HÀN LASER NẮP VỎ PIN TRONG XE ĐIỆN

Hàn nắp pin hình trụ trong ngành sản xuất xe ô tô điện đang đối mặt với nhiều thách thức. Các mối hàn phải được thực hiện một cách hiệu quả về chi phí để đảm bảo tính khả thi của quá trình sản xuất. Đồng thời, chất lượng của các mối hàn cũng cần được đảm bảo để giữ cho nắp pin kín, giúp bảo vệ pin khỏi các tác động từ môi trường bên ngoài trong quá trình sản xuất của chiếc xe và duy trì tuổi thọ của nó.

HÌNH 1: Các hệ thống điều khiển tia laser dạng trục XY có thể sản xuất các mối hàn ổn định hơn so với các hệ thống quét bằng tia laser, vì chúng không gây ra bất kỳ biến dạng nào cho chùm tia. Tuy nhiên, do các hệ thống điều khiển tia laser dạng trục XY vẫn còn chậm, khi hàn các chi tiết lớn hơn, điều này có thể trở thành một vấn đề.

Với hiệu suất và tính tiết kiệm mà hiện nay xe điện (EV) đang trở thành một lĩnh vực mà nhiều nhà sản xuất đang tập trung nâng cao. Trong đó, công nghệ sản xuất pin được xem là một phần rất quan trọng, đặc biệt là phát triển các phương pháp và vật liệu để đồng thời giảm chi phí chế tạo (nhất là thời gian của chu kỳ sản xuất) và tăng độ tin cậy. Hàn nắp pin hình trụ là một trong những ví dụ nổi bật trong nghiên cứu này, và gần đây, công nghệ hàn laser đã được áp dụng thành công để cải thiện quy trình sản xuất.

Việc hàn vỏ với nắp đề cập đến quá trình hàn kín nắp trên vỏ, nơi chứa tất cả các cấu trúc điện cực của pin. Thường thì quá trình hàn laser này được thực hiện sau khi các bộ phận bên trong đã được lắp ráp vào vỏ. Do quá trình này diễn ra gần cuối chu kỳ sản xuất, sau khi phần lớn giá trị đã được tích lũy trong quá trình lắp ráp, việc loại bỏ bất kỳ thành phần nào ở giai đoạn này sẽ rất tốn kém.

Để thực hiện quá trình hàn laser kín, cần thực hiện một mối hàn dài và liên tục trên toàn bộ chu vi của pin hình lăng trụ, có kích thước rộng khoảng 20mm và dài tối đa 300mm. Các nhà sản xuất cần tuân thủ các yêu cầu sau đây:

• Mối hàn phải đảm bảo kín, không có khe hở dọc theo toàn bộ mối hàn, ngay cả khi phần lắp ghép ban đầu không hoàn hảo hoặc không đồng nhất, đặc biệt là ở các góc.
• Mối hàn phải đạt được độ ngấu thích hợp và độ rỗ mối hàn thấp để tạo ra một mối hàn đủ chắc chắn nhằm kéo dài tuổi thọ pin mà không bị nứt vỡ, ngay cả khi bị rung và sốc cơ học.
• Quá trình hàn không được tạo ra bất kỳ tia lửa nào. Đặc biệt quan trọng, không được phép xảy ra hiện tượng bắn tia lửa bên trong pin, nơi nó có thể gây ra hiện tượng đoản mạch. Yếu tố chủ yếu dẫn đến hiện tượng này là do hệ số phản xạ cao và nhiệt độ nóng chảy thấp của nhôm, điều này có thể gây ra sự mất ổn định của đường hàn là xuất hiện hiện tượng bắn tia lửa khi hàn.
• Nhiệt độ trong quá trình hàn phải được kiểm soát để tránh gây thiệt hại đến các bộ phận bên trong của pin.

Hàn laser fiber là giải pháp đáp ứng tốt các yêu cầu trong việc hàn nắp pin hình trụ. Được xem là công cụ sản xuất hiệu quả nhất trong quá trình này, Laser fiber tự khẳng định vị thế của mình. Thông thường, để thực hiện việc hàn, hệ thống quang học sẽ được gắn vào trục XY và di chuyển theo đường hàn để tạo ra hình dạng mong muốn.

Phương pháp hàn bằng Laser fiber có ưu điểm là đem lại sự chính xác cao về mặt cơ khí và đảm bảo tính đồng nhất của mối hàn. Điều này là do chùm tia laser luôn tác động vào vị trí và góc của phôi gia công một cách không thay đổi trong quá trình hàn. Tuy nhiên, việc di chuyển hệ thống quang học hoặc di chuyển pin khiến cho hệ trục di chuyển hoạt động chậm, gây ra một số khó khăn trong quá trình sản xuất. Vì vậy, tốc độ chậm cần được giải quyết để tránh tăng chi phí sản xuất.

Hàn laser tiết diện rộng nhanh hơn

Khi các nhà sản xuất tăng cường năng lực sản xuất và sử dụng pin hình trụ có kích thước lớn hơn, việc hàn trên hệ trục XY trở thành một vấn đề khó khăn do giới hạn tốc độ. Để giải quyết vấn đề này, một phương pháp nhanh hơn được sử dụng là sử dụng hệ thống quét để tăng tốc độ hàn (xem Hình 1). Các hệ thống quét sử dụng gương quét để di chuyển chùm tia laser, giúp giảm thiểu việc di chuyển vật lý của cụm quang học hội tụ và đạt được tốc độ hàn cao hơn.

Tuy nhiên, việc sử dụng hệ thống quét cũng gặp phải những thách thức khi hàn các bộ phận vật lý lớn hơn. Điều này được giải thích bởi một số lý do. Đầu tiên, khi chùm tia laser tiếp xúc với biên vùng khắc, nó có thể bị biến dạng hình học, từ hình tròn sang hình bầu dục, đặc biệt là với các chi tiết lớn và có nhiều góc cạnh. Thứ hai, sự biến dạng chùm tia kết hợp với sự thay đổi góc quét có thể tạo ra đường hàn không đáp ứng yêu cầu chất lượng của khách hàng. Ngoài ra, sự thay đổi kích thước chùm tia và góc tới trên chi tiết cũng ảnh hưởng đến mật độ công suất tại bề mặt làm việc và ảnh hưởng đến chất lượng của đường hàn.

Gần đây, đã có giải pháp để khắc phục các nhược điểm trên. Đó là sự xuất hiện của các nguồn laser fiber có thể điều chỉnh được hình dạng của chùm tia. Điều này cho phép hệ thống hàn laser giảm thiểu sự biến dạng của chùm tia tại biên vùng quét cũng như các thay đổi về tốc độ quét trong quá trình hàn (chẳng hạn như ở các góc cong).

Coherent đã giới thiệu hàn laser fiber chế độ vòng có thể điều chỉnh (ARM) như là một hiện thân của công nghệ này. Với loại laser này, chùm tia không còn là một điểm truyền thống mà thay vào đó, nó được phân bố mật độ xung quanh một điểm trung tâm và được bao quanh bởi một vòng laser đồng tâm.

Một điểm quan trọng là khả năng kiểm soát năng lượng tại trung tâm và vòng tròn bao quanh có thể được điều chỉnh độc lập trong một khoảng thời gian rất ngắn. Điều này cho phép kiểm soát công suất đóng và mở với độ chính xác và khả năng lặp lại cao. Kết quả là khả năng điều khiển linh hoạt với độ chính xác cao trong việc phân bổ năng lượng laser trong quá trình hàn.

Tia Laser fiber đi đến biên

Phương pháp sử dụng laser ARM được áp dụng một cách chính xác, cho phép tạo ra các mối hàn nắp pin hình trụ chất lượng cao bằng hệ thống quét. Điều đáng chú ý là tỷ lệ công suất của chùm tia trung tâm và vòng tròn tia có thể được thay đổi nhanh chóng để tạo ra đường hàn ổn định, ngay cả khi điểm hội tụ của tia bị kéo dài.

HÌNH 2: Việc thay đổi tỷ lệ công suất giữa chùm tia trung tâm và chùm tia vòng ngoài, laser ARM có thể bù cho sự biến dạng của chùm tia ở điểm hội tụ tại rìa của vùng quét. Điều này dẫn đến việc tạo ra các mối hàn đồng nhất và ổn định hơn, ngay cả khi sử dụng hệ thống quét trên các chi tiết phức tạp. (Lưu ý: độ méo của chùm tia đã được phóng đại trong hình minh họa).

Để đáp ứng đúng tốc độ quét, công suất tổng và tỉ lệ công suất cũng có thể được thay đổi nhanh chóng (tham khảo Hình 2). Điều này rất cần thiết vì tốc độ của điểm laser trên phôi gia công chậm lại khi đến góc của đường hàn, và sau đó tăng trở lại khi ra khỏi góc. Điều này cũng đúng khi hàn bất kỳ mối hàn nào có liên quan đến các đường cong hoặc góc hẹp.

Cách tiếp cận này cũng cho phép kiểm soát độc lập chiều rộng và độ sâu của đường hàn, loại bỏ sự cần thiết phải duy trì dung sai chặt chẽ khi lắp bộ phận. Điều này giúp giảm chi phí sản xuất và giảm thiểu vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) cho phép quét với tốc độ cao (>350mm/giây) và có thể thực hiện các vùng quét lớn mà vẫn đảm bảo chất lượng hàn. (Xem Hình 3).

HÌNH 3: Trên một pin có kích thước 300x20mm, đã thực hiện một đường hàn liên tục trên nắp và vỏ. Sử dụng tia laser HighLight FL-ARM 100/290 và đầu quét II-VI RLSK hoạt động ở tốc độ 350mm/giây, đường hàn đơn này có độ đồng nhất cao trên toàn bộ vùng quét lớn. Công suất của chùm tia trung tâm và chùm tia vòng biên đã được điều chỉnh ở các vị trí khác nhau trên mối hàn (xem bảng), với kết quả tương tự nhau trên nửa sau của đường hàn.

Vượt trên sự đánh đổi giữa tốc độ và chất lượng

Công nghệ laser Fiber đã trở thành một trong những thành công lớn trong các ứng dụng công nghiệp xử lý vật liệu trong suốt 20 năm qua, thay thế nhiều công nghệ laser và phi laser khác. Tuy nhiên, trong thời gian đó, phần lớn các nhà sản xuất nguồn laser fiber đã tập trung chủ yếu vào việc nâng cao công suất đầu ra.

Trong thực tế, các yêu cầu hàn cao nhất hiện nay đang tập trung vào tính linh hoạt và trọng lượng nhẹ, đòi hỏi nhiều hơn chỉ năng lượng thô và sức mạnh thuần túy. Điều này đặc biệt quan trọng trong việc hàn các vật liệu mỏng hoặc nhạy cảm nhiệt, xử lý các vật liệu “khó” (như nhôm, đồng và thép cường độ cao) và nối các vật liệu khác nhau. Chính vì vậy, khả năng kiểm soát chính xác cách phân bố năng lượng laser trên bề mặt làm việc – cả về không gian và thời gian – trở thành điều cần thiết để thực hiện thành công các ứng dụng này.

Công nghệ ARM đã được giới thiệu nhằm đáp ứng nhu cầu linh hoạt và trọng lượng nhẹ trong các ứng dụng hàn. Nó giải quyết vấn đề đánh đổi truyền thống giữa tốc độ và chất lượng của laser fiber để hàn pin hình trụ. Nhờ vào công nghệ này, các hệ thống quét có thể cung cấp giải pháp hàn tiết kiệm chi phí và hiệu suất cao cho sản xuất số lượng lớn.

Một số dòng máy công nghiệp tại Namson Laser có liên quan:

• Máy hàn laser cầm tay Powerweld Handheld 1500W – Ra phiên bản nhỏ gọn. Chi tiết xem TẠI ĐÂY

Cận cảnh máy hàn laser cầm tay PowerWeld Handheld công suất 1500W

• Máy hàn laser cầm tay Namson PowerWeld Handheld. Chi tiết xem TẠI ĐÂY
• Máy hàn laser khuôn mẫu Namson PowerWeld DL – XYZ – 200. Chi tiết xem TẠI ĐÂY

Namson Laser là đơn vị sản xuất máy laser công nghiệp và phân phối máy laser công nghiệp từ nhiều thương hiệu uy tín trên thị trường Quốc tế. Chúng tôi cam kết mang đến cho khách hàng những sản phẩm chính hãng, chất lượng và dịch vụ hỗ trợ tận tình.

Liên hệ ngay cho chúng tôi qua HOTLINE 0909 961 715 hoặc nhắn tin trực tiếp qua FANPAGE NAMSON LASER để được đội ngũ tư vấn hỗ trợ tận tình mọi vấn đề có liên quan nhé!