Materiali leggeri come le leghe di alluminio sono diventati mainstream grazie alle loro prestazioni superiori. Tuttavia, sfide come il controllo dell'apporto di calore, la soppressione della deformazione e la stabilità del processo nella saldatura a lamiere sottili pongono ostacoli significativi per le tecnologie di saldatura tradizionali. La saldatura Cold Metal Transfer (CMT), con i suoi vantaggi di basso apporto di calore, trasferimento senza spruzzi e controllo intelligente dei parametri, offre una soluzione innovativa per la produzione di vassoi per batterie.

Questo articolo approfondisce le strategie di controllo di precisione della tecnologia CMT nella saldatura a lamiere sottili per vassoi per batterie, analizzandone l'adattabilità, le sfide del processo e gli scenari applicativi compositi, con l'obiettivo di fornire una guida teorica e pratica per una produzione efficiente e di alta qualità.

Figura 1: Saldatura CMT dell'involucro inferiore di raffreddamento a liquido della batteria di accumulo di energia 104S

1-Requisiti di saldatura del vassoio batteria e adattabilità CMT

La tecnologia CMT, con il suo basso apporto di calore, il trasferimento senza spruzzi e il controllo intelligente dei parametri, si allinea perfettamente con le esigenze di alta precisione, bassa deformazione ed efficienza della saldatura del vassoio batteria.

(1) Requisiti del processo principale per la saldatura del vassoio batteria

a. Compatibilità dei materiali ed esigenze di alleggerimento

I vassoi batteria utilizzano principalmente leghe di alluminio leggere (ad esempio, serie 6xxx, 6061) o compositi in fibra di carbonio per modelli di fascia alta, che richiedono elevata resistenza (resistenza alla trazione del materiale di base 60%-70%) e bassa densità (lega di alluminio: 2,7 g/cm³).

Giunzione di materiali dissimili: per strutture ibride acciaio-alluminio, è necessario tenere conto delle differenze del coefficiente di dilatazione termica per ridurre al minimo la deformazione.

b. Qualità della saldatura e parametri delle prestazioni

Basso apporto di calore e controllo della deformazione: per piastre sottili (0,3-3 mm), la deformazione deve essere ≤2 mm. Le saldature lineari lunghe richiedono una saldatura segmentata o un design anti-deformazione.

Sigillatura e resistenza: le saldature devono essere completamente sigillate per evitare perdite di elettrolita e superare i test di taglio (ad esempio, standard T/CWAN 0027-2022).

Controllo della porosità: la saldatura della lega di alluminio è soggetta a porosità, richiedendo un tasso di porosità ≤0,5%.

c. Efficienza di produzione e requisiti di automazione

La produzione in lotti richiede una velocità di saldatura ≥7 mm/s, riducendo il tempo di saldatura a vassoio singolo a 5-10 minuti.

Le postazioni di lavoro automatizzate devono supportare la progettazione a doppia stazione (assemblaggio e saldatura simultanei) e la collaborazione multi-robot.

（2）Vantaggi principali della CMT per la saldatura dei vassoi delle batterie

a. Controllo preciso dell'apporto di calore ridotto

La CMT riduce l'apporto di calore del 33% rispetto alla saldatura MIG tradizionale, ritraendo il filo di saldatura per interrompere la corrente durante il cortocircuito delle gocce, eliminando i rischi di bruciatura per le piastre ultrasottili (0,3 mm).

I cicli alternati freddo-caldo (riscaldamento dell'arco-trasferimento delle gocce-ritrazione del filo) riducono al minimo l'accumulo di calore, controllando la deformazione a ≤1,5 mm (studi di casi BYD e BAIC).

b. Stabilità del processo e miglioramento della qualità

Saldatura senza spruzzi: la ritrazione meccanica elimina gli spruzzi delle gocce, riducendo le rilavorazioni.

Ottimizzazione della porosità: l'utilizzo del gas di protezione Ar+30%He riduce la porosità del 50% rispetto all'Ar puro, con dimensioni dei pori ≤0,3 mm.

Elevata tolleranza degli spazi: si adatta a spazi di assemblaggio fino a 1,5 mm, riducendo i requisiti di precisione dell'attrezzatura.

c. Integrazione dell'automazione e guadagni di efficienza

Le postazioni di lavoro a doppia stazione (ad esempio, progetti Taixiang Tech) consentono la saldatura e l'assemblaggio paralleli, raddoppiando l'efficienza.

La saldatura robotizzata simmetrica (sincronizzazione a doppio robot) con design anti-deformazione riduce il tempo di ciclo a ≤10 minuti.

2-Sfide nel processo CMT per i vassoi delle batterie

Figura 2: Flusso del processo di saldatura CMT

（1）Proprietà dei materiali e controllo dei difetti di saldatura

a. Sensibilità alla porosità nella saldatura delle leghe di alluminio

I vassoi in lega di alluminio (ad esempio, 6061, 6063) sono inclini alla porosità a causa della rapida solidificazione e dei cambiamenti di solubilità dell'idrogeno. La composizione del gas di protezione è fondamentale: Ar puro determina una porosità di circa il 5%, mentre Ar+30%He riduce la porosità a ≤0,5%. La regolazione dell'induttanza (ad esempio, messa a punto negativa) ottimizza il flusso del bagno fuso, riducendo al minimo le dimensioni dei pori.

b. Cracking a caldo e segregazione della composizione

La segregazione di Mg, Si, ecc. nelle leghe di alluminio può causare fragilità del bordo dei grani. Mentre il basso apporto di calore del CMT riduce la ZTA, è necessario un controllo preciso della velocità di saldatura e dell'alimentazione del filo per evitare una penetrazione insufficiente o un surriscaldamento localizzato.

c. Compatibilità metallurgica nella saldatura di materiali dissimili

Le interfacce nei giunti Al-acciaio o Al-composito (ad esempio, travi di sicurezza e involucri) devono mitigare le fasi fragili (ad esempio, FeAl₃) e l'interferenza del vapore di Zn.

（2）Sfide di ottimizzazione dei parametri di processo

a. Bilanciamento di penetrazione e apporto di calore

Le saldature devono soddisfare gli standard T/CWAN 0027 per la profondità di penetrazione (≥0,8 mm). Il basso apporto di calore del CMT può portare a una penetrazione insufficiente, richiedendo una regolazione della lunghezza dell'arco o una corrente pulsata per migliorare la penetrazione.

b. Compromesso tra velocità e stabilità

Le linee automatizzate richiedono velocità ≥1,2 m/min, ma velocità elevate rischiano l'instabilità dell'arco o un trasferimento irregolare delle gocce.

c. Gap Bridging in saldature complesse

I vassoi spesso presentano ampi spazi (0,5-1,5 mm) o giunti irregolari (ad esempio, giunti a T).

(3) Compatibilità tra progettazione strutturale e processo di fabbricazione

a. Controllo della deformazione della saldatura a piastra sottile

Lo spessore della parete dei pallet in lega di alluminio è solitamente di 2-3 mm. La deformazione della saldatura MAG tradizionale può raggiungere 1,2 mm, mentre la saldatura CMT può ridurre la deformazione a meno di 0,3 mm attraverso un basso apporto di calore. Tuttavia, è necessario collaborare con la progettazione di utensili antideformazione e la saldatura simmetrica robotizzata (postazione di lavoro a doppia stazione) per migliorare ulteriormente la precisione.

b. Continuità e sigillatura di saldature lunghe

La lunghezza della saldatura sigillata del vassoio della batteria può raggiungere diversi metri e devono essere evitate la rottura dell'arco o le fluttuazioni del bagno fuso. La tecnologia CMT garantisce l'uniformità della saldatura attraverso oltre 70 cicli di riaccensione dell'arco al secondo e il tasso di qualificazione della tenuta stagna può essere aumentato al 99% con il sistema di tracciamento laser.

c. Sinergia di applicazioni composite multi-processo

I pallet di fascia alta utilizzano spesso il processo composito CMT+FSW (saldatura a frizione): il CMT viene utilizzato per strutture complesse (come la connessione tra il telaio e la piastra inferiore). Il FSW viene utilizzato in aree ad alto carico (come le travi longitudinali) per migliorare la resistenza. Il problema di corrispondenza dei parametri di connessione dei due processi (come la temperatura di preriscaldamento e il trattamento termico post-saldatura) deve essere risolto.

3-Scenari applicativi tipici del processo CMT nella produzione di vassoi per batterie

(1) Collegamento della struttura principale del vassoio per batterie

a. Saldatura del telaio e della piastra inferiore

Il processo CMT è ampiamente utilizzato nel collegamento tra il telaio e la piastra inferiore dei vassoi per batterie in lega di alluminio, in particolare per saldature lunghe e piastre sottili (spessore 2-3 mm)

b. Collegamento tra trave e piastra inferiore

Nella progettazione dei vassoi per batterie CTP, a causa del numero ridotto di travi e della struttura complessa, il processo CMT viene utilizzato per: Saldatura di posizionamento ad alta precisione: il collegamento locale tra la trave e la piastra inferiore (come il giunto a T) deve evitare una penetrazione insufficiente. CMT raggiunge una penetrazione stabile ≥ 0,8 mm tramite il controllo digitale della lunghezza dell'arco (come la tecnologia Fonis CMT Advanced). Adattamento multi-materiale: se la trave è realizzata in lega di alluminio-magnesio (ad esempio 6061) e la piastra inferiore è in alluminio ad alta resistenza, la CMT può ridurre i pori tramite la protezione con gas misto Ar+He, adattandosi al contempo alle differenze di conduttività termica dei diversi materiali.

(2) Saldatura di piastre sottili e strutture geometriche complesse

a. Saldatura di leghe di alluminio a parete sottile (2-3 mm)

La richiesta di leggerezza per i vassoi batteria promuove l'applicazione di piastre sottili, ma la saldatura MIG tradizionale è soggetta a deformazione. I vantaggi del processo CMT sono:

b. Saldatura di piastre ultrasottili: Taixiang Automation utilizza la tecnologia CMT per ottenere una saldatura senza spruzzi di piastre ultrasottili da 0,3 mm per le strutture di sigillatura dei bordi del vassoio batteria.

c. Bridging di saldature di forma speciale: per strutture di forma speciale come nervature di rinforzo interne e travi anticollisione del vassoio, la modalità CMT Gap Bridging può riempire lo spazio di 0,5-1,5 mm tramite la retrazione del filo e il reindirizzamento dell'arco per evitare difetti non fusi.

d. Saldature con elevati requisiti di tenuta: la sigillatura del vassoio batteria è direttamente correlata alla sicurezza della batteria. Il processo CMT lo garantisce nei seguenti modi:

· Saldature lunghe continue: utilizzando più di 70 cicli di riaccensione dell'arco al secondo (come la tecnologia Fronius LaserHybrid) per garantire la continuità di diversi metri di saldature, con un tasso di passaggio ermetico del 99%.

· Controllo del basso apporto di calore: rispetto alla saldatura laser, la CMT ha un apporto di calore inferiore, il che riduce l'impatto termico delle fluttuazioni del bagno fuso sullo strato sigillante ed è adatta al processo di rivestimento con colla.

(3) Scenario di produzione di compositi multiprocesso

a. Processo composito CMT+FSW

Nelle linee di produzione di vassoi per batterie di fascia alta, CMT è spesso coordinato con la saldatura a frizione e agitazione (FSW):

Divisione del lavoro e cooperazione: CMT è utilizzato per la saldatura flessibile di strutture complesse (come telai e giunti di forma speciale) e FSW è utilizzato per aree ad alto carico (come travi longitudinali) per migliorare la resistenza. Ad esempio, la linea di produzione automatizzata di Shanghai Weisheng utilizza una combinazione di CMT+FSW+CNC per aumentare l'efficienza di produzione del vassoio del 30%.

Ottimizzazione della connessione di processo: la linea di produzione di Huashu Jinming adotta un design modulare e ottiene una connessione senza soluzione di continuità con FSW tramite la corrispondenza dei parametri di preriscaldamento (come il riscaldamento locale a 150 °C dopo la saldatura CMT).

b. In combinazione con la tecnologia di rivettatura FDS/SPR

Nella tecnologia CTP di seconda generazione, CMT è coordinata con la tecnologia di autoserraggio a frizione (FDS) e di rivettatura autoperforante (SPR): Soluzione di connessione ibrida: ad esempio, l'area portante del telaio e la piastra inferiore adottano FSW, mentre le parti staccabili (come piastre di raffreddamento ad acqua e strati isolanti) sono preposizionate dalla saldatura CMT e quindi fissate dalla rivettatura FDS, tenendo conto sia della resistenza che della praticità di manutenzione.

Condivideremo regolarmente aggiornamenti e informazioni su tecniche di progettazione termica e alleggerimento, per la vostra consultazione. Grazie per l'interesse verso Walmate.