Nový způsob laserového zpracování pro elektromobily

Vláknový laser Coherent ARM a SmartWeld+ překonávají tradiční systémy svařování a splňují nejnáročnější požadavky na výrobu baterií pro elektromobily.

Trend směrem k vyšší přesnosti výroby samozřejmě trvá již několik desetiletí, protože automobily se stávají stále složitějšími a sofistikovanějšími. Lasery hrály v této transformaci klíčovou roli. Dnes se běžně používají pro náročné procesy, jako je vrtání malých, přesně tvarovaných otvorů trysek a svařování pokročilých ocelových slitin i převodovek.  

K realizaci těchto procesů bylo často zapotřebí nových metod. V některých případech však žádný ze stávajících systémů založených na laseru nemohl splnit všechny požadavky a bylo zapotřebí vyvinout zcela novou technologii. Přesně to je případ některých výrobních kroků, které se nyní zavádějí do praxe - zejména těch, které souvisejí s výrobou baterií elektromobilů. Některé z těchto kroků totiž vyžadují zpracování velmi tenkých a na teplo citlivých materiálů. Tyto procesy musí být prováděny dostatečně rychle a s dostatečně vysokou výtěžností, aby byly ekonomicky proveditelné.

Řezání a svařování fólií

Příkladem takové aplikace je ořezání stohu tenkých hliníkových a měděných fólií (stack elektrod) a jejich následné připojení k vývodu baterie. Každý výrobce provádí tyto procesy jinak. Nejběžnější metoda začíná slepením sestaveného stacku pomocí ultrazvukového svařování (obvykle nazývaného stack- nebo pre-welding). Tím se fólie dostatečně spojí, aby byly mechanicky stabilní pro následnou manipulaci. Nemá to však být konečný svar sestavy.

Okraje stacku se poté oříznou mechanickým nožem. Oříznutí plní několik důležitých funkcí: zajišťuje rovnoměrný okraj, který je bez nerovností a rozměrově přesný. Ořezáním se také odstraní veškeré nečistoty z okrajů, například oxidace, což v dalších krocích přináší lepší výsledky. Po oříznutí a svaření je stack dostatečně pevný, aby s ním bylo možné manipulovat. Obvykle se pro další krok přenese do jiného nástroje, kde se přivaří k výstupu z baterie. Různí výrobci pro tento krok používají buď ultrazvukové, nebo laserové svařování.

Tento přístup má několik nevýhod. Zaprvé, ultrazvukové svařování ne vždy vytváří dostatečně silný spoj, který proniká skrz celý stack. To způsobuje, že je stack při přemísťování náchylný k roztržení nebo poškození. Ultrazvukové svařování stacků také omezuje celkový počet fólií, které lze použít. To je důležité, protože kapacita akumulátoru pro ukládání energie roste s počtem fólií. Pro výrobce baterií je proto důležité, aby mohli počet fólií libovolně zvyšovat. Ultrazvukové svařování má také praktická omezení. Nástroje, které jsou k němu zapotřebí, se rychle opotřebovávají, což vyžaduje jejich častou výměnu. To znamená prostoje ve výrobě a další náklady.

Jak ultrazvukové, tak laserové svařování je problematické i pro spojování fólií s deskami. U ultrazvukového svařování je opět omezena hloubka průniku, a tedy i počet fólií. Svařence fólie na desku mohou trpět praskáním a "mikrošikováním". Jedná se o lokalizovanou oblast, kde se fólie ztenčila. Obvykle k tomu dochází v důsledku tahových napětí vznikajících při svařování, které materiál roztahují. Fólie však není dostatečně tvárná, aby se v reakci na toto napětí deformovala rovnoměrně po celé své šířce. Deformace hrdla představuje závažný problém, protože vytváří v materiálu mechanicky slabší zónu, která se následně může dále lámat nebo deformovat. Zmenšení průřezu fólie také zvyšuje její elektrický odpor, což může změnit nabíjecí a vybíjecí vlastnosti baterie.

Inovativní přístup

Překonání omezení ultrazvukového a tradičního svařování vláknovým laserem v těchto aplikacích vyžaduje vysoký stupeň kontroly nad tím, jak je laserový výkon dodáván do procesu - jak v tom, jak je výkon distribuován prostorově, tak v tom, jak se mění v čase. Požadovaná úroveň kontroly přesahuje možnosti tradičních dálkově ovládaných laserových systémů, které jsou primárně určeny pro svařování větších a silnějších dílů, jako jsou například karoserie automobilů nebo součásti hnacího ústrojí.

Systém Coherent SmartWeld+ byl speciálně navržen tak, aby poskytoval tuto úroveň kontroly a přesnosti. Svého plného potenciálu dosahuje ve spojení s nastavitelným vláknovým laserem s kruhovým režimem. Systém SmartWeld+ implementuje širokou škálu vzorů "kmitání paprsku" (rychlé oscilace), které rozdělují laserovou energii na mnohem větší plochu než je jen zaostřený laserový bod, přičemž výkon se prostorově mění podle potřeby. Rozložení výkonu v samotném svazku ARM lze dynamicky měnit a dále tak dolaďovat celkový způsob distribuce laserové energie na pracovní plochu.

Další klíčovou vlastností této kombinace je rychlost. Systém SmartWeld+ využívá malá zrcadla s nízkou setrvačností. Ta sice pokrývají menší zorné pole, ale pohybují se mnohem rychleji (až 10×) než tradiční laserové svařovací hlavy. K tomu je třeba připočítat, že v laserovém zdroji Coherent ARM lze rychle a  nezávisle na sobě modulovat výkon středového i kruhového paprsku. Tuto modulaci lze navíc velmi přesně synchronizovat s pohybem skenovacích zrcadel. To vše dohromady poskytuje takový stupeň prostorové a časové kontroly nad distribucí laserového výkonu, jaký dosud nebyl k dispozici.

Vylepšené svařování baterií

Výhodu rychlosti technologie SmartWeld+ lze s výhodou využít při svařování v zásobníku, kde umožňuje spojit řezací a svařovací operace do jediného procesu. Za tímto účelem se obvykle páruje s jednovidovým vláknovým laserem, jako je Coherent HighLight FL. Tato aplikace nevyžaduje takový stupeň řízení, jakého lze dosáhnout s HighLight FL-ARM, i když vyžaduje vynikající synchronizaci mezi pohybem skeneru a modulací výkonu laseru. Při tomto postupu zařízení SmartWeld+ rychle skenuje laserový paprsek opakovaně napříč fólií. Současně dochází k řezání i svařování. Tím se šetří čas, protože odpadá nutnost provádět další procesní krok. Takto vytvořený laserový svar je pevnější než svar dosažený pomocí ultrazvukového svařování. Díky tomu se se svarem fólie lépe manipuluje, což může zlepšit celkovou výtěžnost výroby.

Společnost Coherent je prvním výrobcem laserových subsystémů, který vyvinul novou generaci produktů speciálně navržených tak, aby splňovaly požadavky nejnáročnějších operací montáže baterií pro elektromobily. Konkrétně vláknový laser Coherent ARM a procesní hlava SmartWeld+ dokáží snížit počet výrobních kroků a zajistit lepší výsledky při některých nejkritičtějších úkonech spojených s montáží baterií s pouzdry a prizmatickými články.

Další krok procesu, svařování fólie na desku, je náročnější proces, a proto je nutné kombinovat SmartWeld+ s jednovidovým laserem ARM o výkonu několika kW (HighLight FL4000CSM-ARM), aby bylo dosaženo optimálních výsledků. V tomto případě vyvinul aplikační tým společnosti Coherent Labs inovativní patentované řešení, které zahrnuje zaměření laserového paprsku na okraj stacku pod úhlem (nikoli přímo shora). Poté systém SmartWeld+ rychle osciluje paprskem tak, aby pokryl celou výšku stacku a napojení baterie. Celkový výkon laseru a rozložení výkonu v paprsku ARM se přitom mění synchronně s pohybem paprsku. Úspěch této metody závisí na tom, jak přesně byl odříznut okraj stacku, a proto je přesnost předchozí operace svařování stacku rozhodující.

Ukazuje se, že provedení svaru pod úhlem je klíčem k zamezení vzniku mikrotrhlin. Umožňuje totiž zařízení SmartWeld+ a vláknovému laseru ARM aplikovat teplo na stack způsobem, který minimalizuje tepelně indukované napětí. V důsledku toho se fólie při ochlazování nesmršťují, což jinak způsobuje mikroskopická poškození materiálu.

Nezávislá modulace paprsku ARM také vytváří lepší svarový spoj. Konkrétně zajišťuje kontrolu potřebnou ke stabilizaci "klíčové dírky" svaru, což má za následek snížení rozstřiku, pórovitosti a nižší výskyt defektů. Samotný svarový spoj má vynikající mechanickou pevnost, která se promítá do dobré elektrické vodivosti. Při laserovém svařování navíc nevzniká kovový prach, který je problémem při ultrazvukovém svařování. Kromě zlepšení kvality svaru je další výhodou metody svařování na hraně to, že ji lze použít prakticky při jakékoliv výšce stacku. Výrobci tak mohou v případě potřeby navýšit počet fólií a zvýšit tak kapacitu celého bateriového článku.

Partnerství pro úspěch

Řešení výzev spojených s výrobou elektrických vozidel, ale i například elektromotorů, často vyžaduje nová a inovativní řešení. Tradiční nástroje, které se v minulosti dobře osvědčily pro jiná použití, někdy nemají vlastnosti potřebné pro tyto náročné procesy. Klíčem k úspěchu je nejprve pochopení jedinečných výzev, kterým čelí každá aplikace. Společnost Coherent nabízí technické znalosti a odhodlání spolupracovat s výrobci při identifikaci a charakterizaci kritických parametrů, které rozhodují o úspěchu. Například v případě svařování fólie na baterie nebyl fenomén mikrotrhlin v oboru široce známý, dokud jsme nezačali pracovat na této aplikaci. Náš tým jej však přesně identifikoval a vyvinul řešení k jejich eliminaci.

Zjistěte, jak můžete využít inovace společnosti Coherent i vy ve svůj prospěch a zarezervujte si své místo v aplikačních laboratořích Coherent pro nezávazné ověření vašeho procesu.

Zdroj: Coherent.com