パワーリチウムイオン電池の溶接方法とプロセスの紹介

動力用リチウム電池の製造プロセスにおける溶接方法とプロセスの合理的な選択は、電池のコスト、品質、安全性、一貫性に直接影響します。

1. レーザー溶接の原理

ファイバーレーザー溶接機は、レーザー光の優れた指向性と高い出力密度を利用して溶接を行います。レーザービームは光学システムを通じて狭い領域に集束され、非常に短時間で溶接領域に高濃度の熱源が形成されます。溶接対象物が溶けて強固な溶接点と溶接シームを形成します。

2. レーザー溶接タイプ

熱伝導溶接と深溶け込み溶接

レーザー熱伝導溶接の場合はレーザーパワー密度105～106w/㎝²、レーザー深溶け込み溶接の場合はレーザーパワー密度105～106w/ ㎝²です。

貫通溶接とシーム溶接

貫通溶接のため接続部に打ち抜き加工が不要で、加工が比較的簡単です。貫通溶接には、より強力なレーザー溶接機が必要です。溶け込み溶接はシーム溶接に比べ溶け込み深さが浅く、信頼性も比較的劣ります。

シーム溶接は浸透溶接に比べて、必要なレーザー溶接機の出力が小さくなります。シーム溶接は、溶け込み溶接に比べ溶け込み深さが深く、信頼性が比較的良好です。しかし、接続片は打ち抜き加工が必要であり、加工が比較的困難である。

パルス溶接と連続溶接

1) パルスモード溶接

レーザー溶接時には、適切な溶接波形を選択する必要があります。一般的に使用されるパルス波形には、方形波、ピーク波、双峰波などが含まれます。アルミニウム合金表面の光に対する反射率が高すぎます。高強度のレーザービームが材料表面に当たると、金属表面ではレーザーエネルギーの 60% ～ 98% が反射により失われ、反射率は表面温度によって変化します。一般に、アルミニウム合金を溶接する場合は、尖った波と双峰の波を選択するのが最善です。この種の溶接波形の後ろの減速部分のパルス幅が長くなっているため、ポアやクラックの発生を効果的に低減できます。

パルスレーザー溶接サンプル

アルミニウム合金はレーザーに対する反射率が高いため、レーザービームが垂直に入射して垂直反射を引き起こし、レーザー集光ミラーに損傷を与えるのを防ぐために、通常、溶接プロセス中に溶接ヘッドを一定の角度で偏向させます。はんだ接合部の直径と有効接合面の直径は、レーザー傾斜角の増加とともに増加します。レーザー傾斜角が 40°の場合、最大のはんだ接合と有効接合面が得られます。溶接点の溶け込みと有効溶け込みは、レーザーの傾斜角度とともに減少します。60 を超えると、実効溶接溶け込みがゼロになります。したがって、溶接継手を一定の角度に傾けることにより、溶接溶け込み深さと溶け込み幅を適切に増加させることができます。

さらに、溶接中、溶接シームを境界として、レーザー溶接スポットの部分カバープレートの65％とシェルの35％を溶接する必要があるため、カバーの閉まりの問題による爆発を効果的に減らすことができます。

2) 連続モード溶接

連続レーザー溶接の加熱プロセスは、パルスマシンのような急激な冷却と加熱とは異なるため、溶接中の亀裂の傾向はあまり明らかではありません。溶接の品質を向上させるために、連続レーザー溶接が使用されます。溶接の表面は滑らかで均一であり、スパッタ、欠陥、溶接内部の欠陥はありません。亀裂は見つかりませんでした。アルミニウム合金の溶接では、連続レーザーの利点は明らかです。従来の溶接法と比べて生産効率が高く、ワイヤ充填も不要です。パルスレーザー溶接と比較して、溶接後に発生する亀裂、気孔、スパッタなどの欠陥を解決でき、溶接後のアルミニウム合金の機械的特性が良好になります。溶接後の打痕がなくなり、溶接後の磨きや磨きの量が減り、製造コストの削減につながります。ただし、連続レーザーのスポットは比較的小さいため、ワークの組み立て精度は高くありません。要求は高くなります。

3. レーザー溶接のメリット

• ファイバーレーザー発生器を備えた自動 CNC レーザー溶接機は、エネルギーが集中し、高い溶接効率、高い加工精度、大きな溶接深さと幅の比率を備えています。レーザービームは、光学機器による焦点合わせ、位置合わせ、誘導が容易です。ワークピースから適切な距離に配置でき、ワークピースの周囲の固定具や障害物の間で向きを変えることができます。他の溶接方法は上記のスペースの制限により使用できません。
• 入熱が小さく、熱影響部が小さく、ワークの残留応力や変形が小さい。溶接エネルギーは正確に制御でき、溶接効果は安定しており、溶接外観は良好です。
• 非接触溶接、光ファイバー伝送、良好なアクセス性、高度な自動化。薄肉材料や細径ワイヤの溶接でも、アーク溶接のようなメルトバックの問題がありません。動力用リチウム電池に使用されるセルは軽量化の原則に従っているため、通常は軽量のアルミニウムで作られ、より薄く作られています。一般的にシェル、カバー、底部の厚さは基本的に1.0mm以下が要求されます。現在主流のメーカーの基本素材 厚みはいずれも0.8mm前後です。
• 特に銅材とアルミ材の溶接において、様々な材質の組み合わせにおいて高強度の溶接が可能です。これは、電気メッキされたニッケルを銅材料にはんだ付けできる唯一の技術でもあります。

4. レーザー溶接工程の難しさ

1. 現在、アルミニウム合金電池シェルは、電源用リチウム電池全体の 90% 以上を占めています。溶接の難しさは、アルミニウム合金のレーザーに対する反射率が非常に高いことと、溶接プロセス中の気孔の感度が高いことにあります。溶接中には必ずいくつかの問題や欠陥が発生しますが、最も重要なものは気孔、高温亀裂、爆発です。
2. アルミニウム合金のレーザー溶接工程では、気孔が発生しやすくなります。大きく分けて水素毛穴と気泡の破裂による毛穴の2種類があります。レーザー溶接の冷却速度が速すぎるため、水素ホールの問題はより深刻であり、レーザー溶接での小さな穴の崩壊によって発生する別の種類のホールが存在します。
3. 熱亀裂の問題。アルミニウム合金は代表的な共晶合金です。溶接時に溶接結晶割れやHAZ液状化割れなどの高温割れが発生しやすいです。溶接部での成分偏析により共晶偏析が発生し、粒界溶解が発生します。応力がかかると、粒界に液状亀裂が形成され、溶接継手の性能が低下します。
4. 爆発 (スプラッシュとも呼ばれる) の問題。爆発の原因には、材料の清浄度、材料自体の純度、材料自体の特性などさまざまな要因がありますが、決め手となるのはレーザーの安定性です。殻表面の膨らみ、細孔、内部の気泡。主な理由は、ファイバーのコア直径が小さすぎるか、レーザーのエネルギー設定が高すぎることです。一部のレーザー機器サプライヤーが宣伝しているように、ビーム品質が高ければ高いほど溶接効果が向上するというわけではありません。良好なビーム品質は、溶け込み深さが大きい重ね合わせ溶接に適しています。適切なプロセスパラメータを見つけることが問題を解決する鍵となります。

その他の困難

1. ソフトパックされたタブの溶接には、高度な溶接ツールが必要です。溶接ギャップを確保するために、タブをしっかりと押し付ける必要があります。S字やスパイラルなどの複雑な軌跡の高速溶接を実現し、溶接部の接合面積を増大させ、溶接強度を強化します。
2. 円筒形電池コアの溶接は、主に正極の溶接に使用されます。負極のシェルは薄いため、溶接が非常に簡単です。たとえば、一部のメーカーは現在、負極には溶接を使用しないプロセスを使用していますが、正極にはレーザー溶接が使用されています。
3. 角形電池の組み合わせが溶接されると、極または接続部分が厚く汚染されます。接続部品が溶接されると、汚染物質が分解して、溶接爆発点や穴が容易に形成されます。細い極とその下にプラスチックまたはセラミックの構造部品を備えたバッテリーは、溶接が簡単です。着る。ポールが小さい場合、プラスチックが燃えて爆発点が形成されるまで溶接が容易です。多層連結シートは使用しないでください。層の間に穴があり、しっかりと溶接することが困難です。
4. 角形電池の溶接工程で最も重要な工程は外装カバーの梱包であり、位置の違いにより上蓋と下蓋の溶接に分かれます。製造する電池のサイズが小さいため、一部の電池メーカーは深絞りプロセスを使用して電池シェルを製造し、上部カバーを溶接するだけで済みます。

5. 溶接品質に影響を与える要因

レーザー溶接は現在、ハイエンドバッテリーの溶接に推奨される重要な方法です。レーザー溶接は、高エネルギーのレーザービームをワークピースに照射し、作業温度を急激に上昇させてワークピースを溶かし、再接続して永久的な接続を形成するプロセスです。レーザー溶接のせん断強度と引裂抵抗は比較的良好です。バッテリー溶接の導電性、強度、気密性、金属疲労、耐食性は、溶接品質の代表的な評価基準です。

レーザー溶接の品質に影響を与える要因は数多くあります。それらの中には、非常に不安定で非常に不安定なものもあります。高速連続レーザー溶接時にこれらのパラメータを適切な範囲に制御し、溶接品質を確保するにはどうすればよいでしょうか。溶接シーム形成の信頼性と安定性は、レーザー溶接技術の実用化と産業化に関わる重要な課題です。レーザー溶接の品質に影響を与える重要な要素は、溶接装置、ワークピースの状態、プロセスパラメータの 3 つの側面に分けられます。

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