, atau litar pintas, yang semuanya meningkatkan risiko kegagalan sel dan, dalam kes yang teruk, boleh mencetuskan pelarian haba.
Semasa pemasangan, modul bateri ini biasanya mengandungi ratusan sel yang padat rapat. Perubahan kecil dalam ketinggian sel yang disebabkan oleh toleransi atau pengendalian pembuatan boleh mengakibatkan sentuhan tidak sekata antara busbar atau alat kimpalan dan sel. Jika tidak ditangani dengan betul, hubungan yang tidak konsisten ini membawa kepada kualiti kimpalan yang turun naik, sambungan elektrik yang lemah dan-isu prestasi jangka panjang.
Untuk mengatasi cabaran ini, pengeluar bergantung pada dua sistem teras: sistem penglihatan dan tomografi koheren optik (OCT).
Sistem penglihatan mengesan dan mengesan terminal positif (tutup tengah) dan terminal negatif (gelang luar/tepi) setiap sel silinder. Selain itu, sistem penglihatan mengimbangi variasi/toleransi sel-ke-sel dan sisihan penjajaran lekapan, membimbing pancaran laser ke kedudukan kimpalan yang betul sambil mengelakkan sentuhan dengan lapisan penebat atau kawasan tepi. Ini membolehkan kimpalan berketepatan tinggi-yang konsisten merentas modul yang mengandungi ratusan sel.
OCT mengukur ketinggian setiap sel sebelum mengimpal untuk mengesan variasi ketinggian yang sedikit. Ia melaraskan kedudukan fokus laser secara dinamik melalui kanta kolimat yang dipacu elektrik, memastikan laser secara konsisten memfokus pada satah kimpalan yang tepat. Ini meningkatkan kualiti dan kebolehpercayaan kimpalan dalam persekitaran pengeluaran automatik di mana variasi ketinggian kecil mungkin wujud antara sel dalam modul bateri.
Pemantauan Proses Kimpalan dan Pemerolehan Data: Asas AI
Melaksanakan sistem Pemantauan Kimpalan Laser (LWM) ialah langkah kritikal ke arah mencapai-kawalan proses dipacu AI. Semasa interaksi bahan-laser, tenaga dibebaskan dalam pelbagai bentuk: sinaran plasma (panjang gelombang ultraungu), sinaran haba (panjang gelombang inframerah), pantulan belakang (panjang gelombang sebenar laser) dan kuasa laser yang dihantar melalui komponen optik. Setiap isyarat ini mengandungi maklumat berharga tentang parameter proses kimpalan.
Penderia berasaskan fotodiod-menangkap maklumat sinaran ini dalam masa nyata dan membandingkannya dengan data rujukan untuk-kimpalan berkualiti tinggi. Pemerolehan data berterusan ini membantu mengenal pasti kecacatan seperti kekurangan gabungan, kimpalan terlepas atau kedalaman penembusan yang tidak konsisten. Dari masa ke masa, pengumpulan data proses-tinggi menyediakan asas untuk melatih model AI. Model ini boleh mengesan corak, meramalkan kegagalan dan mendayakan-pengoptimuman gelung tertutup bagi proses kimpalan.
Pengesahan Pembangunan Proses untuk Kualiti Kimpalan
Dalam kimpalan laser bagi bateri lithium-silinder, memastikan integriti kimpalan dalaman adalah penting untuk melindungi keselamatan dan prestasi bateri. Semasa mengimpal, perhatian khusus mesti diberikan untuk melindungi sebarang bahan plastik atau getah di bawah permukaan atas: input haba yang berlebihan, parameter laser yang tidak betul, atau kedalaman penembusan yang berlebihan boleh merosakkan lapisan penebat asas atau komponen struktur plastik/getah, yang membawa kepada litar pintas, kebocoran, kegagalan mekanikal, atau pelarian haba.
Rajah 3: Imej 3D-CT menunjukkan butiran penembusan kimpalan. (Sumber imej: Automasi Foton)
Computed tomography (CT) membolehkan pemeriksaan tidak-musnah, resolusi tinggi-tinggi bagi sambungan dikimpal, menyediakan data 2D dan 3D yang mendedahkan kecacatan kimpalan dalaman seperti keliangan, penembusan tidak sekata pada antara muka kimpalan atau penembusan yang tidak mencukupi (lihat Rajah 3). Data CT 3D ini menyokong pembangunan proses dengan mengesahkan kualiti kimpalan dan mengenal pasti sama ada penembusan mencapai bahan pengedap atau penebat, dengan itu lebih baik mencegah isu tersebut semasa mengimpal.
