Automatizované laserové svařování hliníku

Hliník má nejvyšší elektrickou vodivost na jednotku hmotnosti a nejnižší náklady na jednotku elektrické vodivosti ze všech běžně používaných vodivých materiálů. Průměrná hmotnost hliníku použitého v automobilové trakční baterii je přibližně 50 kg, přičemž více než 20 % představují součásti vedoucí proud, jako jsou kabely a tzv. busbary. V minulosti bylo použití hliníku v bateriích pro elektromobily výrazně omezené kvůli nedostatku vhodné technologie pro spojování.

Nedávné pokroky v laserovém svařování umožňují široké použití hliníku pro proudovodné a konstrukční díly. Laserové svařování poskytuje přesný a exaktně definovatelný přívod tepla, zatímco kombinace pokročilé kontroly procesu v reálném čase a nedestruktivního hodnocení kvality výroby zaručuje 100% dobré svary. Laserové svařování lze plně automatizovat, díky čemuž poskytuje nejkratší dobu cyklu a nejnižší provozní náklady ze všech metod spojování.

Automobilové akumulátorové články se obvykle vyrábějí v několika běžných tvarových provedeních. Typickým problémem při svařování článků je udržení kontrolované hloubky svaru v tenkých materiálech za přítomnosti velmi vysokých teplotních gradientů. V případě válcových Li-ion článků, jako jsou články 18650 a 21700, musí být vytvořen velmi kvalitní svarový spoj mezi ocelovým krytem článku (pouzdrem) o tloušťce 0,3 až 0,4 mm a busbarem z hliníku o tloušťce 0,2 až 0,5 mm. Na kladných a záporných svorkách článku musí být vytvořen svar s vysokou mechanickou pevností a nízkým elektrickým odporem. Tento proces musí být navíc ve velkosériové výrobě přesně replikovatelný na milionech spojů.

Aby došlo k vytvoření vysoce kvalitního svaru, musí se dojít k úplnému natavení obou materiálů – oceli a hliníku. Teploty solidu a likvidu nízkouhlíkové oceli, která tvoří kryt článku, jsou přibližně 1 480 °C a 1 520 °C. Teplota tavení čistého Al, který se běžně používá pro průchodky, je přitom přibližně 660 °C.

Vnitřek článku je naplněn elektrolytem citlivým na teplo, roztokem lithiových (Li) solí v organickém rozpouštědle, který se může při teplotě nad 60 °C rozkládat. Kromě toho mohou teploty vyšší než 100 °C poškodit prvky článku, jako jsou těsnění, ucpávky a separátory. Elektrolyt v baterii (velmi citlivý na teplo) a prvky článku jsou odděleny od roztavené oceli ocelovým krytem o tloušťce 0,3 mm až 0,4 mm, což vyžaduje teplotní gradient > 7 500 °C.mm^–1. Je to nutné z toho důvodu, aby se zabránilo protržení či poškození článku během svařování. K tomuto účelu výborně poslouží lasery s výjimečnou kvalitou paprsku a vynikající stabilitou výkonu (viz obr. 1).

Dalším problémem, který se vyskytuje u více typů akumulátorových článků, je nutnost svařovat různé kombinace obtížně svařitelných materiálů, např. železo [Fe] s Al nebo měď [Cu] s Al. Svařováním těchto různých kovů mohou vznikat křehké intermetalické fáze. Laserovým svařováním lze dosáhnout extrémně rychlého ohřevu a ochlazování, které dosahuje 106–108 °C.s^-1, což vede ke vzniku amorfních struktur s velikostí zrna v řádu nanometrů.

Tvorba intermetalických fází je ve svaru Al-Cu nevyhnutelná, avšak svar nevykazuje křehký lom (viz obr. 2). Křivka závislosti deformace na napětí, jež byla získána při mechanickém testování laserového svaru, je vysoce nelineární, což svědčí o značné plastické deformaci. Vysoká pevnost svaru vyvolává plasticitu materiálu v okolí svaru.

U určitých typů článků je vyžadováno vytvoření objemově velkých svarů, aby bylo dosaženo nízkého elektrického odporu a vysoké mechanické pevnosti. Cílem je maximalizovat styčnou plochu svaru a hloubku průvaru při současné minimalizaci přívodu tepla a zachování vysoké a stálé kvality svaru. Svařování silných profilů o tloušťce až 6 mm, spojování několika Al desek najednou a různorodé materiály (Al s Cu nebo ocelí) – to vše představuje další výzvy. Multikilowattové vláknové lasery umožňují flexibilní nastavení parametrů výstupního svazku, čímž splňují uvedené požadavky. Pro maximalizaci styčné plochy svaru lze laserový svazek rychle rozkmitat pomocí speciální rozmítací (wobble) svařovací hlavy, nejčastěji v kruhovém tvaru. Kmitání laserového svazku rozšiřuje svarový spoj a stabilizuje svarovou lázeň, čímž se snižuje rozstřik roztaveného materiálu. Typické rychlosti svařování pomocí wobbleru dosahují 6–8 m.min^-1. Dalším řešením mohou být lasery s nastavitelným módem svazku (AMB), které dodávají výsledný laserový výkon kombinací úzkého centrálního svazku z jádra výstupního vlákna a širšího prstence při rychlostech svařování až 80 m.min^-1. Wobbling a laserové zdroje AMB lze použít současně pro dosažení kombinace nejlepší kvality a nejvyšších rychlostí svařování (viz obr. 3).

Lithiumiontové baterie vyžadují systém řízení (Battery Management System – BMS), který řídí napětí článků. Svazek vodičů BMS, který se obvykle vyrábí jako pružný tištěný spoj s měděnými vodiči, musí být spolehlivě přivařen k hliníkovým busbarům (viz obr. 4).

Asi největší výzvou při výrobě baterií pro elektromobily je produktivita. Pro představu – výroba 100 000 elektromobilů ročně se 100kWh bateriovými packy složenými z válcových článků typu 21700 vyžaduje přibližně 1,1 miliardy svarů ročně, což představuje přibližně 150 svarů za sekundu při osmihodinových pracovních směnách po dobu pěti dní v týdnu.

Automatizovaná výrobní linka pro laserové svařování je zdaleka nejlevnějším řešením, jak dosáhnout této produktivity. Jiné metody spojování, jako je svařování ultrazvukem, odporové svařování nebo mechanické spojování, spojují vždy po jednom článku. Tyto svařovací stroje pracují v režimu „stop and go“: stroj svařuje v první poloze, pak se přesune do další polohy, zastaví se, svaří druhý spoj atd. To velmi omezuje rychlost spojování na dva svary za sekundu. Cílová produktivita vyžaduje desítky paralelně pracujících svařovacích strojů, což vede k velmi nákladné výrobě, značné údržbě a potenciálně samozřejmě také k problémům s kontrolou kvality.

Naproti tomu plně automatizovaný CNC laserový svařovací stroj s multikilowattovým single-mode vláknovým laserem AMB s rychlou skenovací hlavou dokáže vytvořit více než 50 svarů za sekundu. Laserové svařování lze provádět tzv. „on the fly“, tedy s pohybující se skenovací hlavou, zatímco laserový svazek je rychle a přesně řízen galvanometrickými zrcadly a vytváří přesné svary v řádu milisekund.

CNC stroj může být integrován do plně automatizované výrobní linky včetně zásobníkového paletizačního dopravníku procházejícího strojem. Stanoviště pro zvedání a umísťování dopravníku se stává součástí stroje, čímž se minimalizuje doba nakládání a vykládání.

Sestavené bateriové moduly putují po dopravníku ke svařovacímu stroji, kde automaticky dále postoupí ke svaření. Poté jsou svařeny, otestovány a přesunuty k další montáži. Plná automatizace procesu umožňuje vysokou produktivitu.

Pro sledování stability svařovacího procesu a zajištění 100% kvality dílů lze do skenovací laserové hlavy integrovat automatizovaný nedestruktivní systém LDD, který svařovací proces monitoruje a zajišťuje tak sledování hloubky svaru v reálném čase (viz obr. 5).

Svařování vláknovým laserem je vysoce stabilní proces, který dokáže za neporovnatelně krátký čas vytvořit miliony vysoce kvalitních svarů. Spolehlivost laserového svařování je lepší než několik jednotek vad na miliardu svarů. Laserové svařování se stává technologií dosahující při výrobě baterií pro elektromobily vysoké efektivity; je to nejflexibilnější výrobní nástroj vhodný pro plnou automatizaci a jeho předností je i to, že řeší problémy s kvalitou a efektivitou svařování hliníku. Laserové svařování je více než desetkrát rychlejší než jiné metody svařování a úměrně tomu vyžaduje méně stanovišť pro svařování, což vede k výrazným úsporám výrobních nákladů a umožňuje široké využití hliníku pro proudovodné a konstrukční prvky v elektrických pohonných systémech automobilů nové generace. To přináší značné úspory materiálu a výrobních nákladů na baterie a umožňuje výrobcům vyhovět sílící poptávce po bezpečných a spolehlivých elektrických vozidlech, která budou stále více rozšířená.