パワーバッテリーのレーザー溶接

パワーバッテリーの製造プロセスにおける溶接方法とプロセスの選択は、バッテリーのコスト、品質、安全性、および一貫性に直接影響します。

1レーザー溶接の原理

レーザー溶接は、優れた指向性と高出力密度のレーザービームを使用して機能します。 レーザービームは、光学システムを介して小さな領域に集束されます。 非常に短時間で、溶接部にエネルギー集中度の高い熱源領域が形成され、溶接物が溶けてはんだ接合と溶接がしっかりと形成されます。

2種類のレーザー溶接

レーザー熱伝導溶接では、レーザービームがシームに沿ってワークピースの表面を溶かし、溶けた材料が収束して固化して溶接を形成します。 主に比較的薄い素材に使用されます。 材料の最大溶接深さはその熱伝導率によって制約され、溶接幅は常に溶接深さよりも大きくなります。

深溶け込み溶接では、高出力レーザーが金属表面に集まると熱が失われず、溶接深さが大幅に深くなります。 この溶接技術は深溶け込み溶接です。 処理速度が速く、熱の影響を受ける領域が小さく、歪みが最小限であるため、深溶け込み溶接技術を使用して、深層溶接または複数のデータ層を一緒に溶接することができます。

熱伝導溶接と深溶け込み溶接の主な違いは、単位時間に金属表面に加えられる電力密度であり、臨界値は金属ごとに異なります。

溶け込み溶接とシーム溶接

溶接により、接続部に打ち抜きが不要で、加工が比較的簡単です。 溶け込み溶接には高出力レーザー溶接機が必要です。 溶け込み溶接の溶け込み深さはシーム溶接よりも浅く、信頼性は比較的低いです。

溶け込み溶接と比較して、シーム溶接は必要なパワーレーザー溶接機が少なくて済みます。 シーム溶接の溶け込みは溶け込み溶接よりも高く、信頼性は比較的良好です。 ただし、接続部は打ち抜きが必要なため、加工が比較的困難です。

パルス溶接と連続溶接

1）パルスモード溶接

レーザー溶接の場合、適切な溶接波形を選択する必要があります。 一般的に使用されるパルス波形は、方形波、ピーク波、バイモーダル波などです。 アルミニウム合金表面の光に対する反射率が高すぎます。 高強度のレーザービームが材料の表面に当たると、金属表面のレーザーエネルギーの60％〜98％が反射によって失われ、反射率は表面温度によって変化します。 一般に、アルミニウム合金を溶接する場合、最良の選択は鋭い波と二峰性の波です。 この種の溶接波形は、下部のパルス幅が長いため、細孔や亀裂の発生を効果的に減らすことができます。

パルスレーザー溶接サンプル

アルミニウム合金のレーザーに対する反射率が高いため、レーザービームが垂直反射を引き起こしてレーザー集束ミラーを損傷するのを防ぐために、溶接接合部は通常、溶接プロセスで特定の角度で偏向します。 はんだ接合部の直径と有効接合面は、レーザー傾斜角の増加とともに増加します。 レーザー傾斜角が40度の場合、最大のはんだ接合と有効接合面が得られます。 溶接溶け込みと有効溶け込みは、レーザーの傾斜角度とともに減少します。 レーザーの傾斜角が60度を超えると、有効な溶接溶け込みはゼロに減少します。 したがって、溶接継手を特定の角度に傾けることにより、溶接の溶け込みと幅を増やすことができます。

さらに、溶接を境界として溶接を行う場合、レーザースポットはカバープレートの65％とシェルの35％で溶接する必要があります。これにより、カバーの閉鎖の問題によって引き起こされる爆発を効果的に減らすことができます。

2）連続モード溶接

連続レーザー溶接の加熱プロセスは、パルスマシンの突然の冷却と加熱とは異なり、溶接中の亀裂傾向はあまり明白ではありません。 溶接品質を向上させるため、連続レーザー溶接を採用しています。 溶接面は滑らかで均一で、飛沫や欠陥がなく、溶接部の内部に亀裂は見られません。 アルミニウム合金の溶接では、連続レーザーの利点は明らかです。 従来の溶接方法と比較して、連続レーザーは高い生産効率を持ち、ワイヤーの充填がありません。 パルスレーザー溶接と比較して、亀裂、細孔、スパッタなどの溶接後の欠陥を解決し、アルミニウム合金が溶接後の良好な機械的特性を確保できるようにします。 溶接後のたるみがなく、溶接後の研磨量が少なく、製造コストを節約できますが、CWレーザーのスポットが比較的小さいため、ワークの組立精度を高くする必要があります。

連続レーザー溶接サンプル

パワーバッテリーの溶接では、溶接技術者は、顧客GG＃39のバッテリーの材質、形状、厚さ、溶接速度、波形、ピーク値、溶接ヘッドの傾きなどの引張力の要件に応じて、適切なレーザーと溶接パラメーターを選択します。最終的な溶接効果がパワーバッテリーメーカーの要件を確実に満たすように、適切な溶接パラメータを設定するための角度など。

3レーザー溶接の利点

集中エネルギー、高い溶接効率、高い加工精度、溶接の深さ幅比が大きいという利点があります。 レーザービームは、光学機器によって簡単に焦点を合わせ、位置合わせし、誘導することができます。 ワークピースから適切な距離に配置でき、ワークピースの周囲のクランプまたは障害物の間で再ガイドできます。 上記のスペース制限のため、他の溶接ルールは再生できません。

溶接エネルギーを正確に制御でき、溶接効果が安定し、溶接外観が良好です。

非接触溶接、光ファイバー伝送、優れたアクセス性、高度な自動化。 細い材料や細径のワイヤーを溶接する場合、アーク溶接のように再溶融の問題はありません。 パワーバッテリーに使用されるセルはGGquot;軽量GGquot;の原理に従っているため、通常はGGquot;軽量GGquot;で作られています。 アルミニウムであり、GGquot;薄いGGquot;である必要があります。 一般的に、シェル、カバー、および底部は1.0mm未満である必要があります。 現在、主流メーカーの基本的な材料の厚さは約0.8mmです。

さまざまな材料の組み合わせ、特に銅材料とアルミニウム材料の間の溶接に高強度の溶接を提供できます。 これは、ニッケルメッキを銅材料に溶接できる唯一の技術でもあります。

4レーザー溶接の難しさ

現在、アルミ合金製のバッテリーシェルがパワーバッテリー全体の90％以上を占めています。 溶接の難しさは、レーザーに対するアルミニウム合金の反射率が非常に高く、溶接プロセスでの多孔性の感度が高いことです。 溶接プロセスでは必然的にいくつかの問題や欠陥が発生しますが、その中で最も重要なのは多孔性、高温亀裂、爆発です。

アルミニウム合金のレーザー溶接には、主に2つのタイプの気孔率があります。水素気孔率と気泡破裂による気孔率です。 レーザー溶接の冷却速度が速すぎるため、水素の気孔率の問題はより深刻であり、レーザー溶接の小さな穴の崩壊による一種の穴もあります。

熱亀裂の問題。 アルミニウム合金は典型的な共晶合金であり、溶接結晶化亀裂やHAZ液化亀裂などの溶接中に高温亀裂が発生しやすい傾向があります。 溶接部での組成偏析により、共晶偏析が発生し、粒界溶融が発生します。 応力の作用下で、液状化亀裂が粒界に形成され、溶接継手の性能が低下します。

爆発（スプラッシュとも呼ばれます）の問題。 爆発の原因となる要因は、材料の清浄度、材料自体の純度、材料自体の特性など多くあり、レーザーの安定性が決定的な役割を果たします。 シェルの表面は凸状で、空気穴と内部気泡があります。 主な理由は、ファイバコアの直径が小さすぎるか、レーザーエネルギーの設定が高すぎることです。 それはGGquot;より良いビーム品質、より良い溶接効果GGquot;ではありません。 一部のレーザー機器サプライヤーによって公表されています。 良好なビーム品質は、溶け込みの大きいオーバーレイ溶接に適しています。 問題を解決するための鍵は、適切なプロセスパラメータを見つけることです。

その他の困難

ソフトラップポーラーラグの溶接には、溶接工具が非常に必要であるため、ポーラーラグをしっかりと押して溶接ギャップを確保する必要があります。 S字型、らせん状などの複雑な軌道の高速溶接を実現し、溶接継手面積を拡大すると同時に溶接強度を強化することができます。

円筒セルの溶接は、主に正極の溶接に使用されます。 負極のシェルが薄いため、溶接が非常に簡単です。 例えば、現在、一部のメーカーは負極溶接フリープロセスを使用しており、正極はレーザー溶接です。

四角いバッテリーの組み合わせが溶接されると、ポールまたは接続部品がひどく汚染されます。 接続部品が溶接されると、汚染物質が分解し、溶接爆発点を形成して穴を開けやすくなります。 ポールが薄く、その下にプラスチックまたはセラミックの構造部品がある場合、溶接が容易です。 ポールが小さいと、プラスチックから外れて燃え尽きやすくなります。 多層コネクタは使用しないでください。層間に細孔があり、溶接が容易ではありません。

角型電池の最も重要な溶接工程はシェルカバーのパッケージングであり、位置に応じてトップカバーとボトムカバーの溶接に分けることができます。 バッテリーのサイズが小さいため、一部のバッテリーメーカーはGGquot;深絞りGGquot;を使用しています。 バッテリーシェルを製造するプロセスは、トップカバーを溶接するだけです。

角型電池の側面溶接サンプル

角型電池の溶接方法は、主に側面溶接と上面溶接に分けられます。 側面溶接の主な利点は、セル内部への影響が少なく、スパッタがシェル内部に侵入しにくいことです。 溶接によりバルジが発生し、その後の組立工程に若干の影響を与える可能性があるため、側面溶接工程では、レーザーの安定性と材料の清浄度に高い要件があります。 上部溶接工程は片面溶接であるため、溶接装置の統合要件が比較的低く、大量生産が容易です。 ただし、2つの欠点があります。1つは溶接中に少量のスパッタがセルに入る可能性があること、もう1つはシェルの前部の高い要件がコストの問題につながることです。

5.溶接品質に影響を与える要因

レーザー溶接は、ハイエンドのバッテリー溶接の主な方法です。 レーザー溶接は、ワークピースに高エネルギービームレーザーを照射するプロセスであり、これにより動作温度が急激に上昇し、ワークピースが溶融して再接続し、永続的な接続を形成します。 レーザー溶接のせん断強度と引き裂き抵抗は優れています。 電池溶接の導電率、強度、気密性、金属疲労、耐食性は、代表的な溶接品質評価基準です。

レーザー溶接の品質に影響を与える多くの要因があります。 それらのいくつかは非常に不安定で、かなり不安定です。 これらのパラメータを正しく設定および制御する方法。これにより、高速連続レーザー溶接プロセスで適切な範囲に制御して、溶接品質を確保できます。 溶接成形の信頼性と安定性は、レーザー溶接技術の実用化と工業化に関連する重要な問題です。 レーザー溶接の品質に影響を与える主な要因は、溶接装置、ワークピースの状態、およびプロセスパラメータです。

1）レーザー溶接装置

パワーバッテリー用ファイバーレーザー溶接機

RS-SWF-80 / 150 80WGGアンプ; 150Wファイバーレーザー溶接機は、リチウム電池セル用の高品質な高速レーザー溶接の需要に応えています。

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レーザーの最も重要な品質要件は、ビームモード、出力パワー、および安定性です。 ビームモードは、ビーム品質の主要な指標です。 ビームモードの次数が低いほど、ビームの集束性能が向上し、スポットが小さくなり、出力密度が高くなり、同じレーザー出力での溶接の深さと幅が大きくなります。 基本モード（TEM00）または低次モードが一般的に必要です。そうでないと、高品質のレーザー溶接の要件を満たすことが困難です。 現在、家庭用レーザーをレーザー溶接に使用することは、ビーム品質と出力安定性の観点から困難です。 外国の状況から、レーザービームの品質と出力パワーの安定性は非常に高く、レーザー溶接の問題にはなりません。 フォーカスレンズは、光学システムの溶接品質に影響を与える最も重要な要素です。 焦点距離は通常127mm（5インチ）から200 mm（7.9インチ）の間です。 焦点距離が短いと、集束ビームのウエストスポット径を小さくするのに適していますが、焦点距離が短すぎると、溶接プロセスでのスパッタによって汚染され、損傷しやすくなります。

波長が短いほど、吸収率は高くなります。 一般的に、導電性の良い材料の反射率は非常に高くなります。 YAGレーザーの場合、銀の反射率は96％、アルミニウムの反射率は92％、銅の反射率は90％、鉄の反射率は60％です。 温度が高いほど、吸収率が高くなり、線形関係を示します。 一般に、リン酸塩、カーボンブラック、およびグラファイトは、吸収性を向上させることができます。

2）ワークの状態

レーザー溶接は、ワークピースのエッジの処理を必要とし、アセンブリは高精度であり、スポットは溶接部と厳密に位置合わせされます。 また、溶接工程での溶接熱変形により、元の組立精度やワークのスポットアライメントを変更することはできません。 これは、レーザースポットが小さく、溶接シームが狭いためです。 通常、溶加材は添加されません。 アセンブリが厳密でなく、ギャップが大きすぎる場合、ビームはギャップを通過して母材を溶かすことができず、明らかなアンダーカットやくぼみを引き起こす可能性があります。 継ぎ目からのスポットのずれがわずかに大きい場合、それは不完全な融合または不完全な浸透を引き起こす可能性があります。 したがって、一般的なプレートバットアセンブリのギャップとスポットシームの偏差は0.1 mmを超えてはならず、ミスアライメントは0.2mmを超えてはなりません。 実際の生産では、これらの要件を満たせないため、レーザー溶接技術を使用できない場合があります。 良好な溶接効果を得るには、許容バットギャップとラップギャップをシート厚の10％以内に制御する必要があります。

レーザー溶接を成功させるには、溶接する基板が密接に接触している必要があります。 これには、最適な結果を得るために部品を注意深く締める必要があります。 これは、特にラグが大きなバッテリーモジュールまたはモジュールに埋め込まれている場合に、曲がったりずれたりする傾向があるため、ラグの薄いベース材料で行うのは困難です。

3）レーザー溶接パラメータ

（1）レーザースポットの出力密度は、レーザー溶接モードと溶接成形の安定性に影響を与える最も重要な要素です。 レーザースポットパワー密度が溶接モードと溶接成形安定性に及ぼす影響は次のとおりです。レーザースポットパワー密度が小さいものから大きいものへと増加するにつれて、安定した熱伝導率溶接、モード不安定溶接、安定した深溶け込み溶接の順序になります。

レーザースポットのパワー密度は、主に、ビームモードと焦点距離が固定されている場合のレーザーパワーとビーム焦点位置によって決まります。 レーザー出力密度はレーザー出力に比例します。 ビームの焦点がワークピースの表面の下の特定の位置（厚さとパラメータに応じて1〜2mm）にある場合、最適な溶接を得ることができます。 最適な焦点位置から外れると、ワーク表面の光点が大きくなり、パワー密度が小さくなります。 ある程度までは、溶接工程の形状が変化します。

溶接速度が速すぎる場合にのみ、入熱が少ないため、安定した深溶け込み溶接プロセスを維持できません。 実際の溶接では、溶接溶け込みの要件に応じて、安定した深溶け込み溶接または安定した熱伝導溶接を選択し、不安定な溶接モードは絶対に避けてください。

（2）深溶け込み溶接の範囲では、溶け込みに対する溶接パラメータの影響：安定した深溶け込み溶接の範囲では、レーザー出力が高いほど、溶け込みが大きくなり、約0.7の出力になります。 溶接速度が速いほど、溶け込みは浅くなります。 特定のレーザー出力と溶接速度では、焦点が最適な位置にあるときに溶け込みが最大になります。 焦点がこの位置から外れると、溶け込みが減少し、不安定な溶接や安定した熱伝導溶接にさえなります。

（3）ガス保護の主な機能は、溶接中の酸化からワークピースを保護し、金属蒸気汚染や液滴スパッタリングからフォーカスレンズを保護し、高出力レーザー溶接によって生成されたプラズマを分散させ、ワークピースを冷却し、低減することです。熱の影響を受ける領域。

通常、保護ガスとしてアルゴンまたはヘリウムが使用されます。 窒素は、見かけの品質要件が低い場合に使用できます。 ヘリウムがプラズマを生成する傾向は異なります。ヘリウムはイオン化量が多く、熱伝導が速くなります。 同じ条件下で、ガスはアルゴンよりもプラズマを生成する傾向が小さいため、より大きな溶融深度を得ることができます。 ある範囲では、保護ガスの流量が増えるとプラズマを抑制する傾向が強くなり、溶融深さが増しますが、ある範囲に達すると安定する傾向があります。

（4）各パラメータの監視に関する分析：4つの溶接パラメータのうち、溶接速度とシールドガス流量は監視が容易で安定性を維持しますが、レーザー出力と焦点位置は変動する可能性があり監視が困難なパラメータです溶接プロセスで。 レーザーからのレーザー出力は非常に安定しており、監視が容易ですが、ライトガイドとフォーカシングシステムが失われるため、ワークピースに到達するレーザーパワーが変化します。この損失は光学ワークピースの品質に関係します。使用時間と表面汚染のため、監視が容易ではなく、溶接品質の不確実な要因になります。 ビームの焦点位置は、監視と制御が最も難しい要素の1つであり、溶接品質に大きな影響を与えます。 現在、理想的な浸透を得るためには、手動調整と繰り返しのプロセステストによって適切な焦点位置を決定する必要があります。 ただし、溶接工程では、ワークの変形、熱レンズ効果、空間曲線の多次元溶接により、焦点位置が変化し、許容範囲を超える場合があります。

上記の2つのケースでは、一方では、汚染を防ぎ、清潔に保つために、高品質で安定性の高い光学素子を定期的に使用および保守する必要があります。 一方、レーザー溶接プロセスのリアルタイム監視および制御方法は、パラメータを最適化し、溶接プロセスを監視するために開発する必要があります。これにより、ワークピースのレーザー出力と焦点位置の変更を実現し、閉ループ制御を実現できます。レーザー溶接品質の信頼性と安定性を向上させます。

最後に、レーザー溶接は溶融プロセスであることに注意することが重要です。 これは、レーザー溶接中に両方の基板が溶けることを意味します。 このプロセスは非常に高速であるため、全体的な入熱は低くなります。 しかし、それは溶融プロセスであるため、異なる材料を溶接するときに、脆い高抵抗の金属間化合物を形成する可能性があります。 アルミニウムと銅の組み合わせは、金属間化合物を形成するのが特に簡単です。 これらの化合物は、超小型電子機器の接合部の短期的な電気的および長期的な機械的特性に悪影響を与えることが証明されています。 これらの金属間化合物がリチウム電池の長期性能に与える影響は不明です。