激光焊接机的动力电池异种焊接研究

电动汽车电池系统是由不同材料组成的复杂组件，其电池由数千个相互连接的连接点连接。每一次连接都会影响整个电池系统的运行和效率，因此连接过程至关重要。激光焊接因其非接触特性、高能量密度、精确的热输入控制和易于自动化而被认为是电池制造的理想选择。然而，电池和接头中使用的不同材料的不相容热物理特性在实现完美冶金接头方面造成严重问题。此外，不良焊接微观结构的形成，例如 B. 的硬而脆的金属间化合物 (IMC)，会显着影响电池接头的结构、电气和热性能。本文概述了钢-铜、钢-铝、铝-铜和钢-镍激光焊接的主要挑战和最新发展，以及电池制造中一些可能的安装组合。车辆。 .讨论了焊缝的微观结构和一般冶金缺陷，以及接头的机械和电气性能。此外，对激光焊接工艺的参数进行了评估。

运输部门产生了 24% 的全球二氧化碳排放量来自化石燃料的燃烧。配备内燃机 (ICE) 的车辆将占这一数字的近四分之三。面对这种威胁，世界各地都颁布了碳排放法，以减轻气候变化的破坏性影响。这些政策促使各国实现汽车工业现代化并开发电动汽车以减少碳足迹。

电动汽车是传统汽车的一种有前途的替代品，但 2019 年电动汽车仅占全球汽车销量的 2.6%，约占全球汽车库存的 1%。大规模采用电动汽车的最大障碍是续航里程有限，再加上充电基础设施不足，会导致电动汽车司机“里程焦虑”，担心电池没电。 .目前，大多数电动汽车一次充电只能行驶100-250公里左右，远低于ICE车型。由于空间有限、成本增加、重量增加以及对稀土金属的需求，在电动汽车中使用更大的电池并不是一个可行的解决方案。因此，提高现有电池系统的能量密度是决定车辆性能的关键因素。

目前，固态锂离子电池是许多低容量和高容量应用中使用最广泛的电源，包括便携式电子产品和电动汽车。虽然手机和笔记本电脑等移动设备只需要少量电池，但电动汽车电池系统连接了多达数千个电池以产生必要的电力。因此，电池到电池或模块级互连是电池制造中的主要互连过程，对电池容量有直接影响。

电动汽车电池目前使用三种形式的电池：圆柱形、棱柱形和袖珍型。它们都焊接在一起。例如，封装元件通常由铝或铜制成，并且通常与钢、铝、铜或镍母线并联或串联。电动汽车电池的焊接接头含有较薄的材料（通常为0.3-1mm），焊接过程通常以圆形、圆形或点状方式进行。不同材料的熔点、热导率等热物理性质的差异，很难实现没有大量裂纹和气孔的完美冶金结合。此外，在焊料界面上形成硬而脆的金属间化合物 (IMC) 会显着降低电池容量和结构性能。

激光材料加工使用聚焦光束来切割、焊接、钻孔、标记、雕刻和纹理化材料。激光可以加工多种材料，包括金属、塑料、陶瓷、玻璃和有机物。由于可聚焦光束和材料兼容性，激光器​​适用于精密制造。

自动化和工业激光技术的结合使复杂几何形状和各种材料的加工成为可能，而这在几年前是激光加工技术无法实现的。复杂部件的激光加工示例是大面积自由形式聚合物和金属部件的 3D 纹理化。 B. 车辆仪表板、外部保险杠或其他小于一米的大型部件。

此外，小型精密机械零件可以激光加工，例如用于打开脑血管的医疗器械中的微型线材和线圈，它们由铂、镍和钛合金等细线材料制成，直径可达几十个。微米。

选择激光源

定义加工此类复杂零件的解决方案的第一步是选择激光源。激光源是系统的核心，必须谨慎选择：只有当激光参数与光的吸收和材料的热力学特性相对应时，才能实现所需的质量和加工效率。

有许多类型的激光源包含不同的技术，包括固态激光器、气体激光器、光纤激光器和固态激光器。每种激光都有自己的特点，应根据患者类型和特殊治疗需要选择合适的激光。

复杂部件的常见加工工艺包括激光打标、雕刻、成型、切割、钻孔、焊接和表面处理。在选择正确的激光源时需要考虑几个变量，以确保在加工性能、质量、性能和成本之间取得最佳平衡，特别是对于容易损坏的敏感部件。

需要注意的是，应用实验室的工艺开发使用可选集成到系统中的激光源；尽早使用准确的激光安装，以避免为后续开发进行昂贵且耗时的机器集成。

考虑一个复杂的解决方案

用于物料搬运的激光解决方案是一个机器系统。基于激光的制造解决方案面临的挑战是将自动化、硬件、成像系统、光学、激光束控制、软件、数据库和激光源集成到一个系统中。

将激光源集成到激光加工系统中以加工复杂部件是一项高度专业化的任务，需要各个领域的大量技术知识。对于汽车和制药行业等消费品市场尤其如此。此外，激光治疗系统必须符合相关的安全标准、机械、电气和法规，以确保一致的高质量治疗。

先进的解决方案

激光成型、纹理加工、激光打标和激光雕刻需要短而精确的激光脉冲，通常由光纤激光器产生。激光源与振镜扫描头相连，通过一些标准的光学元件传输，让激光束扫描110mm×100mm的小治疗区域。对于较大的 3D 组件，例如。比如复杂的合金轮毂，需要打上非常小的图案，传统的振镜扫描方式会相当繁琐。事实上，通常不可能使用多次移动和增量调整来以所需的分辨率覆盖整个表面。此外，一些清洁操作不完全匹配绘图模式的延续。

先进的激光系统可以解决上述问题。该系统可以将 2D CAD 模型放置在最大 2000mm × 2000mm 的可扩展 3D 表面上。在加工过程中，工件或激光头不动，加工过程连续不间断。同时，该系统可以在整个治疗区域保持较小的激光光斑尺寸，以保持高分辨率并促进精细的细节处理。该系统通常被称为大型加工系统，可减少加工步骤并简化复杂零件的加工，该系统很快引起了工程师和设计师的关注。