Elektrikli araç üretimi ölçeklendikçe, pil paketi kaynak verimliliğini artırma ihtiyacı da artmaya devam ediyor. Bunun nedeni, pil modülleri ve tepsilerinin yüzlerce hücre içerebilmesidir ve her birinin birden fazla kaynak gerektirmesidir. Bu hacimlerde, küçük kusurlar bile kabul edilemez arıza oranlarına ve hurda ve yeniden işleme nedeniyle önemli kaynak kayıplarına neden olabilir.
Birçok üretici, kaliteyi sağlamak için hala geleneksel lazer kaynak izleme (LWM) araçlarına güveniyor. Ancak bu sistemler genellikle kaynağı doğrudan veya doğru bir şekilde ölçmüyor. Bu durum, kalite güvence sürecine belirsizlik getirerek daha yüksek hurda oranlarına yol açarken, aynı zamanda hatalı ürünlerin piyasaya çıkmasını engelleyemiyor.
Bu sorunu çözmek ve dünyanın pil üretim kapasitesini sürekli olarak geliştirmek için IPG Photonics, anında (OTF) kaynak işlemini kendi patentli, gerçek zamanlı, sıralı lazer kaynak ölçüm sistemimizle birleştirdi. Birlikte kullanıldığında, bu teknolojiler maliyet etkin, yüksek verimli pil üretimi için gereken hızı ve doğru kaynak doğrulaması için gereken ölçüm kapasitesini sağlar. Bu entegre yaklaşım, süreci yavaşlatmadan daha yüksek verim, daha az hurda ve kaynak bütünlüğüne daha fazla güven sağlar.
Bu güçlü pil kaynak çözümünün geliştirilmesinin ardındaki bazı hususları, itici güçleri ve zorlukları inceleyelim.
Küçük Kaynaklar Büyük Sonuçlar Doğurur
Kaynaklar, pil üretiminin hemen hemen her aşamasında gereklidir – hücre üretiminde, hücreden hücreye ve hücreden baraya bağlantılar yapılırken, modül ve paket entegrasyonu sırasında ve hatta yapısal muhafazaların imalatında bile. Lazer ışını kaynağı (LBW), bu kaynakların çoğunu yapmak için çok yönlü ve uygun maliyetli bir araç olduğunu kanıtlamıştır.
Pil üretiminin sonraki aşamalarında, LBW genellikle iletim kaynağı yerine anahtar deliği kaynağı ile gerçekleştirilir. Bunun nedeni, anahtar deliği kaynağının iletim kaynağına göre daha derin penetrasyon, daha düşük ısı girişi, daha yüksek birleştirme verimliliği ve daha küçük ısıdan etkilenen bölgeler (HAZ) sunmasıdır. Bu özellikler, bu uygulamaların ihtiyaçlarına daha uygundur.
Pil bağlantılarının anahtar deliği LBW'si – özellikle tek tek hücre terminallerini bir toplayıcı plakaya veya baraya bağlarken – özellikle kritik bir üretim adımıdır.
Hücre-baraya bağlantılar genellikle 1 mm'den daha ince malzemelerle yapılır. Bu da kaynak işlemini hem yetersiz hem de aşırı penetrasyona karşı oldukça hassas hale getirir. Özellikle, yetersiz penetrasyon iletkenliği zayıf bir temas oluştururken, aşırı penetrasyon hücreye zarar verebilir ve felaketle sonuçlanabilecek arızalara yol açabilir. Bu nedenle, kalitesiz kaynaklar ürün kalitesini büyük ölçüde etkiler.
Diğer bir sorun ise, modüllerin genellikle yüzlerce kaynak gerektirmesidir (her pil için en az iki kaynak, her paketteki onlarca veya yüzlerce pil ile çarpılır). Bu, 10.000'de 1 gibi düşük bir kusur oranının bile modül veya pil düzeyinde sık sık arızalara neden olabileceği anlamına gelir.
Riski daha da artıran bir faktör ise, kolektör plakası kaynağının üretim sürecinin son aşamalarında, bataryaya önemli bir değer katılmış olduktan sonra yapılmasıdır. Sonuç olarak, bu aşamada meydana gelen bir arıza, genellikle tamamen monte edilmiş, yüksek maliyetli bir bileşenin hurdaya ayrılması veya en azından yeniden işlenmesi anlamına gelir. Bu durum, doğru ve zamanında kaynak doğrulamasını sadece kalite açısından değil, aynı zamanda operasyonel ve ekonomik açıdan da hayati önem arz eder.
Geleneksel Lazer Kaynak İzlemenin Sınırlamaları
Bunların hiçbiri pil üreticileri için yeni bir haber değildir ve onlar uzun zamandır lazer kaynaklarının kalitesini sağlamak için çeşitli araçlar kullanmaktadırlar. Bu LWM tekniklerinden bazıları arasında optik emisyon spektroskopisi (OES), akustik/ultrasonik izleme, kızılötesi (IR) ve termal görüntüleme ve çeşitli diğer beyaz ışık görüntüleme sistemleri bulunmaktadır.
Tüm bu yöntemlerin sorunu, en önemli parametre olan penetrasyon derinliğini doğrudan ölçmemeleridir. Geleneksel olarak, tek doğru ölçüm yöntemi, kaynak kesitini görmek için bitmiş parçanın kesilmesini gerektirir. Bu oldukça öğretici olabilir, ancak üretim sırasında yaygın olarak uygulanamayan tahribatlı bir testtir.
Bunun yerine, üreticiler bu LWM tekniklerinden bir veya daha fazlasıyla elde edilen verileri almalı ve ardından bunları istatistiksel yöntemler kullanarak ideal kaynak referans standartlarıyla karşılaştırmalıdır. Ancak, önceden var olan veri setlerine bu şekilde güvenmek, içerdikleri varsayımlar nedeniyle doğası gereği sınırlıdır. Süreçte en ufak bir değişiklik bile olsa (örneğin, gelen montajlarda farklılıklar), elde edilen sonuçlar yanlış olabilir. En kötüsü, birçok yöntem aşırı penetrasyonu kesin olarak belirleyemez ve genellikle önemli oranda yanlış arıza raporları verir.
Bu LWM araçlarının sınırlamaları, pil kaynağında hurda oranlarının inatla yüksek kalmasının temel nedenidir. Bu sorun, bazı üreticileri telafi etmek için değiştirilebilir pil modülleri tasarlamaya bile itmiştir. Ancak, EV üreticilerinin çerçeveye entegre pil paketlerine doğru ilerlediği bir dünyada, bu her zaman en uygun strateji değildir.
Gerçekçi Olmak (Kaynak Ölçümleri)
Sıralı tutarlı görüntüleme (ICI), eski LWM tekniklerinin sınırlamalarını gidermek için özel olarak geliştirilmiştir. Bu teknoloji, şu anda IPG Photonics'in bir parçası olan Laser Depth Dynamics tarafından icat edilmiş ve (Kuzey Amerika'da) patentlenmiştir. ICI tabanlı doğrudan lazer kaynak ölçüm teknolojimize LDD adını veriyoruz.
LDD, kaynak ışınıyla aynı optik sistemden yönlendirilen düşük güçlü, yakın kızılötesi ölçüm ışını kullanır. LDD ışını kaynak ışınıyla eş eksenli olduğundan, ölçüm ve işlem ışınları iş parçasına yakın bir mesafeden çarpar. Metal iş parçası bir ayna gibi davranarak LDD ışığının bir kısmını optik sisteme geri yansıtır. Geri dönen bu ışık, interferometri yoluyla yansıtıcı yüzeye olan mesafeyi doğru bir şekilde ölçmek için kullanılır.
Anahtar deliği LBW sırasında, LDD ışını bu boşluğa yönlendirilir ve tabanından yansır. Bu, anahtar deliğinin derinliğinin genellikle birkaç mikron hassasiyetle doğrudan ölçülmesini sağlar. Önemli olarak, LDD, tek modlu lazerler tarafından üretilen dar, yüksek en-boy oranına sahip anahtar deliklerini bile ölçebilir. Tüm bunlar, LDD'yi ısı, kaynak dumanı veya ses gibi bir proxy sinyali kullanan ve ardından kaynak bölgesinde gerçekte neler olup bittiğini tahmin etmeye çalışan diğer kaynak izleme yöntemlerinden ayırır.
LDD optikleri, proses ışınından bağımsız olarak ölçüm ışınını hızla hareket ettirebilen bir galvo tarayıcı da içerir. Tipik sıralı kaynak ölçüm uygulamaları için, LDD ışını proses ışınını hafifçe takip edecek ve anahtar deliği derinliğini sürekli olarak izleyecek şekilde ayarlanır. Ancak, derinlik referansını korumak için iş parçasının üst yüzeyine de yönlendirilebilir.
LDD ölçüm ışınını tarayarak, anahtar deliği derinliğinin yanı sıra diğer önemli kaynak parametrelerini de ölçebilir. Bunlar arasında malzeme yüksekliği, dikiş konumu, bitmiş (uzunlamasına) kaynak dikiş yüksekliği ve enine kaynak profili bulunur.
Sonuç olarak, LDD üreticilerin istatistiksel izlemeden doğrudan ölçüme geçiş yapmalarını sağlar. Her bir kaynağı ayrı ayrı, gerçek zamanlı olarak doğrulama olanağı sunar.
Bu, LDD teknolojisini halihazırda kullanan birçok pil üreticisi tarafından kanıtlandığı gibi, maliyet ve kalite üzerinde büyük bir etkiye sahip olabilir. Yetersiz nüfuzlu kaynaklar, oluştukları anda tespit edilir ve hemen veya daha sonra yeniden işlenmeleri için işaretlenebilir. Aşırı nüfuzlu kaynaklar da not edilebilir. Böylece, yanlış hurda sorunu neredeyse tamamen ortadan kaldırılır. Bu, üreticinin parçanın kabul edilip edilmeyeceğine veya hemen hurdaya ayrılacağına karar vermesini sağlar – parçaya daha fazla değer katmadan önce.
OTF + LDD'yi birleştirme: Hız ve kalitenin buluşması
Anında (OTF) LBW , üreticilere önemli faydalar sağlayan bir başka önemli teknolojik dönüm noktasıdır. OTF LBW'de, lazer tarama sistemi tarafından üretilen ışın hareketleri, gerçek parça hareketi ile sıkı bir şekilde senkronize edilir.
OTF, tarama sisteminin durma sıklığını önemli ölçüde azaltır ve bu da işlem hızını büyük ölçüde artırır. Ayrıca, tarama sisteminin çoğunlukla görüş alanının merkezinde çalışmasını sağlar. Bu, odaklanmış ışın içindeki optik bozulmaları en aza indirerek daha güvenilir kaynaklar üretilmesini sağladığı için avantajlıdır.
OTF kaynağının temel avantajları arasında verimlilik artışı, daha yüksek üretim kapasitesi, gelişmiş hassasiyet, daha iyi güvenilirlik ve daha fazla operasyonel esneklik sayılabilir. OTF, diğer faydalı LBW teknolojileriyle de uyumludur, örneğin çift ışınlı lazerlergibi diğer faydalı LBW teknolojileriyle de uyumludur.
Ancak OTF tek başına, pil modüllerinin yüksek verimli LBW'si için çözümün sadece yarısıdır. Özellikle OTF, hızı artırır, ancak kaynak kalitesini her zaman garanti etmez. İşte burada LDD devreye girer.
OTF+LDD'yi birlikte kullanarak, üreticiler artık hız ile kalite arasında seçim yapmak zorunda kalmazlar. LDD, tam işlem hızında kaynak derinliğini gerçek zamanlı olarak doğrulayarak OTF'yi tamamlar. Ayrıca yeniden işleme stratejilerini de mümkün kılar. Yetersiz penetrasyonlu kaynaklar işaretlenip düzeltilebilirken, aşırı penetrasyon olayları gerektiğinde izlenebilir. Sonuç, daha hızlı, daha güvenilir ve daha kontrol edilebilir bir süreçtir. Bu da doğrudan daha iyi verim, daha az hurda ve daha öngörülebilir üretim sonuçları anlamına gelir.
Bir Çözüm Tasarlamak
LDD ve OTF'yi birleştirmek bariz avantajlar sağlasa da, bu iki teknolojiyi entegre eden pratik ve güvenilir bir sistem oluşturmak zorlu bir görevdi. En önemli sorunlardan biri, ölçüm ve kaynak ışınları arasındaki hizalamanın yaklaşık 5 µm içinde tutulması gerektiğiydi.
Buradaki sorun, kaynak ışınının sürekli yön değiştirmesidir. Örneğin, son kaynak basit bir dairesel yol ise, geleneksel (sabit) kaynak tarayıcısı sadece bu daireyi izlemesi yeterlidir. Ancak OTF'de parça veya optikler sürekli hareket halindedir, bu da ışının telafi etmek için daha karmaşık bir yol izlemesi gerektiği anlamına gelir. Ve bu karmaşık yol gerçek zamanlı olarak hesaplanmalıdır.
Bunun yanı sıra, LDD ışını anahtar deliğinin içindeki kaynak ışınının hemen arkasında konumlanmalıdır. Ancak ışının hareket yönü sürekli değiştiği için, "arkada" olanın yönü de sürekli değişir. LDD sistemi, ışın parça yüzeyi üzerinde saniyede 1 metreye varan hızlarda hareket ederken tüm bunları gerçek zamanlı olarak hesaplamalıdır.
LDD'nin üretim hızlarında OTF ile birlikte çalışmasını sağlamak, hazır bileşenler ve yazılımda birkaç küçük değişiklikle başarılabilecek bir şey değildi. Optik, hareket kontrolü ve ışın iletimi bileşenlerinin yanı sıra termal dinamikler ve takımlar hakkında derinlemesine bilgi sahibi olmak gerekiyordu.
IPG, bu sistemi kendi bünyesinde tasarlayıp ürettiği için bu çözümü geliştirmek için benzersiz bir konumdaydı. Elbette fiber lazerler üretiyoruz, ancak aynı zamanda tarama kafaları, hareket sistemleri, kontrol yazılımı ve LDD sisteminin kendisini de üretiyoruz. Ayrıca bu bileşenleri ve teknolojileri birçok anahtar teslimi ve özel alt sistemimize, tam sistemlerimize ve üretim hatlarımıza entegre ediyoruz.
Bu dikey entegrasyon, benzersiz lazer çözümleri geliştirirken bize iki önemli avantaj sağlar. İlk olarak, çözümleri belirlemeden önce sorunları tamamen anlamak ve tanımlamak için gerekli deneyime sahibiz. İkinci olarak, bunları etkili bir şekilde uygulamak için gerekli tüm sistem bileşenleri üzerinde geliştirme kaynaklarına ve mühendislik kontrolüne sahibiz.
Bu özellikler sayesinde, IPG tasarımcıları, üretim hızlarında yüksek kaliteli LDD verileri elde eden ve OTF + LDD'nin hat üzerinde güvenilir bir şekilde çalışması için gereken hassasiyet düzeyinde ışın yönlendirmesini senkronize eden bir çözüm geliştirebildiler. Ayrıca, ısı, titreşim, kirlenme ve aşınmaya rağmen bu hassasiyeti zaman içinde korumak için gerekli kalibrasyon rutinlerini, düzeltme algoritmalarını ve destek araçlarını da geliştirdik.
Ancak bu da yeterli değildir. Üretim ortamlarında performans, lazer sisteminin içindekiler kadar çevresindekilere de bağlıdır. Bu nedenle sabitleme, kenetleme ve takımlar da tedarik ediyoruz.
Örneğin, toplayıcı plakalar her zaman hücre terminalleriyle tam olarak aynı hizada değildir. Baralar her zaman sert değildir. İki parça arasındaki boşluk, kaynaklardan kaynaklara biraz farklılık gösterebilir. Bu bir gerçektir ve sistemlerimiz bunu dikkate alacak şekilde tasarlanmıştır. İster tutarlı temas sağlamak için yaylı aletler, ister mikron düzeyinde tekrarlanabilirliğe sahip portal sistemleri, ister termal sapmayı telafi etmek için otomatik kiriş hizalama prosedürleri olsun, biz sadece bileşenler değil, eksiksiz çözümler üretiyoruz.
Lazer Çözümüyle Başlangıç
Anında kaynak ve gerçek zamanlı lazer kaynak ölçümü gibi IPG teknolojileri, yüksek verimli lazer kaynak çözümlerinde kullanılan temel bileşenlerdir. IPG lazer çözümlerinin operasyonunuza nasıl fayda sağlayabileceği hakkında daha fazla bilgi edinmek ister misiniz?
Başlamak çok kolay – bize birkaç örnek parça gönderin, global uygulama laboratuvarlarımızdan birini ziyaret edin veya uygulamanız hakkında bize bilgi verin.
