会社のニュース 電動車におけるレーザー溶接の適用:電源電池

主に電池電極の耳バス溶接,電池殻溶接,など, アルフェ,アルCu,カウ-フェおよび他の異なる材料の溶接.

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申請の背景

地球温暖化と温室効果ガス排出削減の背景で,新しいエネルギー自動車,特に電気自動車は急速に増加しています.厳格な溶接技術が必要です主に電池システムには様々な材料と複雑な接続を含む複雑な構造があるためである. 超音波溶接や抵抗点溶接などの伝統的な溶接方法,電池電極材料 (アルミ,銅,鋼など) の接続に制限がある.例えば,超音波溶接は電気自動車の一般的なバッテリー構造に適していませんアルミと銅の高伝導性により,抵抗点溶接は溶接が困難です.

レーザー溶接技術は,非接触性,高エネルギー密度,精密な熱入力制御,そして簡単な自動化により理想的な選択です.バッテリーシステムの異なる材料の溶接ニーズを満たすことができます, アルミ鋼,銅アルミ,電池電極とバス間の銅鋼の溶接,およびアルミ/鋼電池殻の溶接,接続の信頼性を確保する上で重要な役割を果たすバッテリーの性能と安全性を向上させる.

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電源電池タイプ

電源電池タイプ

1 小型の円筒型電池 (例えばモデル18650),標準化サイズ,安全性,比較的安価

2 エネルギー密度と安定性において性能が良い大きなプリズム電池

3 充電時に幾何学に易く柔らかいポリマー電池

* バッテリータイプ

バッテリーパックは,バスバーで接続されている連続または連続および並列の複数のバッテリーで構成されています.作業環境は複雑です.接続の信頼性は,バッテリーシステムの性能と安全性に直接影響します.

* バッテリーパック構造 a) 円筒型バッテリー b) プリズマ式バッテリー

一般的な溶接技術の限界

超音速溶接

主に高周波の振動 (通常20kHz以上) を用いて,材料が圧力で固体結合を形成し,接続を達成する.

1 この方法は,薄膜,異なる材料,または高導電性材料を溶接するのに適しており,主にストリップ電池に適用されます.

2 電気自動車の電池は通常,圧力と振動の組み合わせによって電池構造の整合性を破壊する円筒形またはプリズマ型の電池である.電気自動車の電池の溶接には適していません.

抵抗点溶接

作業原理は,主に作業部品の接触面に圧力をかけ,大きな電流を使用して部品を局所的に溶かすことである.電気自動車電池の一般的な材料はアルミと銅です抵抗点溶接を困難にする高電導性と熱伝導性の特徴があります.

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バッテリーポール耳はバスに溶接されています

溶接特性

材料の組み合わせ:電池柱の耳材はしばしばアルミ,銅または鋼,バス材料は主に銅またはアルミで,アルミ-銅,アルミ-鋼,銅鋼および他の組み合わせ.

高性能要求: 溶接現場は低抵抗,高伝導性,良質の機械強度を保証しなければならない.バッテリーの充電・放電効率と長期安定性を確保するために.

* ポール・イヤとバス ソフト・パック/シリンダルのバッテリー

アルミニウム・鋼のレーザー溶接

溶接の困難:

アルミと鋼の熱性能は非常に異なっており,溶接により,Fe2Al5,Fe4Al13など,繊細な金属間金属化合物 (IMC) が形成され,微細構造に影響を与えます.結合の電気性能と熱性能バッテリーの内抵抗を増やし 寿命を短縮します

2 溶接中にIMC生成を制御する必要があります.

1. 制御プロセスのパラメータ

1 熱入力制御:レーザーパワー,溶接速度,パルスパラメータ (周波数,負荷比) を調整し,溶融深度と熱影響領域のサイズをバランスそして,IMCの生成を減らす.

2 パルス波形を最適化する:特殊なパルス波形は,温度梯度と熱ストレスを減らすために,ゆっくり上昇し,ゆっくり落ちる波形などの熱循環の特徴を変更するために使用されます.迅速な冷却を阻害し,多くの壊れやすいIMCを生成する.

• 中間層を使う

1 構成:ニッケル,シリコンベースの合金,および他の中間層材料の選択,アルミ鋼との反応のために.ニッケルは湿度と元素拡散を改善します.そしてニッケルを含むIMCの強さはアルミ鋼よりも優れています結合の機械的特性を最適化します. 結合の構造は,そしてSi含有量は,材料とプロセス要件に応じて細かく調整されます..

2 厚さ: μmから10 μmの厚さ範囲は,IMMCの形成を効果的に調整し,関節性能と信頼性を向上させることができます.

• 磁場補助

1 磁場方向:垂直磁場は,溶融池内の元素のマクロスコープ拡散を阻害し,コンベクションと結晶の形状を変え,そしてFeとAlの過剰な融合を減らし,壊れやすいIMCを形成します粒子の境界移動の微細拡散に影響し,粒子を精製し,IMCの分布と方向性を最適化します.

2 多分野協力:磁場と超音波,磁場協力と超音波振動を組み合わせて,粒子を精製し,歯の挿入を取り除くIMCの構造を改善する超音波振動はデンドライトと均質な組成を壊すのに役立ちます 磁場は金属液体の流れと結晶の成長の方向を導きます溶けた池の固化行動と組織均一性を改善するIMCの脆さを軽減し,関節の硬さと電導性を向上させる.

* レーザースウィング溶接 アルミ-鋼 (スウィング幅0.2-1.2mm)

* 不酸化鋼/アルミ合金合体の微型構造 a) ニホイール b) ニホイールなし

銅・アルミニウムレーザー溶接

溶接の困難:

銅とアルミニウムは異なる溶融点,熱伝導性,熱膨張係数があり,溶接によってCu2AlとCu4Al3IMCを形成する.溶接器の微小構造と機械的性質に影響を与える形成と成長を阻害する必要性があります

1. 溶接パラメータの最適化

1 高速の溶接速度と低レーザー電力をマッチすることで,熱入力時間と強度が短縮され,多数のIMCの形成が抑制されます.例えば,高速溶接中に,CuAl 2 と他の化合物は著しく減少します..

2 パルス周波数と作業サイクルを最適化し, Cu と Al の原子拡散と反応動力学条件を変更し,IMC を順序よく,均等に分散させ,共同のパフォーマンスを向上させる.

• 銀,ニッケル,チンの詰め物は,銀,ニッケル,チンの詰め物または特殊合金溶接線ででき,詰め穴を溶かして基礎材料の要素を稀化することができます.Cu と Al の直接反応を遅らせる壊れやすい IMC の生成を減らす.

例えば,チンの詰め物を含む,Cu6Sn5とCu3Sn相を形成するために溶接,関節の組織形を変え,全体的な脆さを軽減し,強さと強さを向上させる.

• ビームモジュレーションは,ビームの振動,回転,ビーム分割,および他のモジュレーション技術を使用してレーザーエネルギーの分布と作用モードを変更する.

* Cu-Al SEM図 (1500W, 30 mm/s)

銅鋼レーザー溶接

溶接の困難:

銅と鋼の物理特性は非常に異なっており,レーザー溶接中に液体相分離と熱裂けが起こりやすい.鉄鋼の粒の境界に Cu の浸透など熱性裂け目が生じる

1. レーザーオフセット

溶接質は,レーザーを銅側へ傾けることで効果的に改善できます.

• ビームの振動

純銅とステンレス鋼の環状ビーム振動の条件下で,溶接の裂け込み抵抗は効果的に改善できます.固化過程で,溶接器は,溶接器の裂け込み抵抗を最大限に高めることができます.粒の境界の増加は,ストレスの濃度を大幅に減少させ,関節強度と変形を効果的に制御します..

* 振動するSEMで振動しない

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バッテリー殻の溶接

*テスラ 4680 バッテリー

アルミ電池殻のレーザー溶接

高熱伝導性と高熱膨張係数により,アルミニウム合金溶接は裂け目や孔穴の欠陥が容易に見られます.表面の酸化膜と不純物は高温で分解しやすいガスが出るのが難しくなり 毛穴が生じます

1. レーザービーム焦点回転 +垂直振動

レーザーで溶接された1060アルミ合金では,溶接表面を最適化するために垂直振動を使用して,0.45mm半径で毛孔度を91%削減する.

*レーザービーム焦点回転と垂直振動SEM

• スポット形状 (四梁)

光点形状は4梁の溶接で,溶融池の小さな穴の大きさを増加させ,金属蒸気を安定させ,噴出物や毛穴を減少させ,溶接質を向上させます.

* 4つのビームの図面

レーザー溶接による鋼電池殻

オウステニティックステンレス鋼の溶接は,合金組成と不純物含有量に関連した熱裂けに易しい.プロセスパラメータを調整することで,熱クレイキングの問題は効果的に解決できます.

覚醒する

現在,一般的に使用されるレーザー溶接波長は主に1064nmで,ブルーレーザー/グリーンレーザー溶接異質材料を使用すると良い効果があります.