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

Lorsqu’il s’agit de températures extrêmes, les batteries des véhicules électriques (VE) ressemblent beaucoup aux humains. Les batteries des véhicules électriques fonctionnent mieux dans les mêmes plages de températures que celles des 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 d'un système de gestion thermique EV permettent au liquide de refroidissement d'évacuer la chaleur de la batterie.

Une conception de plaque de refroidissement fait circuler le liquide de refroidissement entre deux fines plaques d'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 de base et supérieures 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 les plaques de refroidissement des batteries 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 EV actuels, 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 évidentes. 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 de surface de production. La taille croissante des plaques de refroidissement nécessite également des investissements importants dans des fours à 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 pouvant être brasé. Les fabricants souhaitent se tourner vers des alliages plus économiques comme l'Al 5754, qui peut être brasé mais nécessite un traitement post-traitement, et les alliages de la série Al 6xxx, qui ont l'avantage d'être recyclables mais ne peuvent pas du tout être brasés. 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 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, l’énergie élevée du soudage au laser fait non seulement fondre le matériau, mais l’évapore également. 1

L'évaporation du matériau pendant le processus de soudage crée un trou de serrure, ce qui confère 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 des batteries doivent répondre à des exigences strictes pour obtenir des coutures robustes capables de fournir une longue durée de vie sans fuite. Pour éviter toute défaillance mécanique, les joints ne doivent pas présenter de fissures, de bosses, de contre-dépouille 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 plus faible par rapport au soudage thermique, il peut également poser des défis, car la stabilité du trou de serrure est cruciale pour obtenir une qualité de soudure élevée.

Le trou de serrure laser reste généralement stable lors du soudage de matériaux à forte absorption tels que l'acier et le nickel. Malheureusement, lors du soudage de cuivre, d'aluminium et de matériaux fortement 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 du soudage. Une méthode courante pour surmonter ces défauts consiste à faire osciller le faisceau et à le façonner, ce qui fait varier la forme et la taille du point du faisceau laser. 2

Il existe trois grandes catégories de mise en forme de faisceau : statique, variable et dynamique. Les méthodes statiques et variables s'appuient sur des éléments optiques diffractifs (DOE), qui fournissent une mise en forme du 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 du faisceau statique, une variété de Les DOE peuvent 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.