Figur 1: Lasersveiseoppsett for sylindriske litium-ionbatterimoduler. (Bildekilde: Photon Automation)
Sylindriske litium-ionbatterier (som 18650, 21700 og større 4680-modeller) er mye brukt i bærbar elektronikk, elektroverktøy, energilagringssystemer og spesielt elektriske kjøretøy på grunn av deres høye energitetthet, standardiserte design og bevist pålitelighet. Disse batteriene bruker vanligvis nikkel-belagt stål (Hilumin) som foringsmateriale, siden nikkelbelegget gir korrosjonsmotstand mens stålsubstratet sikrer strukturell styrke for å motstå indre trykk og mekaniske påkjenninger.
For å møte spesifikke design- og ytelseskrav bruker noen sylindriske celler med en diameter på 46 mm forskjellige foringsmaterialer som aluminium og nikkel-belagt stål. En kritisk utfordring under produksjon av moduler eller batteripakker er å sveise sammen aluminium og stål, på grunn av betydelige forskjeller i deres termiske egenskaper og sveiseoppførsel.
Å konstruere sylindriske batterimoduler eller -pakker innebærer å arrangere celler (individuelle batterienheter) i et spesifikt mønster og koble dem i serie eller parallelt i henhold til applikasjonens spennings- og strømkrav. Denne konfigurasjonen lar produsenter tilpasse den totale energikapasiteten og utgangseffekten til batteripakken for å møte kravene til spesifikke applikasjoner, for eksempel elektriske kjøretøy eller stasjonære energilagringssystemer. Celler er vanligvis sammenkoblet via aluminiumsskinner med en tykkelse på 0,3–0,6 mm, som deretter lasersveises- for å oppnå pålitelige elektriske tilkoblinger (se figur 1). Det nikkel-belagte stålet som brukes til batterihus har generelt en tykkelse på 0,4–0,6 mm, avhengig av celledesign og produsentens merke.
Ved bruk av elektriske kjøretøy må sveisene som forbinder aluminiumsskinner til battericeller opprettholde høy strukturell integritet og elektrisk ledningsevne under alvorlige dynamiske forhold, inkludert støt, vibrasjoner og termisk sykling. Derfor er presis og pålitelig lasersveising avgjørende for den langsiktige-ytelsen og sikkerheten til batteriet. Lasersveising er usedvanlig godt-egnet for dette monteringsscenariet. Den produserer høy-, rene skjøter med lav varmetilførsel og minimal forvrengning. Disse egenskapene er avgjørende for å overvinne utfordringene som ligger i sveising av aluminium til nikkel-belagt stål.
Dannelse av sprø intermetalliske forbindelser (IMC)
Den primære utfordringen under sveising er dannelsen av sprø intermetalliske forbindelser (IMC), som reduserer leddstyrken og den elektriske ledningsevnen betydelig. Dette problemet stammer fra de forskjellige egenskapene til aluminium og stål, spesielt deres forskjellige termiske responser: aluminium smelter og utvider seg raskere enn stål, og genererer termiske spenninger som fremmer IMC-vekst under sveising. Disse IMC-ene-som jern-aluminiumforbindelser FeAl₃ og Fe₂Al₅-viser vanligvis sprø teksturer som svekker leddstyrken, noe som fører til sprekkinitiering, redusert styrke og økt mottakelighet for korrosjon.
Dannelsen og det totale volumet av IMC-er under sveising påvirker i stor grad sveisekvaliteten og den langsiktige-ytelsen. Etter hvert som IMC-volumet øker, øker leddskjørheten, den mekaniske styrken reduseres og sannsynligheten for stress-indusert feil øker. Dypere sveiseinntrengning øker vanligvis totalt IMC-volum, noe som understreker nødvendigheten av presis sveiseparameterkontroll for å sikre høy fugestyrke, pålitelighet og holdbarhet.
Omfattende forskning indikerer at opprettholdelse av et tynt, jevnt IMC-lag (typisk 2 µm til 10 µm) gir høyere strekkskjærstyrke. Disse tynne lagene muliggjør effektiv metallurgisk binding samtidig som skjøtene minimeres. Men når IMC-laget overstiger 15 µm i tykkelse, fører dets sprøhet ofte til redusert strekkstyrke på grunn av mottakelighet for sprekkinitiering og forplantning under belastning (se figur 2).
Figur 2: Effekt av IMC lagtykkelse på strekkfasthet. (Bildekilde: H. He et al.) [1]
For å løse dette problemet er en mer effektiv tilnærming å øke sveisegrensesnittområdet i stedet for kun å stole på større penetrasjonsdybde. Utvidelse av grensesnittområdet forbedrer metallurgisk binding samtidig som det totale IMC-volumet begrenses. Dette reduserer sprøhet og fremmer mer jevn spenningsfordeling ved leddet, og forbedrer dermed påliteligheten. Denne effekten kan oppnås ved å kombinere laserpulser med stråleskanningsteknologi for nøyaktig å kontrollere varmetilførsel og grensesnittdannelse, og minimere IMC-vekst.
Photon Automation har utviklet avanserte puls- og kraftkontrollere som er i stand til mikrosekund-nivå presisjonskontroll over lasere, som muliggjør tilpasset pulsforming. Ved å finjustere pulsformen reduseres lokalisert termisk stress, ideelle mekaniske egenskaper til materialet bevares, den varme-påvirkede sonen (HAZ) minimeres, og delers levetid forlenges. Selskapets WonderBOARD har også grensesnitt med galvo speilkontrollere, noe som muliggjør jevn fordeling av laserenergi over arbeidsstykker. Dette forhindrer varme flekker og ujevn oppvarming forårsaket av rask strålebevegelse.
Laserpuls- og stråleoscillasjonskontroll for IMC-formasjon
Pulserende lasere gir overlegen termisk inngangskontroll, og reduserer risikoen for over-smelting eller sprut. Avkjølingsintervallene mellom pulsene minimerer varmeakkumulering, og hjelper til med å forhindre defekter som-gjennombrenning eller forvrengning. For tynn-materialsveising eller ulik metallsammenføyning (f.eks. aluminium-til-stål), forbedrer pulserende teknologi også smeltebassengets stabilitet.
Dynamisk skanning av laserstrålen over sveisesonen via et galvanometer sikrer jevn energifordeling. Dette forhindrer kanteffekter (overdreven penetrering, underskjæring eller varme punkter forårsaket av langvarig opphold ved starten/slutten av sveisebanen). Oscillasjonsteknologi muliggjør også tilpassede sveiseprofiler (f.eks. sirkulære, spiralformede eller sagtann) for å forbedre skjøtenes mekaniske styrke og jevnhet.
Kombinasjonen av pulsering og oscillasjon skaper et svært kontrollerbart sveisemiljø som minimerer termiske gradienter, optimerer metallurgisk binding og sikrer jevnere spenningsfordeling. Denne tilnærmingen er spesielt kritisk i batteriproduksjon, og muliggjør presis energikontroll for å unngå å skade sensitive komponenter eller isolerte områder.
Den andre utfordringen innebærer å oppnå presis sveisesømplassering og konsistent sveisekvalitet.
I sylindriske celledesign ligger både positive og negative elektroder på toppoverflaten-den sentrale elektrodehetten fungerer som den positive elektroden, mens den omkringliggende ringformede regionen fungerer som den negative elektroden. Denne layouten begrenser det tilgjengelige sveiseområdet, og krever ekstrem presisjon i laserposisjonering. Selv mindre feiljustering kan resultere i utilstrekkelig sveisestyrke, intern skade eller kortslutning, som alle øker risikoen for cellesvikt og i alvorlige tilfeller kan utløse termisk løping.
Under montering inneholder disse batterimodulene typisk hundrevis av tettpakkede celler. Mindre variasjoner i cellehøyde forårsaket av produksjonstoleranser eller håndtering kan føre til ujevn kontakt mellom samleskinnen eller sveiseverktøyet og cellene. Hvis den ikke behandles på riktig måte, fører denne inkonsekvente kontakten til varierende sveisekvalitet, dårlige elektriske tilkoblinger og langsiktige ytelsesproblemer.
For å overvinne disse utfordringene er produsentene avhengige av to kjernesystemer: synssystemer og optisk koherenstomografi (OCT).
Synssystemer oppdager og lokaliserer den positive terminalen (senterhetten) og den negative terminalen (ytre ring/kant) til hver sylindrisk celle. I tillegg kompenserer synssystemer for celle-til-cellevariasjoner/-toleranser og armaturjusteringsavvik, og leder laserstrålen til riktig sveiseposisjon samtidig som man unngår kontakt med isolasjonslag eller kantområder. Dette muliggjør konsistent, høy-presisjonssveising på tvers av moduler som inneholder hundrevis av celler.
OCT måler høyden på hver celle før sveising for å oppdage de minste høydevariasjonene. Den justerer laserfokusposisjonen dynamisk via en elektrisk drevet kollimeringslinse, og sikrer at laseren konsekvent fokuserer på det nøyaktige sveiseplanet. Dette forbedrer sveisekvaliteten og påliteligheten i automatiserte produksjonsmiljøer der det kan forekomme mindre høydevariasjoner mellom cellene i en batterimodul.
Sveiseprosessovervåking og datainnsamling: Grunnlaget for AI
Implementering av et lasersveisingsovervåkingssystem (LWM) er et kritisk skritt mot å oppnå AI-drevet prosesskontroll. Under laser-materialinteraksjon frigjøres energi i flere former: plasmastråling (ultrafiolett bølgelengde), termisk stråling (infrarød bølgelengde), tilbakerefleksjon (laserens faktiske bølgelengde) og laserkraft som overføres gjennom optiske komponenter. Hvert av disse signalene inneholder verdifull informasjon om sveiseprosessparametere.
Fotodiodebaserte-sensorer fanger opp denne strålingsinformasjonen i sanntid og sammenligner den med referansedata for sveiser av høy-kvalitet. Denne kontinuerlige datainnsamlingen hjelper til med å identifisere defekter som manglende sammensmelting, tapte sveiser eller inkonsekvent penetrasjonsdybde. Over tid gir akkumulering av prosessdata med høy-oppløsning grunnlaget for opplæring av AI-modeller. Disse modellene kan oppdage mønstre, forutsi feil og aktivere lukket-sløyfeoptimalisering av sveiseprosessen.
Prosessutviklingsvalidering for sveisekvalitet
Ved lasersveising av sylindriske litium-ionbatterier er det avgjørende å sikre integriteten til interne sveiser for å ivareta batterisikkerhet og ytelse. Under sveising må spesiell oppmerksomhet rettes mot å beskytte eventuelle plast- eller gummimaterialer under toppoverflaten: overdreven varmetilførsel, feil laserparametere eller for stor penetrasjonsdybde kan skade underliggende isolasjonslag eller plast-/gummikonstruksjonskomponenter, noe som kan føre til kortslutning, lekkasje, mekanisk feil eller termisk løping.
Figur 3: 3D-CT-bilde som viser detaljer om sveisegjennomtrengning. (Bildekilde: Photon Automation)
Computertomografi (CT) muliggjør ikke-destruktiv, høy-inspeksjon av sveisede skjøter, og gir 2D- og 3D-data som avslører interne sveisedefekter som porøsitet, ujevn penetrasjon ved sveisegrensesnittet eller utilstrekkelig penetrasjon (se figur 3). Disse 3D CT-dataene støtter prosessutvikling ved å validere sveisekvaliteten og identifisere om penetrering når tetnings- eller isolasjonsmaterialer, og dermed bedre forebygge slike problemer under sveising.
