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深度解讀

兩種激光器,同一個(gè)目標(biāo)

星之球科技 來源:榮格2021-06-03 我要評論(0 )   

建立高性能的電池生產(chǎn)中心是當(dāng)前汽車行業(yè)一大重要議程。位于亞琛的弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所正在積極努力實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。比如,在德國聯(lián)邦教育研究部(BMBF)開展的“HoL...

建立高性能的電池生產(chǎn)中心是當(dāng)前汽車行業(yè)一大重要議程。位于亞琛的弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所正在積極努力實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。比如,在德國聯(lián)邦教育研究部(BMBF)開展的“HoLiB”項(xiàng)目以及德國工業(yè)研究聯(lián)合會(huì)(AiF)開展的“MikroPuls”項(xiàng)目中,來自亞琛的科學(xué)家正在研究如何利用激光技術(shù)將不同材料更經(jīng)濟(jì)地聯(lián)結(jié)起來。


從內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)向以電力驅(qū)動(dòng)這個(gè)趨勢已無法停止。然而,只有在電池生產(chǎn)是高效、穩(wěn)定的,電池間相互聯(lián)結(jié)形成模塊和組件,性能可靠且能滿足即將到來的巨大存儲(chǔ)容量需求時(shí),這樣的電池技術(shù)才算是成功的。


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弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所正在開發(fā)電池單元有效聯(lián)結(jié)激光工藝(如圖:圓柱形電池上的激光焊接銅聯(lián)結(jié)器),作為德國工業(yè)研究聯(lián)合會(huì)的MikroPuls項(xiàng)目的一部分(來源:弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所)


鋰離電池的效率提升
現(xiàn)在鋰離子電池的生產(chǎn)流程已經(jīng)比以前高效得多了。針對電池產(chǎn)業(yè)的集群競爭力,BMBF的“HoLiB——高通量過程生產(chǎn)鋰離子電池”項(xiàng)目,將注意力集中在新技術(shù)的組裝、疊裝成型和聯(lián)結(jié),以及將完整過程鏈中不增加價(jià)值的工序裁撤掉上。德國布倫瑞克工業(yè)大學(xué)正在開發(fā)一種激光沖孔技術(shù),可以在毫秒內(nèi)將電極從連續(xù)導(dǎo)入的材料網(wǎng)中切割下來。有一個(gè)旋轉(zhuǎn)堆疊輪會(huì)將陽極和陰極分離器組件分別放置,并將它們交替堆疊于庫中。

三束源測試成功
這便是弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所的切入點(diǎn):他們正在開發(fā)、認(rèn)證一種激光工藝,可用于聯(lián)結(jié)陽極和陰極的接觸點(diǎn)——制動(dòng)器片。因?yàn)殛枠O是用銅做的,陰極是用鋁做的,而制動(dòng)器也是用這兩種材料做的,所以亞琛的研究人員決心測試一下三種不同的束流源。他們使用了一個(gè)藍(lán)色二極管激光器(波長450nm),一個(gè)綠色圓盤激光器(波長515nm)以及一個(gè)紅外光纖激光器(波長1070 nm)。


弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所研究助理Johanna Helm解釋說:“我們正在研究哪種光束源最適合哪種操作任務(wù)。三束源測試表明,通過焊接將薄膜堆棧起來是可靠的。我們目前正在驗(yàn)證流程,并對制動(dòng)器片進(jìn)行焊接測試?!?/p>


他還建議使用一種有幾個(gè)底座的轉(zhuǎn)盤,可以將電極放在上面做激光接觸。通過堆疊輪,將20個(gè)陽極、陰極以0.1秒的間隔堆疊起來,這樣2秒內(nèi)就能做好1個(gè)堆疊品了。當(dāng)一個(gè)堆疊品被放置到轉(zhuǎn)盤的某個(gè)位置時(shí),轉(zhuǎn)盤會(huì)繼續(xù)保持快速旋轉(zhuǎn),這樣旋轉(zhuǎn)的堆疊輪就可以在下一個(gè)自由空間沉積更多的陽極和陰極,同時(shí)無需再費(fèi)任何時(shí)間,就能開始第一個(gè)堆疊品基于激光的接觸工序。


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在HoLiB項(xiàng)目中,弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所正在眾多其他研發(fā)中,尋找可用來特別可靠、快速地聯(lián)結(jié)陽極和陰極的激光束源(圖中:藍(lán)色二極管激光器的聯(lián)結(jié)過程)(來源:弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所)


納秒激光脈沖保護(hù)熱敏元件
在AiF的MikroPuls項(xiàng)目中,科學(xué)家們正在研究如何更有效地將電池單元聯(lián)結(jié)起來。在工業(yè)伙伴的支持下,弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所正在開發(fā)用納秒脈沖紅外光纖激光將銅、鋁和鋼聯(lián)結(jié)起來的工藝。


這些都是要求很高的工藝,因?yàn)楸‰娪|點(diǎn)是熱敏的,不能被加熱到太高水平。如果焊接能量太少,產(chǎn)生的聯(lián)結(jié)就不容易穩(wěn)定;如果能量用得過多,又會(huì)影響電池的工作模式,或縮短電池的使用壽命。弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所研究員Elie Haddad解釋說:“有些敏感的電解質(zhì)在60°C時(shí)就會(huì)分解。這便是快速的MikroPuls工藝可以發(fā)揮優(yōu)勢的地方。它甚至可被用于做銅焊縫。它的最大平均功率200W,對組件施加的能量卻很小?!?br/>
可靠的不同材料激光焊接
銅和鋁之間的不同接頭也構(gòu)成了特別的技術(shù)挑戰(zhàn)。Elie Haddad解釋說:“金屬間化合物會(huì)在這里迅速形成,從而降低焊縫質(zhì)量。打個(gè)比方,它們能夠升高接觸電阻,引發(fā)熱損失,使脆性接頭不再能夠承受機(jī)械力?!?br/>專家利用拉伸剪切實(shí)驗(yàn)和掃描電鏡圖像分析焊接試驗(yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)它也會(huì)減少金屬間相。有選擇地識別最優(yōu)參數(shù)的作用非常重要,這樣用戶才可以可靠地做出具有一致焊接深度以及高焊接質(zhì)量的不同接頭。


用袋狀熔池上的銅鋁接頭以及圓柱形熔池上的銅鋼接頭進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)微脈沖聯(lián)結(jié)可以實(shí)現(xiàn)與連續(xù)波(CW)焊接相同的接頭效果,能耗顯著降低,重復(fù)性更高,金屬間相更少。它的唯一缺點(diǎn)就是通常需要更長的焊接時(shí)間,因此仍需要改進(jìn)一些參數(shù)。


亞琛的工程師們已制成了一個(gè)集成了連續(xù)波光纖激光器和納秒脈沖光纖激光器的系統(tǒng)。光束源可被單獨(dú)控制。該系統(tǒng)不僅可以聯(lián)結(jié),還可以將材料移走,比如移到架構(gòu)表面上。


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