La conformación del rayo láser aumenta la velocidad de soldadura de los enfriadores de baterías EV

Cuando se trata de temperaturas extremas, las baterías de los vehículos eléctricos (EV) se parecen mucho a las personas. Las baterías de vehículos eléctricos funcionan mejor en el mismo tipo de rangos de temperatura que los humanos. Los sistemas de gestión térmica EV maximizan el rendimiento de la batería y prolongan su vida útil. Las placas de enfriamiento en un sistema de gestión térmica EV permiten que el refrigerante líquido elimine el calor de la batería.

Un diseño de placa de enfriamiento hace circular el refrigerante entre dos placas delgadas de aluminio (Al). El refrigerante fluye a través de canales estampados en la placa base, que está unida a una placa superior. Para evitar fugas de refrigerante, las placas base y superior deben unirse para crear una junta herméticamente sellada (Figura 1). Las uniones soldadas también deben estar libres de grietas que puedan provocar fallas mecánicas en el campo.

Los fabricantes comenzaron a unir placas de enfriamiento de baterías utilizando tecnología de soldadura fuerte al vacío. Estas placas anteriores (Figura 2) eran mucho más pequeñas que las placas de enfriamiento requeridas para los sistemas de baterías EV actuales, que dependen de placas de enfriamiento que miden hasta 2,1 × 1,3 m.

A medida que aumenta la demanda de placas de enfriamiento más grandes, las ineficiencias de la soldadura fuerte al vacío se hacen evidentes. La soldadura fuerte es lenta y consume mucha energía (>4 MW), lo que genera un alto costo operativo. Una sola línea de producción puede ocupar 800 metros cuadrados de superficie de producción. El tamaño cada vez mayor de las placas de enfriamiento también requiere una importante inversión de capital en hornos de vacío más grandes, que pueden costar más de 5 millones de euros por un solo horno.

La soldadura fuerte también requiere el uso de Al 3003, una aleación de aluminio especial que se puede soldar. Los fabricantes quieren cambiar a aleaciones más económicas como Al 5754, que se puede soldar pero requiere un tratamiento posterior, y las aleaciones de la serie Al 6xxx, que tienen la ventaja de ser reciclables pero no se pueden soldar en absoluto. Están buscando métodos de unión más rápidos y eficientes que les ayuden a mantenerse al día con la creciente demanda y acelerar la adopción de nuevas aleaciones metálicas.

La adopción de la tecnología de procesamiento de materiales por láser se acelera con una mayor confiabilidad, robustez y disponibilidad de láseres de varios kilovatios. En comparación con los procesos de soldadura tradicionales, la soldadura láser reduce los costos de producción y aumenta la flexibilidad y selectividad de fabricación.

La tecnología de soldadura láser también requiere menos entrada de calor, lo que minimiza el potencial de distorsión y maximiza la velocidad. Todos los métodos de soldadura implican la formación de un baño de fusión y la posterior solidificación rápida. Sin embargo, la alta energía de la soldadura láser no solo derrite el material sino que también lo evapora. 1

La evaporación del material durante el proceso de soldadura crea un ojo de cerradura, lo que le da a la soldadura por láser la ventaja de una relación muy estrecha entre la profundidad de penetración y el ancho de la costura de soldadura (Figura 3). En consecuencia, muchos fabricantes han pasado de la soldadura fuerte y fuerte tradicional al procesamiento de materiales con láser, que puede unir una variedad de materiales, reducir el consumo de energía y mejorar el rendimiento del proceso.

De gran escala y geometría compleja, las placas de enfriamiento de la batería deben cumplir requisitos estrictos para lograr costuras sólidas que puedan brindar una vida útil prolongada y sin fugas. Para evitar fallas mecánicas, las juntas no pueden tener grietas, jorobas, socavaduras o defectos de porosidad en la interfaz (Figura 4).

Si bien la alta relación de aspecto de la soldadura láser se traduce en un menor potencial de distorsión de la pieza en comparación con la soldadura térmica, también puede plantear desafíos, ya que la estabilidad del ojo de cerradura es crucial para lograr una soldadura de alta calidad.

El ojo de cerradura láser generalmente permanece estable durante la soldadura de materiales de alta absorción como el acero y el níquel. Desafortunadamente, cuando se sueldan cobre, aluminio y materiales de alta aleación, como los que se requieren en la producción de placas de enfriamiento, el ojo de la cerradura puede ser inherentemente inestable, lo que hace que el proceso sea susceptible a irregularidades que comprometan la calidad de la soldadura. Un método común para superar estos defectos es oscilar el rayo y darle forma, lo que varía la forma y el tamaño del punto del rayo láser. 2

Tres amplias categorías de formación de haz incluyen estática, variable y dinámica. Los métodos estáticos y variables se basan en elementos ópticos difractivos (DOE, por sus siglas en inglés), que brindan una formación de haz rentable a través de un patrón delgado en una ventana robusta que difracta y modula la fase de la luz que pasa a través de ella.3 Para la formación de haz estático, una variedad de Los DOE pueden adaptar la forma de la salida del rayo láser en la pieza de trabajo. La flexibilidad limitada de las soluciones estáticas las hace adecuadas para aplicaciones con parámetros de proceso muy bien definidos.

Mediante el uso de formadores de anillos ajustables que dividen el haz en una punta central, o haz de núcleo, y un haz de anillo circundante, los DOE pueden proporcionar opciones de forma de haz variable que aumentan la flexibilidad del láser. Esta opción requiere un cambio o rotación de un solo eje para cambiar la relación de intensidad entre los haces central y anular. Otro enfoque utiliza una distribución de intensidad superpuesta variable con una fibra dos en uno (doble núcleo).

Si bien estas soluciones de modelado de haces pueden mejorar la flexibilidad de un proceso dado (permitiendo que una sola máquina lleve a cabo tareas especializadas en la producción en serie, por ejemplo), un haz estático no puede agitar adecuadamente el baño de fusión para lograr las operaciones que cambian con frecuencia y que constituyen el trabajo diario. negocio de la industria. 4

Conocidos por superar los defectos de soldadura, los métodos dinámicos de conformación de haces actualmente incluyen cuatro opciones: escáneres de galvanómetro, actuadores piezoeléctricos, escáneres microeléctricos-mecánicos (MEM) y arreglos ópticos en fase (OPA).

Los escáneres galvanométricos se pueden utilizar para hacer oscilar los láseres de fibra monomodo durante el proceso de soldadura en el patrón de, por ejemplo, un círculo o un ocho. Sin embargo, tales soluciones tienen limitaciones de potencia y frecuencia. Las compensaciones mecánicas y cinéticas inherentes relacionadas con las piezas móviles limitan la frecuencia máxima alcanzable debido a la masa de los espejos oscilantes del escáner. Los espejos más pequeños y livianos limitan la potencia del láser.

Por el contrario, la tecnología OPA, un tipo de combinación de haz coherente (CBC), fusiona muchos haces láser monomodo en un solo haz más grande (Figura 5). Cada láser emite su propia luz, que se superpone con otros haces en el campo lejano para crear un patrón de difracción, proporcionando la flexibilidad para manipular fácilmente la forma del haz en tiempo real, sin partes móviles, creando un haz dinámico de láser (DBL).

Para superar los desafíos de la soldadura de placas de enfriamiento, se necesitó y diseñó vigas a la medida (Figura 6). Estas formas de haz utilizan una alta frecuencia de forma junto con una secuencia de formas de haz, lo que permite cambiar rápidamente entre formas de haz, lo que agrega más flexibilidad. Por ejemplo, si una forma estabiliza el ojo de la cerradura y evita salpicaduras, mientras que una forma diferente evita que se agriete, entonces una secuencia bien diseñada de estas dos formas puede lograr los tres objetivos.

Recientemente se han desarrollado procesos para soldar configuraciones de placas de enfriamiento, incluyendo diseños con geometrías de canales y hoyuelos hechos en aleaciones Al 3003 y Al 5754. Las simulaciones creadas por el profesor Andreas Otto en el Instituto de Ingeniería de Producción y Tecnologías Fotónicas de la Universidad Tecnológica de Viena (TU Wien), Wein ayudaron a optimizar muchos parámetros del proceso (Figura 7).

Las simulaciones revelan que jorobar es un fenómeno periódico. Cuando el baño de fusión es largo y la velocidad es rápida, el enfriamiento comienza desde los lados, estrechando el canal de fusión. A medida que el canal fundido se estrecha, el material fundido fluye hacia arriba y crea la joroba. 5

Cambiar la forma del haz para concentrar la entrada de energía en los lados del baño derretido mantiene el ancho del canal en el borde de salida, asegurando que el canal permanezca abierto y reduciendo la velocidad del flujo del fundido detrás del ojo de la cerradura, lo que disminuye el riesgo de joroba. La combinación de esto con la introducción de un período diferente en el proceso interrumpe la periodicidad de la joroba, evitando el defecto por completo. Cambiar las formas de los haces en secuencia cada pocos microsegundos elimina la joroba y permite soldar a velocidades más altas sin defectos (Figura 8).

Para la producción de piezas a gran escala, SLTL (Sahajanand Laser Technology Limited), un fabricante líder de máquinas de soldadura por láser en la India, ha incorporado la tecnología DBL en una máquina de corte y soldadura 3D basada en CBC. El proyecto, financiado por la Autoridad de Innovación de Israel y la Alianza Global de Innovación y Tecnología, ha dado como resultado una producción sin defectos de placas de enfriamiento a gran escala.

Este artículo fue escrito por Ami Shapira, gerente de marketing de Civan Lasers. Para mas informacion, visite aqui .

Este artículo apareció por primera vez en la edición de marzo de 2023 de la revista Battery & Electrification Technology.

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