Формирование лазерного луча увеличивает скорость сварки охладителей аккумуляторов электромобилей

Когда дело доходит до экстремальных температур, аккумуляторы электромобилей (EV) во многом похожи на людей. Аккумуляторы для электромобилей работают лучше всего в тех же температурных диапазонах, что и люди. Системы терморегулирования электромобилей максимизируют производительность аккумулятора и продлевают срок его службы. Охлаждающие пластины в системе управления температурным режимом электромобиля позволяют жидкой охлаждающей жидкости отводить тепло от аккумулятора.

Одна конструкция охлаждающей пластины обеспечивает циркуляцию охлаждающей жидкости между двумя тонкими алюминиевыми (Al) пластинами. Охлаждающая жидкость течет по штампованным каналам в опорной плите, которая соединена с верхней плитой. Чтобы предотвратить утечку охлаждающей жидкости, нижняя и верхняя пластины должны быть соединены так, чтобы образовалось плотное, герметичное соединение (рисунок 1). Сварные соединения также не должны иметь трещин, которые могут привести к механическим повреждениям в полевых условиях.

Производители начали соединять пластины охлаждения аккумуляторов с помощью технологии вакуумной пайки. Эти более ранние пластины (рис. 2) были намного меньше охлаждающих пластин, необходимых для современных аккумуляторных систем электромобилей, в которых используются охлаждающие пластины размером до 2,1 × 1,3 м.

По мере роста спроса на охлаждающие пластины большего размера становится очевидной неэффективность вакуумной пайки. Пайка происходит медленно и потребляет много энергии (>4 МВт), что приводит к высоким эксплуатационным затратам. Одна производственная линия может занимать 800 квадратных метров производственной площади. Увеличение размера охлаждающих пластин также требует значительных капиталовложений в более крупные вакуумные печи, стоимость одной печи может превышать 5 миллионов евро.

Для пайки также требуется использование Al 3003, специального алюминиевого сплава, который можно паять. Производители хотят перейти на более экономичные сплавы, такие как Al 5754, которые можно паять, но требует последующей обработки, и сплавы серии Al 6xxx, преимуществом которых является возможность вторичной переработки, но которые вообще не поддаются пайке. Они ищут более быстрые и эффективные методы соединения, которые помогут им удовлетворить растущий спрос и ускорить внедрение новых металлических сплавов.

Внедрение технологии лазерной обработки материалов ускоряется с увеличением надежности, прочности и доступности многокиловаттных лазеров. По сравнению с традиционными процессами сварки лазерная сварка снижает производственные затраты, повышает гибкость и селективность производства.

Технология лазерной сварки также требует меньшего подвода тепла, что сводит к минимуму потенциальную деформацию и одновременно увеличивает скорость. Все методы сварки предполагают образование ванны расплава и последующее быстрое затвердевание. Однако высокая энергия лазерной сварки не только плавит материал, но и испаряет его. 1

Испарение материала в процессе сварки создает замочную скважину, которая дает лазерной сварке преимущество, заключающееся в очень хорошем соотношении глубины провара к ширине сварного шва (рис. 3). Следовательно, многие производители перешли от традиционной пайки и сварки к лазерной обработке материалов, которая позволяет соединять различные материалы, снижать энергопотребление и повышать производительность процесса.

Большие по размеру и сложной геометрии пластины охлаждения аккумуляторов должны соответствовать строгим требованиям для получения прочных швов, которые могут обеспечить длительный срок службы без утечек. Во избежание механических повреждений в соединениях не должно быть трещин, выступов, подрезов или дефектов пористости на границе раздела (рис. 4).

Хотя высокое соотношение сторон лазерной сварки приводит к снижению потенциальной деформации детали по сравнению с термической сваркой, оно также может создавать проблемы, поскольку стабильность шпоночного отверстия имеет решающее значение для достижения высокого качества сварного шва.

Лазерная замочная скважина обычно остается стабильной во время сварки материалов с высокой поглощающей способностью, таких как сталь и никель. К сожалению, при сварке меди, алюминия и высоколегированных материалов, например, тех, которые необходимы при производстве охлаждающих пластин, замочная скважина может быть нестабильной по своей природе, что делает процесс подверженным неровностям, которые ухудшают качество сварки. Одним из распространенных методов преодоления этих дефектов является колебание луча и его форма, которая изменяет форму и размер пятна лазерного луча. 2

Три широкие категории формирования луча включают статическое, переменное и динамическое. Статические и переменные методы основаны на дифракционных оптических элементах (ДОЭ), которые обеспечивают экономичное формирование луча с помощью тонкой структуры на прочном окне, которая дифрагирует и модулирует фазу проходящего через него света.3 Для статического формирования луча используются различные Специалисты DOE могут адаптировать форму выходного лазерного луча на заготовке. Ограниченная гибкость статических решений делает их пригодными для применений с очень четко определенными параметрами процесса.