Introduzione ai metodi e ai processi di saldatura per batterie di potenza agli ioni di litio

La scelta ragionevole dei metodi e dei processi di saldatura nel processo di produzione delle batterie al litio influirà direttamente sul costo, sulla qualità, sulla sicurezza e sulla consistenza della batteria. Successivamente, organizziamo il contenuto sulla saldatura delle batterie al litio di potenza.

1. Principi della saldatura laser

La saldatura laser sfrutta l'eccellente direzionalità e l'elevata densità di potenza dei raggi laser per funzionare. Attraverso un sistema ottico, il raggio laser viene focalizzato su un'area molto piccola, formando in un tempo molto breve un'area di fonte di calore altamente concentrata sul giunto saldato, fondendo così l'oggetto saldato e formando un giunto di saldatura e un cordone di saldatura solidi.

2. Tipo di saldatura laser

Saldatura a conduzione di calore e saldatura a penetrazione profonda

La saldatura a conduzione di calore laser viene realizzata con una densità di potenza laser di 105-106w/cm2, mentre la saldatura a penetrazione profonda laser viene realizzata con una densità di potenza laser di 105-106w/cm2

Saldatura a penetrazione e saldatura continua

La saldatura a penetrazione, i pezzi di collegamento non richiedono punzonatura e la lavorazione è relativamente semplice. La saldatura a penetrazione richiede una saldatrice laser ad alta potenza. La profondità di penetrazione della saldatura a penetrazione è inferiore a quella della saldatura continua e la sua affidabilità è relativamente scarsa.

Rispetto alla saldatura a penetrazione, la saldatura continua richiede solo una saldatrice laser più piccola. La profondità di penetrazione della saldatura continua è superiore a quella della saldatura a penetrazione e la sua affidabilità è relativamente buona. Ma il pezzo di collegamento deve essere punzonato, il che rende la lavorazione relativamente difficile.

Campioni di saldatura laser a impulsi

Saldatura laser continua dei campioni

Nella saldatura di batterie al litio di potenza, i tecnici del processo di saldatura selezioneranno i parametri appropriati del processo di saldatura e del laser in base al materiale, alla forma, allo spessore, ai requisiti di trazione, ecc. della batteria del cliente, inclusi velocità di saldatura, forma d'onda, valore di picco e angolo di inclinazione del testa di saldatura, per impostare parametri ragionevoli del processo di saldatura per garantire che l'effetto di saldatura finale soddisfi i requisiti del produttore della batteria al litio.

Energia concentrata, elevata efficienza di saldatura, elevata precisione di lavorazione e ampio rapporto profondità/larghezza della saldatura. Il raggio laser è facile da mettere a fuoco, allineare ed essere guidato da strumenti ottici. Può essere posizionato ad una distanza adeguata dal pezzo in lavorazione e può essere guidato tra dispositivi o ostacoli attorno al pezzo in lavorazione. Altri metodi di saldatura non possono essere pienamente utilizzati a causa delle limitazioni spaziali sopra menzionate.

Piccolo apporto di calore, piccola zona interessata dal calore e piccola tensione residua e deformazione del pezzo; L'energia di saldatura può essere controllata con precisione, l'effetto di saldatura è stabile e l'aspetto della saldatura è buono;

Saldatura senza contatto, trasmissione in fibra ottica, buona accessibilità e alto grado di automazione. Quando si saldano fili sottili o sottili, non vi è alcun problema di rifusione come nella saldatura ad arco. Le celle della batteria utilizzate per le batterie al litio di potenza, grazie al loro principio leggero, sono solitamente realizzate in materiale di alluminio più leggero e più sottile. In genere, lo spessore del guscio, della copertura e del fondo deve essere inferiore a 1,0 mm e i principali produttori attualmente hanno uno spessore del materiale di base di circa 0,8 mm.

Difficoltà nel processo di saldatura laser

Allo stato attuale, i gusci delle batterie in lega di alluminio rappresentano oltre il 90% dell'intera batteria al litio. La difficoltà della sua saldatura risiede nella riflettività estremamente elevata della lega di alluminio al laser, nell'elevata sensibilità dei pori del gas durante il processo di saldatura e nell'inevitabile insorgenza di alcuni problemi e difetti durante la saldatura, tra i quali i più importanti sono pori di gas, cricche calde, ed esplosione.

Durante il processo di saldatura laser della lega di alluminio, è probabile che si formino due tipi importanti di pori: pori di idrogeno e pori causati dallo scoppio di bolle. A causa della rapida velocità di raffreddamento della saldatura laser, il problema dei pori di idrogeno è più grave ed esiste anche un ulteriore tipo di foro causato dal collasso di piccoli fori nella saldatura laser.

Problema della crepa calda. La lega di alluminio è una tipica lega di tipo eutettico soggetta a cricche a caldo durante la saldatura, comprese cricche da cristallizzazione della saldatura e cricche da liquefazione HAZ. A causa della segregazione dei componenti nella zona di saldatura, si verifica la segregazione eutettica e la fusione dei bordi del grano. In condizioni di stress si formano cricche da liquefazione ai bordi dei grani, riducendo le prestazioni del giunto saldato.

Problema di esplosione (noto anche come schizzi). Sono molti i fattori che possono provocare esplosioni, come ad esempio la pulizia del materiale, la purezza del materiale stesso, e le caratteristiche del materiale stesso. L'uso decisivo è la stabilità del laser. Protuberanze superficiali, pori e bolle interne sul guscio. Il motivo principale è che il diametro del nucleo della fibra è troppo piccolo o che l'energia del laser è troppo alta. Non è che alcuni fornitori di apparecchiature laser affermino che migliore è la qualità del raggio, migliore è l'effetto di saldatura. Una buona qualità del raggio è adatta per la saldatura sovrapposta con una maggiore profondità di penetrazione. Trovare parametri di processo adeguati è la chiave per risolvere i problemi.

Altre difficoltà

La saldatura dell'orecchio del palo con pacchetto morbido richiede requisiti elevati per l'attrezzatura di saldatura e l'orecchio del palo deve essere premuto saldamente per garantire lo spazio di saldatura. Può ottenere saldature ad alta velocità di traiettorie complesse come quelle a forma di S e a spirale, aumentando l'area di giunzione della saldatura e rafforzando la resistenza della saldatura.

La saldatura delle celle cilindriche della batteria è importante per la saldatura dell'elettrodo positivo. Grazie al guscio sottile dell'elettrodo negativo, la saldatura è estremamente semplice. Attualmente, alcuni produttori utilizzano il processo di saldatura senza elettrodo negativo, mentre l'elettrodo positivo utilizza la saldatura laser.

Quando si saldano combinazioni di batterie quadrate, il polo o il pezzo di collegamento è contaminato e spesso. Durante la saldatura del pezzo di collegamento si decompongono le sostanze inquinanti che possono facilmente formare punti di esplosione della saldatura e causare fori; Le batterie con poli sottili e componenti strutturali in plastica o ceramica sottostanti tendono a saldarsi. Quando il palo è piccolo, è anche facile che la saldatura si discosti e provochi danni alla plastica, formando punti esplosivi. Non utilizzare connettori multistrato poiché sono presenti pori tra gli strati, rendendo difficile la saldatura salda.

Il processo più importante nel processo di saldatura delle batterie quadrate è l'imballaggio del coperchio del guscio, che è diviso in saldatura del coperchio superiore e del coperchio inferiore in base alle diverse posizioni. Alcuni produttori di batterie utilizzano la tecnologia di imbutitura profonda per produrre custodie per batterie a causa del volume ridotto delle batterie prodotte, che richiede solo la saldatura del coperchio superiore.

Esempio di saldatura laterale della batteria al litio Square Power

I metodi di saldatura per le batterie quadrate si dividono principalmente in saldatura laterale e saldatura superiore. L'importante vantaggio della saldatura laterale è che ha un impatto minore sull'interno della cella della batteria e gli spruzzi non entreranno facilmente nel lato interno del coperchio del guscio. A causa della possibilità che si formino sporgenze dopo la saldatura, che possono avere un leggero impatto sul successivo processo di assemblaggio, il processo di saldatura laterale richiede una stabilità estremamente elevata del laser e pulizia del materiale. Il processo di saldatura superiore, dovuto alla saldatura su una superficie, presenta requisiti relativamente bassi per l'integrazione delle apparecchiature di saldatura e una semplice produzione di massa. Tuttavia, ci sono anche due svantaggi. In primo luogo, durante la saldatura potrebbero penetrare piccole quantità di spruzzi nella cella della batteria e, in secondo luogo, gli elevati requisiti di lavorazione della parte anteriore del guscio possono portare a problemi di costi.

5. Fattori che influenzano la qualità della saldatura

La saldatura laser è attualmente un metodo importante altamente raccomandato per la saldatura di batterie di fascia alta. La saldatura laser è il processo di irradiazione laser ad alta energia su un pezzo, provocando un forte aumento della temperatura di lavoro, sciogliendo e ricollegando il pezzo per formare una connessione permanente. La saldatura laser ha una buona resistenza al taglio e allo strappo. I criteri di valutazione della qualità per la saldatura delle batterie comprendono conduttività, resistenza, ermeticità, fatica del metallo e resistenza alla corrosione.

Ci sono molti fattori che influenzano la qualità della saldatura laser. Alcuni di essi sono altamente volatili e presentano una notevole instabilità. Come impostare e controllare correttamente questi parametri, in modo che possano essere controllati entro un intervallo appropriato durante il processo di saldatura laser continuo e ad alta velocità, per garantire la qualità della saldatura. L'affidabilità e la stabilità della formazione della saldatura sono questioni importanti legate alla praticità e all'industrializzazione della tecnologia di saldatura laser. I fattori importanti che influenzano la qualità della saldatura laser comprendono l'attrezzatura di saldatura, le condizioni del pezzo e i parametri di processo.

1) Attrezzature per saldatura

I requisiti di qualità più importanti per i laser sono la modalità del raggio, la potenza di uscita e la stabilità. La modalità del raggio è un indicatore importante della qualità del raggio. Minore è l'ordine della modalità del raggio, migliore è la prestazione di focalizzazione del raggio, più piccolo è lo spot, maggiore è la densità di potenza con la stessa potenza del laser e maggiore è la profondità e la larghezza del cordone di saldatura. Generalmente è necessaria una modalità base (TEM00) o una modalità di ordine inferiore, altrimenti è difficile soddisfare i requisiti della saldatura laser di alta qualità. Attualmente, i laser domestici devono ancora affrontare alcune difficoltà in termini di qualità del raggio e stabilità della potenza erogata per la saldatura laser. Dal punto di vista di situazioni straniere, la qualità del raggio e la stabilità della potenza di uscita dei laser sono già piuttosto elevate e non diventeranno un problema nella saldatura laser. Il fattore più significativo che influenza la qualità della saldatura nei sistemi ottici è la lente di focalizzazione, che in genere utilizza una lunghezza focale compresa tra 127 mm (5 pollici) e 200 mm (7,9 pollici). Una lunghezza focale ridotta è utile per ridurre il diametro del punto focale del raggio focalizzato, ma essendo troppo piccola può facilmente causare contaminazione e danni da spruzzi durante il processo di saldatura.

Più corta è la lunghezza d'onda, maggiore è il tasso di assorbimento; Generalmente, i materiali con buona conduttività hanno un'elevata riflettività. Per i laser YAG, la riflettività dell'argento è del 96%, dell'alluminio del 92%, del rame del 90% e del ferro del 60%. Maggiore è la temperatura, maggiore è il tasso di assorbimento, mostrando una relazione lineare; In generale, il rivestimento superficiale con fosfato, nerofumo, grafite, ecc. può migliorare il tasso di assorbimento.

2) Condizioni del pezzo

La saldatura laser richiede la lavorazione dei bordi del pezzo, con elevata precisione di assemblaggio, rigoroso allineamento tra il punto e il cordone di saldatura e la precisione di assemblaggio originale e l'allineamento del punto del pezzo non possono cambiare a causa della deformazione termica della saldatura durante il processo di saldatura. Questo perché il punto laser è piccolo e il cordone di saldatura è stretto. Generalmente non viene aggiunto alcun metallo d'apporto. Se l'assemblaggio non è serrato e lo spazio è troppo grande, la trave può passare attraverso lo spazio e non può fondere il materiale di base o causare evidenti sottosquadri o depressioni. Se la deviazione tra il punto e la giuntura è leggermente ampia, potrebbe causare una fusione o una saldatura incompleta. Pertanto, lo spazio tra l'aggancio e l'assemblaggio della scheda generale e la deviazione dell'allineamento del punto non deve superare {{0}} 0,1 mm e il disallineamento non deve superare 0,2 mm. Nella produzione reale, a volte la tecnologia di saldatura laser non può essere utilizzata perché non è in grado di soddisfare questi requisiti. Per ottenere buoni risultati di saldatura, lo spazio consentito per l'aggancio e la sovrapposizione deve essere controllato entro il 10% dello spessore della piastra sottile.

Una saldatura laser di successo richiede uno stretto contatto tra il substrato saldato. Ciò richiede un attento serraggio delle parti per ottenere risultati ottimali. E questo è difficile da fare bene su substrati sottili dell’orecchio polare perché è soggetto a flessione e disallineamento, specialmente quando l’orecchio polare è incorporato in moduli o componenti di batterie di grandi dimensioni.

3) Parametri di saldatura

1) Il fattore più importante che influenza i parametri di saldatura della modalità di saldatura laser e la formazione stabile della saldatura è la densità di potenza del punto laser. Il suo impatto sulla modalità di saldatura e sulla stabilità della formazione della saldatura è il seguente: all'aumentare della densità di potenza del punto laser, diventa una saldatura a conducibilità termica stabile, una saldatura in modalità instabile e una saldatura a penetrazione profonda stabile.

La densità di potenza del punto laser è determinata dalla potenza del laser e dalla posizione del fuoco del raggio, data una determinata modalità del raggio e la lunghezza focale dello specchio di focalizzazione. La densità di potenza del laser è direttamente proporzionale alla potenza del laser. L'influenza della posizione focale ha un valore ottimale; Quando il fuoco del raggio si trova in una determinata posizione sotto la superficie del pezzo (entro l'intervallo di 1-2 mm, a seconda dello spessore e dei parametri della piastra), è possibile ottenere il cordone di saldatura più ideale. Deviare da questa posizione di messa a fuoco ottimale aumenterà la macchia superficiale del pezzo, provocando una diminuzione della densità di potenza. Entro un certo intervallo, ciò causerà un cambiamento nella forma del processo di saldatura.

L'influenza della velocità di saldatura sulla forma e sulla stabilità del processo di saldatura non è così significativa come quella della potenza del laser e della posizione del fuoco. Solo quando la velocità di saldatura è troppo elevata, si verifica l'incapacità di mantenere un processo di saldatura a penetrazione profonda stabile a causa del basso apporto di calore. Durante la saldatura effettiva, è necessario selezionare la saldatura stabile a penetrazione profonda o la saldatura a conduttività termica stabile in base ai requisiti della saldatura per la profondità di penetrazione e la saldatura in modalità instabile deve essere assolutamente evitata.

(2) Nell'intervallo di saldatura a penetrazione profonda, l'influenza dei parametri di saldatura sulla profondità di penetrazione: all'interno di un intervallo stabile di saldatura a penetrazione profonda, maggiore è la potenza del laser, maggiore è la profondità di penetrazione, con un rapporto di circa 0 .7 potenza; Maggiore è la velocità di saldatura, minore è la profondità di penetrazione. Quando il fuoco è nella posizione ottimale in determinate condizioni di potenza laser e velocità di saldatura, si verifica la massima profondità di penetrazione. Se si discosta da questa posizione, la profondità di penetrazione diminuisce e diventa addirittura instabile o stabile la conduttività termica della saldatura.

(3) L'impatto del gas protettivo, il cui utilizzo importante è proteggere il pezzo dall'ossidazione durante il processo di saldatura; Proteggi la lente di messa a fuoco dall'inquinamento da vapori metallici e dagli spruzzi di goccioline liquide; Disperdere il plasma generato dalla saldatura laser ad alta potenza; Raffreddare il pezzo e ridurre la zona interessata dal calore.

Il gas protettivo è solitamente l'argon o l'elio, per chi ha esigenze di qualità apparente può essere utilizzato anche l'azoto. La loro tendenza a produrre plasma è significativamente diversa: il gas elio, a causa della sua elevata carica di ionizzazione e della veloce conduttività termica, ha una tendenza minore a produrre plasma rispetto al gas argon alle stesse condizioni, ottenendo così una maggiore profondità di fusione. Entro un certo intervallo, all’aumentare della portata del gas protettivo, aumenta la tendenza a sopprimere il plasma, con conseguente aumento della profondità di fusione. Tuttavia, quando raggiunge un certo intervallo, tende a stabilizzarsi.

(4) Analisi di monitoraggio di ciascun parametro: tra i quattro parametri di saldatura, la velocità di saldatura e la portata del gas di protezione sono facili da monitorare e mantenere la stabilità, mentre la potenza del laser e la posizione di messa a fuoco sono parametri che possono variare durante il processo di saldatura e sono difficili da monitorare . Sebbene la potenza erogata dal laser abbia un'elevata stabilità e sia facile da monitorare, la potenza del laser che raggiunge il pezzo cambierà a causa della perdita dei sistemi di guida e messa a fuoco. Questa perdita è correlata alla qualità, al tempo di servizio e all'inquinamento superficiale del pezzo ottico, rendendolo difficile da monitorare e diventando un fattore incerto nella qualità della saldatura. La posizione focale del raggio è uno dei parametri di saldatura che ha un impatto significativo sulla qualità della saldatura ed è il più difficile da monitorare e controllare. Attualmente, nella produzione, è necessario fare affidamento sulla regolazione manuale e su ripetuti esperimenti di processo per determinare la posizione appropriata del punto focale al fine di ottenere la profondità di penetrazione desiderata. Tuttavia, durante il processo di saldatura, a causa della deformazione del pezzo, dell'effetto lente termica o della saldatura multidimensionale delle curve spaziali, la posizione di messa a fuoco potrebbe cambiare e superare l'intervallo consentito.

Per quanto riguarda le due situazioni precedenti, da un lato, è necessario utilizzare e mantenere regolarmente componenti ottici stabili e di alta qualità per prevenire l'inquinamento e mantenere la pulizia; D'altro canto, è necessario sviluppare metodi di monitoraggio e controllo in tempo reale per i processi di saldatura laser, al fine di ottimizzare i parametri, monitorare i cambiamenti nella potenza del laser e la posizione di messa a fuoco che raggiunge il pezzo, ottenere un controllo a circuito chiuso e migliorare l'affidabilità e stabilità della qualità della saldatura laser.

Infine, va notato che la saldatura laser è un processo di fusione. Ciò significa che i due substrati si scioglieranno durante il processo di saldatura laser. Questo processo è veloce, quindi l’apporto di calore complessivo è basso. Ma poiché si tratta di un processo di fusione, durante la saldatura di materiali diversi possono formarsi composti intermetallici fragili e ad alta resistenza. La combinazione alluminio-rame è particolarmente incline alla formazione di composti intermetallici. È stato dimostrato che questi composti hanno effetti negativi sulle proprietà elettriche a breve termine e meccaniche a lungo termine delle giunzioni dei dispositivi microelettronici. L’impatto di questi composti intermetallici sulle prestazioni a lungo termine delle batterie agli ioni di litio è ancora incerto.