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Como desenvolvemos uma solução poderosa para soldagem com bateria

Combinando tecnologias laser para enfrentar os desafios de rendimento das baterias

Soldagem a laser com bateria com medição direta da solda a laser em tempo real

 

À medida que a produção de veículos elétricos cresce, a necessidade de melhorar o rendimento da soldagem de baterias continua a aumentar. Isso ocorre porque os módulos e bandejas de baterias podem conter centenas de células, cada uma exigindo várias soldas. Com esses volumes, mesmo pequenos níveis de defeitos podem resultar em taxas de falha inaceitáveis e perda substancial de recursos com sucata e retrabalho.

Muitos fabricantes ainda dependem de ferramentas tradicionais de monitoramento de soldagem a laser (LWM) para garantir a qualidade. Mas esses sistemas muitas vezes não medem a solda diretamente ou com precisão. Isso introduz incerteza no processo de garantia de qualidade, o que leva a taxas de refugo mais altas, sem conseguir impedir que produtos defeituosos saiam da fábrica.

Para resolver este problema e continuar a avançar nas capacidades mundiais de fabrico de baterias, a IPG Photonics combinou a soldagem on-the-fly (OTF) com o nosso próprio sistema patenteado de medição de soldagem a laser em tempo real e em linha. Usadas em conjunto, essas tecnologias oferecem a velocidade necessária para uma produção de baterias econômica e de alto rendimento, bem como os recursos de medição necessários para uma validação precisa da soldagem. Esta abordagem integrada permite um maior rendimento, menos desperdício e maior confiança na integridade da soldadura, sem retardar o processo.

Vamos explorar algumas das considerações, fatores impulsionadores e desafios por trás do desenvolvimento desta poderosa solução de soldagem por bateria. 

 

Pequenas soldaduras têm grandes consequências

As soldaduras são necessárias em praticamente todas as fases da produção de baterias – na fabricação de células, ao fazer ligações entre células e entre células e barramentos, durante a integração de módulos e conjuntos, e até mesmo para a fabricação de invólucros estruturais. A soldagem a laser (LBW) já provou ser uma ferramenta versátil e económica para fazer muitas dessas soldaduras.

Nas fases finais da produção de baterias, a LBW é geralmente realizada por meio de soldagem por furo, em vez de soldagem por condução. Isso ocorre porque a soldagem por furo oferece penetração mais profunda, menor entrada de calor, maior eficiência de acoplamento e zonas afetadas pelo calor (HAZs) menores do que a soldagem por condução. Essas características atendem melhor às necessidades dessas aplicações.

A LBW com orifício de fechadura das ligações da bateria – especialmente ao ligar terminais de células individuais a uma placa coletora ou barra coletora – é uma etapa de produção particularmente crítica.

As ligações entre células e barramentos geralmente envolvem materiais finos com menos de 1 mm de espessura. Isso torna o processo de soldagem altamente sensível tanto à subpenetração quanto à sobrepenetração. Especificamente, a subpenetração pode resultar num contacto com baixa condutividade, e a sobrepenetração pode danificar a célula, possivelmente levando a uma falha catastrófica. Assim, soldas de baixa qualidade têm um grande impacto na qualidade do produto.

Outra questão é que os módulos normalmente requerem centenas de soldaduras (pelo menos duas para cada bateria, multiplicadas por dezenas ou centenas de baterias por pacote). Isso significa que uma taxa de defeitos tão baixa quanto 1 em 10.000 pode resultar em falhas frequentes no nível do módulo ou da bateria.

Para agravar o risco, a soldagem da placa coletora ocorre no final do processo de fabricação, depois que um valor significativo já foi incorporado à bateria. Como resultado, uma falha nesta fase muitas vezes significa descartar um componente totalmente montado e de alto custo — ou, pelo menos, refazê-lo. Isso torna a validação precisa e oportuna da soldagem essencial não apenas para a qualidade, mas também para a viabilidade operacional e económica. 

 

Limitações da monitorização tradicional da soldagem a laser

Nada disso é novidade para os fabricantes de baterias, que há muito tempo utilizam uma variedade de ferramentas para garantir a qualidade das soldaduras a laser. Algumas dessas técnicas de LWM incluem espectroscopia de emissão ótica (OES), monitorização acústica/ultrassónica, imagem infravermelha (IR) e térmica, além de vários outros sistemas de visão de luz branca.

O problema com todos esses métodos é que eles não medem diretamente o parâmetro mais importante: a profundidade de penetração. Tradicionalmente, o único método de medição preciso requer que a peça acabada seja cortada para visualizar a secção transversal da solda. Embora isso possa ser bastante instrutivo, é um teste destrutivo que não é amplamente aplicável durante a produção.

Em vez disso, os fabricantes devem pegar os dados adquiridos por uma ou mais dessas técnicas de LWM e compará-los com os padrões de referência ideais de soldagem usando meios estatísticos. No entanto, essa dependência de conjuntos de dados pré-existentes é inerentemente limitada pelas suposições que contém. Se houver mesmo mudanças sutis no processo — como variações nas montagens recebidas — os resultados derivados podem estar incorretos. O pior de tudo é que muitos métodos não conseguem identificar positivamente a penetração excessiva e muitas vezes acabam por reportar uma percentagem substancial de falsas falhas.

As limitações dessas ferramentas LWM são uma das principais razões pelas quais as taxas de refugo permanecem persistentemente altas na soldagem de baterias. O problema levou alguns fabricantes a projetar módulos de bateria substituíveis para compensar. Mas, em um mundo onde os fabricantes de veículos elétricos estão migrando para baterias integradas ao chassi, essa nem sempre é a estratégia ideal.

 

Tornando-se real (medições de soldadura)

A imagem coerente em linha (ICI) foi desenvolvida especificamente para resolver as limitações das técnicas LWM tradicionais. Esta tecnologia foi inventada e patenteada (na América do Norte) pela Laser Depth Dynamics, agora parte da IPG Photonics. Chamamos a nossa tecnologia de medição direta de soldagem a laser baseada em ICI de LDD.

O LDD utiliza um feixe de medição de infravermelho próximo e baixa potência, direcionado através da mesma ótica que o feixe de soldagem. Como o feixe LDD é coaxial com o feixe de soldagem, os feixes de medição e de processo atingem a peça de trabalho em proximidade. Agindo como um espelho, a peça de metal reflete parte da luz LDD de volta para a ótica. Essa luz refletida é usada para medir com precisão a distância até a superfície refletora por meio de interferometria.

Durante a LBW do buraco da fechadura, o feixe LDD é direcionado para essa cavidade e reflete na sua parte inferior. Isso permite a medição direta da profundidade do buraco da fechadura, normalmente com uma precisão de alguns microns. É importante ressaltar que o LDD é capaz de medir até mesmo os buracos da fechadura estreitos e com alta relação de aspecto produzidos por lasers monomodo. Tudo isso distingue o LDD de outros métodos de monitoramento de soldagem que utilizam um sinal proxy – como calor, pluma de soldagem ou som – e, em seguida, tentam aproximar o que realmente está a acontecer na zona de soldagem.

 

 

Corte transversal mostrando soldagem a laser com medição da solda em tempo real

 

A própria óptica LDD também contém um scanner galvo que pode mover rapidamente o feixe de medição independentemente do feixe de processo. Para aplicações típicas de medição de solda em linha, o feixe LDD é configurado para seguir ligeiramente o feixe de processo e monitorar continuamente a profundidade do orifício. Mas também pode ser direcionado para a superfície superior da peça de trabalho para manter uma referência de profundidade.

A digitalização do feixe de medição LDD permite medir outros parâmetros importantes da soldadura, além da profundidade do orifício. Estes incluem a altura do material, a posição da costura, a altura da costura de soldadura acabada (longitudinal) e o perfil transversal da soldadura.

Como resultado, o LDD permite que os fabricantes façam a transição do monitoramento estatístico para a medição direta. Ele oferece a capacidade de validar cada solda individualmente, em tempo real.

Isso pode ter um enorme impacto em termos de custo e qualidade, como já foi demonstrado por muitos fabricantes de baterias que já utilizam a tecnologia LDD. Soldas com penetração insuficiente são identificadas assim que ocorrem e podem ser sinalizadas para retrabalho imediato ou posterior. Soldas com penetração excessiva podem ser observadas. Assim, o problema de sucata falsa é praticamente eliminado. Isso permite que o fabricante decida se a peça deve ser aprovada ou descartada imediatamente, antes que mais valor seja agregado a ela.

 

Combinando OTF + LDD: velocidade e qualidade

O LBW em tempo real (OTF) é outro marco tecnológico importante que já proporcionou benefícios substanciais aos fabricantes. No LBW OTF, os movimentos do feixe produzidos pelo sistema de varredura a laser são sincronizados com precisão com o movimento real da peça.

O OTF reduz significativamente a frequência com que o sistema de digitalização precisa parar, o que aumenta consideravelmente a velocidade do processo. Além disso, permite que o sistema de digitalização opere principalmente no centro do seu campo de visão. Isso é vantajoso porque minimiza as distorções ópticas no feixe focado, produzindo soldas mais confiáveis.

Os principais benefícios da soldagem OTF são maior eficiência, maior rendimento, maior precisão, maior confiabilidade e maior flexibilidade operacional. A OTF também é compatível com outras tecnologias LBW benéficas, como lasers de feixe duplo.

Mas o OTF por si só é apenas metade da solução para o LBW de alto rendimento dos módulos de bateria. Especificamente, o OTF melhora a velocidade, mas ainda não garante necessariamente a qualidade da soldadura. É aí que entra o LDD.

Ao utilizar OTF+LDD em conjunto, os fabricantes já não precisam sacrificar a velocidade em prol da qualidade. O LDD complementa o OTF, verificando a profundidade da solda em tempo real, na velocidade total do processo. Ele também permite estratégias de retrabalho. Soldas com penetração insuficiente podem ser sinalizadas e corrigidas, enquanto eventos de penetração excessiva podem ser rastreados conforme necessário. O resultado é um processo mais rápido, mais fiável e mais controlável. E isso traduz-se diretamente em melhor rendimento, menos desperdício e resultados de produção mais previsíveis. 

 

Concebendo uma solução

Embora a combinação de LDD e OTF ofereça vantagens óbvias, construir um sistema prático e confiável que integre essas duas tecnologias foi uma tarefa desafiadora. Uma questão importante é que o alinhamento entre os feixes de medição e soldagem deve ser mantido dentro de cerca de 5 µm.

O problema aqui é que o feixe de soldagem muda continuamente de direção. Por exemplo, se a soldagem final for um caminho circular simples, um scanner de soldagem tradicional (fixo) só precisa traçar esse círculo. Mas no OTF, a peça ou a óptica estão em movimento contínuo, o que significa que o feixe deve seguir um caminho mais complexo para compensar. E esse caminho complexo deve ser calculado em tempo real.

 

Medição da soldadura em tempo real e percursos de soldadura OTF

 

Além disso, o feixe LDD deve permanecer posicionado logo atrás do feixe de soldagem dentro do orifício. Mas, como a direção do feixe muda constantemente, a orientação do que constitui «atrás» também muda constantemente. O sistema LDD deve calcular tudo isso em tempo real, à medida que o feixe se desloca sobre a superfície da peça a velocidades de até 1 metro por segundo.

Fazer o LDD funcionar em conjunto com o OTF em velocidades de produção não era algo que pudesse ser alcançado com componentes prontos para uso e alguns ajustes no software. Era necessário um profundo conhecimento dos componentes ópticos, de controlo de movimento e de entrega do feixe, bem como da dinâmica térmica e das ferramentas.

A IPG estava em uma posição única para projetar essa solução, pois projetamos e fabricamos internamente toda a pilha tecnológica para esse sistema. Produzimos lasers de fibra, é claro, mas também cabeças de digitalização, sistemas de movimento, software de controlo e o próprio sistema LDD. Também construímos e integramos esses componentes e tecnologias em muitos dos nossos subsistemas prontos para uso e personalizados, sistemas completos e linhas de produção.

Essa integração vertical nos dá duas vantagens importantes no desenvolvimento de soluções exclusivas a laser. Primeiro, temos a experiência necessária para entender completamente e caracterizar os problemas antes de identificar as soluções. Segundo, temos os recursos de desenvolvimento e o controlo de engenharia sobre todos os componentes do sistema necessários para implementá-las de forma eficaz.

Com esses recursos, os projetistas da IPG conseguiram desenvolver uma solução que adquire dados LDD de alta qualidade em velocidades de produção e sincroniza o direcionamento do feixe no nível de precisão necessário para que o OTF + LDD funcione de forma confiável na linha. Também desenvolvemos as rotinas de calibração, os algoritmos de correção e as ferramentas de suporte necessárias para manter essa precisão ao longo do tempo, apesar do calor, da vibração, da contaminação e do desgaste.

Mas mesmo isso não é suficiente. Em ambientes de produção, o desempenho depende tanto do que está ao redor do sistema a laser quanto do que está dentro dele. É por isso que também fornecemos fixação, braçadeiras e ferramentas.

Por exemplo, as placas coletoras nem sempre ficam perfeitamente alinhadas com os terminais das células. As barras coletoras nem sempre são rígidas. A distância entre duas peças pode variar ligeiramente de solda para solda. Essa é a realidade, e os nossos sistemas foram projetados para acomodá-la. Seja com ferramentas acionadas por mola para garantir um contacto consistente, sistemas de pórtico com repetibilidade em nível de mícron ou procedimentos automáticos de alinhamento de feixes para compensar o desvio térmico, criamos soluções completas, não apenas componentes. 

 

Introdução a uma solução a laser

Tecnologias IPG, como soldagem instantânea e medição de soldagem a laser em tempo real, são componentes essenciais utilizados em soluções de soldagem a laser de alta produtividade. Interessado em saber mais sobre como uma solução a laser IPG pode beneficiar a sua operação?

Começar é fácil – envie-nos algumas peças de amostra, visite um dos nossos laboratórios de aplicação globais ou simplesmente conte-nos sobre a sua aplicação.

 

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