Laserschweißen: hohe Prozessbarrieren, neue Batterietechnologien wie große Zylinder, die Schweißvolumina nach oben ziehen
Die Lasertechnologie wird beim Schneiden, Reinigen, Schweißen und Codieren von Lithiumbatterien aufgrund ihrer hohen Effizienz, Flexibilität, Zuverlässigkeit und Stabilität, des geringen Verlusts von Schweißmaterial, ihrer hohen Automatisierung und Sicherheit eingesetzt. Angetrieben von der starken Unterstützung der nationalen Politik und der beschleunigten Förderung und Anwendung neuer Energiefahrzeuge ist die Nachfrage nach Automobilbatterien in China deutlich gestiegen. Bei den drei Kernkomponenten von Neuenergiefahrzeugen machten Batterie, Motor, elektrische Steuerung, die Kernkomponente Power Lithium-Batterie in den Kosten des Fahrzeugs einen hohen Anteil aus, bestimmen aber auch direkt die Reichweite des Fahrzeugs. Die Herstellung von Lithiumbatterien besteht aus einer Reihe von Prozessen, die in drei Hauptteile unterteilt sind: die Herstellung von Elektroden, die Herstellung von Zellen und die Montage von Batterien. Die Qualität der Lithiumbatterie bestimmt direkt die Leistung des neuen Energiefahrzeugs und erfordert daher höchste Präzision in seinem Herstellungsprozess. Die Lasertechnologie als fortschrittliches "leichtes" Fertigungswerkzeug wird aufgrund ihrer hohen Effizienz und Präzision, Flexibilität, Zuverlässigkeit und Stabilität, geringen Verlust von Schweißmaterial, Automatisierung und Sicherheit in den Schneid-, Reinigungs-, Schweiß- und Codierungsprozessen von Lithiumbatteriekomponenten eingesetzt.
2. Laserschweißen: hohe Prozessbarrieren, neue Batterietechnologien wie große Zylinder, die Schweißvolumina nach oben ziehen
2.1 Prinzip: Um die Sicherheit der Batterie zu gewährleisten, hängt die Schweißqualität von der Laserenergieregelung und den Prozessparametern ab.
Das Laserschweißen hat viele Vorteile wie Tiefschmelzen, hohe Geschwindigkeit und geringe Verzerrung, die die Sicherheit von Leistungsbatterien erheblich verbessern können. Als moderne Schweißtechnologie hat das Laserschweißen die Vorteile des Tiefschmelzens, der hohen Geschwindigkeit, der geringen Verformung, der geringen Anforderungen an die Schweißumgebung, der hohen Leistungsdichte, der nicht von Magnetfeldern beeinflussten Dichte, nicht auf leitfähige Materialien beschränkt, erfordert keine Vakuumarbeitsbedingungen und erzeugt während des Schweißprozesses keine Röntgenstrahlen usw. Es ist weit verbreitet im Bereich der High-End-Präzisionsfertigung, insbesondere in der neuen Energiefahrzeug- und Leistungsbatterieindustrie. Power Battery Schweißteile sind zahlreich, schwierig und erfordern hohe Präzision. Hersteller von Leistungsbatterien haben auch hohe Anforderungen an die Automatisierung, Sicherheit, Präzision und Verarbeitungseffizienz von Batterieproduktionsanlagen. Die einzigartigen Vorteile der Laserschweißtechnologie können die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Konsistenz von Batterien erheblich verbessern, Kosten senken und die Lebensdauer verlängern, was sie zur optimalen Wahl für Hersteller von Leistungsbatterien macht.
Die Hauptkernelemente, die die Qualität des Laserschweißens bestimmen, sind die Laserenergiesteuerung und die Schweißprozesstechnologie. Laser-Energiekontrolle: (1) Da das zu schweißende Material unterschiedliche Absorptionsraten für verschiedene Wellenlängen des Laserlichts aufweist (die von 5% bis 50% variieren können), kann die Wahl der Laserquelle den Unterschied ausmachen. Um einen gleichmäßigen und stabilen Schweißlaserstrahl auf das geschweißte Teil zu liefern, muss die Laserausgangsleistung konstant oder präzise gesteuert sein. Zu geringe Leistung führt zu unzureichender Schweißschmelze und beeinträchtigt die Schweißqualität, zu hohe Leistung oder Auf- und Abschwankungen führen zu Spritzern, Porosität und anderen unerwünschten Effekten. Daher wird die Steuerung der Laserquelle zu einer der kritischsten Technologien für das Laserschweißen.
(2) Der Laserschweißeffekt ist komplex und hängt mit Dutzenden von Faktoren wie Laserwellenlänge, Leistungsdichte, Schweißzeit, Schweißkopfwinkel, Brennweite, Laserabsorptionsrate und Sauberkeit der Schweißnaht, Dicke und Wärmeleitfähigkeit der Schweißnaht, Art und Fluss des Schutzgases zusammen. Daher ist die Laserschweißtechnologie auch einer der Schlüsselfaktoren, die die Qualität des Schweißens beeinflussen, da Laserschweißprozesstechniker die Zusammenfassung kontinuierlich untersuchen müssen, nur eine lange Zeit der experimentellen Akkumulation kann gute Schweißergebnisse erzielen.
Entsprechend dem Arbeitsprinzip kann das Schweißen in fünf Typen unterteilt werden, abhängig von den Anforderungen der Anwendung werden verschiedene Schweißverfahren ausgewählt, um die besten Ergebnisse zu erzielen. Je nach Funktionsprinzip kann das Laserschweißen in fünf Kategorien unterteilt werden: Wärmeleitungsschweißen, Tiefenschweißen, Verbundschweißen, Laserlöten und Laserleitungsschweißen. Je nach Kunde und Bearbeitungsanwendung wird das passende Schweißverfahren ausgewählt, um bestmögliche Schweißergebnisse zu erzielen.
2.2 Anwendungsstatus: Kernfertigung, PACK-Schweißen im Wert von ca. 10-30 Mio. GWh
Das Laserschweißen wird bei der Herstellung von Leistungszellen im Zellfertigungsprozess und im Batterie-PACK-Prozess eingesetzt. Bei der Herstellung von Leistungszellen gehören zu den Hauptsegmenten, die Laserschweißen verwenden: (1) Mid-Prozess: Schweißen von Bandanstößen (einschließlich Vorschweißen), Punktschweißen von Polbändern, Vorschweißen von Kernen in die Schale, Abdichten des Schweißens der oberen Abdeckung der Außenhülle, Abdichten des Flüssigkeitseinspritzkanals usw. (2) Nachbearbeitung: einschließlich des Schweißens des Verbindungsstücks im Batterie-PACK-Modul und des Schweißens des explosionsgeschützten Ventils am Deckel hinter dem Modul, etc. Das Vorschweißwertvolumen beträgt ca. 10-30 Millionen Yuan / GWh. Laserschweißgeräte in den Leistungsbatterieherstellern investieren in etwa 5-15%, entsprechend der Investition in die Strombatterie-Einzel-GWh-Ausrüstung von etwa 200 Millionen Yuan, die aktuelle Investition der Leistungsbatterie-Laserschweißausrüstung in 10 Millionen Yuan bis 30 Millionen Yuan.
2.3 Nachfrage: Halbleiterfabriken weiten Investitionen bei globaler "Kernknappheit" aus, Ausrüstungsboom setzt sich fort
4680 Große Zylinder haben höhere Anforderungen an Laserprozesse, und es wird erwartet, dass das Schweißvolumen im Vergleich zu quadratischen Zellen und kleinen Zylindern steigen wird. Die Zelle 4680 erfordert einen anspruchsvolleren Laserprozess und die unkontrollierte Form der Bandanstöße ist ein schwieriger Prozess. Die 4680-Batterie verwendet einen vollständigen Stollenprozess, bei dem die Form der herkömmlichen Batterie mit einer positiven und einer negativen Lasche unterbrochen wird, die anfällig für Kurzschlüsse ist, und wird mit zwei geschlossenen Abschnitten hergestellt, was ein großes Hindernis für das Eindringen von Elektrolyten darstellt, und die mehreren Bandanstöße sind schwer ordentlich zu falten und erfordern einen höheren Laserprozess. 4680 Das Laserschweißen von großen zylindrischen Zellen hat in Bezug auf den Schweißprozess und die erforderlichen Schweißgeräte im Vergleich zu quadratischen Zellen bzw. kleinen zylindrischen Zellen zugenommen. Im Vergleich zu quadratischen Zellen wird der Laserschweißprozess für die volle Bandanstöße eines großen Zylinders von 5 auf 7 Durchgänge erhöht. In Bezug auf kleine zylindrische Zellen verfügt die einzelne GWh-Linie über 5 zusätzliche Schweißmaschinen im Vergleich zu den Zelllinien 18650 und 21700. In Kombination mit dem oben Gesagten glauben wir, dass die Nachfrage nach Laserschweißen von 4680 großen Zylindern im Vergleich zu quadratischen Zellen und kleinen Zylindern steigen wird.
Andere Schweißverbindungstechnologie: Um das Problem des unterschiedlichen Metallschweißens zu lösen, wie z.B. das Batterie-PACK im Sammelschienenschweißen, das durch Laserschweißen ersetzt werden soll, sind wir der Ansicht, dass mit fortschreitendem Laserschweißprozess die Laserschweißpenetration voraussichtlich steigen wird. Ein Beispiel ist das Al/Cu-heterogene Metalllöten von Stromschienen in quadratischen Backend-Modulen/PACKs. (1) Die geringe Lichtabsorption von Al und Cu und die Tendenz, stark spröde Metallverbindungen herzustellen, sind Al/Cu-Schwierigkeiten: Das Laserschweißen von Al/Cu-unähnlichen Metallen hat aufgrund der sehr unterschiedlichen materiellen physikalischen Eigenschaften von Al und Cu mehrere herausfordernde Einschränkungen. Eine der größten Herausforderungen ist die geringe Absorption von Al bei der Laserwellenlänge von 1um und die noch geringere Absorption von Cu; Ein weiterer Grund sind die metallurgischen Eigenschaften der Al-Cu-Legierung, d.h. die stark spröde Metallverbindung kann zu Rissbildung führen. Es können intermetallische Phasen mit einem Cu-Gehalt von 50-80% gebildet werden.
Das Sammelschienenschweißen ist immer noch keine Lösung für das Problem der spröden Verbindungen, aber das Laserschweißen ist die wahrscheinliche Richtung. Aufgrund der leichten Bildung von spröden Verbindungen zwischen Kupfer und Aluminium nach dem Laserschweißen, die die Anforderungen der Verwendung nicht erfüllen können, in der Regel unter Verwendung von Ultraschallschweißen außen, werden Kupfer und Kupfer, Aluminium und Aluminium im Allgemeinen zum Laserschweißen verwendet. Gleichzeitig erfordern die hohe Wärmeübertragungsrate von Kupfer und Aluminium, das hohe Reflexionsvermögen des Lasers und die relativ große Dicke des Fügestücks einen Hochleistungslaser, um die Schweißnaht zu erreichen. Durch neun verschiedene Parameter und Methoden von Anpassungsexperimenten, von denen sieben unterschiedliche Gewinne haben, glauben wir, dass mit dem kontinuierlichen Fortschritt des Laserprozesses in der Zukunft die Probleme des Al/Cu-Laserschweißens von Sammelschienen gelöst werden sollen und das Laserschweißen die wahrscheinlichste Richtung ist.
