La mise en forme du faisceau laser augmente la vitesse de soudage des refroidisseurs de batterie EV

En ce qui concerne les températures extrêmes, les batteries des véhicules électriques (VE) ressemblent beaucoup aux humains. Les batteries EV fonctionnent mieux dans le même type de plages de température que les humains. Les systèmes de gestion thermique des véhicules électriques maximisent les performances de la batterie et prolongent sa durée de vie. Les plaques de refroidissement dans un système de gestion thermique EV permettent au liquide de refroidissement d'éliminer la chaleur de la batterie.

Une conception de plaque de refroidissement fait circuler le liquide de refroidissement entre deux plaques minces en aluminium (Al). Le liquide de refroidissement s'écoule à travers des canaux estampés dans la plaque de base, qui est reliée à une plaque supérieure. Pour éviter les fuites de liquide de refroidissement, les plaques inférieure et supérieure doivent être jointes pour créer un joint étanche et hermétique (Figure 1). Les joints soudés doivent également être exempts de fissures pouvant entraîner une défaillance mécanique sur le terrain.

Les fabricants ont commencé à assembler des plaques de refroidissement de batterie en utilisant la technologie de brasage sous vide. Ces plaques antérieures (Figure 2) étaient beaucoup plus petites que les plaques de refroidissement requises pour les systèmes de batterie de VE d'aujourd'hui, qui reposent sur des plaques de refroidissement mesurant jusqu'à 2,1 × 1,3 m.

À mesure que la demande de plaques de refroidissement plus grandes augmente, les inefficacités du brasage sous vide deviennent apparentes. Le brasage est lent et consomme beaucoup d'énergie (>4 MW), ce qui entraîne des coûts d'exploitation élevés. Une seule ligne de production peut occuper 800 mètres carrés d'espace de production. La taille croissante des plaques de refroidissement nécessite également d'importants investissements en capital dans des fours sous vide plus grands, qui peuvent coûter plus de 5 millions d'euros pour un seul four.

Le brasage nécessite également l'utilisation d'Al 3003, un alliage d'aluminium spécial qui peut être brasé. Les fabricants veulent passer à des alliages plus économiques comme l'Al 5754, qui peut être brasé mais nécessite un traitement de post-traitement, et les alliages de la série Al 6xxx, qui ont l'avantage d'être recyclables mais qui ne peuvent pas être brasés du tout. Ils recherchent des méthodes d'assemblage plus rapides et plus efficaces qui les aideront à répondre à la demande croissante et à accélérer l'adoption de nouveaux alliages métalliques.

L'adoption de la technologie de traitement des matériaux par laser s'accélère avec une fiabilité, une robustesse et une disponibilité accrues des lasers multikilowatts. Par rapport aux procédés de soudage traditionnels, le soudage au laser réduit les coûts de production et augmente la flexibilité et la sélectivité de la fabrication.

La technologie de soudage au laser nécessite également moins d'apport de chaleur, ce qui minimise le potentiel de distorsion tout en maximisant la vitesse. Toutes les méthodes de soudage impliquent la formation d'un bain de fusion et une solidification rapide ultérieure. Cependant, la haute énergie du soudage au laser non seulement fait fondre le matériau, mais aussi l'évapore. 1

L'évaporation du matériau pendant le processus de soudage crée un trou de serrure, ce qui donne au soudage au laser l'avantage d'un rapport très précis entre la profondeur de pénétration et la largeur du cordon de soudure (Figure 3). Par conséquent, de nombreux fabricants sont passés du brasage et du soudage traditionnels au traitement des matériaux au laser, qui peut assembler une variété de matériaux, réduire la consommation d'énergie et améliorer les rendements des processus.

De grande taille et de géométrie complexe, les plaques de refroidissement de batterie doivent répondre à des exigences strictes pour obtenir des joints robustes qui peuvent fournir une longue durée de vie sans fuite. Pour éviter les défaillances mécaniques, les joints ne peuvent pas présenter de fissures, de bosses, de contre-dépouilles ou de défauts de porosité dans l'interface (Figure 4).

Bien que le rapport d'aspect élevé du soudage au laser se traduise par un potentiel de distorsion des pièces inférieur à celui du soudage thermique, il peut également poser des problèmes, car la stabilité du trou de serrure est cruciale pour obtenir une soudure de haute qualité.

Le trou de serrure laser reste généralement stable pendant le soudage de matériaux à forte absorption tels que l'acier et le nickel. Malheureusement, lors du soudage de cuivre, d'aluminium et de matériaux hautement alliés tels que ceux requis dans la production de plaques de refroidissement, le trou de serrure peut être intrinsèquement instable, ce qui rend le processus sensible aux irrégularités qui compromettent la qualité de la soudure. Une méthode courante pour surmonter ces défauts consiste à faire osciller le faisceau et la mise en forme du faisceau, ce qui fait varier la forme et la taille du point du faisceau laser. 2

Trois grandes catégories de mise en forme de faisceau comprennent statique, variable et dynamique. Les méthodes statiques et variables reposent sur des éléments optiques diffractifs (DOE), qui fournissent une mise en forme de faisceau rentable via un motif fin sur une fenêtre robuste qui diffracte et module la phase de la lumière qui la traverse.3 Pour la mise en forme de faisceau statique, une variété de DOE peut adapter la forme du faisceau laser émis sur la pièce. La flexibilité limitée des solutions statiques les rend adaptées aux applications avec des paramètres de processus très bien définis.

En utilisant des façonneurs d'anneaux réglables qui divisent le faisceau en une pointe centrale, ou faisceau central, et un faisceau annulaire environnant, les DOE peuvent fournir des options de mise en forme de faisceau variables qui augmentent la flexibilité du laser. Cette option nécessite un décalage ou une rotation sur un seul axe pour modifier le rapport d'intensité entre les faisceaux central et annulaire. Une autre approche utilise une distribution d'intensité superposée variable avec une fibre deux en un (double cœur).

Alors que de telles solutions de mise en forme de faisceau peuvent améliorer la flexibilité d'un processus donné - permettant à une seule machine d'effectuer des tâches spécialisées dans la production en série, par exemple - un faisceau statique ne peut pas remuer adéquatement le bain de fusion pour accomplir les opérations fréquemment changeantes qui constituent l'activité quotidienne de l'industrie. 4

Reconnues pour surmonter les défauts de soudage, les méthodes de mise en forme dynamique des faisceaux comprennent actuellement quatre options : les scanners galvanométriques, les actionneurs piézo-électriques, les scanners micro-électriques-mécaniques (MEM) et les réseaux optiques phasés (OPA).

Les scanners galvanométriques peuvent être utilisés pour faire osciller des lasers à fibre monomode pendant le processus de soudage dans le modèle, par exemple, d'un cercle ou d'un huit. Cependant, de telles solutions présentent des limitations de puissance et de fréquence. Les compromis mécaniques et cinétiques inhérents liés aux pièces mobiles limitent la fréquence maximale réalisable en raison de la masse des miroirs oscillants du scanner. Des miroirs plus petits et légers limitent la puissance du laser.

En revanche, la technologie OPA, un type de combinaison de faisceaux cohérents (CBC), fusionne de nombreux faisceaux laser monomodes en un faisceau plus large (Figure 5). Chaque laser émet sa propre lumière, qui se chevauche avec d'autres faisceaux dans le champ lointain pour créer un motif de diffraction, offrant la flexibilité de manipuler facilement la forme du faisceau en temps réel, sans aucune pièce mobile, créant un laser à faisceau dynamique (DBL).

Pour surmonter les défis du soudage des plaques de refroidissement, des formes de faisceaux sur mesure étaient nécessaires et conçues (Figure 6). Ces formes de faisceau utilisent une fréquence de forme élevée avec une séquence de formes de faisceau, ce qui permet une commutation rapide entre les formes de faisceau, ajoutant plus de flexibilité. Par exemple, si une forme stabilise le trou de la serrure et empêche les éclaboussures tandis qu'une forme différente empêche la fissuration, alors une séquence bien conçue de ces deux formes peut atteindre les trois objectifs.

Des procédés de soudage de configurations de plaques de refroidissement ont été récemment développés, y compris des conceptions avec des géométries de canaux et d'alvéoles réalisées en alliages Al 3003 et Al 5754. Des simulations créées par le professeur Andreas Otto à l'Institut d'ingénierie de production et de technologies photoniques de l'Université de technologie de Vienne (TU Wien), Wein ont aidé à optimiser les nombreux paramètres du processus (Figure 7).

Les simulations révèlent que le humping est un phénomène périodique. Lorsque le bain de fusion est long et que la vitesse est rapide, le refroidissement commence par les côtés, rétrécissant le canal de fusion. Au fur et à mesure que le canal de fusion se rétrécit, le matériau en fusion s'écoule et crée la bosse. 5

La modification de la forme du faisceau pour concentrer l'apport d'énergie sur les côtés du bain de fusion maintient la largeur du canal dans le bord de fuite, garantissant que le canal reste ouvert et réduit la vitesse d'écoulement de la fusion derrière le trou de serrure, ce qui diminue le risque de bosse. La combinaison de cela avec l'introduction d'une période différente dans le processus interrompt la périodicité de la bosse, évitant complètement le défaut. La commutation des formes de faisceau en séquence toutes les quelques microsecondes élimine les bosses et permet le soudage à des vitesses plus élevées sans défauts (Figure 8).

Pour la production de pièces à grande échelle, SLTL (Sahajanand Laser Technology Limited), l'un des principaux fabricants de machines de soudage laser en Inde, a intégré la technologie DBL dans une machine de découpe et de soudage 3D basée sur CBC. Le projet, financé par l'Autorité israélienne de l'innovation et la Global Innovation & Technology Alliance, a abouti à une production sans défaut de plaques de refroidissement à grande échelle.

Cet article a été rédigé par Ami Shapira, responsable marketing, Civan Lasers. Pour plus d'informations, rendez-vous ici.

Cet article est paru pour la première fois dans le numéro de mars 2023 de Battery & Electrification Technology Magazine.

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