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【CBIS2020】阿帕奇张婧:新技术在动力电池焊接中的应用

2020年10月16日-17日,“第五届动力电池应用国际峰会(CBIS2020)暨首届中国新能源新材料(宁德)峰会”盛大开幕,在主题论坛4上,阿帕奇(北京)光纤激光技术有限公司 应用部经理张婧发表了关于“AMB光束模式可调激光器及LDD焊接全过程监测系统在动力电池焊接中的应用”的精彩演讲。

电池

以下为演讲实录:

各位尊敬的客户、专家、业界的同行们大家好!非常荣幸借此机会介绍一下IPG公司以及我们产品在行业中的应用。看到大家都是行业的大佬,对这个行业有高度认识和理解,我们在各位大佬门前去展望行业有点过于班门弄斧。我这里特别聚焦讲一讲两款新产品在焊接中间的应用,所以是一个纯技术的报告。

我的报告分为几个部分,因为很多在座的各位熟悉我们公司,但是可能还有一些不是特别熟悉,所以我简单介绍一下我们公司和产品线。把我们目前在动力电池行业中的应用大概给大家捋一下。最后两部分是我今天要讲的核心内容,就是AMB光束模式可调激光器以及LDD焊接全过程监测系统在焊接过程中的成功案例。

这是公司大概的一览,我们公司成立于1990年,从1990年至今一直都专注于在光纤激光器的研发和制造上。我们公司的创始人是俄罗斯的科学家,所有的技术研发始自于俄罗斯,目前所有研发和制造在德国,但是又在美国纳斯达克上市,在全球都有相应的生产和研发基地。所以,可以把它理解成一个混合联合部队。目前,我们已经有大于10万台的装机量,充分体现了行业客户对我们公司产品的认可。我们在全球提供应用和技术支持,一共24个全球应用中心,中国区占到了4个,六分之一,这一个非常大的比例。中国作为我们一个非常大的市场,大概占到了一半以上的市场,也是我们公司特别关注,非常在意,投入了很多心血的一个地方。

后面把IPG中国展开一下。IPG中国成立于2006年,总部在北京,后面考虑到匹配客户的需求,希望更加快速响应客户的相关要求,我们在北京、上海、武汉和深圳四个地方都有相应办事处,我们也有实验室、实验中心。针对重要的客户做到5+2、白加黑非常贴心的服务于客户的及时需求。后面这几块展开一下,就是应用,主要做什么。因为激光器这个产品不像化妆品和包,看上了颜色不错买了就拿回家,更多是一个技术性的产品,到底适不适合客户的运用可能需要我们做很多的工作。可以问这四块,首先拿这个东西客户想知道用激光器能不能做。第二个做出来以后,这么多激光器产品哪个才是最优的性价比选择。实验室可以了,那在产线上有没有可能需要更进一步的工艺调试。量产的过程中,还需要哪些注意事项。这四个方面我们都是全方位服务于客户,也就是应用部四方面工作。

从我们产品上看,目前来说有多于510种不同的光纤激光器,小到1、2瓦,高到120千瓦的功率都涉及。不光有红外,还有绿光、紫外。脉宽的量级,也有连续,也有脉冲等等都有涉及,今天不详细展开,还是针对两款焊接新产品上。动力电池行业应用的角度,就是上面打红勾的地方都是有应用的地方,看到极片的切割、清洗,到PACK到后面的托盘支架等等都有我们的身影。从应用类型上,无论是高功率的多模,还有单模激光器,以及脉冲纳秒激光器都有涉及。其实电池这个行业也是在不断的进步,随着客户对于成本降低、可靠性、安全性、质量提升上面我们也不断的推我们的新产品来匹配客户的要求。比如说极片切割最早切30、45、60,现在切到95、120这样的高速,脉冲的量级它的功率不断的提升匹配客户的要求。我们常规激光器运用非常成熟,大家可以看到右边那堆都是我们非常成功的案例。后面客户会有更进一步的质量提升的要求,比如说希望焊的更快、良率更高、熔深可控性更好,我们开发了相应的激光器。我们单模目前市面上有很多其他品牌的单模激光器,但是我们单模可以做到14微米,目前大部分市面上的产品都是20及20以上。我可以在相同的功率下,我们功率密度更高,穿透率更好,这里大家可以注意一下。

首先介绍一下第一款就是AMB光束模式可调激光器。过去常规的激光器只有左边这个高斯发布的光束,AMB是在高斯光束的同时,外面围上像草帽形状的环形的光束。从功率的量级,最高中心功率可以做到12千瓦,最高是25千瓦,完全满足大部分焊接要求。芯径的配置,可以根据客户的要求,同时功率也可以根据要求去做一个优选。为什么芯径这么复杂,最常见就是铝铜这样的材料,比如说只有150微米,相同的功率下,功率密度不是特别高,因为光斑比较大,这时候熔深、穿透力会比较小。但是如果说你选了一个小的芯径,穿透力是很好,熔深是升,这时候得到的熔池非常激动,飞溅比较突出,结合起来可以得到两方面的优势。这里面重点讲一下铝铜这两个材料的焊接效果,就是降低飞溅。可以看一下左图非常形象,白色毛毛虫形状是匙孔,激光打下去以后形成高压的金属蒸汽形成一个通道,液态的绕着这个最终凝固形成这样一道焊缝。当它获得里面的压力梯度,还有喷发给它的动能,想摆脱这个束缚飞出去,主要是动力、表面张力这些。如果成功逃脱形成飞溅,被拉住形成不了飞溅。铝铜固定下来,表面张力和密度改变不了,其实唯一能改变的就是速度分量,也就是不让金属蒸汽给它过大的动量。这种情况,我们首先让这个匙孔开放,不会形成不稳定的坍塌。左边是得到实际的匙孔的三维形貌。第二个把两者结合起来,同时出来可以看到这个匙孔形态改变,上部明显开放变大,这是从一定层面输出能量闭环性光斑的作用。

这是实际的焊接效果说话,左边就是常规激光器焊接,可以看到上面是火花四溅,飞出来的那些都是飞溅。右边用AMB焊接的时候,整个过程特别平静,也没有那些飞溅物喷发出来。其实铝上的焊接也是非常明显,在上一页没有显示出来。看一下高速摄像的情况,可能相机拍没有那么直观。高速摄像的时候可以看到其实左边常规焊接的时候里面有很多大量的金属喷发出来,用AMB整个非常平静,没有飞溅。飞溅降低了以后带来的一个特别直接的效果是表面质量提升,每一处飞出去的飞溅相当于少了一块金属,极端想一下,如果都飞出去就像狗啃一样,上面凹凸不平,非常粗糙。有效抑制飞溅,焊缝表面非常光滑,这个可以非常直观看出来。照片没有那么明显,看样品会更清楚一点。也有客户会问,红外如果对铜来说是不是绿光更有优势,毕竟吸收率那么高。这块还是澄清一下,铜对于不同波长的激光的吸收,差距都是在室温下体现。焊接的人没有人在室温下,初始的时候是室温,一旦熔化,对红外激光吸收率大于70%,其实和绿光没有太大的差距。而且市面上目前能够做到的最高功率的绿光只有2000瓦,在同样的效力下去对比,可以看到焊接能力是非常有限,基本上就是1毫米以下。这是由于绿光光束质量不是特别理想,而红外的方案有更高选择空间,可以看薄的,也可以看厚的,薄的没有列太多,因为薄的有单模的方案可能更适合。在运行的成本、可靠性和光学组件的可用性上,红外方案更具有性价比的方案。

后面讲一下实例,这是AMB用于电芯密封焊的效果。但速度一高,匙孔会不稳定,飞溅会增多,熔深的一致性相对较差,但是用AMB这个速度可以提升到300毫米每秒,时间就是金钱,效率就是生命。同时,飞溅和表面成型各个方面的表现优于常规的激光器。从速度、熔深的控制上,还有过程稳定性上都是优于过去常规的激光器方案。

这一块拿出一个例子是铜的焊接,其实焊接难度非常大,特别是在焊接过程中,由于极耳持续升温,给飞溅和熔深一致性控制带来一定的困难,这个用AMB直接做出来,可以看到熔深一致性非常好,而且表面没有经过任何处理没有飞溅。这是我们用于BUSBAR的焊接效果,跟常规相比,速度提升,过程稳定性、熔深度更理想,更重要几乎没有飞溅,所以飞溅降低是它最大的一个特点。

第二个产品讲讲LDD焊接过程监控系统。很多人问这个原理ICI,其实不要想的那么复杂,我就简单讲有点像激光测距。这个要求非常高,我们产品特点是有业内最短波长的选项,而且我们有专利,其他家绕不开,决定我们有最高的分辨率。除此以外,可以测出焊前工件有没有合适的位置上,这个高度是不是合适。同时,可以得到焊后的信息,比如焊缝宽度,表面成型,比如表面有一个孔洞都测得出来。最核心的点是可以测出熔深,这是区别其他产品最独特的一个点。它的特点是可以直接进行熔深的测量,可以看一下第二张图是实际得到的一个匙孔的三维形貌。对于焊缝表面质量的检测,这个高度信息可以读得非常清楚。从硬件组成上面,除了有一个半导体激光的发生器,有3D模块加工头以外,还有一台高性能的计算机,最核心就是我们的软件和算法,这是有专门科学家团队去实现的。

后面讲一下实际案例,其实案例挺多,很多客户不让讲,这块讲一下客户同意讲的。第一个是LDD在软包电池焊接中的应用,很多人质疑匙孔特别小的时候是不是不太好读,我们找了单模产品,而且配合的是振镜,不是焊接头,这个还是挺复杂的。最终,我们非常成功实现了以下所有的监测,其中这些工作距离、位置跟踪都非常简单就不展开。大家看一看对表面质量,熔宽和熔深的监测,可以实时读出整条焊缝上各点的熔深,比如横切面没有办法体现出整条焊缝上面的熔深。如果是纵切,这个质量太复杂,同时好多焊缝是环形,非常难。熔宽可以看一下底下这张图,两条绿色中间直接可以把熔宽输出,同时制造了表面的缺陷,整了一些油污放在上面,形成了一些爆孔,实际可以读出来。客户只要设定一些质量判据可以报警,及时对工件进行追溯。最核心的点就是高的熔深检测精度,也是客户要求,偏差值只有2%,而且省了客户大量的时间,更重要每一点都可以读,反应的更加全面。这是在BUSBAR上的应用,LDD整个一圈,熔深、熔宽、缺陷信息都可以得到。除此以外,我们的实时数据可以跟质量判据直接关联,可以输出不同的质量判据就可以知道到底哪里有问题,这些我们都能够非常有效的识别。还进行了熔深小批量验证,这个都能通过客户的要求。后面在圆柱电池这块,其实我们也有客户在开始探索,基于单模和振镜,可以得到实时整圈的熔深。这两条绿线设置探距,一旦超出会报警。如果各位有需求,想了解一下我们的激光器和LDD可不可以适配你们的需求,可以联系我们,我们可以提供免费的技术服务。

最后一条,其实选择一个公司的产品不光是因为这个产品的技术优势,最重要要看后面的技术服务团队。我们在技术服务上做得像春天般的温暖,无论售前还是售后非常竭诚为客户服务。希望大家能加一下我们的公众号,今天我讲的这些信息公众号上都有,我们也有一些定期的新产品和案例的分布。

谢谢大家!

(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅,仅作为参考资料,请勿转载!)

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