جوش لیزری قدرت اتصال را در ماژول‌های باتری لیتیوم{0} یون استوانه‌ای افزایش می‌دهد

شکل 1: راه اندازی جوش لیزری برای ماژول های باتری لیتیوم{1} یون استوانه ای. (منبع تصویر: اتوماسیون فوتون)

باتری‌های لیتیوم{0} یون استوانه‌ای (مانند مدل‌های 18650، 21700 و 4680 بزرگ‌تر) به دلیل چگالی انرژی بالا، طراحی استاندارد و قابلیت اطمینان اثبات‌شده، به‌طور گسترده در الکترونیک قابل حمل، ابزارهای برقی، سیستم‌های ذخیره انرژی و به‌ویژه خودروهای الکتریکی استفاده می‌شوند. این باتری ها معمولاً از فولاد نیکل اندود شده (Hilumin) به عنوان پوشش استفاده می کنند، زیرا پوشش نیکل مقاومت در برابر خوردگی را ایجاد می کند در حالی که زیرلایه فولادی استحکام ساختاری را برای مقاومت در برابر فشار داخلی و تنش مکانیکی تضمین می کند.

برای برآوردن الزامات طراحی و عملکرد خاص، برخی از سلول‌های استوانه‌ای با قطر 46 میلی‌متر از مواد پوششی مختلف مانند آلومینیوم و فولاد{1}} نیکل استفاده می‌کنند. یک چالش مهم در طول تولید ماژول یا بسته باتری، جوشکاری آلومینیوم و فولاد به یکدیگر است، به دلیل تفاوت های قابل توجه در خواص حرارتی و رفتار جوشکاری آنها.

ساخت ماژول ها یا بسته های باتری استوانه ای شامل چیدمان سلول ها (واحدهای باتری جداگانه) در یک الگوی خاص و اتصال آنها به صورت سری یا موازی با توجه به ولتاژ و جریان مورد نیاز برنامه است. این پیکربندی به سازندگان اجازه می‌دهد تا ظرفیت کلی انرژی و توان خروجی بسته باتری را برای برآورده کردن نیازهای برنامه‌های خاص، مانند وسایل نقلیه الکتریکی یا سیستم‌های ذخیره انرژی ثابت، سفارشی کنند. سلول‌ها معمولاً از طریق شینه‌های آلومینیومی با ضخامت 0.3-0.6 میلی‌متر به هم متصل می‌شوند، که سپس برای دستیابی به اتصالات الکتریکی قابل اعتماد با لیزر جوش داده می‌شوند (شکل 1 را ببینید). فولاد نیکل آبکاری شده مورد استفاده برای پوشش باتری معمولاً ضخامتی بین 0.4 تا 0.6 میلی متر دارد، بسته به طراحی سلول و برند سازنده.

در کاربردهای خودروهای الکتریکی، جوش‌هایی که شینه‌های آلومینیومی را به سلول‌های باتری متصل می‌کنند باید یکپارچگی ساختاری و هدایت الکتریکی بالایی را تحت شرایط دینامیکی شدید، از جمله شوک، لرزش، و چرخه حرارتی حفظ کنند. بنابراین، جوشکاری لیزری دقیق و قابل اعتماد برای عملکرد بلند مدت و ایمنی باتری بسیار مهم است. جوش لیزری برای این سناریوی مونتاژ بسیار مناسب-است. این اتصالات با استحکام بالا و تمیز با حرارت ورودی کم و حداقل اعوجاج ایجاد می کند. این ویژگی‌ها برای غلبه بر چالش‌های ذاتی در جوشکاری آلومینیوم به فولاد روکش شده نیکل{7}} حیاتی هستند.

تشکیل ترکیبات بین فلزی شکننده (IMC)

چالش اصلی در حین جوشکاری، تشکیل ترکیبات بین فلزی شکننده (IMCs) است که به طور قابل توجهی استحکام اتصال و هدایت الکتریکی را کاهش می دهد. این موضوع از خواص متفاوت آلومینیوم و فولاد، به ویژه پاسخ‌های حرارتی متفاوت آن‌ها ناشی می‌شود: آلومینیوم سریع‌تر از فولاد ذوب می‌شود و منبسط می‌شود و تنش‌های حرارتی ایجاد می‌کند که رشد IMC را در طول جوشکاری افزایش می‌دهد. این IMC ها-مانند ترکیبات آهن-آلومینیوم FeAl3 و Fe2Al5-معمولاً بافت های شکننده ای را نشان می دهند که استحکام مفصل را ضعیف می کند و منجر به شروع ترک، کاهش استحکام و افزایش حساسیت به خوردگی می شود.

تشکیل و حجم کل IMC ها در طول جوشکاری بر کیفیت جوش و عملکرد بلندمدت تأثیر می گذارد. با افزایش حجم IMC، شکنندگی مفصل تشدید می‌شود، استحکام مکانیکی کاهش می‌یابد و احتمال شکست ناشی از استرس{2}}افزایش می‌یابد. نفوذ عمیق‌تر جوش معمولاً حجم کل IMC را افزایش می‌دهد و بر لزوم کنترل دقیق پارامترهای جوشکاری برای اطمینان از استحکام، قابلیت اطمینان و دوام بالا تاکید می‌کند.

تحقیقات گسترده نشان می دهد که حفظ یک لایه نازک و یکنواخت IMC (معمولاً 2 میکرومتر تا 10 میکرومتر) استحکام برشی کششی بالاتری را به همراه دارد. این لایه‌های نازک اتصال متالورژیکی مؤثری را امکان‌پذیر می‌کنند و در عین حال شکنندگی مفصل را به حداقل می‌رسانند. با این حال، زمانی که ضخامت لایه IMC از 15 میکرومتر بیشتر شود، شکنندگی آن اغلب به کاهش استحکام کششی به دلیل حساسیت به شروع ترک و انتشار تحت بار منجر می‌شود (شکل 2 را ببینید).

شکل 2: تاثیر ضخامت لایه IMC بر استحکام کششی. (منبع تصویر: H. He et al.) [1]

برای پرداختن به این موضوع، یک رویکرد موثرتر افزایش سطح رابط جوش به جای تکیه بر عمق نفوذ بیشتر است. گسترش ناحیه رابط باعث افزایش پیوند متالورژیکی می شود در حالی که حجم کلی IMC را محدود می کند. این امر شکنندگی را کاهش می‌دهد و توزیع یکنواخت‌تر تنش را در مفصل افزایش می‌دهد و در نتیجه قابلیت اطمینان را بهبود می‌بخشد. این اثر را می توان با ترکیب پالس های لیزر با فناوری اسکن پرتو برای کنترل دقیق گرمای ورودی و تشکیل رابط، به حداقل رساندن رشد IMC به دست آورد.

Photon Automation کنترل‌کننده‌های پالس و توان پیشرفته‌ای را توسعه داده است که قادر به کنترل دقیق{0}میکروثانیه‌ای بر روی لیزر هستند و شکل‌دهی پالس سفارشی‌شده را ممکن می‌سازد. با تنظیم دقیق شکل پالس، تنش حرارتی موضعی کاهش می‌یابد، خواص مکانیکی ایده‌آل مواد حفظ می‌شود، منطقه تحت تأثیر گرما (HAZ) به حداقل می‌رسد و طول عمر بخشی افزایش می‌یابد. WonderBOARD این شرکت همچنین با کنترل کننده های آینه گالوو ارتباط برقرار می کند و توزیع یکنواخت انرژی لیزر را در قطعات کار امکان پذیر می کند. این از نقاط داغ و گرمای ناهموار ناشی از حرکت سریع پرتو جلوگیری می کند.

کنترل نوسانات پالس و پرتو لیزر برای تشکیل IMC

لیزرهای پالسی کنترل ورودی حرارتی عالی را ارائه می‌کنند و خطر ذوب شدن یا پاشش بیش از حد-را کاهش می‌دهند. فواصل خنک‌کننده بین پالس‌ها تجمع گرما را به حداقل می‌رساند و به جلوگیری از نقص‌هایی مانند سوختگی-یا اعوجاج کمک می‌کند. برای جوشکاری نازک{4}}مواد یا اتصال فلزات غیرمشابه (مثلاً آلومینیوم-به-فولاد)، فناوری پالسی پایداری حوضچه مذاب را نیز افزایش می‌دهد.

اسکن دینامیکی پرتو لیزر در سراسر ناحیه جوش از طریق یک گالوانومتر توزیع یکنواخت انرژی را تضمین می کند. این از اثرات لبه (نفوذ بیش از حد، زیر برش، یا نقاط داغ ناشی از ماندن طولانی مدت در شروع / انتهای مسیر جوش) جلوگیری می کند. فن آوری نوسان همچنین پروفیل های جوش سفارشی شده (مثلاً دایره ای، مارپیچ یا دندانه اره ای) را قادر می سازد تا استحکام مکانیکی و یکنواختی مفصل را افزایش دهد.

ترکیب پالس و نوسان، محیط جوشکاری بسیار قابل کنترلی را ایجاد می کند که گرادیان های حرارتی را به حداقل می رساند، پیوند متالورژیکی را بهینه می کند و توزیع یکنواخت تنش را تضمین می کند. این رویکرد به ویژه در ساخت باتری بسیار مهم است و کنترل دقیق انرژی را برای جلوگیری از آسیب رساندن به اجزای حساس یا مناطق عایق‌شده امکان‌پذیر می‌کند.

چالش دوم شامل دستیابی به موقعیت دقیق درز جوش و کیفیت جوش ثابت است.

در طرح‌های سلول استوانه‌ای، هم الکترودهای مثبت و هم الکترودهای منفی در سطح بالایی قرار دارند-درپوش الکترود مرکزی به عنوان الکترود مثبت عمل می‌کند، در حالی که ناحیه حلقوی اطراف به عنوان الکترود منفی عمل می‌کند. این طرح، ناحیه جوشکاری موجود را محدود می‌کند، و نیاز به دقت فوق‌العاده در موقعیت‌یابی لیزری دارد. حتی ناهماهنگی جزئی می تواند منجر به استحکام جوش ناکافی، آسیب داخلی یا اتصال کوتاه شود که همگی خطر خرابی سلول را افزایش می دهند و در موارد شدید ممکن است باعث فرار حرارتی شوند.

در طول مونتاژ، این ماژول های باتری معمولاً شامل صدها سلول بسته بندی شده نزدیک می شوند. تغییرات جزئی در ارتفاع سلول ناشی از تلورانس های ساخت یا جابجایی می تواند منجر به تماس ناهموار بین شینه یا ابزار جوشکاری و سلول ها شود. اگر به درستی مورد توجه قرار نگیرد، این تماس ناسازگار منجر به نوسان کیفیت جوش، اتصالات الکتریکی ضعیف و مشکلات عملکرد بلندمدت می‌شود.

برای غلبه بر این چالش ها، سازندگان بر دو سیستم اصلی تکیه می کنند: سیستم های بینایی و توموگرافی انسجام نوری (OCT).

سیستم های بینایی ترمینال مثبت (کلاه مرکزی) و ترمینال منفی (حلقه/لبه خارجی) هر سلول استوانه ای را شناسایی و مکان یابی می کنند. بعلاوه، سیستم‌های بینایی تغییرات سلولی به-تغییرات/تحمل‌های سلولی و انحرافات هم ترازی فیکسچر را جبران می‌کنند و پرتو لیزر را به موقعیت جوشکاری صحیح هدایت می‌کنند و در عین حال از تماس با لایه‌های عایق یا نواحی لبه اجتناب می‌کنند. این کار، جوشکاری با دقت بالا- را در میان ماژول‌هایی که صدها سلول دارند، امکان‌پذیر می‌سازد.

OCT ارتفاع هر سلول را قبل از جوشکاری اندازه گیری می کند تا کوچکترین تغییرات ارتفاع را تشخیص دهد. این دستگاه به صورت پویا موقعیت فوکوس لیزر را از طریق یک لنز تنظیم کننده الکتریکی تنظیم می کند و اطمینان حاصل می کند که لیزر به طور مداوم بر روی صفحه جوش دقیق تمرکز می کند. این امر کیفیت و قابلیت اطمینان جوش را در محیط‌های تولید خودکار که ممکن است تغییرات ارتفاع جزئی بین سلول‌های یک ماژول باتری وجود داشته باشد، افزایش می‌دهد.

نظارت بر فرآیند جوشکاری و جمع آوری داده ها: پایه و اساس هوش مصنوعی

پیاده‌سازی سیستم نظارت بر جوشکاری لیزری (LWM) گامی حیاتی در جهت دستیابی به کنترل فرآیند مبتنی بر هوش مصنوعی-است. در طول تعامل مواد لیزری، انرژی به اشکال مختلف آزاد می‌شود: تابش پلاسما (طول موج فرابنفش)، تابش حرارتی (طول موج مادون قرمز)، بازتاب برگشتی (طول موج واقعی لیزر)، و نیروی لیزری که از طریق اجزای نوری منتقل می‌شود. هر یک از این سیگنال ها حاوی اطلاعات ارزشمندی در مورد پارامترهای فرآیند جوشکاری است.

حسگرهای مبتنی بر فوتودیود{0}}این اطلاعات تشعشع را در زمان واقعی ضبط می‌کنند و آن را با داده‌های مرجع برای جوش‌های با کیفیت- مقایسه می‌کنند. این جمع‌آوری مداوم داده‌ها به شناسایی عیوب مانند عدم همجوشی، جوش‌های از دست رفته یا عمق نفوذ ناسازگار کمک می‌کند. با گذشت زمان، انباشته{4}}داده های فرآیند با وضوح بالا، پایه و اساس آموزش مدل های هوش مصنوعی را فراهم می کند. این مدل‌ها می‌توانند الگوها را شناسایی کنند، خرابی‌ها را پیش‌بینی کنند و بهینه‌سازی حلقه بسته فرآیند جوشکاری را فعال کنند.

اعتبار سنجی توسعه فرآیند برای کیفیت جوش

در جوشکاری لیزری باتری‌های لیتیوم{0} یون استوانه‌ای، اطمینان از یکپارچگی جوش‌های داخلی برای حفاظت از ایمنی و عملکرد باتری بسیار مهم است. در حین جوشکاری، باید توجه ویژه ای به محافظت از هرگونه مواد پلاستیکی یا لاستیکی در زیر سطح بالایی داده شود: حرارت ورودی بیش از حد، پارامترهای لیزر نامناسب، یا عمق نفوذ بیش از حد می تواند به لایه های عایق زیرین یا اجزای ساختاری پلاستیک/لاستیک آسیب برساند و منجر به اتصال کوتاه، نشت، شکست مکانیکی یا فرار حرارتی شود.

شکل 3: تصویر سه بعدی{2}}سی تی که جزئیات نفوذ جوش را نشان می دهد. (منبع تصویر: اتوماسیون فوتون)

توموگرافی کامپیوتری (CT) امکان بازرسی غیرمخرب و با وضوح بالا را از اتصالات جوش داده شده فراهم می‌کند و داده‌های دوبعدی و سه بعدی را ارائه می‌دهد که عیوب داخلی جوش مانند تخلخل، نفوذ ناهموار در رابط جوش یا نفوذ ناکافی را نشان می‌دهد (شکل 3 را ببینید). این داده‌های سی‌تی سه‌بعدی با تأیید کیفیت جوش و شناسایی اینکه آیا نفوذ به مواد آب‌بندی یا عایق می‌رسد، از توسعه فرآیند پشتیبانی می‌کند و در نتیجه بهتر از چنین مسائلی در حین جوشکاری جلوگیری می‌کند.