La modellazione del raggio laser aumenta la velocità di saldatura dei raffreddatori di batterie per veicoli elettrici

Quando si tratta di temperature estreme, le batterie dei veicoli elettrici (EV) sono molto simili alle persone. Le batterie dei veicoli elettrici funzionano meglio negli stessi intervalli di temperatura degli esseri umani. I sistemi di gestione termica dei veicoli elettrici massimizzano le prestazioni della batteria e ne prolungano la durata. Le piastre di raffreddamento in un sistema di gestione termica dei veicoli elettrici consentono al liquido di raffreddamento di rimuovere il calore dalla batteria.

Il design a una piastra di raffreddamento fa circolare il refrigerante tra due sottili piastre di alluminio (Al). Il refrigerante scorre attraverso canali stampati nella piastra di base, che è unita a una piastra superiore. Per evitare perdite di refrigerante, le piastre base e superiore devono essere unite per creare un giunto stretto ed ermetico (Figura 1). I giunti saldati devono inoltre essere esenti da crepe che possano causare guasti meccanici sul campo.

I produttori hanno iniziato a unire le piastre di raffreddamento delle batterie utilizzando la tecnologia di brasatura sotto vuoto. Queste piastre precedenti (Figura 2) erano molto più piccole delle piastre di raffreddamento necessarie per gli odierni sistemi di batterie dei veicoli elettrici, che si basano su piastre di raffreddamento che misurano fino a 2,1 × 1,3 m.

Con l’aumento della domanda di piastre di raffreddamento più grandi, le inefficienze della brasatura sotto vuoto diventano evidenti. La brasatura è lenta e consuma molta energia (>4 MW), il che comporta costi operativi elevati. Una singola linea di produzione può occupare 800 metri quadrati di superficie produttiva. La crescente dimensione delle piastre di raffreddamento richiede anche notevoli investimenti di capitale in forni a vuoto più grandi, che possono costare più di 5 milioni di euro per un singolo forno.

La brasatura richiede anche l'utilizzo di Al 3003, una speciale lega di alluminio brasabile. I produttori vogliono passare a leghe più economiche come Al 5754, che può essere brasato ma richiede un trattamento di post-elaborazione, e le leghe della serie Al 6xxx, che hanno il vantaggio di essere riciclabili ma non possono essere brasate affatto. Sono alla ricerca di metodi di giunzione più rapidi ed efficienti che li aiutino a tenere il passo con la crescente domanda e ad accelerare l’adozione di nuove leghe metalliche.

L’adozione della tecnologia di lavorazione laser dei materiali accelera con maggiore affidabilità, robustezza e disponibilità di laser multikilowatt. Rispetto ai processi di saldatura tradizionali, la saldatura laser riduce i costi di produzione e aumenta la flessibilità e la selettività produttiva.

La tecnologia di saldatura laser richiede inoltre un minore apporto di calore, il che riduce al minimo il potenziale di distorsione massimizzando la velocità. Tutti i metodi di saldatura comportano la formazione di pozze di fusione e la successiva rapida solidificazione. Tuttavia, l’elevata energia della saldatura laser non solo scioglie il materiale, ma lo fa anche evaporare. 1

L'evaporazione del materiale durante il processo di saldatura crea un buco della serratura, che conferisce alla saldatura laser il vantaggio di un rapporto molto stretto tra profondità di penetrazione e larghezza del cordone di saldatura (Figura 3). Di conseguenza, molti produttori sono passati dalla brasatura e saldatura tradizionali alla lavorazione laser dei materiali, che può unire una varietà di materiali, ridurre il consumo energetico e migliorare la resa del processo.

Di grandi dimensioni e dalla geometria complessa, le piastre di raffreddamento delle batterie devono soddisfare requisiti rigorosi per ottenere giunzioni robuste in grado di garantire una lunga durata di servizio senza perdite. Per evitare guasti meccanici, i giunti non devono presentare crepe, sporgenze, sottosquadri o difetti di porosità nell'interfaccia (Figura 4).

Sebbene l'elevato rapporto d'aspetto della saldatura laser si traduca in un potenziale di distorsione della parte inferiore rispetto alla saldatura termica, può anche rappresentare una sfida, poiché la stabilità del buco della serratura è fondamentale per ottenere un'elevata qualità della saldatura.

Il buco della serratura del laser generalmente rimane stabile durante la saldatura di materiali ad alto assorbimento come acciaio e nichel. Sfortunatamente, quando si saldano rame, alluminio e materiali altolegati, come quelli richiesti nella produzione di piastre di raffreddamento, il buco della serratura può essere intrinsecamente instabile, rendendo il processo suscettibile a irregolarità che compromettono la qualità della saldatura. Un metodo comune per superare questi difetti è l'oscillazione del raggio e la sua modellatura, che varia la forma e la dimensione del punto del raggio laser. 2

Tre grandi categorie di beam shaping includono statico, variabile e dinamico. I metodi statici e variabili si basano su elementi ottici diffrattivi (DOE), che forniscono una modellazione del fascio economicamente vantaggiosa tramite un modello sottile su una finestra robusta che diffrange e modula la fase della luce che la attraversa.3 Per la modellazione del fascio statico, una varietà di I DOE possono personalizzare la forma del raggio laser emesso sul pezzo. La limitata flessibilità delle soluzioni statiche le rende adatte ad applicazioni con parametri di processo molto ben definiti.