Application du soudage laser dans les chaînes d'assemblage de batteries de stockage d'énergie
De la fabrication des cellules de batteries de stockage d'énergie à l'assemblage des packs de batteries, le soudage est une étape cruciale. La conductivité, la résistance mécanique, l'étanchéité, la tenue à la fatigue et la résistance à la corrosion des batteries au lithium constituent des critères d'évaluation typiques de la qualité du soudage. Le choix des méthodes et procédés de soudage influe directement sur le coût, la qualité, la sécurité et la fiabilité de la batterie.
Parmi les différentes méthodes de soudage, le soudage laser se distingue par les avantages suivants : tout d’abord, le soudage laser présente une densité d’énergie élevée, une faible déformation de soudage et une petite zone affectée thermiquement, ce qui permet d’améliorer efficacement la précision des pièces et d’obtenir des soudures lisses, sans impuretés, uniformes et denses sans nécessiter de meulage supplémentaire.
Deuxièmement, le soudage laser offre un contrôle précis grâce à un point focalisé de petite taille et un positionnement de haute précision. Associé à des bras robotisés, il s'automatise facilement, améliorant ainsi l'efficacité du soudage, réduisant le temps de travail et les coûts. De plus, lors du soudage laser de tôles fines ou de fils de petit diamètre, le risque de refusion est bien moindre qu'avec le soudage à l'arc.
Les principales méthodes de soudage des batteries de stockage d'énergie comprennent le brasage à la vague, le soudage par ultrasons, le soudage laser et le soudage laser de métaux dissemblables, le soudage laser étant actuellement la méthode la plus répandue.
Méthodes de soudage des batteries de stockage d'énergie :
① Soudage à la vague
: Il s'agit essentiellement d'une combinaison de soudage par ultrasons et de soudage laser ;
② Soudage par ultrasons
Cette méthode est simple à utiliser, mais elle nécessite plus d'espace, ce qui entraîne une efficacité d'assemblage des modules plus faible ;
③ Soudage laser
: Actuellement la méthode la plus utilisée, mais avec de légères différences structurelles ;
④ Soudage laser de métaux dissemblables
Cette méthode de soudage présente également une efficacité d'assemblage élevée et une vitesse de production rapide.
Qu'est-ce que le soudage laser ?
Le soudage laser utilise un système optique pour focaliser un faisceau laser à haute densité d'énergie sur une zone très réduite, créant ainsi une zone de chaleur très concentrée au niveau de la soudure en un temps très court. Cette chaleur fait fondre les matériaux à souder, formant un point de soudure ou un cordon de soudure résistant.
Le soudage laser est une méthode de soudage récente en plein essor. Il offre plusieurs avantages : une zone affectée thermiquement réduite, des points de soudure plus petits, une précision dimensionnelle accrue et un soudage sans contact ne nécessitant aucune force extérieure, ce qui minimise la déformation du produit, garantit une qualité de soudure élevée, une grande efficacité et une automatisation aisée.
Les batteries sont généralement composées de divers matériaux tels que l'acier, l'aluminium, le cuivre et le nickel. Ces métaux servent à fabriquer des électrodes, des fils ou des boîtiers. Par conséquent, le soudage entre un ou plusieurs matériaux impose des exigences élevées au procédé de soudage.
L'avantage du soudage laser réside dans sa capacité à souder une large gamme de matériaux, permettant ainsi le soudage entre différents matériaux.
Types de soudage laser
Le soudage laser comprend le soudage par conduction thermique et le soudage par pénétration profonde. La principale différence entre ces deux procédés réside dans la densité de puissance appliquée à la surface du métal par unité de temps ; chaque métal possède sa propre valeur critique.
Trois lasers couramment utilisés pour le soudage laser des batteries de stockage d'énergie
Les batteries de stockage d'énergie sont un système intégré composé de dispositifs de stockage d'énergie par batterie (composants individuels → modules de batteries → armoires à batteries → unités de stockage d'énergie par batterie → équipement de stockage d'énergie par batterie), de PCS (système de contrôle de puissance) et de composants de filtrage.
Dans le domaine du soudage laser pour les batteries de stockage d'énergie, les lasers les plus couramment utilisés sont les lasers pulsés, les lasers continus et les lasers quasi-continus.
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Lasers pulsés
: Lasers YAG, lasers MOPA ;
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Lasers continus
: Lasers à semi-conducteurs continus, lasers à fibre continus ;
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Lasers quasi-continus
: Série de lasers QCW.
Ces lasers peuvent être compris comme suit : enfoncer une punaise coup par coup est pulsé ; enfoncer la punaise directement à la main est continu ; percer en continu pendant 10 secondes, se reposer pendant une seconde, puis percer en continu pendant 10 secondes supplémentaires, puis se reposer pendant une seconde, est quasi continu.
Lasers pulsés
Il s'agit de lasers dont l'impulsion unique a une durée inférieure à 0,25 seconde et qui fonctionnent une seule fois à intervalles réguliers. Ils possèdent une puissance de sortie élevée et conviennent au marquage, à la découpe et à la télémétrie laser.
Les lasers pulsés courants comprennent les lasers à semi-conducteurs tels que les lasers YAG (grenat d'yttrium-aluminium), les lasers rubis et les lasers à verre néodyme, ainsi que les lasers moléculaires à azote et les lasers excimères. Basés sur le principe du laser YAG, les lasers pulsés présentent une énergie d'impulsion élevée et une forte consommation électrique, nécessitant le remplacement régulier des consommables comme les lampes au xénon et l'utilisation d'un système de refroidissement.
Ces lasers, très matures et relativement peu coûteux, sont actuellement les plus utilisés pour le soudage des métaux. Cependant, en raison des limitations technologiques liées au principe du laser YAG, l'industrie dans son ensemble ne peut pas encore atteindre une puissance laser très élevée ; le rendement de conversion électro-optique reste faible (environ 13 %).
Lasers à onde continue
Les lasers à onde continue émettent de la lumière en continu, ce qui signifie qu'ils fonctionnent dans un état stable, c'est-à-dire un état stationnaire. Dans un laser à onde continue, le nombre de particules à chaque niveau d'énergie et le champ de rayonnement à l'intérieur de la cavité présentent une distribution stable.
La caractéristique de fonctionnement des lasers à onde continue est que l'excitation du milieu actif et l'émission laser correspondante peuvent se poursuivre sans interruption pendant une période relativement longue. Les lasers à semi-conducteurs excités par des sources lumineuses continues, ainsi que les lasers à gaz et les lasers à semi-conducteurs fonctionnant par excitation électrique continue, appartiennent tous à cette catégorie.
Comme la surchauffe est souvent inévitable en fonctionnement continu, la plupart des appareils nécessitent des mesures de refroidissement appropriées.
Les lasers à onde continue sont basés sur le principe des lasers à fibre YLP. Comme ils peuvent émettre de la lumière en continu à puissance constante (lorsque les points d'émission laser sont suffisamment nombreux et rapides, ils sont connectés en ligne), l'énergie laser de sortie est constante, la stabilité du laser est très bonne, le diagramme de rayonnement est excellent et le rendement de conversion électro-optique est très élevé (environ 30 %).
portique ACEY
machine de soudage laser galvanométrique continue
Utilisant un laser à fibre de pointe comme source laser, et associé à un portique conçu, développé et fabriqué par notre société, cet appareil offre une rigidité et une stabilité exceptionnelles. Son système de guidage sur rails de précision et son servomoteur à réponse rapide garantissent une grande précision et une rapidité d'exécution élevée. Il est adapté au soudage du cuivre, de l'aluminium, du fer, du nickel et de leurs alliages, et particulièrement performant pour le soudage de barres omnibus en aluminium ou de connexions de batteries nickel-carré.
Lasers quasi-continus (QCW)
Les lasers quasi-continus (QCW), également appelés lasers à impulsions longues, produisent des impulsions de l'ordre de la milliseconde avec un rapport cyclique de 10 %. Ceci permet à la lumière pulsée d'atteindre une puissance de crête plus de dix fois supérieure à celle de la lumière continue, ce qui est très avantageux pour des applications telles que le perçage. La fréquence de répétition peut être modulée jusqu'à 500 Hz en fonction de la largeur d'impulsion. Les lasers QCW peuvent fonctionner simultanément en mode continu et en mode pulsé à haute puissance de crête. Contrairement aux lasers à onde continue (CW) traditionnels, les lasers QCW conservent toujours la même puissance de crête et la même puissance moyenne, aussi bien en mode CW qu'en mode CW/modulation. En revanche, la puissance de crête d'un laser QCW en mode pulsé est 10 fois supérieure à sa puissance moyenne.
Par conséquent, cela permet la génération d'impulsions de haute énergie de l'ordre de la microseconde et de la milliseconde à des fréquences de répétition allant de quelques dizaines de hertz à plusieurs kilohertz, atteignant une puissance moyenne et de crête de plusieurs kilowatts.
Avantages des équipements de soudage laser dans les batteries de stockage d'énergie :
1. Le procédé de soudage est sans contact, minimisant ainsi les contraintes internes sur les nervures de soudure.
2. Le procédé de soudage ne produit aucun débordement ni rejet de substances, évitant ainsi toute pollution secondaire.
3. La soudure présente une résistance et une étanchéité élevées, répondant aux exigences fonctionnelles.
4. Le soudage laser permet de souder différents matériaux, y compris des matériaux de membrane et des matériaux dissemblables.
5. Le soudage laser s'intègre facilement dans les systèmes automatisés et peut être mis en œuvre de manière synchrone en fonction des besoins de capacité de production, ce qui permet d'obtenir une efficacité élevée et de faibles contraintes internes.
6. Le soudage laser fait intervenir des structures simples et pratiques, réduisant ainsi la complexité des structures de moules.
7. Le processus de soudage peut être surveillé numériquement et intelligemment, répondant ainsi au besoin de visualisation des données.
8. Ce type de procédé de soudage peut être efficacement intégré aux lignes de production automatisées, répondant aux besoins de la production de masse et permettant une production à haut rendement avec une faible consommation.
Acey Nouvelle Énergie
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