État actuel et perspectives de développement de la technologie de soudage laser pour les batteries de puissance

Dans le contexte du développement rapide de l'industrie des véhicules à énergie nouvelle, les batteries de puissance, en tant qu'unité énergétique de base de l'ensemble du système du véhicule, déterminent directement le niveau de performance global du véhicule grâce à leur sécurité, leur fiabilité et leur cohérence. Des cellules individuelles aux modules, puis à l'ensemble de la batterie, la qualité du soudage est l'un des facteurs clés affectant la durée de vie de la batterie, les performances de sécurité et le rendement dans la fabrication à grande échelle. Parmi les diverses méthodes de soudage, le soudage au laser, en raison de sa haute densité énergétique, de sa haute précision et de ses capacités d'automatisation élevées, est devenu un processus clé indispensable dans la fabrication de batteries de puissance.

 

 

Pour répondre aux besoins de développement en matière de légèreté et de densité énergétique élevée-dans les véhicules à énergies nouvelles, des matériaux en alliage d'aluminium sont couramment utilisés pour alimenter les composants structurels des batteries. Les composants tels que les boîtiers de cellules, les couvercles et les barres omnibus utilisent généralement des alliages d'aluminium de la série 1- ou de la série 3, qui possèdent une bonne conductivité, une bonne résistance à la corrosion et une bonne formabilité. Dans certaines zones nécessitant une conductivité élevée, des matériaux composites en cuivre ou aluminium-cuivre sont utilisés.

 

Cependant, les alliages d'aluminium eux-mêmes ont une réactivité chimique élevée, une conductivité thermique élevée et un coefficient de dilatation linéaire élevé, et leur surface forme facilement un film d'oxyde dense, ce qui les rend très sensibles aux défauts tels que la porosité, les éclaboussures, les éclats et les fissures chaudes pendant le soudage. De plus, lors de l'assemblage de matériaux différents en aluminium-cuivre, des composés intermétalliques cassants peuvent se former, réduisant ainsi la résistance du joint. Ces propriétés matérielles imposent des exigences extrêmement élevées en matière de contrôle de l'énergie, de stabilité de formation et de cohérence du processus de soudage.

 

 

La fabrication de batteries de puissance comporte généralement trois étapes principales : la cellule, le module et le pack. Le boîtier externe de la batterie fournit principalement un support et une protection structurels, généralement à l'aide de profilés en alliage d'aluminium plus épais, et son soudage est principalement effectué par soudage à l'arc ou par soudage par friction malaxage.

 

En revanche, les composants internes des cellules et des modules sont de petite taille, ont des structures précises et nécessitent un espacement de soudure serré, ce qui rend difficile pour les méthodes de soudage traditionnelles d'équilibrer la qualité du soudage et la vitesse de production. Le soudage au laser, avec sa densité de puissance élevée, sa bonne accessibilité et ses caractéristiques de traitement sans contact, est devenu le processus privilégié pour les boîtiers de cellules de batterie, les couvercles, les vannes antidéflagrantes, les barres omnibus et d'autres composants. Il est largement utilisé dans les structures de batterie prismatiques à boîtier en aluminium-, telles que les plaques de recouvrement de batterie de puissance, les plaques de recouvrement de batterie au lithium-ion et les boîtiers en aluminium de batterie au lithium.

 

 

Les boîtiers et couvercles de batterie sont principalement utilisés pour sceller l'électrolyte et fournir un support structurel stable aux électrodes internes. La qualité du soudage détermine directement les performances d’étanchéité et la résistance à la pression de la batterie. Les matériaux courants incluent l'alliage d'aluminium Al3003, avec une épaisseur généralement comprise entre 0,3 et 0,5 mm. Ce domaine utilise souvent des procédés de soudage au laser composite ou au laser annulaire.

 

En production réelle, ces soudures sont sujettes à des défauts tels qu'une pénétration incomplète, une porosité, un effondrement et des éclaboussures. En contrôlant rationnellement l'apport de chaleur, la vitesse de soudage et la distribution de l'énergie laser, la profondeur de pénétration peut être efficacement stabilisée et les exigences de résistance à la pression satisfaites. Avec les progrès technologiques, la modulation de forme d'onde d'impulsion et le soudage laser continu à haute vitesse-sont progressivement devenus des solutions courantes, améliorant considérablement l'efficacité de la production tout en améliorant l'uniformité des soudures.

 

Pour améliorer encore la qualité interne de la soudure, la technologie de soudage par balayage galvanométrique et d'oscillation laser a été introduite dans le soudage des boîtiers de batteries. L'agitation dynamique du bain fondu accélère la fuite des bulles et affine la structure des grains, améliorant ainsi les propriétés mécaniques et la fiabilité de l'étanchéité du joint de soudure. Ces procédés sont largement utilisés dans la fabrication de composants structurels tels que les coques en aluminium de cellules prismatiques et les couvercles de batterie en aluminium.

 

 

Les valves antidéflagrantes-sont des composants essentiels des systèmes de sécurité des batteries électriques. Lorsque la pression interne de la batterie augmente anormalement, une rupture contrôlée libère du gaz, empêchant ainsi l’emballement thermique et l’explosion. Les vannes antidéflagrantes-sont généralement constituées de feuilles d'aluminium pur, de seulement 0,08 à 0,1 mm d'épaisseur, et sont extrêmement sensibles à l'apport de chaleur de soudage.

 

Lors du soudage au laser, une densité de puissance trop élevée peut facilement entraîner une surchauffe et une perforation de la vanne antidéflagrante-, tandis qu'une fuite violente de gaz du bain de fusion peut provoquer des défauts dans les pores. En optimisant la conception de la forme d'onde laser, en introduisant une valeur de crête de courte durée-au stade initial du soudage pour améliorer l'absorption du matériau et en réduisant progressivement la production d'énergie dans les étapes suivantes, les brûlures-peuvent être efficacement évitées tout en garantissant l'intégrité de la soudure.

 

De plus, renforcer le nettoyage avant-soudage pour réduire l'huile et l'humidité résiduelles, et contrôler les écarts d'assemblage grâce à une séquence de soudage raisonnable, sont des moyens importants pour réduire les défauts de porosité. Ces mesures d'optimisation des processus ont été appliquées avec succès dans des structures telles que le capuchon supérieur de batterie au lithium et le couvercle supérieur pour les cellules de batterie prismatiques.

 

 

Avec l'expansion rapide des marchés des véhicules à énergie nouvelle et du stockage d'énergie, la demande de procédés de soudage à haute -cohérence et haute-fiabilité pour les batteries de puissance continue d'augmenter. L’orientation future du développement de la technologie de soudage laser se concentre principalement sur les aspects suivants :

 

Premièrement, l'application de sources laser avec une densité de puissance plus élevée et un contrôle d'énergie plus précis pour répondre aux besoins de soudage de structures plus fines et plus complexes ; deuxièmement, la surveillance en ligne et le contrôle en boucle fermée-du processus de soudage pour améliorer la stabilité du soudage grâce à la-détection en temps réel de l'état du bain de fusion ; et troisièmement, l'optimisation des processus d'assemblage de matériaux différents tels que l'aluminium et le cuivre afin de répondre aux besoins de développement de nouvelles structures de batteries et de composants en matériaux composites tels que les plaques bipolaires bimétalliques en cuivre et en aluminium.

 

Parallèlement, avec l'adoption généralisée des structures de batterie prismatiques dans les véhicules à énergies nouvelles, la standardisation et l'application à grande échelle des processus de soudage au laser pour des composants tels que les boîtiers de batterie prismatiques en alliage d'aluminium, les boîtiers de batterie en aluminium et les coques rechargeables en aluminium deviendront une direction importante pour l'évolution technologique du secteur.

 

 

La technologie de soudage au laser a été profondément intégrée dans l'ensemble du processus de fabrication des batteries de puissance, fournissant un soutien crucial pour atteindre une production de haute sécurité, de haute cohérence et de haute efficacité. Avec l'évolution continue des systèmes de matériaux, de la conception structurelle et du rythme de fabrication, le soudage laser continuera à jouer un rôle central dans le domaine deBatteries électriques à boîtier-en aluminiumet démontrera des perspectives d'application plus larges dans la future nouvelle industrie énergétique.