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Cómo desarrollamos una potente solución para la soldadura de baterías

Combinación de tecnologías láser para abordar los retos del rendimiento de las baterías

Soldadura láser por batería con medición directa de la soldadura láser en tiempo real

 

A medida que aumenta la producción de vehículos eléctricos, sigue creciendo la necesidad de mejorar el rendimiento de la soldadura de las baterías. Esto se debe a que los módulos y bandejas de las baterías pueden contener cientos de celdas, cada una de las cuales requiere múltiples soldaduras. Con estos volúmenes, incluso pequeños niveles de defectos pueden dar lugar a índices de fallo inaceptables y a una pérdida considerable de recursos por desechos y reelaboraciones.

Muchos fabricantes siguen confiando en las herramientas tradicionales de supervisión de soldadura láser (LWM) para garantizar la calidad. Sin embargo, estos sistemas a menudo no miden la soldadura de forma directa o precisa. Esto introduce incertidumbre en el proceso de garantía de calidad, lo que conduce a mayores índices de desperdicio y, al mismo tiempo, sigue sin poder evitar que salgan al mercado productos defectuosos.

Para abordar este problema y seguir avanzando en las capacidades de fabricación de baterías a nivel mundial, IPG Photonics ha combinado la soldadura sobre la marcha (OTF) con nuestro propio sistema patentado de medición de soldadura láser en línea y en tiempo real. El uso conjunto de estas tecnologías proporciona la velocidad necesaria para una producción de baterías rentable y de alto rendimiento, así como las capacidades de medición necesarias para una validación precisa de la soldadura. Este enfoque integrado permite un mayor rendimiento, menos desechos y una mayor confianza en la integridad de la soldadura sin ralentizar el proceso.

Exploremos algunas de las consideraciones, factores impulsores y retos que hay detrás del desarrollo de esta potente solución de soldadura por batería. 

 

Las pequeñas soldaduras tienen grandes consecuencias

Las soldaduras son necesarias en prácticamente todas las fases de la producción de baterías: en la fabricación de celdas, al realizar conexiones entre celdas y entre celdas y barras colectoras, durante la integración de módulos y paquetes, e incluso para la fabricación de carcasas estructurales. La soldadura por rayo láser (LBW) ya ha demostrado ser una herramienta versátil y rentable para realizar muchas de estas soldaduras.

En las últimas fases de la producción de baterías, la soldadura LBW se suele realizar mediante soldadura por ojo de cerradura, en lugar de soldadura por conducción. Esto se debe a que la soldadura por ojo de cerradura ofrece una penetración más profunda, una menor aportación de calor, una mayor eficiencia de acoplamiento y zonas afectadas por el calor (HAZ) más pequeñas que la soldadura por conducción. Estas características se adaptan mejor a las necesidades de estas aplicaciones.

La soldadura por resistencia por punto (LBW) de las conexiones de la batería, especialmente al conectar terminales de celdas individuales a una placa colectora o barra colectora, es un paso de producción particularmente crítico.

Las conexiones entre celdas y barras colectoras suelen implicar materiales delgados de menos de 1 mm de grosor. Esto hace que el proceso de soldadura sea muy sensible tanto a la penetración insuficiente como a la penetración excesiva. Concretamente, la penetración insuficiente puede dar lugar a un contacto con mala conductividad, y la penetración excesiva puede dañar la celda, lo que podría provocar un fallo catastrófico. Por lo tanto, las soldaduras defectuosas tienen un gran impacto en la calidad del producto.

Otro problema es que los módulos suelen requerir cientos de soldaduras (al menos dos por cada batería, multiplicadas por decenas o cientos de baterías por paquete). Esto significa que una tasa de defectos tan baja como 1 entre 10 000 puede provocar fallos frecuentes a nivel del módulo o de la batería.

Para agravar el riesgo, la soldadura de la placa colectora se realiza en una fase avanzada del proceso de fabricación, cuando la batería ya ha adquirido un valor significativo. Como resultado, un fallo en esta fase suele suponer el desecho de un componente totalmente montado y de alto coste, o como mínimo su reelaboración. Esto hace que la validación precisa y oportuna de la soldadura sea esencial no solo para la calidad, sino también para la viabilidad operativa y económica. 

 

Limitaciones de la monitorización tradicional de soldaduras láser

Nada de esto es nuevo para los fabricantes de baterías, que llevan mucho tiempo utilizando diversas herramientas para garantizar la calidad de las soldaduras láser. Algunas de estas técnicas de LWM incluyen la espectroscopia de emisión óptica (OES), la monitorización acústica/ultrasónica, la imagen infrarroja (IR) y térmica, y otros sistemas de visión con luz blanca.

El problema con todos estos métodos es que no miden directamente el parámetro más importante: la profundidad de penetración. Tradicionalmente, el único método de medición preciso requiere cortar la pieza terminada para ver la sección transversal de la soldadura. Aunque esto puede ser muy instructivo, se trata de una prueba destructiva que no es ampliamente aplicable durante la producción.

En su lugar, los fabricantes deben tomar los datos obtenidos mediante una o varias de estas técnicas LWM y compararlos con los estándares de referencia de soldadura ideales utilizando medios estadísticos. Sin embargo, esta dependencia de conjuntos de datos preexistentes está intrínsecamente limitada por las suposiciones que contiene. Si se producen cambios, aunque sean sutiles, en el proceso, como variaciones en los ensamblajes entrantes, los resultados obtenidos pueden ser incorrectos. Lo peor de todo es que muchos métodos no pueden identificar de forma positiva la sobrepenetración y, a menudo, terminan informando de un porcentaje sustancial de fallos falsos.

Las limitaciones de estas herramientas LWM son una de las principales razones por las que las tasas de desechos siguen siendo obstinadamente altas en la soldadura de baterías. El problema ha llevado incluso a algunos fabricantes a diseñar módulos de batería reemplazables para compensar. Sin embargo, en un mundo en el que los fabricantes de vehículos eléctricos están avanzando hacia paquetes de baterías integrados en el chasis, esa no siempre es la estrategia óptima.

 

Haciéndonos realidad (mediciones de soldadura)

La imagen coherente en línea (ICI) se desarrolló específicamente para abordar las limitaciones de las técnicas LWM heredadas. Esta tecnología fue inventada y patentada (en Norteamérica) por Laser Depth Dynamics, que ahora forma parte de IPG Photonics. Denominamos LDD a nuestra tecnología de medición directa de soldaduras láser basada en ICI.

El LDD utiliza un haz de medición de infrarrojo cercano de baja potencia dirigido a través de la misma óptica que el haz de soldadura. Dado que el haz LDD es coaxial con el haz de soldadura, los haces de medición y de proceso inciden en la pieza de trabajo en proximidad. Actuando como un espejo, la pieza de trabajo metálica refleja parte de la luz LDD de vuelta a la óptica. Esta luz devuelta se utiliza para medir con precisión la distancia a la superficie reflectante mediante interferometría.

Durante la LBW de ojo de cerradura, el haz LDD se dirige hacia esa cavidad y se refleja en su fondo. Esto permite medir directamente la profundidad del ojo de cerradura, normalmente con una precisión de unas pocas micras. Es importante destacar que el LDD es incluso capaz de medir los ojos de cerradura estrechos y de alta relación de aspecto producidos por láseres monomodo. Todo esto distingue al LDD de otros métodos de supervisión de soldaduras que utilizan una señal proxy, como el calor, la columna de humo de la soldadura o el sonido, y luego intentan aproximarse a lo que realmente está sucediendo en la zona de soldadura.

 

 

Sección transversal que muestra la soldadura por rayo láser con medición de la soldadura en tiempo real.

 

La óptica LDD también contiene un escáner galvo que puede mover rápidamente el haz de medición independientemente del haz de proceso. Para aplicaciones típicas de medición de soldaduras en línea, el haz LDD se configura para seguir ligeramente al haz de proceso y supervisar continuamente la profundidad del ojo de cerradura. Pero también se puede dirigir a la superficie superior de la pieza de trabajo para mantener una referencia de profundidad.

El escaneo del haz de medición LDD permite medir otros parámetros importantes de la soldadura, además de la profundidad del ojo de cerradura. Entre ellos se incluyen la altura del material, la posición de la costura, la altura de la costura de soldadura acabada (longitudinal) y el perfil transversal de la soldadura.

Como resultado, LDD permite a los fabricantes pasar del control estadístico a la medición directa. Ofrece la posibilidad de validar cada soldadura individualmente, en tiempo real.

Esto puede tener un enorme impacto en los costes y la calidad, como ya han demostrado muchos fabricantes de baterías que utilizan la tecnología LDD. Las soldaduras con penetración insuficiente se identifican tan pronto como se producen y pueden marcarse para su reelaboración inmediata o posterior. También se pueden detectar las soldaduras con penetración excesiva. De este modo, se elimina prácticamente el problema de los desechos falsos. Esto permite al fabricante decidir si la pieza debe aprobarse o desecharse inmediatamente, antes de que se le añada más valor.

 

Combinación de OTF + LDD: la velocidad se une a la calidad

El LBW sobre la marcha (OTF) es otro hito tecnológico importante que ya ha proporcionado importantes beneficios a los fabricantes. En el LBW OTF, los movimientos del haz producidos por el sistema de escaneo láser están estrechamente sincronizados con el movimiento real de la pieza.

La OTF reduce significativamente la frecuencia con la que el sistema de escaneo debe detenerse, lo que aumenta considerablemente la velocidad del proceso. Además, permite que el sistema de escaneo funcione principalmente en el centro de su campo de visión. Esto es ventajoso porque minimiza las distorsiones ópticas en el haz enfocado para producir soldaduras más fiables.

Las ventajas fundamentales de la soldadura OTF son una mayor eficiencia, un mayor rendimiento, una mayor precisión, una mayor fiabilidad y una mayor flexibilidad operativa. La OTF también es compatible con otras tecnologías LBW beneficiosas, como láseres de doble haz.

Pero OTF por sí solo es solo la mitad de la solución para el LBW de alto rendimiento de los módulos de batería. Concretamente, OTF mejora la velocidad, pero no garantiza necesariamente la calidad de la soldadura. Ahí es donde entra en juego LDD.

Al utilizar OTF+LDD conjuntamente, los fabricantes ya no tienen que sacrificar la velocidad en favor de la calidad. LDD complementa a OTF verificando la profundidad de la soldadura en tiempo real, a la velocidad máxima del proceso. También permite aplicar estrategias de reelaboración. Las soldaduras con penetración insuficiente pueden marcarse y corregirse, mientras que los casos de penetración excesiva pueden rastrearse según sea necesario. El resultado es un proceso más rápido, más fiable y más controlable. Y eso se traduce directamente en un mejor rendimiento, menos desechos y resultados de producción más predecibles. 

 

Diseñar una solución

Aunque la combinación de LDD y OTF ofrece ventajas evidentes, crear un sistema práctico y fiable que integre estas dos tecnologías fue una tarea difícil. Uno de los principales problemas es que la alineación entre los haces de medición y soldadura debe mantenerse dentro de un margen de aproximadamente 5 µm.

El problema aquí es que el haz de soldadura cambia continuamente de dirección. Por ejemplo, si la soldadura final es una simple trayectoria circular, un escáner de soldadura tradicional (fijo) solo necesita trazar ese círculo. Pero en OTF, la pieza o la óptica están en movimiento continuo, lo que significa que el haz debe seguir una trayectoria más compleja para compensar. Y esta trayectoria compleja debe calcularse en tiempo real.

 

Medición de soldaduras en tiempo real y trayectorias de soldadura OTF

 

Además, el haz LDD debe permanecer situado justo detrás del haz de soldadura dentro del ojo de la cerradura. Pero como la dirección del recorrido del haz cambia constantemente, la orientación de lo que constituye «detrás» también cambia constantemente. El sistema LDD debe calcular todo esto en tiempo real mientras el haz recorre la superficie de la pieza a velocidades de hasta 1 metro por segundo.

Hacer que LDD funcionara junto con OTF a velocidades de producción no era algo que se pudiera lograr con componentes estándar y unos pocos ajustes en el software. Se requería un profundo conocimiento de los componentes ópticos, de control de movimiento y de transmisión de haz, así como de la dinámica térmica y las herramientas.

IPG se encontraba en una posición única para diseñar esta solución, ya que diseñamos y fabricamos internamente toda la tecnología necesaria para este sistema. Por supuesto, producimos láseres de fibra, pero también cabezales de escaneo, sistemas de movimiento, software de control y el propio sistema LDD. También construimos e integramos estos componentes y tecnologías en muchos de nuestros subsistemas llave en mano y personalizados, sistemas completos y líneas de producción.

Esta integración vertical nos proporciona dos ventajas clave a la hora de desarrollar soluciones láser únicas. En primer lugar, contamos con la experiencia necesaria para comprender y caracterizar completamente los problemas antes de identificar las soluciones. En segundo lugar, disponemos de los recursos de desarrollo y el control de ingeniería sobre todos los componentes del sistema necesarios para implementarlos de manera eficaz.

Gracias a estas capacidades, los diseñadores de IPG pudieron desarrollar una solución que adquiere datos LDD de alta calidad a velocidades de producción y que sincroniza la orientación del haz con el nivel de precisión necesario para que OTF + LDD funcionen de forma fiable en la línea. También desarrollamos las rutinas de calibración, los algoritmos de corrección y las herramientas de apoyo necesarias para mantener esa precisión a lo largo del tiempo a pesar del calor, las vibraciones, la contaminación y el desgaste.

Pero ni siquiera eso es suficiente. En entornos de producción, el rendimiento depende tanto de lo que rodea al sistema láser como de lo que hay en su interior. Por eso también suministramos accesorios de fijación, sujeción y herramientas.

Por ejemplo, las placas colectoras no siempre encajan perfectamente con los terminales de las celdas. Las barras colectoras no siempre son rígidas. La distancia entre dos piezas puede variar ligeramente de una soldadura a otra. Esa es la realidad, y nuestros sistemas se han diseñado para adaptarse a ella. Ya se trate de herramientas con resorte para garantizar un contacto constante, sistemas de pórtico con repetibilidad a nivel de micras o procedimientos automáticos de alineación de vigas para compensar la deriva térmica, creamos soluciones completas, no solo componentes. 

 

Introducción a una solución láser

Las tecnologías de IPG, como la soldadura sobre la marcha y la medición de soldaduras láser en tiempo real, son componentes clave utilizados en soluciones de soldadura láser de alta productividad. ¿Le interesa saber más sobre cómo una solución láser de IPG puede beneficiar a su operación?

Empezar es fácil: envíenos algunas piezas de muestra, visite uno de nuestros laboratorios de aplicaciones globales o simplemente cuéntenos cuál es su aplicación.

 

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