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激光引领电动汽车制造 Lasers Lead The Charge In E-mobility Manufacturing

焊接技术可减少飞溅并改善冶金性能

图1.铝制棱柱形电池接缝密封件示意图,其中横截面(a)和纵向截面(b)图中均无宏观气孔。

 

作者:Frank Gäbler    相干激光公司产品营销总监

 Matthew Philpott 相干激光公司汽车行业全球销售开发经理

 

相干激光的CleanWeld计划于2018年推出,旨在实现具有挑战性的连接应用,例如在电动汽车制造中遇到的应用。具体来说,这种方法结合了多种光纤激光器和工艺创新技术,可减少飞溅并改善冶金性能。在电动汽车的背景下,这转化为具有低电阻、更高机械强度和高可靠的连接,以优化其耐久性和延长使用寿命。本文将简要回顾电池和电机生产中的一些关键应用,这些应用已从中受益。

 

棱柱形和圆柱形电池接缝密封

电池生产中的几个关键步骤涉及了焊接或粘合。具体而言,这包括内部组件(电池内部)的焊接,接着是单个电池单元的密封,最后是电池之间的连接形成,以形成成品电池组。

棱柱形和圆柱形电池的密封涉及焊接电池盖,填充盖和电流中断安全装置。 这些部件由铝或冷轧钢的薄(<0.75mm)金属薄板制成。焊接技术的关键是低热量输入,以避免零部件损坏或扭曲,此外还有快速加热冷却的焊接循环。

在这些应用中使用中功率(0.5~1.5 kW),连续波(CW)单模和近单模光纤激光器作为常见。但是,对于铝制方形电池的密封焊接,却不适用。在这种情况下,对于某些特定的几何形状,应采用传导焊来避免污染物进入内部电池空间,因此需要采用数千瓦激光器(图1)。

采用计算机控制的高速两轴扫描头可确定任何所需形状或复杂性的焊接图案和布局。扫描头具有叠加所需的任何其他运动(例如摆动)的能力,以根据焊接质量和焊缝装配适应性调整焊接尺寸。圆柱形电池的典型循环时间(可能涉及多达三个独立的焊接)小于1s,对于较大的棱柱形电池需要更长的时间,这还要是视焊接要求以及是否需要热传导模式而定。

 

袋式电池片焊接

对于袋型电池,必须将电池的内部金属箔粘贴到端子上。它是由大量单独的箔片组成,有时需要将多达120层铜和铝层粘合到端子的内侧。连接导电材料本身就具有挑战性;但是,对于30~120层10~20μm厚的箔材,焊接起来非常困难。迄今为止,已经使用超声波焊接来完成,但是通过箔堆叠的焊接连续性和工艺可靠性的不确定性已经引起关注。目前已经开发出了一种基于激光的替代方案,该解决方案可解决通常与常规激光工艺相关的常见爆裂和堆垛不一致问题。值得注意的是,正如与任何焊接应用一样,工具对焊接的成功至关重要。

事实证明,使用可调环形光纤激光器(FL-ARM)能够可靠地焊接这些箔叠。英文版《Industrial Laser Solutions》杂志第33、2、24~25页(2018年3月/ 4月)中详细介绍了该激光器的结构和操作,“光纤激光器可以成功焊接困难的材料”。 简而言之,该激光器利用了具有圆形芯的输送光纤,该圆形芯被另一个环形截面的光纤芯包围。中心光束和环形光束的功率(甚至调制)可以独立控制,以非常精确地控制工作表面激光功率的空间分布(图2)。

AMR光纤

示意图

图2.简化的ARM光纤原理图和聚焦激光点中可能的各种功率模式

为了在箔片堆叠中快速可靠地形成高质量的焊缝而又不破坏薄箔片层,FL-ARM最初配置为仅在环中提供中的功率。该功率充分加热了箔片,以增加材料吸收,材料吸收随温度急剧增加。然后,将功率发射到光束的中心以形成匙孔;然而,由于周围的材料已经有些软化,因此容易屈服并防止飞溅,以此获得具有优异机械和电气性能的焊接接头,每次堆叠的整个焊接周期大约需要10毫秒。

 

电池组连接

单个电池是通过将电池的正极和相邻电池的负极焊接到对应的集电器上,又称之为Busbar焊接。针对以上应用,光纤激光焊提供了一种高效且灵活的方法。对于其他焊接技术而言,在导电的异种材料中产生可靠的连接非常具有挑战性。相比之下,激光焊接可以同时焊接几乎任何厚度的导电金属和异种金属,并且具有高度的控制性和可重复性。激光焊接可以快速、紧密地进行多次焊接,这意味着更大的总接触面积可降低电阻并提供出色的机械强度。

对于较厚的Busbar焊缝,FL-ARM光纤激光器具有优于其他来源的优势,尤其是铝材,焊接预热和后热能力显著降低飞溅和焊缝开裂风险。

 

发夹加工

用于构造电机定子的铜发夹材料通常以直杆或缠绕线圈的形式提供,通常横截面为3×3 mm。 铜表面覆盖有一层聚酰亚胺绝缘层,例如聚酰胺-酰亚胺(PAI)或聚醚醚酮(PEEK),有时在该塑料下还覆盖一层薄薄的漆皮或胶水。在焊接或软钎焊之前,必须从每个引脚的末端剥去几毫米的绝缘材料,最初这种剥离是机械地对一定长度的材料进行机械切割。但是,这种方法无法进行规模化应用。批量生产的一种更好的方法是使用一套设备,以连续的铜卷,并自动剥皮、切割和弯曲。

基于激光的非接触式工艺非常适合此应用,支持“动态”连续进料。扫描激光束连续跟随材料在其以一定速度穿过机器时去材料表面除绝缘层(图3)。当前二氧化碳(CO2)激光器是发夹绝缘层剥离的最佳来源,因为聚酰亚胺绝缘层在较长的红外激光波长下吸收良好,而铜在这些相同波长下具有高反射率。 因此,该过程在下面的铜基板上自终止。

图3.随着棒材不断地从线圈中解绕出来,首先剥去绝缘层,然后切成小条; 此后(未显示),将其形成最终的发夹形状。

将各个发夹装入定子的槽中后,将相邻发夹的裸露端焊接在一起以保持其导电性。其中有两个点至关重要:一是焊缝必须保持正确机械对准,并且不产生任何缺陷(空隙);二是发夹的对齐,因为它会影响电机效率,必须避免出现缺陷,因为这些缺陷会增加电阻并降低电动机效率,而且还可能降低组件的机械强度。

对于发夹焊接的最佳激光选择方案主要却决于其形状。如果发夹横截面为正方形,则静态FL-ARM光束为最佳。激光束的大小提供了足够的覆盖范围,以产生一个大的熔池,产生了良好的电连接和机械强度。当发夹横截面为矩形时,则可以采用快速扫描(摆动)焊接,以提供必要的覆盖范围。

目前,相干激光(加利福尼亚州圣克拉拉)提供两种类型的光纤激光器用于发夹焊接。 此外,该公司还生产可自动测量和调整发夹位置的一键式系统,同时配有实时校正激光参数功能模块以实现最佳焊接,其目标是在每个焊缝100~300ms内实现所有包括视觉系统识别在内的上述所有功能(图4)。

 

图4.使用固定的FL-ARM束进行发夹焊接,没有飞溅或气孔,与摆动焊接相比,每次焊接的循环时间最多降低了30%。

结论

电动汽车与其他许多部门(例如,电子和医疗设备)的相似之处在于,它们共同需要对精细或难焊材料进行高精度处理,并需要在市场需求的产能下完成这些任务。在许多情况下,相干激光的CleanWeld涵盖了多种先进技术,从改变聚焦激光点的强度分布、引入光束摆动,再到例如辅助气体的精确动态传输或优化的光束传输等其他因素。以上技术使得这种新型光纤激光器能够应用于曾经光纤激光器富有挑战性的应用。(杨瑾译)

 

 

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