Лазерная сварка является ключевым этапом в процессе сварки пластин жидкостного охлаждения батарей, входящих в состав системы терморегулирования аккумуляторных батарей. Пластины жидкостного охлаждения обычно располагаются под аккумуляторными модулями или между ячейками батарей и имеют множество внутренних каналов для отвода тепла, выделяемого во время зарядки и разрядки, посредством циркуляции охлаждающей жидкости. В основном они изготавливаются из алюминиевого сплава, и к герметичности сварного шва, его прочности и общей плоскостности предъявляются строгие требования. Лазерная сварка, благодаря высокой плотности энергии, низкой термической деформации и превосходной воздухонепроницаемости, стала предпочтительным процессом для соединения крышки пластины жидкостного охлаждения с подложкой. Ниже представлен технологический процесс лазерной сварки пластин жидкостного охлаждения батарей.
Процесс лазерной сварки пластин жидкостного охлаждения аккумуляторов:
- Весь процесс начинается с предварительной подготовки к сварке. Сначала подложка и крышка пластины жидкостного охлаждения тщательно очищаются от остатков масла, пыли оксида алюминия и влаги, образовавшейся в результате штамповки или механической обработки. Методы очистки могут включать химическую обработку в сочетании с промывкой деионизированной водой или использование импульсной лазерной головки для непосредственного сканирования свариваемой области. Для высокоотражающей поверхности алюминия после очистки можно предварительно нанести на сварочный канал наноразмерное светопоглощающее покрытие или использовать высокопоглощающий зеленый лазер. Далее начинается процесс сборки: крышка устанавливается на подложку в соответствии с конструкцией канала потока, а входные/выходные патрубки или соединительные трубы должны быть предварительно установлены в соответствующие положения. Вертикальное давление создается с помощью высокоточного позиционирующего приспособления для контроля зазора между пластинами в минимальном диапазоне. Для двухслойных или многослойных пластин жидкостного охлаждения каждый слой должен быть выровнен и зафиксирован с помощью вакуумной адсорбции.
- После сборки выполняется прихваточная сварка. Для временной фиксации пластин через фиксированные интервалы вдоль внешнего контура канала подачи и внутренних ребер используется низкоэнергетический импульсный лазер. Точечная сварка обычно начинается в геометрическом центре пластины и попеременно распространяется наружу, обеспечивая равномерное распределение предварительно заданного напряжения. Этот этап предотвращает смещение или локальную деформацию крышки из-за теплового воздействия во время последующей непрерывной сварки.
- После прихваточной сварки начинается непрерывная сварка для герметизации. Используется волоконный лазер в сочетании с гальванометрическим сканером или установленной на роботе осциллирующей сварочной головкой. Режим осцилляции часто устанавливается на круговой или бесконечный для расширения ширины сварочной ванны и увеличения площади соединения на границе раздела между крышкой и подложкой. Параметры процесса необходимо динамически устанавливать в соответствии с фактической толщиной пластины: мощность непрерывного лазера должна контролироваться на пороговом уровне, обеспечивающем проплавление верхней пластины при точном сплавлении поверхности нижней пластины; скорость сварки должна быть смещена в сторону высоких скоростей для подавления накопления тепла; Для повышения стабильности глубины сварного шва следует использовать отрицательное расфокусирование, располагая фокусную точку ниже поверхности пластины. В качестве защитного газа используется аргон высокой чистоты, непрерывно подаваемый через коаксиальное сопло или внеосевую газовую трубку, с точной регулировкой расхода для баланса между предотвращением окисления и уменьшением образования пористости. Планирование траектории сварки осуществляется по принципу сегментированной сварки с пропуском: длинные прямые сварные швы делятся на несколько коротких сегментов, свариваемых после каждого сегмента, а соседний сегмент сваривается только после охлаждения предыдущего сегмента, тем самым рассеивая термическое напряжение. Для сварных соединений или стыков используется круговая осциллирующая сварка, при этом увеличивается время задержки подачи защитного газа.
- Во время самого процесса сварки система мониторинга в реальном времени работает непрерывно. Коаксиальный датчик визуального контроля отслеживает положение сварного шва, а фотодиод контролирует интенсивность излучения расплавленной ванны. При обнаружении аномального проплавления или отклонения траектории система автоматически компенсирует или приостанавливает процесс. Для пластин с жидкостным охлаждением и двухсторонним каналом подачи жидкости после завершения передней сварки заготовку необходимо перевернуть и повторно откалибровать, а задний канал подачи жидкости сварить с теми же параметрами. Все сварные швы должны быть непрерывными и равномерными, с серебристо-белой или светло-пшеничной поверхностью.
- Послесварочная обработка и контроль качества являются окончательной гарантией. Сначала проводится визуальный осмотр, отбраковываются заготовки с трещинами, брызгами, подрезами или явной пористостью. Затем проводится проверка герметичности: в пластину с жидкостным охлаждением закачивается сухой азот, и после достижения заданного давления давление поддерживается. Для определения наличия утечек используется метод перепада давления. В качестве более высокого стандарта пластина с жидкостным охлаждением погружается в ванну с чистой водой, и после нагнетания давления наблюдается непрерывное выделение пузырьков. Для пластин с жидкостным охлаждением автомобильных аккумуляторов также требуется вакуумная проверка на утечку с использованием гелиевого масс-спектрометра, при этом скорость утечки должна соответствовать строгим пределам. Испытание на устойчивость к давлению также необходимо и включает в себя создание на пластине давления, в 1,5 раза превышающего расчетное, с использованием воды или воздуха и удержание этого давления для проверки структурной безопасности. Для контроля плоскостности используется лазерный профилометр, который сканирует всю поверхность пластины, обеспечивая соответствие общего коробления требованиям микронного уровня для соединения аккумуляторных модулей. Изделия, прошедшие проверку, должны иметь пассивированные сварные швы или покрытые антикоррозионным слоем для защиты от долговременной коррозии под воздействием охлаждающей жидкости.
Процесс лазерной сварки пластин жидкостного охлаждения аккумуляторов требует высокой степени чистоты и точного зажима перед сваркой, эффективного сочетания точечного лазерного воздействия и сварки с пропуском, адаптивного мониторинга в реальном времени и многомерного неразрушающего контроля после сварки. Каждый этап требует тщательной калибровки на основе партий материалов и структуры каналов потока для получения надежно герметизированной, минимально деформированной и устойчивой к давлению пластины жидкостного охлаждения аккумулятора, отвечающей высоким требованиям к надежности изготовления компонентов терморегулирования для новых энергетических транспортных средств и систем хранения энергии.