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

Cuando se trata de temperaturas extremas, las baterías de los vehículos eléctricos (EV) se parecen mucho a las personas. Las baterías de los vehículos eléctricos funcionan mejor en el mismo tipo de rangos de temperatura que los humanos. Los sistemas de gestión térmica de vehículos eléctricos maximizan el rendimiento de la batería y prolongan su vida útil. Las placas de refrigeración en un sistema de gestión térmica de vehículos eléctricos 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 hermética y hermética (Figura 1). Las uniones soldadas también deben estar libres de grietas que puedan provocar fallas mecánicas en campo.

Los fabricantes comenzaron a unir placas de refrigeración de baterías mediante tecnología de soldadura fuerte al vacío. Estas placas anteriores (Figura 2) eran mucho más pequeñas que las placas de enfriamiento necesarias para los sistemas de baterías de vehículos eléctricos 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 vuelven 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 espacio de producción. El tamaño cada vez mayor de las placas de refrigeración 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 charcos de fusión y una posterior solidificación rápida. Sin embargo, la alta energía de la soldadura láser no sólo funde 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 láser la ventaja de una relación muy exacta 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 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 de geometría compleja, las placas de refrigeración de baterías deben cumplir requisitos estrictos para lograr uniones robustas que puedan proporcionar una larga vida útil sin fugas. Para evitar fallas mecánicas, las uniones no pueden tener grietas, resaltes, socavaciones 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 alta calidad de soldadura.

El ojo de cerradura del láser generalmente permanece estable durante la soldadura de materiales de alta absorción como el acero y el níquel. Desafortunadamente, al soldar cobre, aluminio y materiales de alta aleación, como los necesarios en la producción de placas de enfriamiento, el ojo de 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 hacer oscilar el haz y darle forma, lo que varía la forma y el tamaño del punto del haz láser. 2

Tres categorías amplias de conformación de haces incluyen estática, variable y dinámica. Los métodos estáticos y variables se basan en elementos ópticos difractivos (DOE), que proporcionan una conformación del 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 conformación del haz estático, se utilizan 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.

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

Si bien estas soluciones de conformación de vigas pueden mejorar la flexibilidad de un proceso determinado (permitiendo que una sola máquina lleve a cabo tareas especializadas en la producción en serie, por ejemplo), una viga estática no puede agitar adecuadamente el baño de fusión para realizar las operaciones que cambian con frecuencia y que constituyen el día a día. negocio de la industria. 4

Conocidos por superar los defectos de soldadura, los métodos de conformación dinámica del haz incluyen actualmente cuatro opciones: escáneres galvanómetros, actuadores piezoeléctricos, escáneres microeléctrico-mecánicos (MEM) y conjuntos ópticos en fase (OPA).

Los escáneres galvanométricos se pueden utilizar para hacer oscilar láseres de fibra monomodo durante el proceso de soldadura en forma de, por ejemplo, un círculo o un ocho. Sin embargo, estas 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 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 piezas móviles, creando un láser de haz dinámico (DBL).

Para superar los desafíos de la soldadura de placas de enfriamiento, se necesitaban y diseñaron vigas con formas personalizadas (Figura 6). Estas formas de haz utilizan una alta frecuencia de forma junto con una secuencia de formas de haz, lo que permite un cambio rápido 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 previene las grietas, 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, incluidos diseños con geometrías de canales y hoyuelos fabricados 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) ayudaron a optimizar muchos parámetros del proceso (Figura 7).

Las simulaciones revelan que las jorobas son un fenómeno periódico. Cuando el baño de fusión es largo y la velocidad es rápida, el enfriamiento comienza desde los lados, estrechando el canal fundido. 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 de fusión mantiene el ancho del canal en el borde de salida, asegurando que el canal permanezca abierto y reduciendo la velocidad del flujo de la masa fundida detrás del ojo de cerradura, lo que disminuye el riesgo de jorobas. Combinar esto con la introducción de un período diferente en el proceso interrumpe la periodicidad de las jorobas, evitando el defecto por completo. Cambiar las formas del haz en secuencia cada pocos microsegundos elimina los jorobas y permite soldar a velocidades más altas sin defectos (Figura 8).

Para la producción de piezas a gran escala, SLTL (Sahajanand Laser Technology Limited), fabricante líder de máquinas de soldadura láser en la India, ha incorporado la tecnología DBL en una máquina de soldadura y corte 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 refrigeración a gran escala.

Este artículo fue escrito por Ami Shapira, directora 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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