Soudage laser pour batteries de puissance

Le choix des méthodes et des processus de soudage dans le processus de fabrication des batteries de puissance affectera directement le coût, la qualité, la sécurité et la cohérence de la batterie.

1 Principe du soudage laser

Le soudage au laser consiste à utiliser une excellente directivité et une densité de puissance élevée du faisceau laser pour travailler. Le faisceau laser est focalisé dans une petite zone à travers le système optique. En très peu de temps, une zone de source de chaleur avec une concentration d'énergie élevée est formée au niveau de la pièce soudée, de sorte que l'objet soudé est fondu et qu'un joint de brasage solide et une soudure sont formés.

2 types de soudage laser

Soudage par conduction thermique au laser, le faisceau laser fait fondre la surface de la pièce le long du joint et le matériau fondu converge et se solidifie pour former la soudure. Il est principalement utilisé pour les matériaux relativement minces. La profondeur de soudage maximale des matériaux est limitée par sa conductivité thermique et la largeur de soudure est toujours supérieure à la profondeur de soudage.

Soudage à pénétration profonde, lorsque le laser haute puissance se rassemble à la surface du métal, la chaleur ne peut pas être perdue et la profondeur de soudage sera considérablement approfondie. Cette technologie de soudage est le soudage par pénétration profonde. En raison de la vitesse de traitement élevée, de la petite zone affectée par la chaleur et de la distorsion minimale, la technologie de soudage à pénétration profonde peut être utilisée pour le soudage en profondeur ou le soudage de plusieurs couches de données ensemble.

La principale différence entre le soudage par conduction thermique et le soudage par pénétration profonde est la densité de puissance appliquée à la surface métallique en unité de temps, et la valeur critique est différente pour différents métaux.

Soudage par pénétration et soudage de couture

Grâce au soudage, la pièce de raccordement n'a pas besoin de poinçonnage et le traitement est relativement simple. Un soudeur laser haute puissance est nécessaire pour le soudage par pénétration. La profondeur de pénétration du soudage par pénétration est inférieure à celle du soudage à la couture et la fiabilité est relativement médiocre.

Comparé au soudage par pénétration, le soudage à la couture ne nécessite que moins de soudeur laser. La pénétration du soudage à la couture est supérieure à celle du soudage par pénétration et la fiabilité est relativement bonne. Mais la pièce de connexion doit être poinçonnée, elle est donc relativement difficile à traiter.

Soudage pulsé et soudage continu

1) Soudage en mode pulsé

Lors du soudage au laser, la forme d'onde de soudage appropriée doit être sélectionnée. Les formes d'onde d'impulsion couramment utilisées sont l'onde carrée, l'onde de crête, l'onde bimodale, etc. La réflectivité de la surface de l'alliage d'aluminium à la lumière est trop élevée. Lorsqu'un faisceau laser de haute intensité frappe la surface du matériau, 60% à 98% de l'énergie laser sur la surface métallique sera perdue en raison de la réflexion, et la réflectivité change avec la température de surface. En général, lors du soudage d'un alliage d'aluminium, le meilleur choix est une onde forte et une onde bimodale. Ce type de forme d'onde de soudage a une largeur d'impulsion plus longue dans la partie inférieure, ce qui peut réduire efficacement la génération de pores et de fissures.

Échantillon de soudage laser pulsé

En raison de la réflectivité élevée de l'alliage d'aluminium au laser, afin d'empêcher le faisceau laser de provoquer une réflexion verticale et d'endommager le miroir de focalisation laser, le joint de soudage est généralement dévié à un certain angle dans le processus de soudage. Le diamètre du joint de soudure et de la surface effective du joint augmente avec l'augmentation de l'angle d'inclinaison du laser. Lorsque l'angle d'inclinaison du laser est de 40 degrés, le joint de soudure maximal et la surface de joint efficace peuvent être obtenus. La pénétration de la soudure et la pénétration effective diminuent avec l'angle d'inclinaison du laser. Lorsque l'angle d'inclinaison du laser est supérieur à 60 degrés, la pénétration effective de la soudure diminue jusqu'à zéro. Par conséquent, la pénétration et la largeur de la soudure peuvent être augmentées en inclinant le joint soudé à un certain angle.

De plus, lors du soudage, en prenant la soudure comme limite, le point laser doit être soudé par 65% de la plaque de recouvrement et 35% de la coque, ce qui peut réduire efficacement l'explosion causée par le problème de fermeture du couvercle.

2) Soudage en mode continu

Parce que le processus de chauffage du soudage laser continu n'est pas comme le refroidissement et le chauffage soudains de la machine à impulsions, la tendance à la fissuration n'est pas très évidente pendant le soudage. Afin d'améliorer la qualité de la soudure, le soudage laser continu est adopté. La surface de soudure est lisse et uniforme, sans éclaboussures ni défaut, et aucune fissure n'est trouvée à l'intérieur de la soudure. Dans le soudage d'alliage d'aluminium, les avantages du laser continu sont évidents. Comparé à la méthode de soudage traditionnelle, le laser continu a une efficacité de production élevée et aucun remplissage de fil; par rapport au soudage au laser à impulsions, il peut résoudre les défauts après le soudage, tels que les fissures, les pores, les éclaboussures, etc., pour garantir que l'alliage d'aluminium a de bonnes propriétés mécaniques après le soudage; il ne fléchira pas après le soudage et la quantité de polissage après le soudage est réduite, ce qui économise le coût de production.Cependant, comme le point du laser CW est relativement petit, la précision d'assemblage de la pièce doit être plus élevée.

Échantillon de soudage laser en continu

Dans le soudage de la batterie de puissance, les techniciens en soudage sélectionneront le laser et les paramètres de soudage appropriés en fonction du matériau de la batterie du client GG, de la forme, de l'épaisseur, des exigences de force de traction, y compris la vitesse de soudage, la forme d'onde, la valeur de crête, l'inclinaison de la tête de soudage angle, etc. pour définir des paramètres de soudage raisonnables, afin de garantir que l'effet de soudage final répond aux exigences des fabricants de batteries de puissance.

3 avantages du soudage laser

Il présente les avantages d'une énergie concentrée, d'une efficacité de soudage élevée, d'une précision d'usinage élevée et d'un grand rapport de largeur de profondeur de la soudure. Le faisceau laser est facile à focaliser, aligner et guider par des instruments optiques. Il peut être placé à une distance appropriée de la pièce à usiner et peut être re-guidé entre les pinces ou les obstacles autour de la pièce à usiner. D'autres règles de soudage ne peuvent pas jouer en raison des limitations d'espace ci-dessus.

L'énergie de soudage peut être contrôlée avec précision, l'effet de soudage est stable et l'aspect du soudage est bon;

Soudage sans contact, transmission par fibre optique, bonne accessibilité, degré élevé d'automatisation. Lors du soudage d'un matériau mince ou d'un fil de diamètre fin, il n'y aura aucun problème de refusion comme le soudage à l'arc. Du fait que la cellule utilisée pour la batterie d'alimentation suit le principe du&"léger GG", il est généralement constitué de&"léger GG". aluminium et doit être&«GG plus mince». En général, la coque, le couvercle et le fond doivent être inférieurs à 1,0 mm. À l'heure actuelle, l'épaisseur du matériau de base des fabricants traditionnels est d'environ 0,8 mm.

Il peut fournir un soudage à haute résistance pour diverses combinaisons de matériaux, en particulier pour le soudage entre des matériaux en cuivre et des matériaux en aluminium. C'est également la seule technologie capable de souder le nickelage sur des matériaux en cuivre.

4 Difficultés de soudage laser

À l'heure actuelle, la coque de batterie en alliage d'aluminium représente plus de 90% de l'ensemble de la batterie de puissance. La difficulté du soudage est que la réflectivité de l'alliage d'aluminium au laser est très élevée et que la sensibilité de la porosité est élevée dans le processus de soudage. Certains problèmes et défauts apparaîtront inévitablement dans le processus de soudage, dont les plus importants sont la porosité, la fissuration à chaud et l'explosion.

Il existe deux principaux types de porosité dans le soudage au laser de l'alliage d'aluminium: la porosité à l'hydrogène et la porosité causée par l'éclatement des bulles. Étant donné que la vitesse de refroidissement du soudage au laser est trop rapide, le problème de la porosité à l'hydrogène est plus grave, et il existe également des types de trous dus à l'effondrement de petits trous lors du soudage au laser.

Problème de fissures thermiques. L'alliage d'aluminium est un alliage eutectique typique, qui est sujet aux fissures à chaud pendant le soudage, y compris les fissures de cristallisation de soudure et les fissures de liquéfaction HAZ. En raison de la ségrégation de la composition dans la zone de soudure, une ségrégation eutectique se produira et une fusion de la limite des grains se produira. Sous l'action de la contrainte, des fissures de liquéfaction se formeront à la limite du grain, ce qui réduira les performances du joint soudé.

Problème d'explosion (également connu sous le nom d'éclaboussure). De nombreux facteurs sont à l'origine de l'explosion, tels que la propreté du matériau, la pureté du matériau lui-même, les caractéristiques du matériau lui-même, etc., et la stabilité du laser joue un rôle décisif. La surface de la coque est convexe, le trou d'air et la bulle d'air interne. La raison principale est que le diamètre du noyau de la fibre est trop petit ou que l'énergie laser est trop élevée. Ce n'est pas le" une meilleure qualité de faisceau, un meilleur effet de soudage" publicisé par certains fournisseurs d’équipements laser. Une bonne qualité de faisceau convient au soudage par recouvrement avec une grande pénétration. La clé pour résoudre le problème est de trouver les bons paramètres de processus.

Autres difficultés

Pour le soudage de la cosse polaire à enveloppe souple, un outillage de soudage est fortement requis, de sorte que la cosse polaire doit être fermement pressée pour assurer l'écart de soudage. Il peut réaliser le soudage à grande vitesse de la forme en S, de la forme en spirale et d'autres pistes complexes, augmenter la zone de joint de soudure et renforcer la force de soudage en même temps.

Le soudage des cellules cylindriques est principalement utilisé pour le soudage des électrodes positives. La coque de l'électrode négative étant mince, il est très facile de la souder. Par exemple, à l'heure actuelle, certains fabricants utilisent le procédé sans soudage par électrode négative et l'électrode positive est un soudage au laser.

Lorsque la combinaison de batteries carrées est soudée, le pôle ou la pièce de connexion est fortement pollué; lorsque la pièce de raccordement est soudée, les polluants se décomposent, ce qui permet de former facilement des points d'explosion de soudage et de provoquer des trous; lorsque le poteau est mince et qu'il y a des pièces structurelles en plastique ou en céramique en dessous, il est facile de le souder. Lorsque le poteau est petit, il est facile de s'écarter du plastique et de brûler. N'utilisez pas de connecteur multicouche, il y a des pores entre les couches, ce n'est pas facile à souder.

Le processus de soudage le plus important de la batterie carrée est l'emballage du couvercle de la coque, qui peut être divisé en soudage du couvercle supérieur et du couvercle inférieur selon différentes positions. En raison de la petite taille de la batterie, certains fabricants de batteries utilisent le" Deep Drawing" processus de fabrication de la coque de la batterie, il suffit de souder le couvercle supérieur.

Échantillon de soudage latéral de batterie d'alimentation carrée

Les méthodes de soudage des batteries carrées sont principalement divisées en soudage latéral et soudage par le haut. Le principal avantage du soudage latéral est qu'il a moins d'influence sur l'intérieur de la cellule et que les projections ne pénètrent pas facilement à l'intérieur de la coque. Parce que le soudage peut provoquer un renflement, ce qui aura un léger impact sur le processus d'assemblage ultérieur, le processus de soudage latéral a donc des exigences élevées sur la stabilité du laser et la propreté du matériau. Étant donné que le processus de soudage par le haut est soudé d'un côté, les exigences pour l'intégration de l'équipement de soudage sont relativement faibles et la production de masse est simple. Cependant, il existe deux inconvénients: l'un est qu'une petite éclaboussure peut pénétrer dans la cellule pendant le soudage, et l'autre est que les exigences élevées pour la section avant de la coque conduiront au problème de coût.

5. Facteurs affectant la qualité du soudage

Le soudage au laser est la principale méthode de soudage de batteries haut de gamme. Le soudage au laser est un processus d'irradiation laser par faisceau à haute énergie sur la pièce à usiner, ce qui provoque une forte augmentation de la température de travail, et la pièce fond et se reconnecte pour former une connexion permanente. La résistance au cisaillement et la résistance à la déchirure du soudage au laser sont meilleures. La conductivité électrique, la résistance, l'étanchéité à l'air, la fatigue du métal et la résistance à la corrosion du soudage de batterie sont des normes typiques d'évaluation de la qualité du soudage.

De nombreux facteurs affectent la qualité du soudage au laser. Certains d'entre eux sont très volatils et présentent une instabilité considérable. Comment régler et contrôler correctement ces paramètres, afin qu'ils puissent être contrôlés dans la plage appropriée dans le processus de soudage laser à haute vitesse et continu pour assurer la qualité du soudage. La fiabilité et la stabilité du formage par soudure sont des problèmes importants liés à la pratique et à l'industrialisation de la technologie de soudage au laser. Les principaux facteurs affectant la qualité du soudage au laser sont l'équipement de soudage, l'état de la pièce et les paramètres de processus.

1) équipement de soudage laser

Machine de soudage laser à fibre pour batterie de puissance

L'ampli RS-SWF-80/150 80W GG; La machine de soudage laser à fibre 150W répond à la demande de soudage laser haute vitesse de haute qualité pour les cellules de batterie au lithium.

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L'exigence de qualité la plus importante du laser est le mode de faisceau, la puissance de sortie et la stabilité. Le mode de faisceau est le principal indice de la qualité du faisceau. Plus l'ordre du mode de faisceau est bas, meilleures sont les performances de focalisation du faisceau, plus le point est petit, plus la densité de puissance est élevée et plus la profondeur et la largeur de la soudure sont grandes sous la même puissance laser. Le mode fondamental (TEM00) ou mode d'ordre bas est généralement requis, sinon, il est difficile de répondre aux exigences d'un soudage laser de haute qualité. À l'heure actuelle, il est difficile pour les lasers domestiques d'être utilisés dans le soudage au laser en termes de qualité du faisceau et de stabilité de la puissance de sortie. De la situation étrangère, la qualité du faisceau laser et la stabilité de la puissance de sortie ont été assez élevées, ce qui ne deviendra pas le problème du soudage au laser. La lentille de mise au point est le facteur le plus important affectant la qualité du soudage dans le système optique. La distance focale est généralement comprise entre 127 mm (5 pouces) et 200 mm (7,9 pouces). Une petite distance focale est bonne pour réduire le diamètre du point de taille du faisceau focalisé, mais la distance focale trop petite est facile à polluer et à endommager par les éclaboussures lors du processus de soudage.

Plus la longueur d'onde est courte, plus l'absorption est élevée. Généralement, la réflectivité des matériaux à bonne conductivité est très élevée. Pour le laser YAG, la réflectivité de l'argent est de 96%, celle de l'aluminium de 92%, celle du cuivre de 90% et celle du fer de 60%. Plus la température est élevée, plus l'absorption est élevée, ce qui montre une relation linéaire; généralement, le phosphate, le noir de carbone et le graphite peuvent améliorer l'absorption.

2) État de la pièce

Le soudage au laser nécessite le traitement du bord de la pièce, l'assemblage a une grande précision et le point est strictement aligné avec la soudure. De plus, la précision d'assemblage d'origine et l'alignement des points de la pièce à usiner ne peuvent pas être modifiés en raison de la déformation thermique de soudage dans le processus de soudage. En effet, le point laser est petit et le cordon de soudure est étroit. En général, aucun métal d'apport n'est ajouté. Si l'assemblage n'est pas strict et que l'espace est trop grand, le faisceau peut traverser l'espace et ne peut pas faire fondre le métal de base, ou provoquer un dégagement et une dépression évidents. Si l'écart de la tache par rapport à la couture est légèrement important, cela peut entraîner une fusion incomplète ou une pénétration incomplète. Par conséquent, l'écart général de l'assemblage bout à bout de la plaque et l'écart de couture par points ne doivent pas être supérieurs à 0,1 mm, le désalignement ne doit pas être supérieur à 0,2 mm. Dans la production réelle, la technologie de soudage au laser ne peut parfois pas être utilisée car elle ne peut pas répondre à ces exigences. Afin d'obtenir un bon effet de soudage, le jeu de bout et le jeu de recouvrement admissibles doivent être contrôlés à moins de 10% de l'épaisseur de la feuille.

Un soudage laser réussi nécessite un contact étroit entre le substrat à souder. Cela nécessite un serrage soigneux des pièces pour des résultats optimaux. Ceci est difficile à faire sur le matériau de base mince de la patte, car elle est sujette à la flexion et au désalignement, en particulier lorsque la patte est intégrée dans un grand module ou module de batterie.

3) Paramètres de soudage laser

(1) La densité de puissance du point laser est le facteur le plus important affectant le mode de soudage laser et la stabilité de formation de la soudure. L'influence de la densité de puissance du point laser sur le mode de soudage et la stabilité de formation de la soudure est la suivante: avec la densité de puissance du point laser augmentant de petite à grande, l'ordre est le soudage à conductivité thermique stable, le soudage en mode instable et le soudage à pénétration profonde stable.

La densité de puissance du spot laser est principalement déterminée par la puissance du laser et la position de mise au point du faisceau lorsque le mode de faisceau et la distance focale sont fixes. La densité de puissance laser est proportionnelle à la puissance laser. Lorsque le foyer du faisceau est à une certaine position sous la surface de la pièce (1 à 2 mm, en fonction de l'épaisseur et des paramètres), la soudure optimale peut être obtenue. Si vous vous écartez de la position de mise au point optimale, la tache lumineuse sur la surface de la pièce deviendra plus grande, ce qui réduira la densité de puissance. Dans une certaine plage, cela entraînera le changement de la forme du processus de soudage.

Ce n'est que lorsque la vitesse de soudage est trop élevée que le processus de soudage par pénétration profonde stable ne peut pas être maintenu en raison du faible apport de chaleur. Dans le soudage réel, le soudage par pénétration profonde stable ou le soudage par conduction thermique stable doit être sélectionné en fonction des exigences de pénétration de la soudure, et le mode de soudage instable doit être absolument évité.

(2) Dans la gamme de soudage à pénétration profonde, l'influence des paramètres de soudage sur la pénétration: dans la plage de soudage à pénétration profonde stable, plus la puissance du laser est élevée, plus la pénétration est grande, qui est d'environ 0,7 puissance; et plus la vitesse de soudage est élevée, moins la pénétration est profonde. À une certaine puissance laser et vitesse de soudage, la pénétration est la plus grande lorsque la mise au point est dans la meilleure position. Si le foyer s'est écarté de cette position, la pénétration diminue et devient même un soudage instable ou un soudage par conduction thermique stable.

(3) La fonction principale de la protection du gaz est de protéger la pièce de l'oxydation pendant le soudage, de protéger la lentille de mise au point de la pollution par les vapeurs métalliques et de la pulvérisation de gouttelettes de liquide, de disperser le plasma produit par le soudage au laser haute puissance, de refroidir la pièce et de réduire la zone affectée par la chaleur.

L'argon ou l'hélium est généralement utilisé comme gaz protecteur. L'azote peut être utilisé pour ceux qui ont de faibles exigences de qualité apparente. La tendance de l'hélium à produire du plasma est différente: l'hélium a un volume d'ionisation plus élevé et une conduction thermique plus rapide. Dans les mêmes conditions, le gaz a moins tendance à produire du plasma que l'argon, il peut donc obtenir une plus grande profondeur de fusion. Dans une certaine plage, avec l'augmentation du débit du gaz protecteur, la tendance à supprimer le plasma augmente, donc la profondeur de fusion augmente, mais elle a tendance à être stable lorsqu'elle augmente dans une certaine plage.

(4) Analyse sur la surveillance de chaque paramètre: parmi les quatre paramètres de soudage, la vitesse de soudage et le débit de gaz de protection sont faciles à surveiller et à maintenir stables, tandis que la puissance du laser et la position de mise au point sont les paramètres qui peuvent fluctuer et sont difficiles à surveiller dans le processus de soudage. Bien que la puissance de sortie laser du laser soit très stable et facile à surveiller, en raison de la perte du guide de lumière et du système de focalisation, la puissance du laser arrivant sur la pièce à usiner changera, et cette perte est liée à la qualité de la pièce optique, temps de service et pollution de surface, il n'est donc pas facile à surveiller et devient un facteur incertain de la qualité du soudage. La position de mise au point du faisceau est l'un des facteurs les plus difficiles à surveiller et à contrôler, ce qui a une grande influence sur la qualité du soudage. À l'heure actuelle, il est nécessaire de déterminer la position de mise au point appropriée par un réglage manuel et des tests de processus répétés afin d'obtenir la pénétration idéale. Mais dans le processus de soudage, en raison de la déformation de la pièce, de l'effet de lentille thermique ou du soudage multidimensionnel de la courbe spatiale, la position de mise au point changera et peut dépasser la plage autorisée.

Pour les deux cas ci-dessus, d'une part, des éléments optiques de haute qualité et de haute stabilité doivent être utilisés et entretenus régulièrement pour éviter la pollution et rester propres; d'autre part, la méthode de surveillance et de contrôle en temps réel du processus de soudage au laser doit être développée pour optimiser les paramètres et surveiller le processus de soudage.Elle peut modifier la puissance du laser et la position de mise au point de la pièce, réaliser un contrôle en boucle fermée, et améliorer la fiabilité et la stabilité de la qualité du soudage au laser.

Enfin, il est important de noter que le soudage au laser est un processus de fusion. Cela signifie que les deux substrats fondent pendant le soudage au laser. Ce processus est très rapide, de sorte que l'apport de chaleur global est faible. Mais comme il s'agit d'un processus de fusion, il est possible de former des composés intermétalliques fragiles à haute résistance lors du soudage de différents matériaux. La combinaison de l'aluminium et du cuivre est particulièrement facile à former des composés intermétalliques. Ces composés se sont avérés avoir des effets négatifs sur les propriétés électriques à court terme et mécaniques à long terme du joint des équipements microélectroniques. L'influence de ces composés intermétalliques sur les performances à long terme des batteries au lithium est incertaine.