角形アルミニウムシェルリチウム電池は、構造が簡単、耐衝撃性が高く、エネルギー密度が高く、セル容量が大きいなど、多くの利点があります。これらは常に国内のリチウム電池の製造と開発の主要な方向であり、市場の40％以上を占めています。
角形アルミニウムシェル型リチウム電池の構造は図のとおりで、電池コア（正負極シート、セパレータ）、電解液、シェル、トップカバーなどで構成されています。
角型アルミニウムシェル型リチウム電池構造
角形アルミニウムシェルリチウム電池の製造および組み立てのプロセス中に、大量のレーザー溶接電池セルとカバープレートのソフト接続の溶接、カバープレートのシール溶接、シールネイル溶接などのプロセスが必要です。レーザー溶接は、角形電源電池の主な溶接方法です。高いエネルギー密度、優れた電力安定性、高い溶接精度、容易なシステム統合、その他多くの利点により、レーザー溶接角形アルミシェルリチウム電池の製造工程において、かけがえのない存在です。役割。
Maven 4 軸自動検流計プラットフォームファイバーレーザー溶接機
トップカバーシールの溶接線は、角型アルミシェル電池の中で最も長い溶接線であり、最も溶接に時間がかかる溶接線でもあります。近年、リチウム電池製造産業は急速に発展しており、トップカバー封止レーザー溶接加工技術とその設備技術も急速に発展しています。トップカバーレーザー溶接装置とその工程は、溶接速度や装置の性能の違いから大きく3つの時代に分けられます。溶接速度が 100mm/s 未満の 1.0 時代 (2015 ～ 2017 年)、100 ～ 200mm/s の 2.0 時代 (2017 ～ 2018 年)、200 ～ 300mm/s の 3.0 時代 (2019 ～) です。時代の流れに沿ったテクノロジーの発展を紹介します。
1. トップカバーレーザー溶接技術の1.0時代
溶接速度＜100mm/秒
2015年から2017年にかけて、政策により国内の新エネルギー車が爆発的に普及し始め、動力電池産業が拡大し始めた。しかし、国内企業の技術蓄積と人材埋蔵量はまだ比較的少ない。関連する電池の製造プロセスや機器技術も初期段階にあり、機器の自動化度は比較的低く、機器メーカーは動力電池の製造に注目し始めたばかりで、研究開発への投資を増やしています。現段階では、角型電池レーザーシーリング装置に対する業界の生産効率要件は通常 6 ～ 10PPM です。機器ソリューションでは通常、1kw ファイバーレーザーを使用して、通常のレーザーを通して放射します。レーザー溶接ヘッド(写真に示すように)、溶接ヘッドはサーボ プラットフォーム モーターまたはリニア モーターによって駆動されます。移動と溶接、溶接速度50-100mm/s。
1kw レーザーを使用してバッテリーコアのトップカバーを溶接
でレーザー溶接このプロセスでは、溶接速度が比較的遅く、溶接の熱サイクル時間が比較的長いため、溶融池が流れて凝固するのに十分な時間があり、保護ガスが溶融池をよりよく覆うことができるため、滑らかで滑らかな溶接が容易に得られます。以下に示すように、全面が均一に溶接されています。
トップカバーの低速溶接用溶接シーム形成
設備に関しては、生産効率は高くありませんが、設備構造が比較的単純で安定性が良く、設備コストが低いため、現段階の産業発展のニーズを十分に満たしており、その後の技術の基礎を築いています。発達。
トップカバーシーリング溶接1.0時代には、シンプルな装置ソリューション、低コスト、優れた安定性という利点があります。しかし、その固有の限界も非常に明白です。設備面では、モーターの駆動能力が更なる高速化の要求に応えられず、技術的には、さらに高速化するために溶接速度とレーザー出力を上げるだけでは、溶接プロセスが不安定になり、歩留まりが低下します。速度を上げると、溶接の熱サイクル時間が短縮され、金属の溶解プロセスがより激しくなります。スパッタが増加すると不純物への適応が悪くなり、スパッタ穴が発生しやすくなります。同時に、溶融池の凝固時間が短縮され、溶接表面が粗くなり、一貫性が低下します。レーザースポットが小さい場合、入熱は大きくないためスパッタは低減できますが、溶接の深さと幅の比率が大きく、溶接幅が十分ではありません。レーザースポットが大きい場合、溶接幅を広げるためにより大きなレーザー出力を入力する必要があります。大きいですが、同時に溶接スパッタの増加と溶接の表面形成品質の低下につながります。現段階の技術レベルでは、さらなる高速化は歩留まりを効率と引き換えにする必要があり、装置やプロセス技術のアップグレード要件が業界の要求となっています。
2. トップカバーの2.0時代レーザー溶接テクノロジー
溶接速度 200mm/s
2016年の中国の自動車用電池の設置容量は約30.8GWh、2017年は約36GWh、そして2018年にはさらに爆発的に設置容量が57GWhに達し、前年比57％増加した。新エネルギー乗用車も 100 万台近く生産され、前年比 80.7% 増加しました。設備容量の爆発的な増加の背景には、リチウム電池の製造能力の放出がある。新エネルギー乗用車用バッテリーは設置容量の50％以上を占めており、バッテリーの性能や品質に対する業界の要求はますます厳しくなり、それに伴う製造装置技術やプロセス技術の向上も新たな時代に入っています。 : 単ライン生産能力の要件を満たすために、トップカバーレーザー溶接装置の生産能力を 15 ～ 20PPM に増加する必要があります。レーザー溶接速度は 150 ～ 200mm/s に達する必要があります。したがって、駆動モータに関しては、さまざまな装置メーカーがリニアモータプラットフォームをアップグレードし、その動作機構が長方形軌道200mm/sの等速溶接の動作性能要件を満たすようにしました。しかし、高速溶接下で溶接品質を確保するには、さらなるプロセスのブレークスルーが必要であり、業界の企業は多くの探求と研究を行ってきました。1.0 時代と比較して、2.0 時代の高速溶接が直面する問題は次のとおりです。通常の溶接ヘッドを介して単一の点光源を出力する通常のファイバーレーザーでは、200mm/s の要件を満たすための選択が困難です。
元の技術ソリューションでは、溶接形成効果は、オプションの構成、スポット サイズの調整、およびレーザー出力などの基本パラメータの調整によってのみ制御できます。より小さいスポットの構成を使用すると、溶接池のキーホールが小さくなります。 、プールの形状が不安定になり、溶接が不安定になります。継ぎ目の融着幅も比較的小さいです。より大きな光スポットを備えた構成を使用すると、キーホールが増加しますが、溶接出力が大幅に増加し、スパッタとブラスト ホールの発生率が大幅に増加します。
理論上、高速での溶接成形効果を確保したい場合レーザー溶接トップカバーの場合、次の要件を満たす必要があります。
① 溶接シームの幅が十分であり、溶接シームの深さと幅の比率が適切であるため、光源の熱作用範囲が十分に大きく、溶接線のエネルギーが妥当な範囲内にあることが必要です。
② 溶接部は滑らかであり、溶融池が十分な流動性を持ち、保護ガスの保護下で溶接部が凝固して滑らかな金属溶接部になるように、溶接プロセス中に溶接の熱サイクル時間を十分に長くする必要があります。
③ 溶接シームの均一性が良く、気孔や穴が少ない。そのためには、溶接プロセス中にレーザーが安定してワークピースに作用し、高エネルギービームプラズマが継続的に生成されて溶融池の内部に作用することが必要です。溶融池はプラズマの反力を受けて「鍵」を生成します。 「穴」、鍵穴は十分に大きく、十分に安定しているため、生成された金属蒸気とプラズマが放出されて金属液滴が飛び散り、飛沫が形成されにくく、鍵穴の周囲の溶融池が崩壊してガスが巻き込まれにくい。 。溶接工程で異物が燃えて爆発的にガスが発生した場合でも、キーホールが大きいほど爆発性ガスが発生しやすくなり、金属の飛散や穴の発生が軽減されます。
上記の指摘に応えて、業界の電池製造会社や機器製造会社はさまざまな試みや実践を行ってきました。リチウム電池の製造は数十年にわたって日本で開発され、関連する製造技術がリードしてきました。
2004年、ファイバーレーザー技術がまだ商業的に広く応用されていなかったとき、パナソニックはLD半導体レーザーとパルスランプ励起YAGレーザーを混合出力として使用していました（スキームは下図に示されています）。
マルチレーザーハイブリッド溶接技術と溶接ヘッド構造の概念図
パルスパルスによって生成される高出力密度の光スポットYAGレーザー小さなスポットでワークに作用させて溶接穴を生成し、十分な溶接溶け込みを得ることができます。同時に、LD半導体レーザーを使用してCW連続レーザーを提供し、ワークピースを予熱して溶接します。溶接プロセス中の溶融池は、より大きな溶接穴を得るためにより多くのエネルギーを提供し、溶接シームの幅を広げ、溶接穴の閉鎖時間を延長します。これにより、溶融池内のガスが逃げやすくなり、溶接の気孔率が減少します。以下に示すように縫い目
ハイブリッドの模式図レーザー溶接
この技術を応用すると、YAGレーザーわずか数百ワットの出力を持つ LD レーザーを使用すると、薄いリチウム電池ケースを 80mm/s の高速で溶接できます。溶接効果は図の通りです。
さまざまなプロセスパラメータでの溶接形態
ファイバーレーザーの開発と台頭により、ファイバーレーザーは、良好なビーム品質、高い光電変換効率、長寿命、容易なメンテナンス、高出力などの多くの利点により、レーザー金属加工においてパルスYAGレーザーに徐々に取って代わられてきました。
したがって、上記のレーザーハイブリッド溶接ソリューションにおけるレーザーの組み合わせは、ファイバーレーザー + LD 半導体レーザーに進化し、レーザーも特殊な加工ヘッドを介して同軸に出力されます (溶接ヘッドは図 7 に示されています)。溶接プロセス中、レーザーの動作メカニズムは同じです。
複合レーザー溶接ジョイント
この計画では、パルスYAGレーザーは、より優れたビーム品質、より大きな出力、および連続出力を備えたファイバー レーザーに置き換えられ、溶接速度が大幅に向上し、より優れた溶接品質が得られます (溶接効果を図 8 に示します)。このプランもそのため一部のお客様にご好評いただいております。現在、このソリューションはパワーバッテリーのトップカバーのシーリング溶接の生産に使用されており、溶接速度は 200mm/s に達します。
ハイブリッドレーザー溶接によるトップカバー溶接の外観
2波長レーザー溶接ソリューションは高速溶接の溶接安定性を解決し、バッテリーセルトップカバーの高速溶接の溶接品質要件を満たしていますが、このソリューションには装置とプロセスの観点からまだいくつかの問題があります。
まず第一に、このソリューションのハードウェア コンポーネントは比較的複雑であり、2 つの異なる種類のレーザーと特殊な二波長レーザー溶接ジョイントの使用が必要です。そのため、設備投資コストが増加し、設備のメンテナンスが困難になり、潜在的な設備故障が増加します。ポイント。
第二に、デュアル波長レーザー溶接使用されるジョイントは複数のレンズのセットで構成されます (図 4 を参照)。通常の溶接接合に比べて電力損失が大きく、2波長レーザーの同軸出力を確保するにはレンズ位置を適切な位置に調整する必要があります。また、固定焦点面に焦点を当て、長期の高速動作を行うと、レンズの位置が緩んで光路が変化し、溶接品質に影響を与える可能性があり、手動での再調整が必要になります。
第三に、溶接中はレーザーの反射が激しく、機器やコンポーネントに損傷を与えやすくなります。特に不良品を修理する場合、平滑な溶接面はレーザー光を多量に反射するため、レーザーアラームが発生しやすく、修理には加工パラメータの調整が必要となります。
上記の問題を解決するには、別の方法を模索する必要があります。 2017年から2018年にかけて、私たちは高周波スイングを研究しました。レーザー溶接バッテリートップカバーの技術を応用し量産化を推進しました。レーザービーム高周波スイング溶接（以下、スイング溶接）も現在の200mm/sの高速溶接プロセスです。
ハイブリッド レーザー溶接ソリューションと比較すると、このソリューションのハードウェア部分には、発振レーザー溶接ヘッドと組み合わせた通常のファイバー レーザーのみが必要です。
溶接ヘッドがぐらつく ぐらつく
溶接ヘッド内にはモーター駆動の反射レンズがあり、設計された軌道タイプ (通常は円形、S 字形、8 字形など)、スイング振幅、周波数に従ってレーザーがスイングするように制御するようにプログラムできます。スイングパラメータが異なると、溶接断面の形状やサイズが異なります。
さまざまなスイング軌道で得られたウェルド
高周波スイング溶接ヘッドをリニアモーターで駆動し、ワークの隙間に沿って溶接します。細胞殻の壁の厚さに応じて、適切なスイング軌道の種類と振幅が選択されます。溶接中、静的レーザー ビームは V 字型の溶接断面のみを形成します。ただし、スイング溶接ヘッドによって駆動されるビームスポットは焦点面上で高速にスイングし、動的に回転する溶接キーホールを形成します。これにより、適切な溶接深さと幅の比率が得られます。
回転する溶接キーホールが溶接をかき混ぜます。一方で、ガスの逃がしを助け、溶接気孔を減少させ、溶接爆発点のピンホールの修復に一定の効果をもたらします (図 12 を参照)。一方、溶接金属は規則的に加熱と冷却が行われます。この循環により、溶接部の表面は規則正しく整然とした魚鱗模様に見えます。
スイングウェルダーシーム形成
さまざまなスイングパラメータの下での塗装汚染に対する溶接の適応性
以上の点により、トップカバーの高速溶着における基本品質要件の3点を満たしています。このソリューションには他にも次のような利点があります。
① レーザー出力の大部分がダイナミックキーホールに注入されるため、外部散乱レーザーが減少し、必要なレーザー出力が少なくなり、溶接入熱が比較的低く（複合溶接に比べて 30% 削減）、設備が削減されます。損失とエネルギー損失。
② スイングウェルディング方式はワークの組立品質への適応性が高く、組立工程等の問題による不良を低減します。
③スイングウェルディング工法は溶接穴の補修効果が高く、電池コア溶接穴の補修歩留まりが非常に高い。
④システムがシンプルで、装置のデバッグやメンテナンスが容易です。
3. トップカバーレーザー溶接技術の3.0時代
溶接速度 300mm/s
新エネルギー補助金が減り続ける中、電池製造業界の産業チェーンのほぼ全体が紅海に陥っている。業界も再編期に入り、規模や技術力に優れた大手企業の割合がさらに高まっている。しかし同時に、「品質の向上、コストの削減、効率の向上」が多くの企業の主要テーマとなるでしょう。
補助金が少ない、または補助金がない時代には、技術の反復的なアップグレード、より高い生産効率の達成、単一電池の製造コストの削減、および製品品質の向上を達成することによってのみ、競争で勝つ追加のチャンスを得ることができます。
Han's Laser は、バッテリーセルのトップカバーの高速溶接技術の研究に投資を続けています。上記で紹介したいくつかのプロセス方法に加えて、バッテリーセルトップカバーのアニュラースポットレーザー溶接技術やガルバノレーザー溶接技術などの先進技術も研究しています。
さらなる生産効率の向上を図るため、300mm/s以上の高速トップカバー溶接技術を検討。 Han's Laserは2017～2018年にスキャニングガルバノメーターレーザー溶接シーリングを研究し、ガルバノメーター溶接中のワークピースのガス保護が難しく、溶接面形成効果が低いという技術的困難を突破し、400～500mm/sを達成しました。レーザー溶接セルのトップカバーの部分。 26148 バッテリーの場合、溶接にかかる時間はわずか 1 秒です。
しかし、効率が高いため、それに見合った補助装置の開発が非常に難しく、装置コストが高くつきます。したがって、このソリューションについてはこれ以上の商業用途の開発は行われませんでした。
さらなる発展に伴い、ファイバーレーザーこの技術を応用して、リング状の光スポットを直接出力できる新しい高出力ファイバーレーザーが発売されました。このタイプのレーザーは、図に示すように、特殊な多層光ファイバーを通じてポイントリングレーザースポットを出力でき、スポット形状とパワー分布を調整できます。
さまざまなスイング軌道で得られたウェルド
調整により、レーザーパワー密度分布をスポット-ドーナツ-トップハット形状にすることができます。図に示すように、このタイプのレーザーはコロナと呼ばれます。
レーザー光線調整可能（それぞれ：センターライト、センターライト+リングライト、リングライト、2リングライト）
2018年には、アルミニウムシェルバッテリーセルトップカバーの溶接におけるこのタイプの複数のレーザーの適用がテストされ、コロナレーザーに基づいて、バッテリーセルトップカバーのレーザー溶接のための3.0プロセス技術ソリューションの研究が開始されました。コロナレーザーがポイントリングモード出力を行う場合、その出力ビームのパワー密度分布特性は半導体レーザー+ファイバーレーザーの合成出力と同様になります。
溶接プロセス中、高パワー密度の中心点ライトが深溶け込み溶接のためのキーホールを形成して十分な溶接溶け込みを実現し（ハイブリッド溶接ソリューションのファイバーレーザーの出力と同様）、リングライトはより大きな入熱を提供します。キーホールを拡大し、キーホールの端の液体金属に対する金属蒸気とプラズマの影響を軽減し、結果として生じる金属飛沫を軽減し、溶接の熱サイクル時間を延長して、溶融池内のガスを短時間で逃がします。時間が長くなり、高速溶接プロセスの安定性が向上します (ハイブリッド溶接ソリューションにおける半導体レーザーの出力と同様)。
このテストでは、薄肉シェル電池を溶接したところ、図 18 に示すように、溶接サイズの一貫性が良好で、プロセス能力 CPK も良好であることがわかりました。
肉厚0.8mmの電池上蓋溶接外観（溶接速度300mm/s）
ハードウェアに関しては、ハイブリッド溶接ソリューションとは異なり、このソリューションはシンプルで、2 つのレーザーや特別なハイブリッド溶接ヘッドを必要としません。一般的な高出力レーザー溶接ヘッドを使用するだけで済みます（単一波長レーザーを出力する光ファイバーが1本だけであるため、レンズ構造が簡単で調整が不要で、電力損失が低い）ため、デバッグとメンテナンスが容易です。 、機器の安定性が大幅に向上します。
ハードウェア ソリューションのシンプルなシステムと、バッテリー セルのトップ カバーの高速溶接プロセス要件を満たすことに加えて、このソリューションにはプロセス アプリケーションにおける他の利点もあります。
試験では、バッテリートップカバーを300mm/sの高速で溶接しましたが、良好な溶接シーム形成効果が得られました。また、シェルの肉厚が0.4、0.6、0.8mmと異なる場合でも、レーザーの出力モードを調整するだけで良好な溶接が可能です。ただし、二波長レーザーハイブリッド溶接ソリューションの場合は、溶接ヘッドまたはレーザーの光学構成を変更する必要があり、これにより装置コストとデバッグ時間のコストが増加します。
したがって、ポイントリングスポットはレーザー溶接このソリューションは、300mm/sの超高速トップカバー溶接を実現するだけでなく、動力電池の生産効率も向上します。頻繁なモデル変更が必要な電池製造会社にとって、このソリューションは設備や製品の品質を大幅に向上させることもできます。互換性を確保し、機種変更やデバッグ時間を短縮します。
肉厚0.4mmの電池上蓋溶接外観（溶接速度300mm/s）
肉厚0.6mmの電池上蓋溶接外観（溶接速度300mm/s）
薄肉セル溶接のコロナレーザー溶接溶け込み – プロセス能力
上記のコロナレーザ以外にも、AMBレーザやARMレーザも同様の光出力特性を有しており、レーザ溶接のスパッタ改善、溶接面品質の向上、高速溶接の安定性向上などの課題を解決できます。
4. まとめ
上記のさまざまなソリューションは、いずれも国内外のリチウム電池製造会社で実際の生産に使用されています。生産時間や技術的背景が異なるため、業界ではさまざまなプロセス ソリューションが広く使用されていますが、企業は効率と品質に対してより高い要件を求めています。それは常に改善されており、テクノロジーの最前線に立つ企業によって、間もなくさらに多くの新しいテクノロジーが適用されることになります。
中国の新エネルギー電池産業は比較的遅く始まり、国家政策によって急速に発展しました。関連技術は業界チェーン全体の共同努力により進歩を続け、優れた国際企業との差を包括的に縮めてきました。国内のリチウム電池機器メーカーとして、Maven はまた、独自の利点領域を常に模索し、電池パック機器の反復的なアップグレードを支援し、新エネルギー蓄電池モジュール パックの自動生産のためのより良いソリューションを提供しています。
投稿日時: 2023 年 9 月 19 日
