การเชื่อมแบตเตอรี่ด้วยเลเซอร์ Laser welding batteries for electric vehicles อุตสาหกรรมยานยนต์กำลังเริ่มต้นการเปลี่ยนแปลงทางเทคโนโลยีครั้งใหญ่ Toyota Prius, Honda Insight, Chevrolet Volt และ Nissan Leaf เป็นรถยนต์ไฟฟ้าคันแรกที่จำหน่าย ในอีกสามปีข้างหน้า ผู้ผลิตยานยนต์รายใหญ่ทั้งหมดและบริษัทสตาร์ทอัพหลายแห่งจะเปิดตัวรถยนต์ไฮบริด ปลั๊กอินไฮบริด หรือรถยนต์ไฟฟ้าสำหรับผู้บริโภคและตลาดเชิงพาณิชย์ ในขณะที่เครื่องยนต์สันดาปภายในจะยังคงครองตลาดต่อไปเป็นเวลาหลายปี ระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าจะได้รับส่วนแบ่งการตลาดเมื่อต้นทุนเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนเพิ่มขึ้น

ระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าในรถยนต์เหล่านี้ต้องการเทคโนโลยีแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนใหม่ แม้ว่าแบตเตอรี่ลิเธียมจะถูกนำมาใช้กับโทรศัพท์มือถือและคอมพิวเตอร์โน้ตบุ๊กมาหลายปีแล้ว แต่การใช้งานของแบตเตอรี่ในการขนส่งจะต้องใช้ระบบที่มีพลังงานมากกว่าถึง 1,000 เท่า ระบบขับเคลื่อนเหล่านี้ยังต้องทำงานภายใต้เงื่อนไขการบริการที่มีความต้องการสูงเป็นเวลาอย่างน้อย 10 ปี เพื่อให้สามารถแข่งขันในเชิงเศรษฐกิจกับเครื่องยนต์สันดาปภายในได้ ระบบแบตเตอรี่จะต้องเสียค่าใช้จ่ายน้อยกว่าครึ่งหนึ่งของในปัจจุบัน การบรรลุเป้าหมายที่ต้องการเหล่านี้จะต้องใช้วิธีการผลิตแบบใหม่ เชื่อถือได้ และราคาไม่แพง

Laser welding batteries for electric vehicles

สถานะอุตสาหกรรมสำหรับการเข้าร่วม
EWI ได้ทำงานร่วมกับบริษัทแบตเตอรี่ขั้นสูงเกี่ยวกับความท้าทายนี้มาหลายปีแล้ว ในฐานะที่เป็นส่วนหนึ่งของการประชุมวิชาการด้านเทคโนโลยีการผลิตแบตเตอรี่ที่จัดขึ้นในเดือนกันยายน 2010 EWI ได้สำรวจอุตสาหกรรมเกี่ยวกับเทคนิคต่างๆ (ดูตารางด้านบน) ที่ใช้ในการทำข้อต่อระหว่างเซลล์แบตเตอรี่และ

การประกอบแพ็ค ผลการสำรวจพบว่าแบตเตอรี่ลิเธียมเป็นส่วนประกอบที่ซับซ้อนของวัสดุหลายชั้น(ทองแดง อะลูมิเนียม นิกเกิล และทองแดงชุบนิกเกิล) ที่มีความหนาหลากหลาย (0.001-0.0625 นิ้ว) การผลิตระบบ ต้องประกอบข้อต่อจำนวนมาก รวมทั้งข้อต่อระหว่างวัสดุที่ไม่เหมือนกัน ในการทำการเชื่อมต่อเหล่านี้ อุตสาหกรรมใช้กระบวนการที่หลากหลาย รวมถึงการบัดกรี ความต้านทาน อัลตราโซนิก และการเชื่อมด้วยเลเซอร์ ผลการสำรวจในตารางแสดงให้เห็นว่าไม่มีกระบวนการเข้าร่วมใดที่ครอบงำแอปพลิเคชันนี้ ดูเหมือนไม่มีใครเห็นด้วยว่าจะใช้กระบวนการใดสำหรับการผสมผสานระหว่างวัสดุและเรขาคณิต

จากผลการสำรวจนี้ EWI และศูนย์การวิจัยยานยนต์ของมหาวิทยาลัยแห่งรัฐโอไฮโอได้ออกแบบโครงการเพื่อตรวจสอบวิธีการต้านทาน ล้ำเสียง และการเชื่อมด้วยเลเซอร์เพื่อสร้างรอยต่อระหว่างวัสดุผสมที่เกี่ยวข้องกับการประกอบเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและแพ็ค เป้าหมายคือการพัฒนาข้อมูลเพื่อช่วยให้อุตสาหกรรมจับคู่กระบวนการเชื่อมกับแต่ละข้อต่อในแอสเซมบลี

ข้อดีของเลเซอร์

การเชื่อมแบตเตอรี่ด้วยเลเซอร์ นั้นน่าสนใจเพราะเป็นกระบวนการที่ยืดหยุ่นและแม่นยำมาก รอยเชื่อมสามารถปรับขนาดและรูปร่างให้พอดีกับพื้นที่ขนาดเล็กและปรับให้เข้ากับการออกแบบที่หลากหลาย เนื่องจากการเชื่อมด้วยเลเซอร์เป็นกระบวนการที่ไม่สัมผัส จึงสามารถส่งลำแสงเชื่อมที่มีประสิทธิภาพไปยังพื้นที่ขนาดเล็กที่ไม่สามารถเข้าถึงได้โดยอัลตราโซนิกหรือหัวเชื่อมแบบต้านทาน กระบวนการเชื่อมมีความเร็วสูงและไม่เกี่ยวข้องกับการป้อนความร้อนสูงแม้ว่าจะเป็นกระบวนการหลอมรวมก็ตาม

การทดลอง
การตรวจสอบนี้ใช้เลเซอร์ไฟเบอร์อิตเทอร์เบียมแบบคลื่นต่อเนื่อง 600 วัตต์ ​​ที่ให้ความยาวคลื่น 1,070 นาโนเมตร ลำแสงถูกส่งไปยังชิ้นงานด้วยเลนส์ทางยาวโฟกัส 100 มม. ซึ่งในทางทฤษฎีจะให้จุด 9 ไมโครเมตร แม้ว่าทั้งอะลูมิเนียมและทองแดงจะสะท้อนแสงได้สูง (>90%) สำหรับความยาวคลื่นอินฟราเรดประมาณ 1,000 นาโนเมตร แต่การเชื่อมสามารถทำได้โดยใช้กำลังเต็มที่เพียง 55-75% (330-450 W) ใช้ระบบควบคุมการเคลื่อนที่แบบสองมิติที่มีอัตราสแกน 200-400 มม./วินาที เพื่อทำการเชื่อม การศึกษาด้วยเลเซอร์เกี่ยวข้องกับการทดลองแบบแฟคทอเรียลที่ออกแบบโดยผสมผสานวัสดุที่เป็นไปได้ทั้งหมด (อะลูมิเนียม 1,100 หรือ 1,145, ทองแดง 110, นิกเกิล 200, นิกเกิลชุบด้วยไฟฟ้าบนทองแดง, นิกเกิลชุบด้วยไฟฟ้าบนทองแดง) การมีหรือไม่มีก๊าซป้องกันอาร์กอน และการวางแนวตัวอย่าง (ซึ่งวัสดุที่ก่อน) การศึกษาส่วนใหญ่ทำด้วยวัสดุหนา 125 ไมโครเมตร รอยเชื่อมทั้งหมดทะลุผ่านพื้นผิวทั้งสองได้เต็มที่ ภาพตัดขวางของรอยเชื่อมสองแถบแสดงในรูปที่ 1

เพื่อความง่าย การเชื่อมด้วยเลเซอร์เป็นการสแกนเพียงครั้งเดียวบนชิ้นงานทดสอบที่มีความกว้าง 25 มม. ประเมินทั้งสมรรถนะทางกลและทางไฟฟ้าของรอยเชื่อม ประเมินสมรรถนะทางกลโดยใช้ทั้งการทดสอบแรงเฉือนบนตักและการทดสอบเปลือกที่ประเมินความต้านทานของรอยเชื่อมด้วยพัลส์กระแสสูง 1 วินาทีที่ส่งโดยแหล่งจ่ายไฟเชื่อมความต้านทาน พัลส์อยู่ในช่วง 400-1,000 A.

การเชื่อมแบตเตอรี่ด้วยเลเซอร์

ผลลัพธ์

การเชื่อมด้วยเลเซอร์ทำให้เกิดรอยเชื่อมที่แข็งแรงสำหรับวัสดุทุกประเภท มีประสิทธิภาพโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการเชื่อมระหว่างทองแดงกับทองแดง และอะลูมิเนียมกับอะลูมิเนียม นอกจากนี้ยังเป็นเทคนิคเดียวที่สามารถเชื่อมการผสมผสานระหว่างนิกเกิลที่ชุบด้วยไฟฟ้ากับทองแดงได้ ในการทดลองเหล่านี้ การมีหรือไม่มีก๊าซป้องกันไม่ได้สร้างความแตกต่างในประสิทธิภาพทางกลหรือทางไฟฟ้าของการเชื่อม ความแตกต่างเพียงอย่างเดียวที่สังเกตได้คือการเชื่อมที่ทำโดยไม่มีก๊าซป้องกันมีการเกิดออกซิเดชันที่พื้นผิวมากกว่าการเชื่อมด้วยก๊าซป้องกัน

การเปรียบเทียบประสิทธิภาพของการเชื่อมด้วยเลเซอร์

การเปรียบเทียบประสิทธิภาพของการเชื่อมด้วยเลเซอร์ กับการเชื่อมด้วยความต้านทานและเทคนิคอัลตราโซนิกเป็นเรื่องที่น่าสนใจ ดังที่แสดงในรูปที่ 2 แรงเฉือนของส่วนเชื่อมของรอยเชื่อมเลเซอร์ที่คล้ายคลึงกันนั้นแข็งแกร่งกว่ารอยเชื่อมแบบอัลตราโซนิกหรือแนวต้านหลายเท่า ความแข็งแรงในการลอกของรอยเชื่อมด้วยเลเซอร์นั้นสูงกว่ารอยเชื่อมแบบอัลตราโซนิกหรือแนวต้านสำหรับการรวมกันที่เหมือนกัน

รูปที่ 4 แสดงให้เห็นว่าสำหรับการผสมผสานที่ไม่เหมือนกัน วิธีการเชื่อมแบบอัลตราโซนิกและความต้านทานดูเหมือนจะให้ความแข็งแรงสูงกว่า แต่ความแตกต่างระหว่างกระบวนการนั้นไม่ใหญ่นัก และตัวอย่างมักจะล้มเหลวจากการฉีกขาดของพื้นผิว ดังนั้นรอยเชื่อมจะมีความแข็งแรงเท่ากับวัสดุของพื้นผิว

รูปที่ 4

การประเมินประสิทธิภาพทางไฟฟ้าของรอยเชื่อมนั้นน่าสนใจมาก ข้อต่อที่ทำด้วยทั้งสามกระบวนการมีความต้านทานต่อกระแสไฟเกือบเท่ากัน การวิเคราะห์ผลการวิจัยพบว่าแม้ว่าพื้นที่ของรอยเชื่อมด้วยเลเซอร์จะมีขนาดเล็กกว่ารอยต้านทานหรือรอยเชื่อมด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง ความต้านทานไฟฟ้าของรอยต่อนั้นไม่ขึ้นอยู่กับกระบวนการเชื่อมที่ใช้ ความต้านทานจะขึ้นอยู่กับวัสดุในข้อต่อแทนกระบวนการเชื่อมที่ใช้ในการเชื่อม

ความท้าทายที่เหลืออยู่

แม้ว่าการเชื่อมด้วยเลเซอร์จะเหมาะสมกับความต้องการร่วมกันของอุตสาหกรรมการประกอบชุดแบตเตอรี่ แต่ความท้าทายในการใช้งานในอุตสาหกรรมนี้ยังคงมีอยู่ การเชื่อมด้วยเลเซอร์ที่ประสบความสำเร็จจำเป็นต้องมีการสัมผัสอย่างใกล้ชิดระหว่างพื้นผิวที่กำลังเชื่อม ต้องใช้ความระมัดระวังในการจับยึดชิ้นส่วนเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด การทำเช่นนี้อาจทำได้ยากเมื่อใช้พื้นผิวแถบบางที่โค้งงอได้ง่าย โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อแท็บถูกปิดในโมดูลแบตเตอรี่ขนาดใหญ่หรือโครงสร้างแพ็ค

อุตสาหกรรมการประกอบชุดแบตเตอรี่ต้องการใช้อุปกรณ์เชื่อมแบบมีวางจำหน่ายทั่วไปที่มีความสามารถในการรวบรวมข้อมูลกระบวนการที่สามารถใช้เพื่อติดตามกระบวนการเชื่อมเพื่อวัตถุประสงค์ในการควบคุมคุณภาพ อุปกรณ์สำหรับการเชื่อมแบบอัลตราโซนิกและความต้านทานได้รับการพัฒนาเพื่อให้ข้อมูลนี้ ในทางกลับกัน ระบบเลเซอร์เป็นการผสมผสานแบบกำหนดเองของเลเซอร์ออปติก และระบบควบคุมการเคลื่อนไหวที่ปรับให้เหมาะกับแต่ละแอปพลิเคชัน ไม่มีระบบเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบใช้แล้วทิ้งที่ออกแบบมาสำหรับการประกอบแถบแบตเตอรี่ที่มีความสามารถในการให้ข้อมูลการตรวจสอบกระบวนการเพื่อประกันคุณภาพการเชื่อมและความน่าเชื่อถือ

สุดท้ายนี้ สิ่งสำคัญที่ควรทราบคือการเชื่อมด้วยเลเซอร์เป็นกระบวนการหลอมรวม ซึ่งหมายความว่าพื้นผิวทั้งสองจะละลายระหว่างกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์ กระบวนการนี้รวดเร็วมาก ดังนั้นความร้อนรวมที่ป้อนเข้าจึงต่ำ แต่เนื่องจากเป็นกระบวนการหลอม จึงมีโอกาสเกิดสารประกอบระหว่างโลหะที่เปราะและต้านทานสูงเมื่อเชื่อมวัสดุที่แตกต่างกัน การผสมระหว่างอะลูมิเนียมกับทองแดงมีแนวโน้มที่จะเกิดสารประกอบระหว่างโลหะ สารประกอบเหล่านี้มีผลเสียต่อประสิทธิภาพทางไฟฟ้าในระยะสั้นและประสิทธิภาพทางกลในระยะยาวของข้อต่อในอุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ยังไม่ได้กำหนดผลกระทบของสารประกอบระหว่างโลหะเหล่านี้ต่อประสิทธิภาพในระยะยาวของแบตเตอรี่ลิเธียม

บทสรุป

การเชื่อมด้วยเลเซอร์เป็นทางเลือกที่ดีสำหรับการต่อแถบแบตเตอรี่ระหว่างการประกอบชุดแบตเตอรี่ กระบวนการนี้รวดเร็วและมีประสิทธิภาพ สร้างรอยเชื่อมที่มีความแข็งแรงสูงสำหรับการผสมผสานวัสดุทั้งหมด กระบวนการนี้สามารถปรับให้เข้ากับการออกแบบข้อต่อที่หลากหลายได้อย่างง่ายดาย การเชื่อมด้วยเลเซอร์ของอะลูมิเนียม ทองแดง และนิกเกิลสำหรับตัวเองมีแรงเฉือนและการลอกที่สูงกว่าการเชื่อมแบบอัลตราโซนิกและความต้านทาน การเชื่อมด้วยเลเซอร์ประสบความสำเร็จเป็นพิเศษเมื่อใช้เชื่อมอะลูมิเนียมกับอะลูมิเนียม และทองแดงกับทองแดง หากผู้ประกอบระบบสามารถพัฒนาระบบนอกชั้นวางสำหรับผู้ผลิตเซลล์และแพ็ค การเชื่อมด้วยเลเซอร์สามารถแข่งขันกับเทคนิคที่กำหนดไว้เหล่านี้สำหรับตลาดยานพาหนะไฟฟ้าและการประกอบโมดูล

Laser Welding Machine

การรับรอง

งานนี้ได้รับการสนับสนุนโดยกระทรวงพลังงาน DE-EE-0004188 ศูนย์ความเป็นเลิศแห่งชาติด้านการจัดเก็บพลังงาน 168.10 ซึ่งจัดทำขึ้นเพื่อการวิจัยยานยนต์ของมหาวิทยาลัยแห่งรัฐโอไฮโอ

Dr. David Speth (dspeth@ewi.org) เป็นวิศวกรอาวุโส และ Jay Eastman เป็นวิศวกรด้านการใช้งานที่ EWI (www.ewi.org) โคลัมบัส รัฐโอไฮโอ

Thanks Credit :https://www.laserfocusworld.com/industrial-laser-solutions/article/14216198/laser-welding-batteries-for-electric-vehicles

This site uses cookies to offer you a better browsing experience. By browsing this website, you agree to our use of cookies.