A modelagem do feixe de laser aumenta a velocidade de soldagem de resfriadores de bateria EV

Quando se trata de temperaturas extremas, as baterias dos veículos elétricos (EV) são muito parecidas com as pessoas. As baterias EV têm melhor desempenho nas mesmas faixas de temperatura que os humanos. Os sistemas de gerenciamento térmico EV maximizam o desempenho da bateria e prolongam sua vida útil. As placas de resfriamento em um sistema de gerenciamento térmico EV permitem que o líquido refrigerante remova o calor da bateria.

O design de uma placa de resfriamento faz circular o refrigerante entre duas placas finas de alumínio (Al). O refrigerante flui através de canais estampados na placa de base, que está unida a uma placa superior. Para evitar fugas de líquido refrigerante, as placas base e superior devem ser unidas para criar uma junta estanque e hermeticamente vedada (Figura 1). As juntas soldadas também devem estar livres de trincas que possam levar a falhas mecânicas no campo.

Os fabricantes começaram a unir placas de resfriamento de baterias usando tecnologia de brasagem a vácuo. Essas placas anteriores (Figura 2) eram muito menores do que as placas de resfriamento necessárias para os atuais sistemas de baterias de veículos elétricos, que dependem de placas de resfriamento medindo até 2,1 × 1,3 m.

À medida que aumenta a demanda por placas de resfriamento maiores, as ineficiências da brasagem a vácuo tornam-se aparentes. A brasagem é lenta e consome muita energia (>4 MW), o que acarreta altos custos operacionais. Uma única linha de produção pode ocupar 800 metros quadrados de área de produção. O tamanho crescente das placas de refrigeração também exige um investimento de capital significativo em fornos a vácuo maiores, que podem custar mais de 5 milhões de euros por um único forno.

A brasagem também requer o uso de Al 3003, uma liga especial de alumínio que pode ser brasada. Os fabricantes querem mudar para ligas mais econômicas, como Al 5754, que pode ser brasada, mas requer tratamento pós-processamento, e ligas da série Al 6xxx, que têm a vantagem de serem recicláveis, mas não podem ser brasadas. Eles estão buscando métodos de união mais rápidos e eficientes que os ajudem a acompanhar o aumento da demanda e acelerar a adoção de novas ligas metálicas.

A adoção da tecnologia de processamento de materiais a laser acelera com maior confiabilidade, robustez e disponibilidade de lasers multiquilowatts. Em comparação com os processos de soldagem tradicionais, a soldagem a laser reduz os custos de produção e aumenta a flexibilidade e seletividade de fabricação.

A tecnologia de soldagem a laser também requer menos entrada de calor, o que minimiza o potencial de distorção e maximiza a velocidade. Todos os métodos de soldagem envolvem a formação de poças de fusão e subsequente solidificação rápida. No entanto, a alta energia da soldagem a laser não apenas derrete o material, mas também o evapora. 1

A evaporação do material durante o processo de soldagem cria um buraco de fechadura, o que dá à soldagem a laser a vantagem de uma proporção muito grande entre a profundidade de penetração e a largura da costura de solda (Figura 3). Consequentemente, muitos fabricantes mudaram da brasagem e soldagem tradicionais para o processamento de materiais a laser, que pode unir uma variedade de materiais, reduzir o consumo de energia e melhorar o rendimento do processo.

Grandes em escala e complexas em geometria, as placas de resfriamento de bateria devem atender a requisitos rigorosos para obter costuras robustas que possam proporcionar uma longa vida útil sem vazamentos. Para evitar falhas mecânicas, as juntas não podem apresentar fissuras, saliências, rebaixos ou defeitos de porosidade na interface (Figura 4).

Embora a alta relação de aspecto da soldagem a laser se traduza em menor potencial de distorção da peça quando comparada à soldagem térmica, ela também pode representar desafios, uma vez que a estabilidade do buraco de fechadura é crucial para alcançar alta qualidade de solda.

O buraco da fechadura do laser geralmente permanece estável durante a soldagem de materiais de alta absorção, como aço e níquel. Infelizmente, ao soldar cobre, alumínio e materiais de alta liga, como aqueles necessários na produção de placas de resfriamento, o buraco da fechadura pode ser inerentemente instável, tornando o processo suscetível a irregularidades que comprometem a qualidade da solda. Um método comum para superar esses defeitos é oscilar o feixe e moldá-lo, o que varia o formato e o tamanho do ponto do feixe de laser. 2

Três grandes categorias de modelagem de feixe incluem estática, variável e dinâmica. Os métodos estáticos e variáveis ​​dependem de elementos ópticos difrativos (DOEs), que fornecem modelagem de feixe econômica por meio de um padrão fino em uma janela robusta que difrata e modula a fase da luz que passa por ela.3 Para modelagem de feixe estático, uma variedade de As DOEs podem adaptar o formato da saída do feixe de laser na peça de trabalho. A flexibilidade limitada das soluções estáticas as torna adequadas para aplicações com parâmetros de processo muito bem definidos.