Selectarea metodelor și proceselor de sudare în procesul de fabricație a bateriilor electrice va afecta direct costul, calitatea, siguranța și consistența bateriei.
1 Principiul sudării cu laser
Sudarea cu laser este de a utiliza o directivitate excelentă și o densitate mare de putere a fasciculului laser pentru a funcționa. Raza laser este focalizată într-o zonă mică prin intermediul sistemului optic. Într-un timp foarte scurt, la zona sudată se formează o sursă de căldură cu o concentrație mare de energie, astfel încât obiectul sudat este topit și se formează o îmbinare solidă de sudură și o sudură.
2 Tipuri de sudare cu laser
Sudarea prin conducție de căldură cu laser, fasciculul laser topește suprafața piesei de prelucrat de-a lungul cusăturii, iar materialul topit converge și se solidifică pentru a forma sudura. Este utilizat în principal pentru materiale relativ subțiri. Adâncimea maximă de sudare a materialelor este limitată de conductivitatea sa termică, iar lățimea sudurii este întotdeauna mai mare decât adâncimea de sudare.
Sudarea prin penetrare profundă, atunci când laserul de mare putere se adună pe suprafața metalului, căldura nu poate fi pierdută, iar adâncimea de sudare va fi profund adâncită. Această tehnologie de sudare este sudarea prin penetrare profundă. Datorită vitezei mari de procesare, a zonei mici afectate de căldură și a distorsiunii minime, tehnologia de sudare cu penetrare profundă poate fi utilizată pentru sudarea profundă sau sudarea mai multor straturi de date împreună.
Principala diferență între sudarea prin conducție de căldură și sudarea prin penetrare profundă este densitatea de putere aplicată suprafeței metalice în timp de unitate, iar valoarea critică este diferită pentru diferite metale.
Sudarea prin penetrare și sudarea cusăturilor
Prin sudare, piesa de conectare nu are nevoie de perforare, iar prelucrarea este relativ simplă. Pentru sudarea prin penetrare este necesară o sudură laser de mare putere. Adâncimea de penetrare a sudurii prin penetrare este mai mică decât cea a sudurii prin cusătură, iar fiabilitatea este relativ slabă.
În comparație cu sudarea prin penetrare, sudarea prin cusături are nevoie doar de sudor laser cu mai puțină putere. Pătrunderea sudurii prin cusături este mai mare decât cea pentru sudarea prin penetrare, iar fiabilitatea este relativ bună. Dar piesa de conectare trebuie să fie perforată, deci este relativ dificil de prelucrat.
Sudare pulsată și sudare continuă
1) Sudare prin impulsuri
La sudarea cu laser, trebuie selectată forma de undă de sudare adecvată. Formele de undă ale impulsurilor utilizate în mod obișnuit sunt unda pătrată, unda de vârf, unda bimodală și așa mai departe. Reflectivitatea suprafeței aliajului de aluminiu la lumină este prea mare. Când un fascicul laser de mare intensitate lovește suprafața materialului, 60% - 98% din energia laserului de pe suprafața metalică se va pierde din cauza reflexiei, iar reflectivitatea se schimbă odată cu temperatura suprafeței. În general, la sudarea aliajului de aluminiu, cea mai bună alegere este valul ascuțit și valul bimodal. Acest tip de formă de undă de sudură are o lățime mai mare a impulsului în partea inferioară, ceea ce poate reduce în mod eficient generarea de pori și fisuri.
Probă de sudare cu impulsuri laser
Datorită reflectivității ridicate a aliajului de aluminiu la laser, pentru a preveni fasciculul laser să provoace reflexie verticală și să deterioreze oglinda de focalizare a laserului, îmbinarea de sudură este de obicei deviată la un anumit unghi în procesul de sudare. Diametrul îmbinării de lipit și suprafața efectivă a îmbinării crește odată cu creșterea unghiului de înclinare a laserului. Când unghiul de înclinare a laserului este de 40 de grade, se poate obține articulația de lipit maximă și suprafața efectivă a articulației. Pătrunderea sudurii și penetrarea efectivă scad odată cu unghiul de înclinare a laserului. Când unghiul de înclinare a laserului este mai mare de 60 de grade, penetrarea efectivă a sudurii scade la zero. Prin urmare, penetrarea și lățimea sudurii pot fi mărite prin înclinarea îmbinării sudate la un anumit unghi.
În plus, atunci când faceți sudarea, luând sudura ca graniță, punctul laser ar trebui sudat cu 65% din placa de acoperire și 35% din carcasă, ceea ce poate reduce efectiv explozia cauzată de problema închiderii capacului.
2) Sudare în mod continuu
Deoarece procesul de încălzire a sudării continue cu laser nu este ca răcirea bruscă și încălzirea mașinii cu impulsuri, tendința de fisurare nu este foarte evidentă în timpul sudării. Pentru a îmbunătăți calitatea sudurii, se adoptă sudarea continuă cu laser. Suprafața sudurii este netedă și uniformă, fără stropi și defecte și nu se găsește nicio fisură în interiorul sudurii. În sudarea aliajului de aluminiu, avantajele laserului continuu sunt evidente. Comparativ cu metoda tradițională de sudare, laserul continuu are o eficiență ridicată a producției și nu are umplere de sârmă; în comparație cu sudarea cu laser cu impulsuri, poate rezolva defectele după sudare, cum ar fi fisuri, pori, stropi etc., pentru a se asigura că aliajul de aluminiu are proprietăți mecanice bune după sudare; nu se va lăsa după sudare, iar cantitatea de lustruire după sudare este redusă, ceea ce economisește costul de producție, Cu toate acestea, deoarece locul laserului CW este relativ mic, precizia de asamblare a piesei de prelucrat trebuie să fie mai mare.
Eșantion continuu de sudare cu laser
În sudarea bateriei de putere, tehnicienii de sudură vor selecta parametrii laser și de sudură corespunzători în funcție de materialul bateriei clientului, forma, grosimea, forța de tracțiune, inclusiv viteza de sudare, forma de undă, valoarea de vârf, înclinarea capului de sudare unghi, etc. pentru a seta parametrii rezonabili de sudare, astfel încât să se asigure că efectul final de sudare îndeplinește cerințele producătorilor de baterii.
3 Avantajele sudării cu laser
Are avantajele energiei concentrate, a eficienței ridicate a sudării, a preciziei mari de prelucrare și a raportului de lățime mare al adâncimii sudurii. Raza laser este ușor de focalizat, aliniat și ghidat de instrumente optice. Poate fi plasat la o distanță adecvată de piesa de prelucrat și poate fi re-ghidat între cleme sau obstacole în jurul piesei de prelucrat. Alte reguli de sudare nu se pot juca din cauza limitărilor de spațiu de mai sus.
Energia de sudare poate fi controlată cu precizie, efectul de sudare este stabil și aspectul de sudare este bun;
Sudare fără contact, transmisie de fibre optice, accesibilitate bună, grad înalt de automatizare. La sudarea materialului subțire sau a firelor cu diametru fin, nu va exista nici o problemă de a se re-topi ca sudarea cu arc. Deoarece celula utilizată pentru bateria electrică urmează principiul&"ușor GG", este de obicei realizată din&"ușor GG"; aluminiu și trebuie să fie&";&mai subțire". În general, carcasa, capacul și fundul trebuie să fie mai mici de 1,0 mm. În prezent, grosimea materialului de bază al producătorilor de masă este de aproximativ 0,8 mm.
Poate asigura sudarea de înaltă rezistență pentru diverse combinații de materiale, în special pentru sudarea între materialele din cupru și materialele din aluminiu. Aceasta este, de asemenea, singura tehnologie care poate sudura placarea cu nichel pe materiale de cupru.
4 Dificultăți ale sudării cu laser
În prezent, carcasa bateriei din aliaj de aluminiu reprezintă mai mult de 90% din întreaga baterie de putere. Dificultatea sudării constă în faptul că reflectivitatea aliajului de aluminiu la laser este foarte mare, iar sensibilitatea porozității este ridicată în procesul de sudare. Unele probleme și defecte vor apărea inevitabil în procesul de sudare, dintre care cele mai importante sunt porozitatea, crăpăturile fierbinți și explozia.
Există două tipuri principale de porozitate în sudarea cu laser a aliajului de aluminiu: porozitatea hidrogenului și porozitatea cauzată de explozia cu bule. Deoarece viteza de răcire a sudării cu laser este prea rapidă, problema porozității hidrogenului este mai gravă și există, de asemenea, un fel de găuri din cauza prăbușirii găurilor mici în sudarea cu laser.
Problema fisurilor de căldură. Aliajul de aluminiu este un aliaj tipic eutectic, care este predispus la fisuri fierbinți în timpul sudării, inclusiv fisuri de cristalizare a sudurii și fisuri de lichefiere HAZ. Datorită segregării compoziției în zona de sudură, se va produce segregarea eutectică și se va topi la granița granulelor. Sub acțiunea stresului, la limita granulelor se vor forma fisuri de lichefiere, ceea ce va reduce performanța îmbinării sudate.
Problemă de explozie (cunoscută și sub numele de splash). Există mulți factori care provoacă explozia, cum ar fi curățenia materialului, puritatea materialului în sine, caracteristicile materialului în sine și așa mai departe, iar stabilitatea laserului joacă un rol decisiv. Suprafața învelișului este convexă, orificiul de aer și bula de aer internă. Principalul motiv este că diametrul miezului fibrei este prea mic sau energia laserului este setată prea mare. Nu este" o calitate mai bună a fasciculului, un efect mai bun de sudare" mediatizat de unii furnizori de echipamente laser. Calitatea bună a fasciculului este potrivită pentru sudarea prin suprapunere cu penetrare mare. Cheia rezolvării problemei este găsirea parametrilor de proces corecți.
Alte dificultăți
Pentru sudarea capetei polare cu înveliș moale, sculele de sudură sunt extrem de necesare, astfel încât capătul polar trebuie apăsat ferm pentru a asigura golul de sudare. Poate realiza sudarea de mare viteză a formei S, a spiralei și a altor piste complexe, poate crește zona îmbinării sudate și poate întări rezistența sudării în același timp.
Sudarea celulelor cilindrice este utilizată în principal pentru sudarea electrozilor pozitivi. Deoarece carcasa electrodului negativ este subțire, este foarte ușor de sudat. De exemplu, în prezent, unii producători folosesc procesul de sudare fără electrod negativ, iar electrodul pozitiv este sudarea cu laser.
Când combinația de baterii pătrate este sudată, stâlpul sau piesa de legătură este puternic poluată; când piesa de legătură este sudată, poluanții se descompun, ceea ce este ușor să formeze puncte de explozie de sudură și să provoace găuri; atunci când stâlpul este subțire și sub acesta sunt părți structurale din plastic sau ceramică, este ușor de sudat. Când stâlpul este mic, este ușor să se abată de la plastic și să se ardă. Nu utilizați un conector multi-strat, există pori între straturi, nu este ușor de sudat.
Cel mai important proces de sudare a bateriei pătrate este ambalarea capacului carcasei, care poate fi împărțit în sudarea capacului superior și a capacului inferior în funcție de poziții diferite. Datorită dimensiunii reduse a bateriei, unii producători de baterii folosesc" procesul de fabricare a carcasei bateriei, trebuie doar să sudați capacul superior.
Probă de sudură laterală a bateriei pătrate
Metodele de sudare ale bateriilor pătrate sunt împărțite în principal în sudarea laterală și sudarea superioară. Principalul avantaj al sudării laterale este că are o influență mai mică asupra interiorului celulei, iar stropirea nu va intra cu ușurință în interiorul carcasei. Deoarece sudarea poate provoca o umflătură, care va avea un impact ușor asupra procesului ulterior de asamblare, astfel încât procesul de sudare laterală are cerințe ridicate privind stabilitatea laserului și curățenia materialului. Deoarece procesul de sudare superior este sudat pe o parte, cerințele pentru integrarea echipamentelor de sudură sunt relativ scăzute, iar producția în masă este simplă. Cu toate acestea, există două dezavantaje: unul este că un pic de stropire poate pătrunde în celulă în timpul sudării, iar celălalt este că cerințele ridicate pentru secțiunea frontală a carcasei vor duce la problema costurilor.
5. Factori care afectează calitatea sudurii
Sudarea cu laser este principala metodă de sudare a bateriilor high-end. Sudarea cu laser este un proces de iradiere laser cu fascicul de mare energie pe piesa de prelucrat, care determină creșterea bruscă a temperaturii de lucru, iar piesa de prelucrat se topește și se reconectează pentru a forma o conexiune permanentă. Rezistența la forfecare și rezistența la rupere a sudării cu laser sunt mai bune. Conductivitatea electrică, rezistența, etanșeitatea la aer, oboseala metalelor și rezistența la coroziune a sudării bateriei sunt standarde tipice de evaluare a calității sudării.
Există mulți factori care afectează calitatea sudării cu laser. Unele dintre ele sunt foarte volatile și au o instabilitate considerabilă. Cum să setați și să controlați corect acești parametri, astfel încât să poată fi controlați în intervalul adecvat în procesul de sudare laser de mare viteză și continuu pentru a asigura calitatea sudării. Fiabilitatea și stabilitatea formării sudurii sunt probleme importante legate de practica și industrializarea tehnologiei de sudare cu laser. Principalii factori care afectează calitatea sudării cu laser sunt echipamentele de sudură, starea piesei de prelucrat și parametrii procesului.
1) Echipamente de sudare cu laser
Mașină de sudat cu fibră laser pentru baterie electrică
Amplificatorul RS-SWF-80/150 80W GG; Mașina de sudat cu laser cu fibră de 150W satisface cererea de sudare cu laser de înaltă calitate de înaltă viteză pentru celulele bateriei cu litiu.
Cea mai importantă cerință de calitate a laserului este modul fascicul, puterea de ieșire și stabilitatea. Modul fascicul este indicele principal al calității fasciculului. Cu cât ordinea modului fasciculului este mai mică, cu atât performanța focalizării fasciculului este mai bună, cu atât este mai mică fața, cu atât este mai mare densitatea puterii și cu atât este mai mare adâncimea și lățimea sudurii sub aceeași putere laser. Modul fundamental (TEM00) sau modul de comandă redusă este în general necesar, în caz contrar, este dificil să îndeplinim cerințele sudării cu laser de înaltă calitate. În prezent, este dificil ca laserele domestice să fie utilizate la sudarea cu laser în ceea ce privește calitatea fasciculului și stabilitatea puterii. Din situația străină, calitatea fasciculului laser și stabilitatea puterii de ieșire au fost destul de ridicate, ceea ce nu va deveni problema sudării cu laser. Obiectivul de focalizare este cel mai important factor care afectează calitatea sudurii în sistemul optic. Distanța focală este în general cuprinsă între 127 mm (5 in) și 200 mm (7,9 in). O distanță focală mică este bună pentru reducerea diametrului punctului de talie al fasciculului focalizat, dar distanța focală prea mică este ușor de poluat și deteriorat prin stropirea în procesul de sudare.
Cu cât lungimea de undă este mai mică, cu atât absorbția este mai mare. În general, reflectivitatea materialelor cu o bună conductivitate este foarte mare. Pentru laserul YAG, reflectivitatea argintului este de 96%, cea a aluminiului este de 92%, cea a cuprului este de 90%, iar cea a fierului este de 60%. Cu cât temperatura este mai ridicată, cu atât absorbția este mai mare, prezentând o relație liniară; în general, fosfatul, negrul de fum și grafitul pot îmbunătăți absorbția.
2) Starea piesei de prelucrat
Sudarea cu laser necesită prelucrarea marginii piesei de prelucrat, ansamblul are o precizie ridicată, iar pata este strict aliniată cu sudura. Mai mult, precizia asamblării originale și alinierea punctelor piesei de prelucrat nu pot fi modificate datorită deformării termice a sudării în procesul de sudare. Acest lucru se datorează faptului că pata laserului este mică și cusătura de sudură este îngustă. În general, nu se adaugă metal de umplutură. Dacă ansamblul nu este strict și spațiul este prea mare, grinda poate trece prin spațiu și nu poate topi metalul de bază sau poate provoca o tăietură evidentă și depresiune. Dacă deviația punctului de la cusătură este ușor mare, aceasta poate provoca fuziune incompletă sau penetrare incompletă. Prin urmare, decalajul general al ansamblului capătului plăcii și deviația cusăturii spotului nu trebuie să fie mai mari de 0,1 mm, nealinierea nu trebuie să fie mai mare de 0,2 mm. În producția reală, uneori tehnologia de sudare cu laser nu poate fi utilizată, deoarece nu poate îndeplini aceste cerințe. Pentru a obține un efect de sudare bun, decalajul admis și capul trebuie să fie controlate în limita a 10% din grosimea foii.
Sudarea cu succes a laserului necesită un contact strâns între substratul care trebuie sudat. Acest lucru necesită o strângere atentă a pieselor pentru rezultate optime. Acest lucru este dificil de realizat pe materialul de bază subțire al urechii, deoarece este predispus la îndoire și nealiniere, mai ales atunci când urechea este încorporată într-un modul sau modul de baterie mare.
3) Parametrii de sudare cu laser
(1) Densitatea puterii punctului laser este cel mai important factor care afectează modul de sudare laser și stabilitatea formării sudurii. Influența densității puterii punctului laser asupra modului de sudare și a stabilității formării sudurii este după cum urmează: cu densitatea puterii punctului laser crescând de la mic la mare, ordinea este sudarea stabilă a conductivității termice, sudarea instabilă în mod și sudarea stabilă cu penetrare profundă.
Densitatea puterii punctului laser este determinată în principal de puterea laserului și de poziția de focalizare a fasciculului atunci când modul fasciculului și distanța focală sunt fixe. Densitatea puterii laserului este proporțională cu puterea laserului. Când focalizarea grinzii se află într-o anumită poziție sub suprafața piesei de prelucrat (1-2 mm, în funcție de grosime și parametri), se poate obține o sudură optimă. Abateți de la poziția optimă de focalizare, punctul luminos de pe suprafața piesei de prelucrat va deveni mai mare, determinând densitatea puterii să fie mai mică. Pentru o anumită gamă, aceasta va provoca schimbarea formei procesului de sudare.
Doar atunci când viteza de sudare este prea mare, procesul de sudare stabil cu penetrare profundă nu poate fi menținut datorită aportului redus de căldură. În sudarea efectivă, sudarea stabilă cu penetrare profundă sau sudarea stabilă prin conducție termică ar trebui selectate în conformitate cu cerințele de penetrare a sudării, iar modul de sudare instabil ar trebui să fie absolut evitat.
(2) În domeniul sudării prin penetrare profundă, influența parametrilor de sudare asupra penetrării: în domeniul sudării stabile cu penetrare profundă, cu cât este mai mare puterea laserului, cu atât este mai mare penetrarea, care este de aproximativ 0,7 putere; și cu cât viteza de sudare este mai mare, cu atât este mai mică penetrarea. La o anumită putere laser și viteză de sudare, penetrarea este cea mai mare atunci când focalizarea este în cea mai bună poziție. Dacă focalizarea s-a abătut de la această poziție, penetrarea scade și chiar devine sudură instabilă sau sudare stabilă cu conducere termică.
(3) Funcția principală de protejare a gazelor este de a proteja piesa de prelucrat de oxidare în timpul sudării, de a proteja lentila de focalizare de poluarea cu vapori de metal și de pulverizarea picăturilor de lichid, de a dispersa plasma produsă prin sudarea cu laser de mare putere, de a răci piesa de prelucrat și de a reduce zona afectată de căldură.
Argonul sau heliul este de obicei folosit ca gaz protector. Azotul poate fi utilizat pentru cei cu cerințe de calitate aparente scăzute. Tendința heliului de a produce plasmă este diferită: heliul are un volum mai mare de ionizare și o conducere mai rapidă a căldurii. În aceleași condiții, gazul are o tendință mai mică de a produce plasmă decât argonul, deci poate obține o adâncime de topire mai mare. Într-un anumit interval, odată cu creșterea debitului gazului de protecție, tendința de suprimare a plasmei crește, astfel încât adâncimea de topire crește, dar tinde să fie stabilă atunci când crește la un anumit interval.
(4) Analiza privind monitorizarea fiecărui parametru: printre cei patru parametri de sudură, viteza de sudare și fluxul de gaz de protecție sunt ușor de monitorizat și menținut stabil, în timp ce puterea laserului și poziția de focalizare sunt parametrii care pot fluctua și sunt dificil de monitorizat în procesul de sudare. Deși puterea laserului de la laser este extrem de stabilă și ușor de monitorizat, datorită pierderii ghidajului de lumină și a sistemului de focalizare, puterea laserului care ajunge la piesa de prelucrat se va schimba, iar această pierdere este legată de calitatea piesei de prelucrat optice, timpul de service și poluarea suprafeței, deci nu este ușor de monitorizat și devine un factor incert al calității sudurii. Poziția de focalizare a fasciculului este unul dintre cei mai dificili factori de monitorizare și control, care are o mare influență asupra calității sudurii. În prezent, este necesar să se determine poziția de focalizare adecvată prin reglare manuală și teste repetate de proces pentru a obține penetrarea ideală. Dar în procesul de sudare, datorită deformării piesei de prelucrat, efectului lentilei termice sau sudării multidimensionale a curbei spațiale, poziția focalizării se va schimba și poate depăși intervalul permis.
Pentru cele două cazuri de mai sus, pe de o parte, ar trebui utilizate și întreținute în mod regulat elemente optice de înaltă calitate și stabilitate pentru a preveni poluarea și a se menține curate; pe de altă parte, metoda de monitorizare și control în timp real a procesului de sudare cu laser ar trebui dezvoltată pentru a optimiza parametrii și pentru a monitoriza procesul de sudare. și să îmbunătățească fiabilitatea și stabilitatea calității sudării cu laser.
În cele din urmă, este important să rețineți că sudarea cu laser este un proces de topire. Aceasta înseamnă că ambele substraturi se topesc în timpul sudării cu laser. Acest proces este foarte rapid, astfel încât puterea totală de căldură este redusă. Dar, deoarece este un proces de topire, este posibil să se formeze compuși intermetalici fragili de înaltă rezistență atunci când se sudează diferite materiale. Combinația de aluminiu și cupru este deosebit de ușoară pentru a forma compuși intermetalici. Acești compuși s-au dovedit a avea efecte negative asupra proprietăților electrice pe termen scurt și mecanice pe termen lung ale îmbinării echipamentelor microelectronice. Influența acestor compuși intermetalici asupra performanței pe termen lung a bateriilor cu litiu este incertă.