Introduction aux méthodes et procédés de soudage pour les batteries lithium-ion de puissance

La sélection raisonnable des méthodes et processus de soudage dans le processus de fabrication des batteries au lithium de puissance affectera directement le coût, la qualité, la sécurité et la cohérence de la batterie. Ensuite, organisons le contenu sur le soudage des batteries au lithium de puissance.

1. Principes du soudage laser

Le soudage au laser utilise l'excellente directivité et la densité de puissance élevée des faisceaux laser pour fonctionner. Grâce à un système optique, le faisceau laser est focalisé sur une très petite zone, formant une zone de source de chaleur hautement concentrée au niveau du joint soudé en très peu de temps, faisant ainsi fondre l'objet soudé et formant un joint de soudure solide et un cordon de soudure.

2. Type de soudage laser

Soudage par conduction thermique et soudage par pénétration profonde

Le soudage par conduction thermique au laser est réalisé avec une densité de puissance laser de 105-106w/cm2, et le soudage à pénétration profonde au laser est réalisé avec une densité de puissance laser de 105-106w/cm2.

Soudage par pénétration et soudage continu

Soudage par pénétration, les pièces de connexion ne nécessitent pas de poinçonnage et le traitement est relativement simple. Le soudage par pénétration nécessite une machine de soudage laser de haute puissance. La profondeur de pénétration du soudage par pénétration est inférieure à celle du soudage en continu et sa fiabilité est relativement faible.

Comparé au soudage par pénétration, le soudage en continu ne nécessite qu'une machine de soudage laser de plus petite puissance. La profondeur de pénétration du soudage continu est supérieure à celle du soudage par pénétration et sa fiabilité est relativement bonne. Mais la pièce de connexion doit être poinçonnée, ce qui rend le traitement relativement difficile.

Échantillons de soudage au laser pulsé

Soudage laser continu d'échantillons

Lors du soudage de batteries au lithium de puissance, les techniciens des procédés de soudage sélectionneront les paramètres appropriés du laser et du processus de soudage en fonction du matériau de la batterie du client, de sa forme, de son épaisseur, des exigences de traction, etc., y compris la vitesse de soudage, la forme d'onde, la valeur de crête et l'angle d'inclinaison du tête de soudage, pour définir des paramètres de processus de soudage raisonnables afin de garantir que l'effet de soudage final répond aux exigences du fabricant de batteries au lithium de puissance.

Énergie concentrée, efficacité de soudage élevée, précision de traitement élevée et grand rapport profondeur/largeur de soudure. Le faisceau laser est facile à focaliser, à aligner et à être guidé par des instruments optiques. Il peut être placé à une distance appropriée de la pièce à usiner et peut être guidé entre des fixations ou des obstacles autour de la pièce. D'autres méthodes de soudage ne peuvent pas être pleinement utilisées en raison des limitations spatiales mentionnées ci-dessus.

Petit apport de chaleur, petite zone affectée par la chaleur et petites contraintes résiduelles et déformation de la pièce ; L'énergie de soudage peut être contrôlée avec précision, l'effet de soudage est stable et l'apparence du soudage est bonne ;

Soudage sans contact, transmission par fibre optique, bonne accessibilité et haut degré d'automatisation. Lors du soudage de fils fins ou fins, il n'y a pas de problème de refusion comme le soudage à l'arc. Les cellules de batterie utilisées pour alimenter les batteries au lithium, en raison de leur principe de légèreté, sont généralement constituées d'un matériau en aluminium plus léger et plus fin. Généralement, la coque, le couvercle et le fond doivent être inférieurs à 1,0 mm, et les fabricants traditionnels ont actuellement une épaisseur de matériau de base d'environ 0,8 mm.

Difficultés dans le processus de soudage au laser

À l'heure actuelle, les coques de batterie en alliage d'aluminium représentent plus de 90 % de la puissance totale de la batterie au lithium. La difficulté de son soudage réside dans la réflectivité extrêmement élevée de l'alliage d'aluminium au laser, la haute sensibilité des pores de gaz pendant le processus de soudage et l'apparition inévitable de certains problèmes et défauts pendant le soudage, parmi lesquels les plus importants sont les pores de gaz, les fissures chaudes, et explosion.

Au cours du processus de soudage au laser d'un alliage d'aluminium, deux types importants de pores sont susceptibles de se former : les pores d'hydrogène et les pores provoqués par l'éclatement de bulles. En raison de la vitesse de refroidissement rapide du soudage laser, le problème des pores d'hydrogène est plus grave et il existe également un type supplémentaire de trous provoqués par l'effondrement de petits trous lors du soudage laser.

Problème de fissure à chaud. L'alliage d'aluminium est un alliage de type eutectique typique qui est sujet aux fissures à chaud pendant le soudage, notamment aux fissures de cristallisation des soudures et aux fissures de liquéfaction HAZ. En raison de la ségrégation des composants dans la zone de soudure, une ségrégation eutectique se produit et une fusion des joints de grains se produit. Dans des conditions de contrainte, des fissures de liquéfaction se forment aux joints de grains, réduisant les performances du joint soudé.

Problème d’explosion (également connu sous le nom d’éclaboussures). De nombreux facteurs peuvent provoquer des explosions, tels que la propreté du matériau, la pureté du matériau lui-même et les caractéristiques du matériau lui-même. L'utilisation décisive est la stabilité du laser. Saillies de surface, pores et bulles internes sur la coque. La raison principale est que le diamètre du cœur de la fibre est trop petit ou que l’énergie laser est trop élevée. Ce n’est pas que certains fournisseurs d’équipements laser prétendent que plus la qualité du faisceau est bonne, meilleur est l’effet de soudage. Une bonne qualité de faisceau convient au soudage par recouvrement avec une plus grande profondeur de pénétration. Trouver des paramètres de processus appropriés est la clé pour résoudre les problèmes.

Autres difficultés

Le soudage des oreilles de poteau en emballage souple nécessite des exigences élevées en matière de montage de soudage, et l'oreille du poteau doit être pressée fermement pour garantir un dégagement de soudage. Il peut réaliser un soudage à grande vitesse de trajectoires complexes telles que la forme en S et la forme en spirale, augmentant ainsi la zone de joint de la soudure et renforçant la résistance du soudage.

Le soudage des éléments de batterie cylindriques est important pour le soudage de l’électrode positive. Grâce à la fine coque de l'électrode négative, celle-ci est extrêmement facile à souder. Actuellement, certains fabricants utilisent le procédé sans soudage à l'électrode négative, tandis que l'électrode positive utilise le soudage au laser.

Lors du soudage de combinaisons de batteries carrées, le pôle ou la pièce de connexion est contaminé et épais. Lors du soudage de la pièce de connexion, les polluants se décomposent, ce qui peut facilement former des points d'explosion de soudage et provoquer des trous ; Les batteries avec des pôles fins et des composants structurels en plastique ou en céramique en dessous ont tendance à être soudées. Lorsque le poteau est petit, il est également facile que la soudure dévie et provoque des dommages plastiques, formant des points explosifs. N'utilisez pas de connecteurs multicouches car il y a des pores entre les couches, ce qui rend difficile une soudure ferme.

Le processus le plus important dans le processus de soudage des batteries carrées est l'emballage du couvercle de la coque, qui est divisé en soudage du couvercle supérieur et du couvercle inférieur selon différentes positions. Certains fabricants de batteries utilisent la technologie d'emboutissage profond pour fabriquer des boîtiers de batteries en raison du faible volume de batteries qu'ils produisent, ce qui ne nécessite que le soudage du couvercle supérieur.

Échantillon de soudage latéral de batterie au lithium de puissance carrée

Les méthodes de soudage des batteries carrées sont principalement divisées en soudage latéral et soudage supérieur. L'avantage important du soudage latéral est qu'il a moins d'impact sur l'intérieur de la cellule de la batterie et que les éclaboussures ne pénètreront pas facilement sur le côté intérieur du couvercle de la coque. En raison de la possibilité de saillies après le soudage, qui peuvent avoir un léger impact sur le processus d'assemblage ultérieur, le processus de soudage latéral nécessite une stabilité extrêmement élevée du laser et une propreté du matériau. Le procédé de soudage de pointe, dû au soudage sur une seule surface, présente des exigences relativement faibles en matière d'intégration d'équipement de soudage et de production de masse simple. Cependant, il existe également deux inconvénients. Premièrement, une petite quantité de projections peut pénétrer dans la cellule de la batterie pendant le soudage, et deuxièmement, les exigences élevées en matière de traitement de la partie avant de la coque peuvent entraîner des problèmes de coûts.

5. Facteurs affectant la qualité du soudage

Le soudage au laser est actuellement une méthode importante fortement recommandée pour le soudage de batteries haut de gamme. Le soudage au laser est le processus d'irradiation laser à haute énergie sur une pièce, provoquant une forte augmentation de la température de travail, faisant fondre et reconnectant la pièce pour former une connexion permanente. Le soudage au laser a une bonne résistance au cisaillement et à la déchirure. Les critères d'évaluation de la qualité du soudage des batteries comprennent la conductivité, la résistance, l'étanchéité à l'air, la fatigue du métal et la résistance à la corrosion.

De nombreux facteurs affectent la qualité du soudage laser. Certains d’entre eux sont très volatils et présentent une instabilité considérable. Comment définir et contrôler correctement ces paramètres, afin qu'ils puissent être contrôlés dans une plage appropriée pendant le processus de soudage laser continu et à grande vitesse, afin de garantir la qualité du soudage. La fiabilité et la stabilité de la formation des soudures sont des questions importantes liées à l’aspect pratique et à l’industrialisation de la technologie du soudage laser. Les facteurs importants affectant la qualité du soudage laser comprennent l'équipement de soudage, l'état de la pièce et les paramètres du processus.

1) Matériel de soudage

Les exigences de qualité les plus importantes pour les lasers sont le mode du faisceau, la puissance de sortie et la stabilité. Le mode du faisceau est un indicateur important de la qualité du faisceau. Plus l'ordre du mode de faisceau est bas, meilleures sont les performances de focalisation du faisceau, plus le point est petit, plus la densité de puissance est élevée sous la même puissance laser et plus la profondeur et la largeur du cordon de soudure sont grandes. Généralement, un mode de base (TEM00) ou un mode d'ordre inférieur est requis, sinon il est difficile de répondre aux exigences d'un soudage laser de haute qualité. À l'heure actuelle, les lasers nationaux sont encore confrontés à certaines difficultés en termes de qualité du faisceau et de stabilité de la puissance de sortie pour le soudage laser. Du point de vue des situations étrangères, la qualité du faisceau et la stabilité de la puissance de sortie des lasers sont déjà assez élevées et ne deviendront pas un problème dans le soudage laser. Le facteur le plus important affectant la qualité du soudage dans les systèmes optiques est la lentille de focalisation, qui utilise généralement une distance focale comprise entre 127 mm (5 pouces) et 200 mm (7,9 pouces). Une petite distance focale est bénéfique pour réduire le diamètre du point de taille du faisceau focalisé, mais une longueur trop petite peut facilement entraîner une contamination et des dommages par éclaboussures pendant le processus de soudage.

Plus la longueur d’onde est courte, plus le taux d’absorption est élevé ; Généralement, les matériaux ayant une bonne conductivité ont une réflectivité élevée. Pour les lasers YAG, la réflectivité de l'argent est de 96 %, celle de l'aluminium de 92 %, du cuivre de 90 % et du fer de 60 %. Plus la température est élevée, plus le taux d'absorption est élevé, montrant une relation linéaire ; Généralement, le revêtement de surface avec du phosphate, du noir de carbone, du graphite, etc. peut améliorer le taux d'absorption.

2) État de la pièce

Le soudage au laser nécessite le traitement des bords de la pièce, avec une précision d'assemblage élevée, un alignement strict entre le point et le cordon de soudure, et la précision d'assemblage d'origine et l'alignement des points de la pièce ne peuvent pas changer en raison de la déformation thermique du soudage pendant le processus de soudage. En effet, le point laser est petit et le cordon de soudure est étroit. Généralement, aucun métal d’apport n’est ajouté. Si l'assemblage n'est pas serré et que l'espace est trop grand, la poutre peut traverser l'espace et ne peut pas faire fondre le matériau de base, ni provoquer une contre-dépouille ou une dépression évidente. Si l'écart entre le point et le joint est légèrement important, cela peut provoquer une fusion incomplète ou un soudage incomplet. Par conséquent, l'écart entre l'amarrage et l'assemblage de la carte générale et l'écart de l'alignement des points ne doit pas dépasser {{0}},1 mm, et le désalignement ne doit pas dépasser 0,2 mm. Dans la production réelle, la technologie de soudage au laser ne peut parfois pas être utilisée en raison de l'incapacité de répondre à ces exigences. Pour obtenir de bons résultats de soudage, l'espace admissible pour l'amarrage et le chevauchement doit être contrôlé dans la limite de 10 % de l'épaisseur de la plaque mince.

Un soudage laser réussi nécessite un contact étroit entre le substrat soudé. Cela nécessite un serrage minutieux des pièces pour obtenir des résultats optimaux. Et cela est difficile à réaliser sur des substrats d'oreille polaire minces, car ils sont sujets à un mauvais alignement par courbure, en particulier lorsque l'oreille polaire est intégrée dans de gros modules ou composants de batterie.

3) Paramètres de soudage

1) Le facteur le plus important affectant les paramètres de soudage du mode de soudage laser et la formation stable de la soudure est la densité de puissance du point laser. Son impact sur le mode de soudage et la stabilité de la formation de la soudure est le suivant : à mesure que la densité de puissance du point laser augmente, il devient un soudage à conductivité thermique stable, un mode de soudage instable et un soudage à pénétration profonde stable.

La densité de puissance du spot laser est déterminée par la puissance du laser et la position du foyer du faisceau, compte tenu d'un certain mode de faisceau et de la distance focale du miroir de focalisation. La densité de puissance laser est directement proportionnelle à la puissance laser. L'influence de la position focale a une valeur optimale ; Lorsque le foyer du faisceau se trouve à une certaine position sous la surface de la pièce (dans la plage de 1-2 mm, en fonction de l'épaisseur et des paramètres de la plaque), le cordon de soudure le plus idéal peut être obtenu. Un écart par rapport à cette position de mise au point optimale augmentera la surface de la pièce, entraînant une diminution de la densité de puissance. Dans une certaine plage, cela entraînera un changement dans la forme du processus de soudage.

L'influence de la vitesse de soudage sur la forme et la stabilité du processus de soudage n'est pas aussi significative que celle de la puissance du laser et de la position du foyer. Ce n'est que lorsque la vitesse de soudage est trop élevée que l'incapacité de maintenir un processus de soudage à pénétration profonde stable se produit en raison du faible apport de chaleur. Pendant le soudage réel, un soudage à pénétration profonde stable ou un soudage à conductivité thermique stable doit être sélectionné en fonction des exigences de la soudure en matière de profondeur de pénétration, et le soudage en mode instable doit être absolument évité.

(2) Dans la plage de soudage à pénétration profonde, l'influence des paramètres de soudage sur la profondeur de pénétration : dans une plage de soudage à pénétration profonde stable, plus la puissance laser est élevée, plus la profondeur de pénétration est grande, avec une relation d'environ 0 .7 puissance ; Plus la vitesse de soudage est élevée, plus la profondeur de pénétration est faible. Lorsque la mise au point est dans la position optimale dans certaines conditions de puissance laser et de vitesse de soudage, la profondeur de pénétration maximale est atteinte. S'il s'écarte de cette position, la profondeur de pénétration diminue et devient même un soudage à conductivité thermique instable ou stable.

(3) L'impact du gaz protecteur, dont l'utilisation importante est de protéger la pièce de l'oxydation pendant le processus de soudage ; Protégez la lentille de focalisation de la pollution par les vapeurs métalliques et des éclaboussures de gouttelettes de liquide ; Disperser le plasma généré par le soudage laser haute puissance ; Refroidissez la pièce et réduisez la zone affectée par la chaleur.

Le gaz protecteur est généralement de l'argon ou de l'hélium, et l'azote peut également être utilisé pour ceux qui ont de faibles exigences en matière de qualité apparente. Leur tendance à produire du plasma est sensiblement différente : l'hélium gazeux, en raison de sa charge d'ionisation élevée et de sa conductivité thermique rapide, a moins tendance à produire du plasma que l'argon gazeux dans les mêmes conditions, obtenant ainsi une plus grande profondeur de fusion. Dans une certaine plage, à mesure que le débit de gaz protecteur augmente, la tendance à supprimer le plasma augmente, ce qui entraîne une augmentation de la profondeur de fusion. Cependant, lorsqu’il atteint une certaine fourchette, il a tendance à se stabiliser.

(4) Analyse de surveillance de chaque paramètre : parmi les quatre paramètres de soudage, la vitesse de soudage et le débit de gaz de protection sont faciles à surveiller et à maintenir la stabilité, tandis que la puissance du laser et la position de mise au point sont des paramètres qui peuvent fluctuer pendant le processus de soudage et sont difficiles à surveiller. . Bien que la puissance laser émise par le laser soit très stable et facile à surveiller, la puissance laser atteignant la pièce à usiner changera en raison de la perte des systèmes de guidage et de focalisation. Cette perte est liée à la qualité, au temps de service et à la pollution de la surface de la pièce optique, ce qui la rend difficile à surveiller et devient un facteur incertain dans la qualité du soudage. La position focale du faisceau est l'un des paramètres de soudage qui a un impact significatif sur la qualité du soudage et qui est le plus difficile à surveiller et à contrôler. À l'heure actuelle, en production, il est nécessaire de s'appuyer sur un réglage manuel et des expériences de processus répétées pour déterminer la position appropriée du point focal afin d'obtenir la profondeur de pénétration souhaitée. Cependant, pendant le processus de soudage, en raison de la déformation de la pièce, de l'effet de lentille thermique ou du soudage multidimensionnel des courbes spatiales, la position de mise au point peut changer et dépasser la plage autorisée.

Concernant les deux situations ci-dessus, d'une part, des composants optiques stables et de haute qualité doivent être utilisés et régulièrement entretenus pour prévenir la pollution et maintenir la propreté ; D'autre part, il est nécessaire de développer des méthodes de surveillance et de contrôle en temps réel pour les processus de soudage au laser, afin d'optimiser les paramètres, de surveiller les changements de puissance laser et de position de focalisation atteignant la pièce, d'obtenir un contrôle en boucle fermée et d'améliorer la fiabilité. et la stabilité de la qualité du soudage laser.

Enfin, il convient de noter que le soudage laser est un procédé de fusion. Cela signifie que les deux substrats fondront pendant le processus de soudage au laser. Ce processus est rapide, donc l’apport thermique global est faible. Mais comme il s’agit d’un processus de fusion, des composés intermétalliques fragiles à haute résistance peuvent se former lors du soudage de différents matériaux. La combinaison aluminium-cuivre est particulièrement susceptible de former des composés intermétalliques. Il a été démontré que ces composés ont des effets négatifs sur les propriétés électriques à court terme et mécaniques à long terme des épissures de dispositifs microélectroniques. L’impact de ces composés intermétalliques sur les performances à long terme des batteries lithium-ion est encore incertain.