Сварка АКБ: ультразвуком или лазером?

• Ультразвуковая сварка
• Преимущества и недостатки сварки ультразвуком
• Лазерная сварка
• Преимущества и недостатки сварки лазером
• Laserbonder: преимущества лазера и ультразвука в одной технологии
• Как работает Laserbonder

Производители сварочного оборудования предлагают разные способы соединения аккумуляторных батарей. Для автомобильной индустрии качество соединения элементов электроники друг с другом и с электроникой самого авто — очень важный аспект. Здесь важно соединить вместе два фактора: возможность массового производства и экономическую выгоду. В основном для электромобилей применяют два основных метода сварки: ультразвуковую и лазерную. Какая из них лучше и чем они отличаются, мы подробно рассмотрим в этой статье.

Ультразвуковая сварка 

Ещё с 1970-х годов применялась технология-предшественница ультразвуковой сварки — усовершенствованного процесса соединения металлических поверхностей трением. Его используют для целей силовой и микроэлектроники.

Как происходит сварка ультразвуком:

1. Для начала провода или ленту прижимают к подложке, к которой они будут прикреплены — к примеру, для сборки цилиндрических ячеек. 
2. Аппарат приводит провод или ленту в вибрацию на частотах ультразвука (около 100 кГц). 
3. В процессе вибрации атомы металлов двух поверхностей смешиваются и сплавляются воедино за несколько сотен миллисекунд.
4. Обычно с помощью движения подложки формируют петлеобразное соединение, затем повторяют аналогичные действия на другой её части.

В ультразвуковой сварке не бывает расплавленной фазы, это своеобразная холодная сварка: температура соединения при таком методе никогда не превышает 80-100℃. 

Преимущества и недостатки сварки ультразвуком

При ультразвуковой сварке соединение получается очень надежным и качественным. Процесс подвергается гибким настройкам, чтобы приспособиться к длине проводов, варьировать направление и высоту между соединенными друг с другом ячейками. Поэтому этот тип соединения отлично подходит для автоматизированной конвейерной сборки. 

При этом сварка ультразвуком очень требовательна к поверхности соединения: она должна быть безупречно плоской и чистой. При наличии пыли, жира и других загрязнений качество сварки будет плохим. Кроме того, такое соединение диктует ограничение по току, который будут пропускать соединяемые материалы. По рекомендациям производителей ультразвук подходит для сварки только при величинах тока 30 А.

Лазерная сварка 

Для устройств, которые будут работать с токами выше 30 А, подходит лазерная сварка. В ходе ее ленту облучают мощным лазером и плавят часть металла так, чтобы создать своеобразный тоннель к подложке. Этот особый метод называют лазерной сваркой в замочной скважине. Колебания лазера в процессе позволяют в точности контролировать сварной шов по ширине и глубине. 

Во время работы с цилиндрическими элементами есть риск слишком сильно проплавить материал, что приведет к существенному повреждению или проколу ячейки. Чтобы не допустить этого, ход работы контролируется с помощью очень быстрых гипоциклоидных или эпициклоидных движений лазерного луча, охватывая весь сварной шов по площади.

Преимущества и недостатки сварки лазером

Соединение от лазерной сварки способно выдерживать значительно более высокие токи, чем после ультразвука. 

Минусы лазерной сварки:

• Метод требует, чтобы между подключаемыми компонентами был нулевой зазор. Если между лентой и аккумулятором есть хоть минимальное пространство, результат сварки окажется неэффективным и нестабильным — это одна из причин поломки батарей.. Чтобы такого не случилось, места соединений часто дополняют системой прижима, что несколько усложняет автоматизацию процесса.
• Необходимость увеличить количество подлежащих соединению деталей приводит к удорожанию зажимного устройства. Оно будет менее гибким в настройках, увеличится в размерах. К примеру, для того, чтобы соединить батарейный модуль с другими 120 элементами, придется задействовать 240 прижимных конструкций.

Laserbonder: преимущества лазера и ультразвука в одной технологии

Система Laserbonder была разработана компанией F&K DELVOTEC с целью улучшить функциональность обычного метода сварки лазером. По заявлению производителей, она сочетает в себе преимущества обоих типов сварки, лазерной и ультразвуковой. Новый метод отлично подходит для надежных соединений в сборке аккумуляторных батарей и в силовых модулях. «Лазербондер» способен качественно сваривать медные, алюминиевые и никелевые ленты, применяя энергию лазера в условиях низкого усилия зажима. 

По сути, это и есть лазерная сварка, но с очень гибкой регуляцией процесса. Его легко интегрировать в автоматизированные системы сборки, так как он не требует использования дополнительного прижимного оборудования.

Изготовитель заявляет, что методика Laserbonder выполняет соединение с гарантированным высоким качеством, способное продлить срок эксплуатации батареи. 

Как работает Laserbonder

Технология сварки Laserbonder предполагает, что прижим применяется для каждой единицы соединения индивидуально, и его можно изменять динамически при помощи соединительной головки в месте фокусировки лазерного луча. 

В ходе обычной сварки лазером, чтобы гарантировать нулевой зазор между поверхностями, место соединений прижимается с конкретной силой. В технологии Laserbonder вместо этого применяется целый ряд гибких настроек. Как результат, аппарат способен заваривать свою сборку в автоматическом режиме за один раз, автоматически меняя параметры процесса, а также работать с аккумуляторными моделями разных размеров.

Аппарат рассчитан на то, чтобы вмещать ленты до размеров 10х0,5 мм и на работу с большими токами от 60 Ампер. У Лазербондера нет жестких требований к беспрекословно чистой поверхности, в отличие от ультразвуковой сварки, поэтому на этом оборудовании можно выполнять сварку более грубых поверхностей без длительной подготовки. У него есть большие перспективы в автомобильной промышленности ввиду масштабных объемов производства.

Естественно, Laserbonder подходит для своего определенного круга задач, это не универсальная техника. В процессе участвует тепловая энергия, которая ограничивает сферу применения и делает невозможным использование метода в деликатных случаях.