คำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับเทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์สำหรับแบตเตอรี่เปลือกอะลูมิเนียม

แบตเตอรี่ลิเธียมทรงสี่เหลี่ยมเปลือกอะลูมิเนียมมีข้อดีหลายประการ เช่น โครงสร้างเรียบง่าย ทนทานต่อแรงกระแทกได้ดี มีความหนาแน่นพลังงานสูง และมีความจุเซลล์ขนาดใหญ่ จึงเป็นทิศทางหลักของการผลิตและการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมในประเทศมาโดยตลอด โดยครองส่วนแบ่งตลาดมากกว่า 40%

โครงสร้างของแบตเตอรี่ลิเธียมทรงสี่เหลี่ยมเปลือกอะลูมิเนียมแสดงดังรูป ซึ่งประกอบด้วยแกนแบตเตอรี่ (แผ่นขั้วบวกและขั้วลบ แผ่นกั้น) สารละลายอิเล็กโทรไลต์ เปลือก ฝาปิดด้านบน และส่วนประกอบอื่นๆ

โครงสร้างแบตเตอรี่ลิเธียมทรงสี่เหลี่ยมหุ้มด้วยเปลือกอะลูมิเนียม

ในระหว่างกระบวนการผลิตและประกอบแบตเตอรี่ลิเธียมเปลือกอะลูมิเนียมทรงสี่เหลี่ยม พบว่ามีจำนวนมากการเชื่อมด้วยเลเซอร์จำเป็นต้องมีกระบวนการต่างๆ เช่น การเชื่อมจุดเชื่อมต่ออ่อนๆ ระหว่างเซลล์แบตเตอรี่และแผ่นปิด การเชื่อมปิดผนึกแผ่นปิด การเชื่อมหมุดปิดผนึก เป็นต้น การเชื่อมด้วยเลเซอร์เป็นวิธีการเชื่อมหลักสำหรับแบตเตอรี่แบบปริซึม เนื่องจากมีความหนาแน่นพลังงานสูง เสถียรภาพพลังงานที่ดี ความแม่นยำในการเชื่อมสูง การรวมเข้ากับระบบได้ง่าย และข้อดีอื่นๆ อีกมากมายการเชื่อมด้วยเลเซอร์มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในกระบวนการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมเปลือกอะลูมิเนียมทรงปริซึม ซึ่งไม่สามารถทดแทนได้

แท่นวัดกระแสไฟฟ้าอัตโนมัติ 4 แกน Mavenเครื่องเชื่อมไฟเบอร์เลเซอร์

รอยเชื่อมของฝาปิดด้านบนเป็นรอยเชื่อมที่ยาวที่สุดในแบตเตอรี่เปลือกอลูมิเนียมทรงสี่เหลี่ยม และยังเป็นรอยเชื่อมที่ใช้เวลานานที่สุดในการเชื่อมอีกด้วย ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา อุตสาหกรรมการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมได้พัฒนาอย่างรวดเร็ว และเทคโนโลยีการเชื่อมด้วยเลเซอร์สำหรับฝาปิดด้านบนและเทคโนโลยีอุปกรณ์ก็พัฒนาอย่างรวดเร็วเช่นกัน โดยพิจารณาจากความเร็วและประสิทธิภาพการเชื่อมที่แตกต่างกันของอุปกรณ์ เราสามารถแบ่งอุปกรณ์และกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์สำหรับฝาปิดด้านบนออกเป็นสามยุคคร่าวๆ ได้แก่ ยุค 1.0 (2015-2017) ที่ความเร็วในการเชื่อม <100 มม./วินาที ยุค 2.0 (2017-2018) ที่ 100-200 มม./วินาที และยุค 3.0 (2019-) ที่ 200-300 มม./วินาที ต่อไปนี้จะเป็นการแนะนำการพัฒนาของเทคโนโลยีตามช่วงเวลาที่ผ่านมา:

1. เทคโนโลยีการเชื่อมเลเซอร์ฝาครอบด้านบนยุค 1.0

ความเร็วในการเชื่อม＜100 มม./วินาที

ตั้งแต่ปี 2015 ถึง 2017 ยานยนต์พลังงานใหม่ในประเทศเริ่มเติบโตอย่างรวดเร็วจากการสนับสนุนนโยบาย และอุตสาหกรรมแบตเตอรี่ก็เริ่มขยายตัว อย่างไรก็ตาม การสั่งสมเทคโนโลยีและทรัพยากรบุคคลของบริษัทในประเทศยังค่อนข้างน้อย กระบวนการผลิตแบตเตอรี่และเทคโนโลยีอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องก็ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น และระดับการทำงานอัตโนมัติของอุปกรณ์ก็ค่อนข้างต่ำ ผู้ผลิตอุปกรณ์เพิ่งเริ่มให้ความสนใจกับการผลิตแบตเตอรี่และเพิ่มการลงทุนในการวิจัยและพัฒนา ในขั้นตอนนี้ ความต้องการประสิทธิภาพการผลิตของอุปกรณ์ปิดผนึกด้วยเลเซอร์สำหรับแบตเตอรี่ทรงสี่เหลี่ยมมักอยู่ที่ 6-10 ชิ้นต่อนาที โซลูชันอุปกรณ์มักใช้เลเซอร์ไฟเบอร์ 1 กิโลวัตต์ในการปล่อยแสงผ่านอุปกรณ์ทั่วไปหัวเชื่อมเลเซอร์(ดังแสดงในภาพ) และหัวเชื่อมจะขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์เซอร์โวแพลตฟอร์มหรือมอเตอร์เชิงเส้น การเคลื่อนที่และการเชื่อม ความเร็วในการเชื่อม 50-100 มม./วินาที

ใช้เลเซอร์ขนาด 1 กิโลวัตต์เชื่อมฝาครอบด้านบนของแกนแบตเตอรี่

ในการเชื่อมด้วยเลเซอร์เนื่องจากความเร็วในการเชื่อมค่อนข้างต่ำและระยะเวลาของวงจรความร้อนในการเชื่อมค่อนข้างนาน ทำให้บ่อหลอมเหลวมีเวลาเพียงพอที่จะไหลและแข็งตัว และก๊าซป้องกันสามารถปกคลุมบ่อหลอมเหลวได้ดีขึ้น ทำให้ได้พื้นผิวที่เรียบเนียนและสม่ำเสมอ ดังแสดงในภาพด้านล่าง

การขึ้นรูปตะเข็บเชื่อมสำหรับการเชื่อมฝาครอบด้านบนด้วยความเร็วต่ำ

ในแง่ของอุปกรณ์ แม้ว่าประสิทธิภาพการผลิตจะไม่สูงนัก แต่โครงสร้างของอุปกรณ์ค่อนข้างเรียบง่าย มีเสถียรภาพดี และต้นทุนอุปกรณ์ต่ำ ซึ่งตอบสนองความต้องการของการพัฒนาอุตสาหกรรมในขั้นตอนนี้ได้เป็นอย่างดี และวางรากฐานสำหรับการพัฒนาเทคโนโลยีในอนาคต

แม้ว่าการเชื่อมปิดฝาครอบด้านบนยุค 1.0 จะมีข้อดีคืออุปกรณ์ไม่ซับซ้อน ต้นทุนต่ำ และมีเสถียรภาพดี แต่ข้อจำกัดโดยธรรมชาติก็ชัดเจนมากเช่นกัน ในแง่ของอุปกรณ์ กำลังขับของมอเตอร์ไม่สามารถตอบสนองความต้องการในการเพิ่มความเร็วได้อีกต่อไป ในแง่ของเทคโนโลยี การเพิ่มความเร็วในการเชื่อมและกำลังส่งของเลเซอร์ให้มากขึ้นจะทำให้กระบวนการเชื่อมไม่เสถียรและผลผลิตลดลง การเพิ่มความเร็วจะทำให้เวลาของวงจรความร้อนในการเชื่อมสั้นลง และกระบวนการหลอมโลหะจะรุนแรงขึ้น การกระเด็นของโลหะเพิ่มขึ้น ความสามารถในการปรับตัวต่อสิ่งสกปรกจะแย่ลง และมีโอกาสเกิดรูจากการกระเด็นของโลหะมากขึ้น ในขณะเดียวกัน เวลาการแข็งตัวของบ่อหลอมเหลวจะสั้นลง ซึ่งจะทำให้พื้นผิวรอยเชื่อมหยาบและมีความสม่ำเสมอน้อยลง เมื่อจุดเลเซอร์มีขนาดเล็ก ความร้อนที่ป้อนเข้าไปจะไม่มากและสามารถลดการกระเด็นของโลหะได้ แต่สัดส่วนความลึกต่อความกว้างของรอยเชื่อมจะมากและความกว้างของรอยเชื่อมจะไม่เพียงพอ เมื่อจุดเลเซอร์มีขนาดใหญ่ จำเป็นต้องป้อนกำลังเลเซอร์มากขึ้นเพื่อเพิ่มความกว้างของรอยเชื่อม แม้จะมีขนาดใหญ่ แต่ในขณะเดียวกันก็จะทำให้เกิดการกระเด็นของโลหะจากการเชื่อมมากขึ้น และคุณภาพการขึ้นรูปพื้นผิวของรอยเชื่อมไม่ดี ภายใต้ระดับเทคโนโลยีในปัจจุบัน การเร่งความเร็วในการเชื่อมต่อไปหมายความว่าผลผลิตจะต้องถูกแลกเปลี่ยนกับประสิทธิภาพ และความต้องการในการอัพเกรดอุปกรณ์และเทคโนโลยีการผลิตได้กลายเป็นความต้องการของอุตสาหกรรม

2. ยุค 2.0 ของปกยอดนิยมการเชื่อมด้วยเลเซอร์เทคโนโลยี

ความเร็วในการเชื่อม 200 มม./วินาที

ในปี 2559 กำลังการผลิตแบตเตอรี่รถยนต์ของจีนอยู่ที่ประมาณ 30.8 กิกะวัตต์ชั่วโมง (GWh) ในปี 2560 อยู่ที่ประมาณ 36 กิกะวัตต์ชั่วโมง และในปี 2561 ก็มีการเติบโตอย่างก้าวกระโดด โดยกำลังการผลิตติดตั้งแตะ 57 กิกะวัตต์ชั่วโมง เพิ่มขึ้น 57% เมื่อเทียบกับปีก่อนหน้า นอกจากนี้ รถยนต์นั่งส่วนบุคคลพลังงานใหม่ยังผลิตได้เกือบหนึ่งล้านคัน เพิ่มขึ้น 80.7% เมื่อเทียบกับปีก่อนหน้า เบื้องหลังการเติบโตอย่างก้าวกระโดดของกำลังการผลิตติดตั้งคือการเพิ่มกำลังการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียม แบตเตอรี่รถยนต์นั่งส่วนบุคคลพลังงานใหม่คิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 50% ของกำลังการผลิตติดตั้งทั้งหมด ซึ่งหมายความว่าข้อกำหนดของอุตสาหกรรมด้านประสิทธิภาพและคุณภาพของแบตเตอรี่จะเข้มงวดมากขึ้นเรื่อยๆ และการพัฒนาเทคโนโลยีอุปกรณ์การผลิตและเทคโนโลยีการผลิตที่เกี่ยวข้องก็เข้าสู่ยุคใหม่เช่นกัน เพื่อตอบสนองความต้องการกำลังการผลิตแบบสายการผลิตเดียว จำเป็นต้องเพิ่มกำลังการผลิตเครื่องเชื่อมเลเซอร์ฝาครอบด้านบนเป็น 15-20 เครื่องต่อนาที (PPM) และอื่นๆการเชื่อมด้วยเลเซอร์ความเร็วต้องสูงถึง 150-200 มม./วินาที ดังนั้น ในแง่ของมอเตอร์ขับเคลื่อน ผู้ผลิตอุปกรณ์ต่างๆ จึงได้ปรับปรุงแพลตฟอร์มมอเตอร์เชิงเส้นเพื่อให้กลไกการเคลื่อนที่ตรงตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพการเคลื่อนที่สำหรับการเชื่อมแบบเส้นตรงด้วยความเร็วสม่ำเสมอ 200 มม./วินาที อย่างไรก็ตาม การรับประกันคุณภาพการเชื่อมภายใต้ความเร็วสูงนั้นจำเป็นต้องมีการพัฒนาเพิ่มเติม และบริษัทต่างๆ ในอุตสาหกรรมได้ทำการสำรวจและศึกษามากมาย: เมื่อเทียบกับยุค 1.0 ปัญหาที่การเชื่อมความเร็วสูงในยุค 2.0 เผชิญคือ การใช้เลเซอร์ไฟเบอร์ธรรมดาเพื่อสร้างแหล่งกำเนิดแสงจุดเดียวผ่านหัวเชื่อมธรรมดา ทำให้การเลือกใช้เลเซอร์นั้นยากที่จะตรงตามข้อกำหนด 200 มม./วินาที

ในวิธีการแก้ปัญหาทางเทคนิคดั้งเดิม การควบคุมผลลัพธ์ของการเชื่อมทำได้โดยการตั้งค่าตัวเลือก ปรับขนาดจุด และปรับพารามิเตอร์พื้นฐาน เช่น กำลังเลเซอร์เท่านั้น: เมื่อใช้การตั้งค่าที่มีจุดเล็ก รูเชื่อมจะเล็ก รูปทรงของบ่อหลอมจะไม่คงที่ และการเชื่อมจะไม่เสถียร ความกว้างของรอยเชื่อมก็ค่อนข้างแคบ เมื่อใช้การตั้งค่าที่มีจุดแสงขนาดใหญ่ รูเชื่อมจะใหญ่ขึ้น แต่กำลังการเชื่อมจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก และอัตราการกระเด็นและรูระเบิดก็จะเพิ่มขึ้นอย่างมากเช่นกัน

ตามทฤษฎีแล้ว หากคุณต้องการให้แน่ใจว่าการขึ้นรูปเชื่อมด้วยความเร็วสูงมีประสิทธิภาพการเชื่อมด้วยเลเซอร์สำหรับฝาครอบด้านบน คุณต้องมีคุณสมบัติตามข้อกำหนดต่อไปนี้:

① รอยเชื่อมมีความกว้างเพียงพอ และอัตราส่วนความลึกต่อความกว้างของรอยเชื่อมเหมาะสม ซึ่งหมายความว่าช่วงการให้ความร้อนของแหล่งกำเนิดแสงต้องมีขนาดใหญ่พอ และพลังงานของแนวเชื่อมต้องอยู่ในช่วงที่เหมาะสม

② รอยเชื่อมจะเรียบเนียน ซึ่งต้องใช้ระยะเวลาของวัฏจักรความร้อนในการเชื่อมที่ยาวนานเพียงพอในระหว่างกระบวนการเชื่อม เพื่อให้บ่อหลอมเหลวมีความลื่นไหลเพียงพอ และรอยเชื่อมจะแข็งตัวเป็นรอยเชื่อมโลหะที่เรียบเนียนภายใต้การปกป้องของก๊าซป้องกัน

③ รอยเชื่อมมีความสม่ำเสมอดีและมีรูพรุนน้อย ซึ่งต้องอาศัยการที่เลเซอร์ทำงานอย่างเสถียรบนชิ้นงานระหว่างกระบวนการเชื่อม และสร้างพลาสมาพลังงานสูงอย่างต่อเนื่องภายในบ่อหลอม บ่อหลอมจะเกิดเป็น “รู” ภายใต้แรงปฏิกิริยาของพลาสมา รูนี้ต้องมีขนาดใหญ่และเสถียรเพียงพอ เพื่อไม่ให้ไอโลหะและพลาสมาที่เกิดขึ้นกระเด็นออกมาเป็นหยดโลหะหรือเกิดการกระเด็น และบ่อหลอมรอบๆ รูจะไม่ยุบตัวและไม่เกิดก๊าซ แม้ว่าจะมีสิ่งแปลกปลอมไหม้ระหว่างกระบวนการเชื่อมและมีการปล่อยก๊าซออกมาอย่างรุนแรง รูที่ใหญ่กว่าก็จะช่วยให้การระบายก๊าซที่รุนแรงนั้นง่ายขึ้นและลดการกระเด็นของโลหะและรูที่เกิดขึ้นได้

เพื่อตอบสนองต่อประเด็นข้างต้น บริษัทผู้ผลิตแบตเตอรี่และบริษัทผู้ผลิตอุปกรณ์ในอุตสาหกรรมได้พยายามและดำเนินการต่างๆ มากมาย: การผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมได้รับการพัฒนาในญี่ปุ่นมานานหลายทศวรรษ และเทคโนโลยีการผลิตที่เกี่ยวข้องก็เป็นผู้นำในด้านนี้

ในปี 2004 เมื่อเทคโนโลยีเลเซอร์ไฟเบอร์ยังไม่ถูกนำมาใช้ในเชิงพาณิชย์อย่างแพร่หลาย พานาโซนิคได้ใช้เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ LD และเลเซอร์ YAG ที่ใช้หลอดไฟแบบพัลส์ในการสร้างเอาต์พุตแบบผสม (แผนผังแสดงอยู่ในรูปด้านล่าง)

แผนภาพแสดงโครงสร้างเทคโนโลยีการเชื่อมแบบไฮบริดด้วยเลเซอร์หลายตัวและหัวเชื่อม

จุดแสงที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงที่เกิดจากพัลส์เลเซอร์ YAGโดยใช้เลเซอร์จุดเล็กๆ ยิงไปที่ชิ้นงานเพื่อสร้างรูเชื่อมเพื่อให้ได้การแทรกซึมของการเชื่อมที่เพียงพอ ในขณะเดียวกัน เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ LD จะถูกใช้เพื่อปล่อยเลเซอร์ต่อเนื่องแบบ CW เพื่ออุ่นและเชื่อมชิ้นงาน บ่อหลอมเหลวในระหว่างกระบวนการเชื่อมจะให้พลังงานมากขึ้นเพื่อให้ได้รูเชื่อมที่ใหญ่ขึ้น เพิ่มความกว้างของรอยเชื่อม และยืดเวลาการปิดของรูเชื่อม ช่วยให้ก๊าซในบ่อหลอมเหลวระเหยออกไปและลดรูพรุนของรอยเชื่อม ดังแสดงในภาพด้านล่าง

แผนภาพโครงร่างของระบบไฮบริดการเชื่อมด้วยเลเซอร์

การนำเทคโนโลยีนี้ไปใช้เลเซอร์ YAGและเลเซอร์ LD ที่มีกำลังเพียงไม่กี่ร้อยวัตต์ก็สามารถใช้เชื่อมเคสแบตเตอรี่ลิเธียมบางๆ ได้ด้วยความเร็วสูงถึง 80 มม./วินาที ผลการเชื่อมแสดงดังรูป

ลักษณะรอยเชื่อมภายใต้พารามิเตอร์กระบวนการที่แตกต่างกัน

ด้วยการพัฒนาและการเติบโตของเลเซอร์ไฟเบอร์ เลเซอร์ไฟเบอร์จึงค่อยๆ เข้ามาแทนที่เลเซอร์ YAG แบบพัลส์ในกระบวนการแปรรูปโลหะด้วยเลเซอร์ เนื่องจากมีข้อดีหลายประการ เช่น คุณภาพลำแสงที่ดี ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงเป็นไฟฟ้าสูง อายุการใช้งานยาวนาน บำรุงรักษาง่าย และกำลังสูง

ดังนั้น การผสมผสานเลเซอร์ในโซลูชันการเชื่อมแบบไฮบริดเลเซอร์ข้างต้นจึงพัฒนาไปเป็นการใช้เลเซอร์ไฟเบอร์ร่วมกับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ LD และเลเซอร์ยังถูกส่งออกมาในแนวแกนเดียวกันผ่านหัวประมวลผลพิเศษ (หัวเชื่อมแสดงในรูปที่ 7) ในระหว่างกระบวนการเชื่อม กลไกการทำงานของเลเซอร์ยังคงเหมือนเดิม

ข้อต่อเชื่อมเลเซอร์คอมโพสิต

ในแผนนี้ การทำงานแบบเป็นจังหวะเลเซอร์ YAGเลเซอร์แบบเดิมถูกแทนที่ด้วยเลเซอร์ไฟเบอร์ที่มีคุณภาพลำแสงดีกว่า กำลังมากกว่า และให้ผลลัพธ์ต่อเนื่อง ซึ่งช่วยเพิ่มความเร็วในการเชื่อมและได้คุณภาพการเชื่อมที่ดีขึ้นอย่างมาก (ผลการเชื่อมแสดงในรูปที่ 8) ดังนั้น แผนการนี้จึงได้รับความนิยมจากลูกค้าบางราย ปัจจุบัน โซลูชันนี้ถูกนำไปใช้ในการผลิตงานเชื่อมปิดฝาครอบด้านบนของแบตเตอรี่กำลังสูง และสามารถทำความเร็วในการเชื่อมได้ถึง 200 มม./วินาที

ลักษณะการเชื่อมฝาครอบด้านบนด้วยการเชื่อมเลเซอร์แบบไฮบริด

แม้ว่าโซลูชันการเชื่อมด้วยเลเซอร์สองความยาวคลื่นจะช่วยแก้ปัญหาความเสถียรของการเชื่อมในการเชื่อมความเร็วสูงและตรงตามข้อกำหนดด้านคุณภาพการเชื่อมของฝาครอบด้านบนของเซลล์แบตเตอรี่ความเร็วสูง แต่โซลูชันนี้ก็ยังคงมีปัญหาอยู่บ้างในแง่ของอุปกรณ์และกระบวนการ

ประการแรก ส่วนประกอบฮาร์ดแวร์ของโซลูชันนี้ค่อนข้างซับซ้อน ต้องใช้เลเซอร์สองประเภทที่แตกต่างกัน และข้อต่อเชื่อมเลเซอร์แบบสองความยาวคลื่นพิเศษ ซึ่งเพิ่มต้นทุนการลงทุนด้านอุปกรณ์ เพิ่มความยากในการบำรุงรักษาอุปกรณ์ และเพิ่มโอกาสที่อุปกรณ์จะเกิดความเสียหาย

ประการที่สอง ความยาวคลื่นคู่การเชื่อมด้วยเลเซอร์ข้อต่อที่ใช้ประกอบด้วยชุดเลนส์หลายชุด (ดูรูปที่ 4) การสูญเสียพลังงานมีมากกว่าข้อต่อเชื่อมทั่วไป และจำเป็นต้องปรับตำแหน่งของเลนส์ให้เหมาะสมเพื่อให้แน่ใจว่าเลเซอร์สองความยาวคลื่นถูกส่งออกมาในแนวแกนเดียวกัน และการโฟกัสที่ระนาบโฟกัสคงที่ การทำงานด้วยความเร็วสูงเป็นเวลานาน อาจทำให้ตำแหน่งของเลนส์หลวม ส่งผลให้เส้นทางแสงเปลี่ยนแปลงและส่งผลต่อคุณภาพการเชื่อม จึงจำเป็นต้องปรับตำแหน่งด้วยตนเองใหม่

ประการที่สาม ในระหว่างการเชื่อม การสะท้อนของแสงเลเซอร์นั้นรุนแรงและสามารถสร้างความเสียหายให้กับอุปกรณ์และชิ้นส่วนได้ง่าย โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อซ่อมแซมผลิตภัณฑ์ที่ชำรุด พื้นผิวรอยเชื่อมที่เรียบจะสะท้อนแสงเลเซอร์จำนวนมาก ซึ่งอาจทำให้เกิดสัญญาณเตือนเลเซอร์ และจำเป็นต้องปรับพารามิเตอร์การประมวลผลเพื่อซ่อมแซม

เพื่อแก้ไขปัญหาข้างต้น เราต้องหาวิธีสำรวจอื่น ในปี 2017-2018 เราได้ศึกษาการแกว่งความถี่สูงการเชื่อมด้วยเลเซอร์เทคโนโลยีการผลิตฝาครอบแบตเตอรี่และส่งเสริมการใช้งานในเชิงการผลิต การเชื่อมแบบแกว่งความถี่สูงด้วยลำแสงเลเซอร์ (ต่อไปนี้เรียกว่าการเชื่อมแบบแกว่ง) เป็นอีกกระบวนการเชื่อมความเร็วสูงในปัจจุบันที่มีความเร็ว 200 มม./วินาที

เมื่อเปรียบเทียบกับโซลูชันการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบไฮบริด ส่วนประกอบฮาร์ดแวร์ของโซลูชันนี้ใช้เพียงเลเซอร์ไฟเบอร์ธรรมดาที่เชื่อมต่อกับหัวเชื่อมเลเซอร์แบบสั่นเท่านั้น

หัวเชื่อมโยกเยก

ภายในหัวเชื่อมจะมีเลนส์สะท้อนแสงที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ ซึ่งสามารถตั้งโปรแกรมให้ควบคุมการแกว่งของเลเซอร์ตามรูปแบบวิถีที่ออกแบบไว้ (โดยทั่วไปจะเป็นวงกลม รูปตัว S รูปเลข 8 เป็นต้น) รวมถึงความกว้างของการแกว่งและความถี่ พารามิเตอร์การแกว่งที่แตกต่างกันจะทำให้หน้าตัดของการเชื่อมมีรูปร่างและขนาดที่แตกต่างกัน

รอยเชื่อมที่ได้จากการเคลื่อนที่แบบแกว่งที่แตกต่างกัน

หัวเชื่อมแบบแกว่งความถี่สูงถูกขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์เชิงเส้นเพื่อเชื่อมตามช่องว่างระหว่างชิ้นงาน โดยจะเลือกประเภทและแอมพลิจูดของวิถีการแกว่งที่เหมาะสมตามความหนาของผนังของเปลือกเซลล์ ในระหว่างการเชื่อม ลำแสงเลเซอร์แบบคงที่จะสร้างหน้าตัดการเชื่อมรูปตัว V เท่านั้น อย่างไรก็ตาม เมื่อขับเคลื่อนด้วยหัวเชื่อมแบบแกว่ง จุดลำแสงจะแกว่งด้วยความเร็วสูงบนระนาบโฟกัส ทำให้เกิดรูเชื่อมแบบไดนามิกและหมุนได้ ซึ่งสามารถได้อัตราส่วนความลึกต่อความกว้างของการเชื่อมที่เหมาะสม

รูเชื่อมแบบหมุนจะช่วยกวนรอยเชื่อม ในด้านหนึ่ง มันช่วยให้ก๊าซระบายออกและลดรูพรุนในรอยเชื่อม และมีผลในระดับหนึ่งในการซ่อมแซมรูเล็กๆ บริเวณจุดระเบิดของรอยเชื่อม (ดูรูปที่ 12) ในอีกด้านหนึ่ง โลหะเชื่อมจะถูกทำให้ร้อนและเย็นลงอย่างเป็นระเบียบ การหมุนเวียนทำให้พื้นผิวของรอยเชื่อมปรากฏเป็นลวดลายคล้ายเกล็ดปลาที่สม่ำเสมอและเป็นระเบียบ

การขึ้นรูปตะเข็บเชื่อมแบบสวิง

ความสามารถในการปรับตัวของรอยเชื่อมต่อการปนเปื้อนของสีภายใต้พารามิเตอร์การแกว่งที่แตกต่างกัน

ประเด็นข้างต้นตรงตามข้อกำหนดคุณภาพพื้นฐานสามประการสำหรับการเชื่อมฝาครอบด้านบนด้วยความเร็วสูง โซลูชันนี้ยังมีข้อดีอื่นๆ อีก:

① เนื่องจากพลังงานเลเซอร์ส่วนใหญ่ถูกส่งเข้าไปในรูเชื่อมแบบไดนามิก ทำให้เลเซอร์ที่กระจัดกระจายออกภายนอกลดลง ดังนั้นจึงต้องการพลังงานเลเซอร์ที่น้อยลง และความร้อนในการเชื่อมค่อนข้างต่ำ (ต่ำกว่าการเชื่อมวัสดุผสม 30%) ซึ่งช่วยลดการสูญเสียของอุปกรณ์และการสูญเสียพลังงาน

② วิธีการเชื่อมแบบแกว่งมีความเหมาะสมสูงกับคุณภาพการประกอบชิ้นงาน และช่วยลดข้อบกพร่องที่เกิดจากปัญหาต่างๆ เช่น ขั้นตอนการประกอบ

③วิธีการเชื่อมแบบแกว่งมีประสิทธิภาพในการซ่อมแซมรูเชื่อมสูง และอัตราความสำเร็จของการใช้วิธีนี้ในการซ่อมแซมรูเชื่อมแกนแบตเตอรี่สูงมาก

④ระบบมีความเรียบง่าย และการแก้ไขปัญหาและการบำรุงรักษาอุปกรณ์ก็ทำได้ง่าย

3. เทคโนโลยีการเชื่อมเลเซอร์ฝาครอบด้านบนยุค 3.0

ความเร็วในการเชื่อม 300 มม./วินาที

เมื่อเงินอุดหนุนด้านพลังงานใหม่ลดลงอย่างต่อเนื่อง แทบทั้งห่วงโซ่อุตสาหกรรมการผลิตแบตเตอรี่จึงตกอยู่ในภาวะแข่งขันสูง อุตสาหกรรมนี้ยังเข้าสู่ช่วงปรับโครงสร้างใหม่ และสัดส่วนของบริษัทชั้นนำที่มีขนาดและเทคโนโลยีที่ได้เปรียบก็เพิ่มมากขึ้น แต่ในขณะเดียวกัน “การปรับปรุงคุณภาพ ลดต้นทุน และเพิ่มประสิทธิภาพ” จะกลายเป็นหัวข้อหลักของหลายบริษัท

ในยุคที่เงินอุดหนุนมีน้อยหรือไม่มีเลย มีเพียงการพัฒนาเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่อง การเพิ่มประสิทธิภาพการผลิต การลดต้นทุนการผลิตแบตเตอรี่แต่ละก้อน และการปรับปรุงคุณภาพผลิตภัณฑ์เท่านั้น ที่จะทำให้เรามีโอกาสชนะในการแข่งขันมากขึ้น

บริษัท Han's Laser ยังคงลงทุนในการวิจัยเทคโนโลยีการเชื่อมความเร็วสูงสำหรับฝาครอบด้านบนของเซลล์แบตเตอรี่อย่างต่อเนื่อง นอกเหนือจากวิธีการผลิตหลายวิธีที่ได้กล่าวถึงข้างต้นแล้ว บริษัทฯ ยังศึกษาเทคโนโลยีขั้นสูง เช่น เทคโนโลยีการเชื่อมเลเซอร์แบบจุดวงแหวน และเทคโนโลยีการเชื่อมเลเซอร์แบบกัลวาโนมิเตอร์สำหรับฝาครอบด้านบนของเซลล์แบตเตอรี่อีกด้วย

เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตให้ดียิ่งขึ้น จึงได้ศึกษาเทคโนโลยีการเชื่อมปิดผิวชิ้นงานด้วยความเร็ว 300 มม./วินาทีขึ้นไป ในช่วงปี 2017-2018 บริษัท Han's Laser ได้ศึกษาการเชื่อมปิดผิวด้วยเลเซอร์แบบสแกนด้วยกัลวาโนมิเตอร์ ซึ่งได้ก้าวข้ามอุปสรรคทางเทคนิคต่างๆ เช่น การป้องกันก๊าซที่ยากต่อชิ้นงานระหว่างการเชื่อมด้วยกัลวาโนมิเตอร์ และผลการขึ้นรูปผิวเชื่อมที่ไม่ดี จนสามารถทำความเร็วได้ถึง 400-500 มม./วินาทีการเชื่อมด้วยเลเซอร์ของฝาครอบด้านบนของเซลล์ การเชื่อมใช้เวลาเพียง 1 วินาทีสำหรับแบตเตอรี่ 26148

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากประสิทธิภาพสูงมาก จึงเป็นเรื่องยากอย่างยิ่งที่จะพัฒนาอุปกรณ์เสริมที่ให้ประสิทธิภาพเทียบเท่ากัน และต้นทุนอุปกรณ์ก็สูง ดังนั้นจึงไม่มีการพัฒนาแอปพลิเคชันเชิงพาณิชย์เพิ่มเติมสำหรับโซลูชันนี้

ด้วยการพัฒนาเพิ่มเติมของเลเซอร์ไฟเบอร์ด้วยเทคโนโลยีใหม่ เลเซอร์ไฟเบอร์กำลังสูงรุ่นใหม่ที่สามารถสร้างลำแสงรูปวงแหวนได้โดยตรงได้ถูกเปิดตัวแล้ว เลเซอร์ชนิดนี้สามารถสร้างลำแสงเลเซอร์แบบจุดและวงแหวนผ่านใยแก้วนำแสงหลายชั้นแบบพิเศษ และสามารถปรับรูปร่างของลำแสงและการกระจายพลังงานได้ ดังแสดงในรูป

รอยเชื่อมที่ได้จากการเคลื่อนที่แบบแกว่งที่แตกต่างกัน

ด้วยการปรับแต่ง การกระจายความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์สามารถทำให้เป็นรูปทรงจุด-โดนัท-ท็อปแฮทได้ เลเซอร์ประเภทนี้เรียกว่า โคโรนา ดังแสดงในรูป

ลำแสงเลเซอร์ปรับได้ (ตามลำดับ: แสงตรงกลาง, แสงตรงกลาง + แสงวงแหวน, แสงวงแหวน, แสงวงแหวนสองดวง)

ในปี 2018 ได้มีการทดสอบการใช้งานเลเซอร์หลายตัวในลักษณะนี้ในการเชื่อมฝาครอบด้านบนของเซลล์แบตเตอรี่ที่ทำจากเปลือกอะลูมิเนียม และได้มีการเริ่มวิจัยเกี่ยวกับเทคโนโลยีการประมวลผลเวอร์ชัน 3.0 สำหรับการเชื่อมฝาครอบด้านบนของเซลล์แบตเตอรี่โดยใช้เลเซอร์โคโรนา เมื่อเลเซอร์โคโรนาทำงานในโหมดจุด-วงแหวน ลักษณะการกระจายความหนาแน่นของพลังงานของลำแสงเอาต์พุตจะคล้ายกับเอาต์พุตแบบผสมของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ + ไฟเบอร์

ในระหว่างกระบวนการเชื่อม แสงจุดศูนย์กลางที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงจะสร้างรูเจาะเพื่อการเชื่อมที่ลึกและได้การแทรกซึมที่เพียงพอ (คล้ายกับเอาต์พุตของเลเซอร์ไฟเบอร์ในโซลูชันการเชื่อมแบบไฮบริด) และแสงวงแหวนจะให้ความร้อนมากขึ้น ขยายรูเจาะ ลดผลกระทบของไอโลหะและพลาสมาต่อโลหะเหลวที่ขอบรูเจาะ ลดการกระเด็นของโลหะ และเพิ่มเวลาของวงจรความร้อนของการเชื่อม ช่วยให้ก๊าซในบ่อหลอมเหลวระเหยออกไปได้นานขึ้น ปรับปรุงเสถียรภาพของกระบวนการเชื่อมความเร็วสูง (คล้ายกับเอาต์พุตของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ในโซลูชันการเชื่อมแบบไฮบริด)

ในการทดสอบ เราได้ทำการเชื่อมแบตเตอรี่เปลือกบาง และพบว่าขนาดของรอยเชื่อมมีความสม่ำเสมอดี และค่าความสามารถของกระบวนการ (CPK) ก็ดี ดังแสดงในรูปที่ 18

ลักษณะการเชื่อมฝาครอบด้านบนของแบตเตอรี่ที่มีความหนาของผนัง 0.8 มม. (ความเร็วในการเชื่อม 300 มม./วินาที)

ในแง่ของฮาร์ดแวร์ แตกต่างจากโซลูชันการเชื่อมแบบไฮบริด โซลูชันนี้เรียบง่ายและไม่จำเป็นต้องใช้เลเซอร์สองตัวหรือหัวเชื่อมไฮบริดแบบพิเศษ แต่ใช้เพียงหัวเชื่อมเลเซอร์กำลังสูงทั่วไป (เนื่องจากใยแก้วนำแสงเพียงเส้นเดียวปล่อยเลเซอร์ความยาวคลื่นเดียว โครงสร้างเลนส์จึงเรียบง่าย ไม่จำเป็นต้องปรับแต่ง และมีการสูญเสียพลังงานต่ำ) ทำให้ง่ายต่อการตรวจสอบและบำรุงรักษา และความเสถียรของอุปกรณ์ก็ดีขึ้นอย่างมาก

นอกจากระบบฮาร์ดแวร์ที่เรียบง่ายและตรงตามข้อกำหนดของกระบวนการเชื่อมความเร็วสูงสำหรับฝาครอบด้านบนของเซลล์แบตเตอรี่แล้ว โซลูชันนี้ยังมีข้อดีอื่นๆ ในการใช้งานในกระบวนการผลิตอีกด้วย

ในการทดสอบ เราเชื่อมฝาครอบด้านบนของแบตเตอรี่ด้วยความเร็วสูงถึง 300 มม./วินาที และยังคงได้ผลลัพธ์การเชื่อมที่ดี ยิ่งไปกว่านั้น สำหรับเปลือกที่มีความหนาของผนังต่างกันที่ 0.4, 0.6 และ 0.8 มม. ก็สามารถทำการเชื่อมที่ดีได้โดยการปรับโหมดการปล่อยแสงเลเซอร์เท่านั้น อย่างไรก็ตาม สำหรับโซลูชันการเชื่อมแบบไฮบริดด้วยเลเซอร์สองความยาวคลื่น จำเป็นต้องเปลี่ยนการกำหนดค่าทางแสงของหัวเชื่อมหรือเลเซอร์ ซึ่งจะทำให้ต้นทุนอุปกรณ์และเวลาในการปรับแต่งเพิ่มขึ้น

ดังนั้น จุดวงแหวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์โซลูชันนี้ไม่เพียงแต่จะช่วยให้สามารถเชื่อมฝาครอบด้านบนด้วยความเร็วสูงถึง 300 มม./วินาที และเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตแบตเตอรี่เท่านั้น สำหรับบริษัทผู้ผลิตแบตเตอรี่ที่ต้องเปลี่ยนรุ่นบ่อยครั้ง โซลูชันนี้ยังช่วยปรับปรุงคุณภาพของอุปกรณ์และผลิตภัณฑ์ให้ดีขึ้นอย่างมาก ลดเวลาในการเปลี่ยนรุ่นและการแก้ไขปัญหา

ลักษณะการเชื่อมฝาครอบด้านบนของแบตเตอรี่ที่มีความหนาของผนัง 0.4 มม. (ความเร็วในการเชื่อม 300 มม./วินาที)

ลักษณะการเชื่อมฝาครอบด้านบนของแบตเตอรี่ที่มีความหนาของผนัง 0.6 มม. (ความเร็วในการเชื่อม 300 มม./วินาที)

การเชื่อมด้วยเลเซอร์โคโรนาเพื่อการเจาะทะลุสำหรับการเชื่อมเซลล์ผนังบาง – ความสามารถของกระบวนการ

นอกจากเลเซอร์ Corona ที่กล่าวถึงข้างต้นแล้ว เลเซอร์ AMB และเลเซอร์ ARM ยังมีคุณลักษณะเอาต์พุตแสงที่คล้ายคลึงกัน และสามารถนำมาใช้แก้ปัญหาต่างๆ เช่น การปรับปรุงการกระเด็นของโลหะในการเชื่อมด้วยเลเซอร์ การปรับปรุงคุณภาพพื้นผิวการเชื่อม และการปรับปรุงเสถียรภาพในการเชื่อมความเร็วสูง

4. สรุป

วิธีการแก้ปัญหาต่างๆ ที่กล่าวมาข้างต้น ล้วนถูกนำไปใช้ในกระบวนการผลิตจริงโดยบริษัทผู้ผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมทั้งในและต่างประเทศ เนื่องจากระยะเวลาการผลิตและพื้นฐานทางเทคนิคที่แตกต่างกัน จึงมีการใช้วิธีการแก้ปัญหาที่แตกต่างกันในอุตสาหกรรม แต่บริษัทต่างๆ ก็มีความต้องการประสิทธิภาพและคุณภาพที่สูงขึ้นเรื่อยๆ อุตสาหกรรมนี้กำลังพัฒนาอย่างต่อเนื่อง และในอนาคตอันใกล้ บริษัทชั้นนำด้านเทคโนโลยีจะนำเทคโนโลยีใหม่ๆ มาใช้มากขึ้น

อุตสาหกรรมแบตเตอรี่พลังงานใหม่ของจีนเริ่มต้นค่อนข้างช้า แต่ได้พัฒนาอย่างรวดเร็วโดยได้รับการสนับสนุนจากนโยบายของประเทศ เทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องได้ก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องด้วยความร่วมมือของห่วงโซ่อุตสาหกรรมทั้งหมด และได้ลดช่องว่างกับบริษัทชั้นนำระดับนานาชาติได้อย่างครอบคลุม ในฐานะผู้ผลิตอุปกรณ์แบตเตอรี่ลิเธียมในประเทศ Maven ยังคงสำรวจจุดแข็งของตนเองอย่างต่อเนื่อง ช่วยในการปรับปรุงอุปกรณ์แบตเตอรี่แพ็คอย่างต่อเนื่อง และนำเสนอโซลูชันที่ดีกว่าสำหรับการผลิตโมดูลแบตเตอรี่เก็บพลังงานใหม่แบบอัตโนมัติ