創新型激光加工方案推動電動汽車生產

來源:相干激光    關鍵詞:激光加工, 電動汽車生產, 汽車制造商,    發布時間:2019-06-13

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相較于汽油和柴油動力汽車,電動汽車技術的發展仍處于初期階段(例如在性能和范圍方面)。因此,電動汽車在技術方面顯得更加靈活多變,并且往往集中在基礎組件級別。這意味著金屬和金屬元件的應用正發生翻天覆地的變化,有時甚至需要挑戰材料的極限。


與此同時,汽車制造商和配件供應商只愿意采用具備可擴展性和較高成本效益的制造技術。綜合上述各種原因,激光技術因具有非接觸、無磨損、加工一致性高、速度快等特點,而成為焊接、切割、硬化、釬焊和其他應用中的首選技術。然而,傳統激光工藝往往無法滿足生產先進功能組件的需求。


在本文中,我們將探討專門面向電動汽車零部件的兩項激光焊接技術創新,其中均應用了我們面向光纖激光焊接應用領域推出的全新 CleanWeld 技術。


 鋁制電池蓋板焊接


在電動汽車所用的鋰電池生產中,其中一個關鍵步驟是焊接電池外殼。此焊接過程形成的氣密封口必須能保證在部件的使用過程不出問題。尤為重要的是,鋰電池需要此密封來阻隔水分入滲,以防水會與鋰元素發生劇烈反應,致使產生的氣體和壓力毀壞設備。此外,焊接工藝本身不能產生任何飛濺,因為金屬顆粒(以及水分)會造成內部漏電流,致使電池短路。最后,焊縫必須具有足夠高的機械強度,能耐受住粗暴處理,甚至要能夠經受住碰撞的沖擊

 

在傳統工藝中,由于電池壁很薄 (< 1 mm),這種鋁電池殼體的密封是使用激光傳導焊接實現的。然而,傳導焊接的穿透力不足,焊接的孔隙率較高且強度也不夠,無法阻隔水分滲入。但是,使用更高的激光功率實現更深穿透(匙孔)的焊接有產生氣孔的風險,會導致焊接強度不夠,并且幾乎總是會存在一定程度的飛濺。

 

相干公司的大量研發工作證明,通過改變聚焦激光光斑在工件上的強度分布,使之明顯偏離傳統的單峰高斯分布,即可實現高速且無飛濺的金屬深加工解決方案。具體來說,這項研發工作表明,如果采用環繞在另一個激光同心環中、由中心高斯分布點構成的光束,可以取得理想效果。

 

我們可以使用相干公司 HighLight 系列的可調節環形光斑模式光纖激光器 (FL-ARM) 可讓聚焦光纖激光光斑實現這種特殊配置。該激光器的傳輸光纖強化了傳統的圓形纖芯,外覆另一層環形截面的光纖纖芯。

 

HighLight FL-ARM可調節環形光斑模式光纖激光器可提供2.5 kW 到 10 kW的輸出功率。可根據需要單獨調節中心和環形的功率,調節范圍可從 1% 到 100%。纖芯和環形光束甚至可以獨立調節,重復頻率高達 5 kHz。

  

在這種布局中,內部光束與外部光束二者間的功率比實際上有無限種可能的組合。然而,所有這些組合大致上均可分組為圖 1 中所示的配置。這些基本模式可以變化調整來提供廣泛的工藝特性,從而以最優方式滿足各種應用的需求。

 


圖 1.簡化的 ARM 光纖示意圖以及聚焦激光光斑中可能出現的五種基本功率模式。

 

光纖激光器焊接鋁材時,挑戰之一在于材料對近紅外線的吸收率相對較低。吸收率可能存在較小的不可預知的較小變化,這也會導致穿透深度發生變化,進而造成焊接不均勻。

 

為了解決這個問題,以及優化控制鋁電池殼體匙孔焊接,FL-ARM可調節環形光斑模式光纖激光器光束的中心和環形部分的光束功率均可配置。通過使用這種特殊的功率配置方法,光束前緣能夠充分提高鋁材溫度,進而提高相應激光波長下的吸收率。此外,光束中心部分會形成匙孔,而由于經過預熱,匙孔相當穩定。環形光束的后緣讓熔池可以在足夠長的時間內保持開放,使氣體逸出。由于匙孔較為穩定,材料不會迅速重新凝固,因此整個加工過程更加一致,工藝區間也更大。  最終得到均勻一致的材料穿透,以及低飛濺,低孔隙率的更高質量的焊接。

 

  “銅制發卡繞組”焊接


將桿式銅制發卡繞組焊接到電機定子中是生產汽車電動馬達的一個重要步驟。銅制發卡繞組(形狀為“U”型,因此被稱為“銅制發卡繞組”)代替傳統電機中使用的線繞繞組。因為比金屬絲硬得多,我們可以更精確地控制銅質發卡繞組在電機中的方向,最終實現更大的熱應力和更高的電機效率。 

 

在組裝過程中,首先會將各個銅制發卡繞組裝載到定子槽中。然后,將相鄰銅制發卡繞組的末端焊接在一起,實現電路連接;焊接整個電機后,像傳統電機的繞組一樣,所有發卡將形成一條較長的絞合導線。

 

圖 2.未焊接的銅制定子   


圖 3.焊接后的銅制發卡繞組

 

這個過程的兩個關鍵點是焊接必須保持銅制發卡繞組的機械定位精準,并且沒有任何雜質和顆粒物。銅制發卡繞組對齊非常重要,因為繞組形狀準確將直接影響電機效率。如果存在瑕疵,繞組成品的阻力就會增大,這不僅會降低電效率,還可能會降低組件的機械強度。

 

相干公司研發了一種使用光纖激光器來進行銅制發卡繞組焊接改善加工效果。基于標準 HighLight? 系列光纖激光器的工藝的第一個關鍵因素就是“光束擺動”的使用。尤其是在這種情況下,我們可以有意縮小工件表面上聚焦光束的大小,使其小于焊接區域的總面積。但是,整個區域可以通過快速掃描(擺動)光斑的位置來進行覆蓋。

 

正如 FL-ARM可調節環形光斑模式光纖激光器,光束擺動的優勢就是可以更精確地控制熔池的溫度動態。具體而言,通過讓光束反復快速地在工件上移動而不做停留,基本上能夠以高度可控的方式(而不是一次輸出所有功率)對工件實施預加熱,在提高光束效率的同時也不會減少有效功率。與傳統激光器焊接方法相比,FL-ARM可調節環形光斑模式光纖激光器有助于穩定熔池,減少飛濺、避免瑕疵并降低焊接孔隙率。

 

相干公司還可提供改善激光焊接銅制發卡繞組加工效果的相關工具例如,激光焊接子系統包含可視系統來控制聚焦激光光束和銅質發卡繞組的位置。 


 總結


總之,研發和操作成功的激生產流程涉及研究參數、設置和技術組合,只有這樣,才能最終實現出色的焊接效果。CleanWeld凈焊技術將相干公司在多個不同技術領域的專業知識(包括光纖激光器、傳輸光纖、聚焦光學器件和加工頭),以及我們廣泛的焊接工藝知識和內部應用開發能力熔于一爐,由此改善優化了加工效果。  CleanWeld凈焊技術實現精確管理激光器功率在特定情形中的應用方式,從而最大程度提高工藝可控性和穩定性,確保始終保持一致的卓越加工效果。

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