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CIBF丨阿帕奇张婧:光纤激光解决方案助力电池行业提质增效

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2021年3月18日,由中国化学与物理电源行业协会动力电池应用分会联合电池中国网共同举办的第二届及动力电池(CIBF深圳)国际交流会在深圳隆重召开。大会期间,阿帕奇(北京)光纤激光技术有限公司应用部经理张婧以《光纤激光解决方案助力电池行业提质增效》为题发表了主题报告。

以下为演讲实录:

非常荣幸能够借此机会介绍一下IPG的产品在电池行业中的应用。此次报告我介绍的是IPG光纤激光器、光学传输头和LDD焊接过程监测系统作为一整套方案是如何助力电池制造的。

我的报告分几部分内容,首先介绍一下IPG公司及产品线,第二部分,给大家一个全貌,看看我们的产品目前在哪些电池制造环节中已成熟应用并被客户认可,然后我聚焦在IPG几款产品上,在软包电池焊接应用中非常成熟的YLR系列SM激光器,也有推进中的AMB光束可调模式可调激光器,也有新产品SM-AMB激光器,最后,介绍一下我们倍受关注的产品,LDD过程监测系统。

首先介绍一下IPG公司,我们公司是由俄罗斯科学家在1990年创立的,那时候起一直专注于光纤激光器的生产,由于是垂直整合,所以可以做到闭环质量管控,装机量已经充分说明客户对我们产品品质的认可。除此之外,不仅仅满足于成熟的产品,我们也一直在面向客户的需求不断地开发新的产品,因为创新才是一个企业的生存之源。

下面简单介绍一下IPG中国,中国占IPG主要销售额将近一半,所以我们非常重视中国市场,人员配置有200多名员工,售后网点遍布全国,能对客户做到及时快速的响应。应用实验室可以免费为客户提供测试,如果你想看看我们的激光器能不能做您的工艺制程,或者希望确认设备在产线上是否可以稳定工作,我们可以积极配合测试。应用中心目前在北京、上海、深圳和武汉,如果有测试需求可以随时和我们联系。

从产品的功率覆盖性上,从几W的打标激光器至120千瓦的超高功率激光器,有超过500种不同的激光器,从波长覆盖性上,我们的产品线包括红外、绿光、紫外等各个波长的激光器。针对硬包、软包和圆柱各个制程,(图)打成红色标记的都是IPG激光器已经在产线上成熟应用的环节,可以看到唯一空白是极片卷绕,与激光没有关联的制程,除此之外已经做到全覆盖。在软包电池焊接中我们从电芯、模组、托盘支架上都有非常成熟的应用。其中应用比较广是我们的YLS多模激光器,特别是硬包方型电池的焊接上。去年我们推出的AMB激光器相比传统的多模YLS激光器有明显的质量提升。软包电池焊接中经常用的我们的YLR系列单模激光器,它在焊铝、焊铜上有特别大的效果及成本优势。还有我们的YLPN系列纳秒激光器,主要应用在极片切割和清洗上。

软包电池焊接应用上YLR系列单模激光器是最多的,目前电池行业成本的压力越来越大,效率要求越来越高,最早使用的是500W,后来是700、1500,现在2000W成为了主流配置。现在市面上有很多的单模激光器,但还是要看看性能参数的差别。IPG单模激光器具有最小的芯径-14微米,目前市面上其它品牌基本为20um或25um。IPG单模激光器的M2、功率稳定性、光束转换效率和稳定性都是业界都是最优。

(图)这里列了表,单模相比多模,相同功率下,可以具有更高的功率密度,从而形成更稳定的能量耦合,穿透性更强,这样就可以用更高的速度焊,对应更小的热输入。我们这里再注意一下,相比友商品牌20um芯径,相同功率下的功率密度差别差2倍,带来穿透力的显著差异。我们也有客户问,芯径不就是影响光斑嘛,我们就选小的焦距缩小光斑不就好了,这会带来一些恶果,你选择了小的聚焦,看起来聚焦光斑是一样,但是聚焦性能是不一样的。在产线上焊的时候,由于零件来料、装配,总会存在离焦、负离、焦平面上焊接的差异。我们的单模激光器聚焦性能优,代表着对于这样的扰动因素容裕更大,焊接质量更加稳定。而且,小焦距还有另外一个缺陷,那就是镜头离熔池近,对保护镜的寿命不利。

从应用上,首先介绍一下电芯极耳焊接,这个不是直接把100多层直接焊在一起,在实验室用激光可以做成功的样品,但实际在产线上批量压装很难保证贴合度,我们用单膜还是超声波预压,这是预压之后多层焊到板的步骤,目前焊接效果优异且稳定,已经批量在产线应用。

还有极耳+汇流排焊接,这个应用是软包电池焊接中最多的应用,大多是相对薄一点的铝、铜材料焊在厚的汇流排上。最早的方案是用的4000瓦的YLS系列多模激光器,现在越来越多客户倾向于单模激光器方案,其在焊接变形控制上以及成本上都很有优势。极耳汇流排焊接还会碰到异种材料焊接情况。从力学性能控制上我们建议铝止铜下的配置以更好的抑制界面混合程度来减少脆性相的生成,再辅以摆动,在小热输入的前提下增加界面连接面积,从而得到优良的力学性能。方案上我们有二种,一种是YLS高功率高速方案,一种是YLR单模低速方案。客户可自行按实际产线需求及预算情况选取方案。

(图)这是极耳焊接,很薄的材料,单模是最合适的,它能得到最小的焊接变形,最优的焊接的质量。

接下来介绍一下AMB光束模式可调激光器,这一款产品在方形电池焊接上用得较多,因为基本上是相对厚一些的铝和铜的焊接,这款产品的特点是高能密度的中心光束+大芯径外环光束组合形成可调控的光斑。目前我们可以做到业内最高的功率,总功率25千瓦,中心可以做到12千瓦,光电转换效率也是最高的,45%。中心芯径50、150um可选,外环芯径150,300,400,600um可选。一般来说,焊铝、铜材料我们倾向于推荐50/150um配置,焊钢及焊铝時熔深要求不高的场合优选100/300um。AMB激光最大的优势可以抑制飞溅产生,在匙孔产生过程当中,匙孔不稳定的喷发,液滴获得动量克服表面张力飞出就形成了飞溅。AMB的原理是把匙孔开口扩大,使之更加稳定。大家可以看下我们的LDD直接拍摄的匙孔形貌,充分证明了这一点。

我们还是以效果说话,我们选取镀镍铜这种软包电池常见的非常易于产生飞溅的材料。采用常规YLS激光焊,飞溅较多,整个焊缝表面就会有一些坑坑洼洼成形不良的状况。铝也是一样。采用AMB可以有效抑制飞溅,得到优良表面质量的焊缝。AMB用得最多是模组外罩,过去是常规焊的,有飞溅问题及搭桥能力差的问题,用AMB可以特别显著提升表面质量,提高搭桥能力,

我们结合了单模和AMB两大优势形成了新产品SM-AMB。它结合单模激光器小的热输入、强的穿透力,又结合了外环降低飞溅的组合型产品,目前这个设备在美国实验室的时候做了多层箔的点焊,有数十层的铜箔和铝板,焊点的尺寸稳定性好,而且飞溅特别低。

(图)这个是实际的焊接视频,。这是模拟软包电池BUSBAR焊接的组合,飞溅抑制效果是很明显的,从表面成形看有突出的改善,我们也希望这个设备来了之后可以更多在软包电池的极耳、铜箔、铝箔焊接上有明显的突破。

最后讲讲我们的LDD焊接全过程监测系统,它基于内联相干成像成理,你可以把它理解为激光的测距仪,主动发射半导体激光打到工件表面及焊接匙孔,检测返回信号,再通过一系列的算法,最终直接得到熔深。目前市面上出现了一些类似的产品,但是我们的检测精度和频率是最高的,大家可以对照参数表来看。

(图)LDD的第一项功能是焊前检测,比如焊缝位置是否准确、零件高度是否合适,可以直接做寻位和校正。第二项功能是它的核心功能,即直接测量熔深,且是每条焊缝每一个位置的熔深均可以得到,传统的切片顶多是一条焊缝切几个,无法得到整条焊缝的数据。第三项功能是焊后焊缝宽度、高度及表面质量的检测。您可以围绕着各项检测数据按相应的标准设定容限,实时监控零件是不是OK。第四项,3D成像。工具是死的,使用方式是灵活的,有客户直接用LDD做为焊前调节的工具也是很有创造性的用法。目前我们的LDD可以搭载YLS/YLR、单模、多模, 同时与我们所有的焊接头、摆动头及振镜等全部都是适配的。

(图)我们拿了一些产线上的数据,跟踪了一个小批量的测试,可以看到熔深和切片误差小于100um,完全满足产线检测要救济。在极耳焊接上,帮助客户直接做在线的判断,比如说焊厚的高度、宽度,有没有累计超过它的缺陷,然后实时输出。

最后做一个总结,就是我们几款产品YLR具有非常小的线径,非常强的穿透力,非常适合极耳和BUSBAR焊接。AMB适合软包模组外罩焊接,有效抑制飞溅、改善成形,提升搭桥能力。单模AMB结合了单模及AMB优势,非常适合于箔材焊接,LDD可以实现焊前、中、后全过程的监测,为电池安全制造保架护航。我的介绍到这里,谢谢大家。

(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅,仅作为参考资料,请勿转载!)

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5.租赁车牌存在一定风险,长期租赁有收不回车牌的风险,请考虑清楚。而短中期租赁也就是1-10年,专业车牌托管公司会要求租用方缴纳尽量高额的第三者责任险,同时明确车辆产权。

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