通快激光 奔驰电动汽车的崛起之路

国际金属加工网 2022年01月07日

本文源于最新一期通快激光杂志《激光界》即 Laser Community,如您想阅读更多文章可以点击下载

自 2020 年以来,梅赛德斯-奔驰已投资了数十亿美元用来建成了由九个电池生产设施组成的国际制造网络。现在让我们一起回到 2010 年,了解该公司是如何取得如此快速进展的。

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2010 年梅赛德斯-奔驰认定其未来在于建造自己的电池模块,要想实现这一愿景,关键在于将单个”软包电池“电芯单元相互连接来建立电路连接。听起来容易做起来难,关键在于如何以最低的电阻和最高的机械强度标准连接两个由铜和铝箔制成的非常薄的导体片,同时确保其不弯曲或者损坏。其实困难远不止于此,因为一旦模块被连接在一起,400 伏的电池组将产生几百安培的电流,尤其是在一个极其狭窄的空间里,并且存在热敏元件的时候,这要求一点错误也不能产生。

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首个工厂:位于卡门兹的基于激光设备的电池生产工厂为所有后续工厂奠定了模板

01  宏伟的计划

机械解决方案显然不如高精度激光加工,激光加工方案是一个更有希望的发展方向。Christian Elsner 是梅赛德斯-奔驰在斯图加特技术工厂的激光材料加工主管,他和他的团队需要找到一种解决方案,在一组紧密堆叠的电池模块中,每分钟将多达 350 个软包电池焊接到两条导体上。一旦出现任何错误都有可能影响电池的充电速度、容量和使用寿命。其中最关键的是要确保导体片温度不超标,因为其另一端浸泡在热敏感的电解质中——温度一旦超过 70 度就会破坏电池。因此,他们的任务是在高精度地焊接超级薄的金属箔材,并且在这个过程中不能加热任何东西。

这只是该公司开发自己的电池制造工艺宏伟计划的一部分。最初的目标是在德国萨克森州的卡门兹小镇启动该工艺,然后逐步将其发展为未来全球制造网络工厂的模板。

02  通往卡门兹之路

首先,在基于控制热能量的需求上 Elsner 和他的团队选择了远程激光焊接。远程激光焊接借助镜子来偏转激光束,以实现高速、高精度的焊接。光学镜头还可以使光束在大约 30 至 40 厘米的距离内在一瞬间实现从一个焊缝跳到另一个焊缝。激光系统在几乎没有热量输入的同时能够在几分钟内完成数百条焊缝。

为了保证每条焊缝的导电性,必须防止光束直接穿过薄的导电箔或在焊缝周围散布飞溅物。因此,该团队需要完全控制工艺参数,如焦点位置和功率密度,他们很快就找到了合适的光束源,那就是 TRUMPF 的 TruDisk 5001。除了在标准和远程焊接中提供微调焦点所需的光束质量外,该系统还大大减少了飞溅的形成,即使是像铜这种高反材料。这使得它成为卡门兹第一家电池工厂的完美焊接工具。梅赛德斯-奔驰成立了子公司 Accumotive 来管理该工厂,并在 2012 年开始生产。

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今天,这个开创性的设施在三条 170 米长的全自动化生产线上制造电池。每条生产线有 30 个加工站,其中包括了许多焊接部分。一共共有 35 个光束源,大部分是TruDisk 5001 系统,并通过激光网络为 PFO 的焊接光学器件提供服务。集中使用一种特定类型的光束源和一种焊接光学器件的决定是设计理念的一部分;除了降低复杂性外,它还需要减少培训和备件储存。生产线从一个完全自动化的工位开始,机器人将两个电池粘在一个框架上。这些单元随后将被组装成模块,但首先导体片必须按尺寸切割并相互弯曲。当需要焊接时,特殊的夹紧装置将金属片平放在一起,光学元件移动到该位置,激光在金属上闪烁。夹持装置打开,框架继续前进,并被组合成模块。随后激光被再次用来进行连接。然后,一个夹持器被用来安装带有更薄触点的传感器模块;这些模块使用相同的技术进行焊接,但功率降低。一旦每个模块完成并经过测试,它就会和其他几个模块一起被安装在一个电池托盘上,所有的模块都会在电路上相互连接。TruDisk 5001 和 PFO 光学器件能够用激光完成所有需要连接电气触点的焊接工作。

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一叠电池被夹住并准备进行焊接

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一个完成的电池模组

激光束的准确性至关重要,这就是为什么该公司选择在其激光控制系统中加入 VisionLine 图像处理技术的原因。使用光学传感器,该软件检测夹持设备的边缘,并在离这些边缘的精确定义的距离上进行焊接,Elsner 说:"机器既能看到它在做什么,同时它也将所有操作记录了下来。

03  黄金数据

这种制造数据在三个不同方面对梅赛德斯-奔驰具有难以置信的价值。首先,它可以用来控制和监测生产线的过程。对焊头上传感器捕获的数据进行适当的分析和存储,这些数据记录了流程中每个步骤的质量。Elsner 说:“我们几乎可以实时的用它来在线监测焊缝,”。通过仔细评估这些数据,公司还可以获得关于如何进一步改进系统和工艺的宝贵信息。Elsner 说,这是激光器的一个优势,但常常被忽视。他说:“几乎没有其他工具能在同样的参数下提供同样一致的结果并与此同时提供如此多的工艺信息。”

04  规模扩张

这两个方面对 Kamenz、Accumotive 和梅赛德斯-奔驰的未来都非常重要。由于其全电动EQ车型和插电式混合动力车,该汽车制造商对电池的需求正在稳步增长,现在它正在收获自 2010 年夏天以来所做的艰苦工作的回报。梅赛德斯-奔驰在国际制造网络上投资了数十亿美元,该网络目前由欧洲、亚洲和美洲的九个工厂组成。而卡门兹是所有这些新设施的模板和专业技术中心。随着激光工艺的不断发展,Elsner 说:“我们不断改进光束源、激光光学器件和传感器,使我们的工艺更快、更稳定、更有成本效益。有时,这些改进为全新的应用铺平了道路,使激光器能够展示其能力。显然,我们在生产车辆中采用的一切都源于实验室中开发团队的热情和辛勤工作。”他补充说,电动汽车为新的发展提供了一个特别丰富的环境。“激光技术的好处是,我们永远不会感到无聊、永远不会抱怨缺乏令人兴奋的挑战!”

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