Témata
Zdroj: IPG Photonics

Několik zemí už oznámilo plány na postupné ukončení výroby automobilů se spalovacími motory ve prospěch elektromobilů. Stejně jako u každé nové technologie jsou však i zde několikerá úskalí. Jedním z nich jsou vysoké náklady na výrobu baterií. Akumulátor je jednou z nejdražších součástí pohonného ústrojí elektromobilu. Ke snížení celkových nákladů je zapotřebí co nejúčinnější výrobní technologie.

Reklama

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.

Automatizovaný laserový svařovací stroj CNC pro vysokorychlostní svařování lithiumiontových baterií. Kryt stroje je odstraněn, aby bylo možné demonstrovat vnitřní fungování stroje. (Zdroj: IPG Photonics)

Výhody laserového svařování

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.

Reklama
Reklama

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).

Obr. 1. Podélný řez laserovým svarem hliníkového busbaru o tloušťce 0,25 mm na ocelovém podkladu o tloušťce 0,3 mm. Svislé čáry znázorňují měření tloušťky zbývajícího ocelového podkladu pod stopou laserového svaru. Nestabilita hloubky průvaru je menší než 5 µm při délce svaru 10 mm. (Zdroj: IPG Photonics)

Svařování hliníku s mědí a železem

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.

Obr. 2. (a) Příčný řez svarového spoje hliníku a mědi (Al-Cu), (b) křivka závislosti deformace na napětí získaná při mechanickém testování spoje. Nelineární tvar křivky naznačuje značnou plastickou deformaci, což je důsledkem potlačení křehkého lomu u intermetalických fází vzniklých ve svarovém spoji. (Zdroj: IPG Photonics)

Objemově velké svary

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).

Obr. 3. (a) Svařování hliníkových desek s tloušťkou 0,5 mm až 6,0 mm pomocí vláknového laseru s kombinací wobblingu a AMB; hloubka průvaru až 6 mm, rychlost svařování až 80 m.min-1. (b) Příčný řez svarového spoje potvrzuje vysokou kvalitu, jíž bylo dosaženo díky vláknovému laseru AMB. (Zdroj: IPG Photonics)

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).

Obr. 4. Svařování 70µm měděného svazku BMS na 2mm hliníkový busbar; pohled shora (a) a příčný řez (b). (Zdroj: IPG Photonics)

Problém je produktivita

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.

Plně automatizované laserové svařování poskytuje nejkratší dobu cyklu a nejnižší náklady ze všech metod spojování materiálu.

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.

Reklama

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).

Obr. 5. Laserový systém LDD pro monitorování svarů umožňuje nedestruktivní měření průvaru skrze tzv. klíčovou dírku (keyhole) v reálném čase. Zelené přerušované čáry označují minimální a maximální limity kvality svaru. Zeleně jsou znázorněna měření hloubky v mezích kvality a červeně mimo tyto meze. U vyhovujícího svaru (a) je hloubka průvaru trvale v mezích kvality. U nevyhovujícího svaru (b) je průvar mimo meze. U jiného nevyhovujícího svaru (c) je hloubka průvaru vždy menší, než je požadované minimum. (Zdroj: IPG Photonics)

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.

Související články
Efektivní laserové svařování konektorů

Neustálý nárůst elektrifikace v automobilovém průmyslu výrazně zvyšuje spotřebu kvalitních konektorů mnoha různých typů. To klade vysoké nároky na spolehlivou a pružnou výrobu s minimální dobou seřizování a nastavování výrobních strojů. Požadavkům na snadnou integraci, kompaktnost a vysokou produktivitu odpovídá technologie vláknových laserů.

Svařování mědi vysokovýkonnými vláknovými lasery

Přesné strojírenství, automobilový průmysl a spotřební elektronika stojí za stále výraznějším rozšiřováním mědi a jejích slitin do různých výrobků a strojních součástí. S vývojem nových technologií baterií a zvyšováním jejich kapacit rostou požadavky na kvalitu a produktivitu spojování těchto materiálů. Pro spoje v oblasti spotřební elektroniky je stále nejpoužívanější technologie pájení, v aplikacích náročnějších na mechanické namáhání nebo přenos větších proudů je nutno přistoupit k procesu svařování.

O úspěchu v průmyslovém lepení rozhodují zkušenosti

Málokterý obor ve strojírenských technologiích je závislý na tolika okolnostech, jako je tomu v průmyslovém lepení. Je to dáno množstvím vlivů, které ovlivňují konečný výsledek. Od samotného lepidla, vhodně zvoleného typu a konkrétních vlastností přes způsob aplikace lepidla, rychlost nanášení, čas na nanesení a ztuhnutí lepidla, přesnost nanášení, čistotu, bezpečnost a ekologii až po cenu. Pohybujeme se v rozsahu od jednoduchého lepení krabic housenkou lepidla nanášenou ruční pistolí až po automatické linky s množstvím servopohonů a čidel, příp. s robotem v ceně několika milionů korun.

Související články
Použití multifokálních stop pro zpracování materiálů

Použití laserových technologií při zpracování materiálu je pro průmyslové výrobce jedním z ukazatelů technologické vyspělosti a zvyšování produktivity výroby. Díky tomuto trendu se v poslední době velmi rozšířilo použití multifokálních laserových stop, které umožňují posunout už tak velmi efektivní laserové technologie na novou úroveň.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Inovativní spojovací systémy předjímající budoucnost

Díky dlouhodobým, prověřeným zkušenostem se svařováním tradičních materiálů úspěšně uplatňovaným v automobilovém odvětví dokáže nyní firma Comau vyvíjet stále vyspělejší řešení a spojovací postupy zaměřené i na ty nejnovější materiály.

Obrábění laserem pro všechna odvětví

Od doby, kdy byl objeven a vyroben první laser roku 1960, se uplatnění laserů rozšířilo téměř do všech oborů lidské činnosti. Dnes se s lasery setkáváme téměř všude ? ve zdravotnictví, potravinářství, stavebnictví a logicky i ve strojírenství. Velice často se lasery uplatňují v procesech zpracování a obrábění materiálů jako výrobní nástroje. Oblibu si získaly díky svým schopnostem rychlého procesu obrábění, minimální hlučnosti, vysoké flexibilitě, minimálnímu tepelnému ovlivnění okolního materiálu a dalším.

Quo vadis, svařování?

Svařování je dlouhodobě jedna z nejvýznamnějších strojírenských výrobních technologií. Má rozhodující vliv na jakost řady výrobků a na výrobní náklady, proto má klíčové postavení mezi výrobními technologiemi. Patří také mezi technologie zpracovávající největší objem kovových materiálů (cca 25 %). Žádná jiná technologie nezpůsobuje tak rozsáhlé změny ve vlastnostech materiálů.

Automatizace není odpovědí na všechny otázky

Primárním cílem zavádění automatizace a robotizace je nejen zajistit více času, jak jsme si řekli v minulém díle, ale jejím účelem je také usnadnit lidstvu složité a zdraví škodlivé úkoly. Automatizace se nasazuje v oblastech stereotypní a nebezpečné práce. Motivací firem může být i škálovatelnost, maximalizace zisku a v neposlední řadě nižší počet lidských selhání. Tento díl našeho seriálu Fenomén automatizace se zamýšlí nad tím, proč, kde a jak automatizovat, a dalšími otázkami.

Strojírenské podniky v době pandemie

Pandemie koronaviru uzavřela hranice naší republiky a zahraniční pracovníci se nedostanou do zaměstnání. Řada domácích zaměstnanců musela nastoupit do karantény. Mnoho českých strojírenských podniků se tak dostalo do nemalých problémů. Firma Grumant hledala recept, jak se takovým problémům vyhnout nebo alespoň minimalizovat jejich následky.

Od konstrukce strojů po parkovací věže

Mezi starší generací strojařů pravděpodobně není nikoho, kdo by neznal původem škodováka Josefa Bernarda z Jičína. Tento strojírenský nadšenec příští rok oslaví své sedmdesátiny. Před třiceti lety po odchodu z místního Agrostroje položil základy společnosti Vapos, která dává perspektivní práci patnácti desítkám lidí z Jičína a blízkého okolí.

Inovativní řešení z Blechexpo

V listopadu na 14. mezinárodním veletrhu zpracování plechu Blechexpo ve Stuttgartu prezentovala italská společnost Prima Power špičková řešení zahrnující všechny fáze zpracování plechu. Slogan „Prima is here“ symbolizuje přístup společnosti k zákazníkům nejen v průběhu veletrhu, ale při jakémkoli kontaktu s nimi. Je vždy na jejich straně, nabízí podporu, odborné znalosti a vyspělé technologie, skutečně naslouchá potřebám uživatelů a poskytuje moderní a uživatelsky přívětivá řešení jejich požadavků.

Pod dvou letech opět na EMO do Hannoveru

Od 16. do 21. září 2019 se uskuteční 22. ročník největšího světového veletrhu zpracování kovů EMO. Megaakce se koná opět v Německu, které je po Číně a USA třetím největším trhem obráběcích strojů na světě. Veletrhu se účastní téměř 2 100 vystavovatelů ze 47 zemí světa. Z České republiky se očekává účast 28 firem na ploše necelých 1 700 m2. Na minulý veletrh v roce 2017 přijelo do Hannoveru z České republiky přes 2 200 odborníků.

Praktický výzkum nám dělá svět lepším

Prof. Ing. Milan Gregor, PhD. se narodil v Prievidzi a dětství prožil v Necpaloch. Zde u příležitosti oslav 600. výročí první písemné zmínky byl v roce 2015 oceněn Cenou primátorky Prievidzy za mimořádné zásluhy v rozvoji hospodářství, vědy a techniky a šíření dobrého jména Slovenské republiky v zahraničí.

Jsou smíšené konstrukce dočasně za svým zenitem?

Nikdo nenamítá proti oprávněné potřebě lehkých konstrukcí v dopravě, aeronautice, obalové technice a u pohyblivých částí strojů, systémů a zařízení. Avšak jsou smíšené konstrukce s plasty vyztuženými vlákny v současnosti opravdu za svým zenitem?

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit