Joonis 1: Laserkeevituse seadistus silindriliste liitium-ioonakumoodulite jaoks. (Pildi allikas: Photon Automation)
Silindrilisi liitium-ioonakusid (nagu 18650, 21700 ja suuremad 4680 mudelid) kasutatakse nende suure energiatiheduse, standardse disaini ja tõestatud töökindluse tõttu laialdaselt kaasaskantavas elektroonikas, elektritööriistades, energiasalvestussüsteemides ja eriti elektrisõidukites. Nende patareide korpuse materjalina kasutatakse tavaliselt nikliga kaetud terast (Hilumin), kuna nikkelkate tagab korrosioonikindluse, samas kui terasest aluspind tagab konstruktsiooni tugevuse, et taluda sisemist survet ja mehaanilist pinget.
Konkreetsete disaini- ja jõudlusnõuete täitmiseks kasutavad mõned 46 mm läbimõõduga silindrilised elemendid erinevaid korpuse materjale, nagu alumiinium ja nikeldatud teras. Kriitiline väljakutse mooduli või akupaki valmistamisel on alumiiniumi ja terase kokkukeevitamine, kuna nende soojusomadused ja keevituskäitumine erinevad oluliselt.
Silindriliste akumoodulite või -pakkide ehitamine hõlmab elementide (üksikute akuüksuste) paigutamist kindla mustri järgi ja nende järjestikku või paralleelset ühendamist vastavalt rakenduse pinge- ja voolunõuetele. See konfiguratsioon võimaldab tootjatel kohandada akuploki üldist energiamahtu ja väljundvõimsust, et see vastaks konkreetsete rakenduste, näiteks elektrisõidukite või statsionaarsete energiasalvestussüsteemide vajadustele. Rakud ühendatakse tavaliselt 0,3–0,6 mm paksuste alumiiniumsiinide kaudu, mis seejärel laserkeevitatakse, et saavutada usaldusväärsed elektriühendused (vt joonis 1). Akukorpustes kasutatava nikeldatud terase paksus on tavaliselt 0,4–0,6 mm, olenevalt elemendi konstruktsioonist ja tootja kaubamärgist.
Elektrisõidukites peavad alumiiniumsiinid akuelementidega ühendavad keevisõmblused säilitama kõrge konstruktsiooni terviklikkuse ja elektrijuhtivuse rasketes dünaamilistes tingimustes, sealhulgas löök, vibratsioon ja soojustsüklid. Seetõttu on täpne ja töökindel laserkeevitus aku pikaajalise toimimise ja ohutuse jaoks ülioluline. Laserkeevitus sobib selle kokkupaneku stsenaariumi jaoks erakordselt hästi-. See loob suure-tugevuse, puhtad liitekohad madala soojussisendiga ja minimaalsete moonutustega. Need omadused on üliolulised, et ületada väljakutsed, mis on omased alumiiniumi keevitamisel nikeldatud terasega{7}}.
Haprate intermetalliliste ühendite (IMC) moodustumine
Peamine väljakutse keevitamise ajal on habraste intermetalliliste ühendite (IMC) moodustumine, mis vähendab oluliselt vuugi tugevust ja elektrijuhtivust. See probleem tuleneb alumiiniumi ja terase erinevatest omadustest, eriti nende erinevatest termilistest reaktsioonidest: alumiinium sulab ja paisub kiiremini kui teras, tekitades termilisi pingeid, mis soodustavad keevitamise ajal IMC kasvu. Nendel IMC-del-nagu raud-alumiiniumühendid FeAl3 ja Fe₂Al₅- on tavaliselt rabedad tekstuurid, mis nõrgendavad vuugi tugevust, põhjustades pragude teket, tugevuse vähenemist ja suuremat vastuvõtlikkust korrosioonile.
IMC-de moodustumine ja kogumaht keevitamise ajal mõjutavad kriitiliselt keevisõmbluse kvaliteeti ja pikaajalist{0}}jõudlust. Kui IMC maht suureneb, intensiivistub liigeste haprus, väheneb mehaaniline tugevus ja suureneb pinge{2}}indutseeritud rikke tõenäosus. Sügavam keevisõmbluse läbitungimine suurendab tavaliselt IMC kogumahtu, rõhutades keevitusparameetrite täpse juhtimise vajadust, et tagada liite kõrge tugevus, töökindlus ja vastupidavus.
Ulatuslikud uuringud näitavad, et õhukese ühtlase IMC kihi (tavaliselt 2 µm kuni 10 µm) säilitamine annab suurema tõmbenihketugevuse. Need õhukesed kihid võimaldavad tõhusat metallurgilist sidumist, vähendades samal ajal vuukide haprust. Kui aga IMC kihi paksus ületab 15 µm, põhjustab selle rabedus sageli tõmbetugevuse vähenemist, kuna see on vastuvõtlik pragude tekkele ja levimisele koormuse all (vt joonis 2).
Joonis 2: IMC kihi paksuse mõju tõmbetugevusele. (Pildi allikas: H. He et al.) [1]
Selle probleemi lahendamiseks on tõhusam lähenemisviis keevisliidese pindala suurendamine, selle asemel, et tugineda ainult suuremale läbitungimissügavusele. Liidese ala laiendamine suurendab metallurgilist sidet, piirates samal ajal üldist IMC mahtu. See vähendab haprust ja soodustab ühtlasemat pingejaotust liigeses, parandades seeläbi töökindlust. Seda efekti saab saavutada laserimpulsside kombineerimisel kiirskaneerimise tehnoloogiaga, et täpselt juhtida soojussisendit ja liidese moodustumist, minimeerides IMC kasvu.
Photon Automation on välja töötanud täiustatud impulsi- ja võimsuskontrollerid, mis võimaldavad lasereid mikrosekundi{0}}täpsusega juhtida, võimaldades kohandatud impulsi kujundamist. Impulsi kuju peenhäälestamisel- väheneb lokaalne termiline pinge, materjali ideaalsed mehaanilised omadused säilivad, soojus-mõjutatud tsoon (HAZ) minimeeritakse ja osade eluiga pikeneb. Ettevõtte WonderBOARD liidestub ka galvanopeegli kontrolleritega, võimaldades laserenergia ühtlaselt jaotada toorikute vahel. See hoiab ära kuumad kohad ja kiire kiire liikumise tõttu ebaühtlase kuumenemise.
Laserimpulsi ja -kiire võnkumise juhtimine IMC moodustamiseks
Impulsslaserid pakuvad suurepärast soojussisendi juhtimist, vähendades üle-sulamise või pritsimise ohtu. Impulsside vahelised jahutusintervallid minimeerivad soojuse akumuleerumist, aidates ära hoida selliseid defekte nagu läbipõlemine-või moonutused. Õhukese-materjali keevitamiseks või erinevate metallide (nt alumiinium---teraseks) ühendamiseks suurendab impulsstehnoloogia ka sulamisbasseini stabiilsust.
Laserkiire dünaamiline skaneerimine läbi keevitustsooni galvanomeetri abil tagab ühtlase energiajaotuse. See hoiab ära servaefektid (liigne läbitungimine, allalõige või kuumad kohad, mis on põhjustatud pikaajalisest viibimisest keevitustee alguses/lõpus). Võnkumistehnoloogia võimaldab ka kohandatud keevisprofiile (nt ümmargused, spiraalsed või saehambad), et suurendada liigeste mehaanilist tugevust ja ühtlust.
Pulseerimise ja võnkumise kombinatsioon loob hästi kontrollitava keevituskeskkonna, mis minimeerib termilisi gradiente, optimeerib metallurgilist sidet ja tagab ühtlasema pingejaotuse. See lähenemine on eriti oluline akude tootmisel, võimaldades täpset energiajuhtimist, et vältida tundlike komponentide või isoleeritud alade kahjustamist.
Teine väljakutse hõlmab keevisõmbluse täpse positsioneerimise ja ühtlase keevisõmbluse kvaliteedi saavutamist.
Silindriliste elementide puhul asuvad nii positiivsed kui ka negatiivsed elektroodid ülemisel pinnal -keskne elektroodi kate toimib positiivse elektroodina, samas kui ümbritsev rõngakujuline piirkond toimib negatiivse elektroodina. See paigutus piirab saadaolevat keevitusala, nõudes laserpositsioneerimisel ülimat täpsust. Isegi väiksemad kõrvalekalded võivad põhjustada keevisõmbluse ebapiisavat tugevust, sisemisi kahjustusi või lühiseid, mis kõik suurendavad raku tõrkeohtu ja võivad rasketel juhtudel vallandada termilise äravoolu.
Kokkupanemise ajal sisaldavad need akumoodulid tavaliselt sadu tihedalt pakitud elemente. Väikesed erinevused raku kõrguses, mis on põhjustatud tootmistolerantsidest või käsitsemisest, võivad põhjustada siini või keevitustööriista ja elementide ebaühtlase kontakti. Kui seda ei käsitleta õigesti, põhjustab see ebaühtlane kontakt keevisõmbluse kvaliteedi kõikumist, halbu elektriühendusi ja pikaajalisi -jõudlusprobleeme.
Nendest väljakutsetest ülesaamiseks toetuvad tootjad kahele põhisüsteemile: nägemissüsteemid ja optiline koherentstomograafia (OCT).
Nägemissüsteemid tuvastavad ja tuvastavad iga silindrilise raku positiivse klemmi (keskkork) ja negatiivse klemmi (välimine rõngas/serv). Lisaks kompenseerivad nägemissüsteemid rakkude -to- kõikumised/tolerantsid ja kinnituse joondamise kõrvalekalded, suunates laserkiire õigesse keevitusasendisse, vältides samal ajal kokkupuudet isolatsioonikihtide või servaaladega. See võimaldab ühtlast ja ülitäpset{4}}keevitamist sadu elemente sisaldavate moodulite vahel.
OCT mõõdab iga lahtri kõrgust enne keevitamist, et tuvastada vähimadki kõrguse kõikumised. See reguleerib dünaamiliselt laseri fookuse asendit elektriajamiga kollimeeriva läätse kaudu, tagades laseri järjekindla teravustamise täpsele keevistasapinnale. See suurendab keevisõmbluse kvaliteeti ja töökindlust automatiseeritud tootmiskeskkondades, kus akumooduli elementide vahel võib esineda väikeseid kõrguse erinevusi.
Keevitusprotsesside jälgimine ja andmete hankimine: AI alus
Laserkeevituse seiresüsteemi (LWM) juurutamine on oluline samm tehisintellektist juhitud protsessijuhtimise saavutamisel{0}. Laser-materjali interaktsiooni käigus vabaneb energia mitmel kujul: plasmakiirgus (ultraviolettkiirguse lainepikkus), soojuskiirgus (infrapunalainepikkus), tagasipeegeldus (laseri tegelik lainepikkus) ja optiliste komponentide kaudu edastatav laservõimsus. Kõik need signaalid sisaldavad väärtuslikku teavet keevitusprotsessi parameetrite kohta.
Fotodioodi{0}}põhised andurid koguvad selle kiirgusteabe reaalajas ja võrdlevad seda kvaliteetsete keevisõmbluste{1}}viiteandmetega. See pidev andmete kogumine aitab tuvastada selliseid defekte nagu sulandumise puudumine, keevisõmbluste puudumine või ebaühtlane läbistussügavus. Aja jooksul loob suure eraldusvõimega protsessiandmete kogunemine-teisliinmudelite väljaõppe aluse. Need mudelid suudavad tuvastada mustreid, ennustada tõrkeid ja võimaldada keevitusprotsessi suletud{6}ahela optimeerimist.
Protsessi arendamise kinnitamine keevituskvaliteedi jaoks
Silindriliste liitium{0}}ioonakude laserkeevitamisel on sisemiste keevisõmbluste terviklikkuse tagamine aku ohutuse ja jõudluse tagamiseks ülioluline. Keevitamise ajal tuleb erilist tähelepanu pöörata plast- või kummimaterjalide kaitsmisele pealispinna all: liigne soojussisend, valed laseri parameetrid või liigne läbitungimissügavus võivad kahjustada alumisi isolatsioonikihte või plastikust/kummist konstruktsioonikomponente, põhjustades lühiseid, lekkeid, mehaanilisi rikkeid või termilist äravoolu.
Joonis 3: 3D-CT-pilt, mis näitab keevisõmbluse läbitungimise üksikasju. (Pildi allikas: Photon Automation)
Kompuutertomograafia (CT) võimaldab keevisliidete mitte-purustavat kõrge eraldusvõimega-kontrolli, pakkudes 2D- ja 3D-andmeid, mis paljastavad sisemised keevisõmbluse defektid, nagu poorsus, ebaühtlane läbitungimine keevisliideses või ebapiisav läbitungimine (vt joonis 3). Need 3D CT-andmed toetavad protsesside arendamist, kinnitades keevisõmbluse kvaliteeti ja tuvastades, kas läbitungimine jõuab tihendus- või isolatsioonimaterjalideni, vältides seeläbi selliseid probleeme keevitamise ajal.
