Os fabricantes de módulos de baterias para veículos elétricos enfrentam uma pressão contínua para melhorar o desempenho do sistema – particularmente aumentando o alcance e reduzindo os tempos de carregamento – e, ao mesmo tempo, reduzir os custos de produção. Essas pressões de preço muitas vezes levam os fabricantes a preferir células prismáticas, que são atualmente o formato de bateria mais económico. Infelizmente, as células prismáticas normalmente oferecem um desempenho inferior em comparação com as alternativas cilíndricas, deixando os projetistas de sistemas com apenas metade do problema resolvido.
É possível melhorar as taxas de carga e descarga em designs prismáticos aumentando a área transversal da barra coletora, reduzindo assim a resistência elétrica. Mas barras coletoras mais espessas apresentam novos desafios, especialmente para soldagem. Em particular, os lasers tradicionalmente usados para unir barras coletoras a terminais podem ter dificuldade em alcançar a penetração mais profunda necessária sem aplicar calor excessivo, o que aumenta as chances de danos às peças.
Agora, duas tecnologias superaram esses desafios, permitindo a soldagem econômica de barramentos mais espessos, mantendo a velocidade, a confiabilidade e os rendimentos necessários para a produção em grande volume. A primeira dessas tecnologias é a soldagem a laser de fibra de feixe duplo. A segunda é a medição e verificação da soldagemem tempo real durante o processo, usando tomografia de coerência óptica (OCT).
Aqui, aprenderemos como cada uma dessas ferramentas apoia a próxima geração de fabricação avançada de módulos de baterias para veículos elétricos.
Soldagem a laser de feixe duplo
A tecnologia de feixe duplo é um dos avanços mais significativos no processamento a laser nos últimos anos. O seu impacto é especialmente pronunciado na fabricação de veículos elétricos, onde permite a soldagem confiável de metais altamente refletivos, como cobre e alumínio, bem como combinações desafiadoras de materiais diferentes. Esses materiais frequentemente apresentam respingos, porosidade e profundidade de penetração inconsistente quando soldados com lasers de fibra de feixe único tradicionais.
A forma mais utilizada e eficaz de tecnologia de feixe duplo apresenta um «feixe central» redondo, rodeado por um «feixe anular» concêntrico. A potência de cada um pode ser ajustada independentemente – idealmente em toda a gama de 0% a 100%.
Como funciona a soldagem a laser de feixe duplo
Para compreender os benefícios desta configuração, é importante perceber que a soldagem estável com laser requer o equilíbrio adequado de duas forças opostas dentro do metal fundido.
Pressão: A primeira força é a pressão que abre e mantém a fechadura. Essa pressão é criada quando o laser aquece a superfície e o metal vaporizado se expande.
Tensão superficial: A segunda é uma combinação da tensão superficial e das forças viscosas no metal fundido que atuam para fechar o buraco da fechadura.
Quando o equilíbrio entre essas duas forças opostas é perturbado, o buraco da fechadura pode oscilar, colapsar, reter gás ou ejetar metal fundido.
Na soldagem a laser de feixe duplo, o feixe central inicia e mantém o orifício da solda, enquanto o feixe anular estabiliza a poça de fusão. Especificamente, o feixe anular pré-aquece e derrete suavemente o material ao redor do núcleo. Isso suaviza os gradientes de temperatura e permite que o vapor seja liberado de forma constante, reduzindo os picos de pressão que causam respingos, colapso ou outras instabilidades. Dessa forma, o equilíbrio das forças é mantido.
Manter a área ao redor do buraco da fechadura fundida também permite que o material flua de volta para dentro dele. Assim, ele pode se espalhar de maneira mais uniforme antes de solidificar. Além disso, o aquecimento do feixe do anel retarda o arrefecimento e a solidificação, o que evita rachaduras por calor no alumínio.
A pré-fusão da viga circular também aumenta a absorção da luz infravermelha no cobre, aumentando a eficiência do processo e melhorando ainda mais a estabilidade.
Juntos, esses efeitos praticamente eliminam respingos, proporcionam penetração consistente e produzem juntas mais lisas com resistência mecânica superior. E os lasers de feixe duplo realizam isso em velocidades de soldagem até dez vezes mais rápidas do que os sistemas de feixe único.
Alcançando precisão com lasers monomodo
Os lasers de feixe duplo estão disponíveis com muitas combinações possíveis de potência total de saída, relação entre o tamanho do anel e do núcleo e tamanho geral do feixe. Não existe uma configuração universal "ideal" – como sempre, os parâmetros ideais do laser dependem dos materiais específicos e dos requisitos do processo.
No caso da soldagem de barramentos mais espessos (acima de 2 mm), é fundamental obter uma penetração profunda, juntamente com seções transversais de solda grandes e consistentes, a fim de minimizar a resistência elétrica. Existem algumas abordagens diferentes para alcançar isso.
A primeira é utilizar um laser de alta potência e feixe duplo com um feixe central multimodo. Esta configuração permite fornecer rapidamente uma grande quantidade de energia laser numa zona de soldadura relativamente grande.
A vantagem desta abordagem é a rapidez. Ela produz uma solda de grande secção transversal muito rapidamente.
O lado negativo é que fornecer toda essa energia tão rapidamente cria uma zona afetada pelo calor (HAZ) considerável. Isso aumenta a possibilidade de danificar peças ou estruturas sensíveis ao calor nas proximidades (como componentes plásticos atrás do terminal).
A segunda abordagem consiste em utilizar um laser de feixe duplo com um feixe central de potência mais baixa e modo único (TEM00). Apesar da sua potência total mais baixa, a elevada qualidade do feixe permite que o feixe central seja focado num ponto muito mais pequeno. Isto produz uma densidade de energia mais elevada do que a que normalmente se consegue com um feixe multimodo.
Os feixes com maior densidade de energia alcançam uma penetração mais profunda em comparação com os feixes com menor densidade de energia da mesma potência total. Além disso, o perfil do feixe de um laser monomodo é inerentemente mais consistente ao longo do tempo do que um laser multimodo, permitindo um melhor controlo do orifício e maior consistência do processo.
O resultado é que um laser de feixe duplo com um feixe central monomodo pode iniciar rapidamente uma soldadura, mesmo em metais de alta refletividade, como cobre e alumínio. Simultaneamente, atinge rapidamente a profundidade de penetração de soldadura necessária. Como mais energia do laser é direcionada para soldar o material, em vez de aquecê-lo, a HAZ é minimizada.
E há outro benefício mais subtil de um feixe central monomodo. A sua melhor qualidade de modo (M²) significa um aumento no alcance de Rayleigh. Essa é a distância ao longo da qual o feixe focado mantém um tamanho de ponto quase constante.
Como o tamanho do feixe não varia tanto acima e abaixo do ponto de foco, o processo de soldagem torna-se muito menos sensível a alterações na altura ou espessura do material. Isso significa um processo mais tolerante e uma janela de processo mais ampla. Isso pode ter um enorme impacto no rendimento em ambientes reais de soldagem de produção.
Por fim, deve-se observar que todos esses benefícios variam de acordo com a qualidade do modo do laser. À medida que M² diminui (indicando um aumento na qualidade do feixe), todos esses benefícios se tornam mais pronunciados.
É claro que há uma desvantagem em soldar com um feixe de núcleo monomodo. Isso produz uma costura de solda mais estreita, o que significa que é necessária uma solda mais longa para construir uma secção transversal de solda total suficientemente grande. Normalmente, isso é conseguido soldando um padrão (como uma espiral) ou fazendo várias soldas curtas e próximas umas das outras, em vez de uma única solda longa e reta.
Portanto, há uma clara relação entre a velocidade do processo e a qualidade da soldadura. A soldadura a laser multimodo é mais rápida, mas gera uma maior HAZ. A soldadura a laser monomodo demora mais tempo a soldar uma determinada secção transversal, mas minimiza a HAZ e maximiza a qualidade da junta soldada.
Priorizando a garantia da qualidade da soldadura
Um módulo de bateria de veículo elétrico pode conter centenas de soldas individuais. Uma única conexão defeituosa pode aumentar a resistência interna, reduzir o desempenho da bateria ou até mesmo criar um risco à segurança. Isso significa que uma taxa de defeitos tão baixa quanto 1 em 10.000 pode resultar em falhas frequentes no nível do módulo. Isso torna a verificação em linha imperativa, mesmo quando se utilizam sistemas de soldagem a laser altamente confiáveis.
Tradicionalmente, a maioria dos sistemas de monitorização de soldadura utiliza sensores fotodiodos que detetam a luz emitida pela poça fundida e pela pluma de plasma acima da soldadura. Estes sinais são então comparados estatisticamente com dados de referência armazenados de soldaduras conhecidas como boas. Embora este método possa revelar alterações gerais no processo, na verdade não mede a soldadura em si , apenas como a luz emitida difere das médias anteriores.
Além disso, como o sinal depende da luz recolhida e não da geometria real da soldadura, ele é facilmente influenciado por fatores não relacionados. Variações na refletividade da superfície, no alinhamento do feixe ou na posição do foco podem alterar a quantidade de luz refletida e gerar leituras falsas. Para piorar a situação, a subpenetração e a superpenetração geralmente geram perfis de emissão quase idênticos. Essa ambiguidade pode levar a descartes desnecessários, retrabalho e incerteza contínua sobre a qualidade real da soldadura.
A tomografia de coerência óptica (OCT) foi desenvolvida para fornecer uma medição direta da profundidade real da solda. A OCT utiliza um feixe de medição de baixa potência, próximo ao infravermelho, projetado através da mesma óptica do laser de soldagem. Isso significa que ele permanece sempre perfeitamente alinhado e coaxial com o feixe do processo.
A luz da fonte OCT entra no buraco da fechadura e é refletida de volta. A interferometria é usada para obter a distância até a superfície refletora – neste caso, a parte inferior do buraco da fechadura.
Esta reflexão é monitorizada continuamente para fornecer uma medição em tempo real da profundidade do orifício com precisão ao nível do mícron. Como deteta através de interferência coerente, em vez de depender do brilho ou da temperatura da pluma de soldadura, a OCT não é afetada por alterações na condição da superfície, refletividade do material ou potência do feixe.
A OCT é particularmente valiosa para soldagem de feixes de núcleo monomodo. Isso produz orifícios profundos, estreitos e com alta relação de aspecto, que são difíceis de acessar para a maioria dos sistemas ópticos. Mas a OCT pode facilmente sondar orifícios com apenas algumas dezenas de mícrons de largura. Como resultado, ela é altamente adequada para medir a penetração em barramentos espessos, onde o controle de profundidade é crítico.
A velocidade dos instrumentos OCT permite que os fabricantes validem cada soldadura realizada em tempo real. Condições como subpenetração ou sobrepenetração podem ser identificadas e sinalizadas imediatamente.
Para a produção em grande volume de baterias para veículos elétricos, isso significa maior rendimento, maior produtividade e muito mais confiança de que todas as ligações dos barramentos são feitas de acordo com as especificações. Além disso, os dados de medição armazenados permitem um maior grau de rastreabilidade.
Introdução a uma solução a laser
Juntos, os lasers de fibra de feixe duplo e a medição da profundidade da soldadura OCT em tempo real e em linha permitem uma soldadura fiável e económica de barramentos espessos. A IPG Photonics é a única capaz de combinar estas tecnologias para oferecer a solução ideal para a sua aplicação específica de soldadura.
Isso porque oferecemos a maior seleção de lasers de fibra de feixe duplo disponível e também construímos e integramos nossa própria ferramenta de medição de soldagem a laser baseada em OCT. Isso garante alta qualidade de dados, estabilidade e confiabilidade operacional de forma consistente.
Fale com um dos nossos especialistas em soldagem a laser para começar a selecionar o sistema certo para as suas necessidades de soldagem de baterias.
