Valet av svetsmetoder och processer i tillverkningsprocessen för elbatterier påverkar direkt batteriets kostnad, kvalitet, säkerhet och konsistens.
1 Princip för lasersvetsning
Lasersvetsning är att använda utmärkt direktivitet och hög effektdensitet hos laserstrålar för att fungera. Laserstrålen fokuseras i ett litet område genom det optiska systemet. På mycket kort tid bildas en värmekällarea med hög energikoncentration vid den svetsade delen så att det svetsade föremålet smälts och en solid lödfog och svets bildas.
2 Typer av lasersvetsning
Laservärmeledningssvetsning, laserstrålen smälter ytan på arbetsstycket längs sömmen och det smälta materialet konvergerar och stelnar för att bilda svetsen. Det används främst för relativt tunna material. Materialets maximala svetsdjup begränsas av dess värmeledningsförmåga och svetsbredden är alltid större än svetsdjupet.
Djup penetrationssvetsning, när högeffektlasern samlas på metallens yta, kan värmen inte gå förlorad och svetsdjupet kommer att fördjupas kraftigt. Denna svetsteknik är djupgenomträngningssvetsning. På grund av den höga bearbetningshastigheten, det lilla värmepåverkade området och den minsta distorsionen kan djupgenomträngningssvetsningsteknik användas för djupsvetsning eller svetsning av flera dataskikt tillsammans.
Huvudskillnaden mellan värmeledningssvetsning och djup penetrationssvetsning är effekttätheten som appliceras på metallytan under enhetstiden, och det kritiska värdet är annorlunda för olika metaller.
Penetrationssvetsning och sömssvetsning
Genom svetsning behöver anslutningsstycket inte stansas och bearbetningen är relativt enkel. En högeffektiv lasersvetsare behövs för penetrationssvetsning. Penetreringsdjupet för penetrationssvetsning är lägre än det för sömssvetsning och tillförlitligheten är relativt dålig.
Jämfört med penetrationssvetsning behöver sömssvetsning endast mindre lasersvetsning. Sömsvetsningens penetration är högre än penetrationssvetsningen och tillförlitligheten är relativt god. Men anslutningsstycket måste stansas, så det är relativt svårt att bearbeta.
Pulsad svetsning och kontinuerlig svetsning
1) Pulssvetsning
Vid lasersvetsning bör lämplig svetsvågform väljas. De vanliga pulsvågformerna är fyrkantvåg, toppvåg, bimodalvåg och så vidare. Reflektionsförmågan hos aluminiumlegeringsytan mot ljus är för hög. När en högintensiv laserstråle träffar materialytan kommer 60% - 98% av laserenergin på metallytan att gå förlorad på grund av reflektion och reflektionsförmågan förändras med yttemperaturen. I allmänhet är det bästa valet vid svetsning av aluminiumlegering vass och bimodal våg. Denna typ av svetsvågform har en längre pulsbredd i nedre delen, vilket effektivt kan minska porer och sprickbildning.
Pulsat lasersvetsprov
På grund av aluminiumlegeringens höga reflektionsförmåga mot laser, för att förhindra laserstrålen från att orsaka vertikal reflektion och skada laserfokuseringsspegeln, avböjs svetsfogen vanligtvis i en viss vinkel i svetsprocessen. Diametern på lödfogen och den effektiva fogytan ökar med ökad laservinkel. När laservinkeln är 40 grader kan den maximala lödfogen och den effektiva fogytan erhållas. Svetsgenomträngningen och den effektiva penetrationen minskar med laservinkeln. När laservinkeln är större än 60 grader minskar den effektiva svetsgenomföringen till noll. Därför kan svetsgenomföringen och bredden ökas genom att den svetsade fogen lutas till en viss vinkel.
Dessutom, när man svetsar, med svetsningen som gräns, bör laserfläcken svetsas med 65% av täckplattan och 35% av skalet, vilket effektivt kan minska explosionen som orsakas av lockets stängningsproblem.
2) Kontinuerlig svetsning
Eftersom värmeprocessen för kontinuerlig lasersvetsning inte liknar den plötsliga kylningen och uppvärmningen av pulsmaskinen är sprick tendens inte särskilt uppenbar under svetsning. För att förbättra svetsens kvalitet antas kontinuerlig lasersvetsning. Svetsytan är slät och jämn, utan stänk och defekter, och ingen spricka finns i svetsen. Vid svetsning av aluminiumlegering är fördelarna med kontinuerlig laser uppenbara. Jämfört med den traditionella svetsmetoden har den kontinuerliga lasern hög produktionseffektivitet och ingen trådfyllning. jämfört med pulslasersvetsning kan det lösa defekterna efter svetsning, såsom sprickor, porer, stänk etc. för att säkerställa att aluminiumlegeringen har goda mekaniska egenskaper efter svetsning; det kommer inte att sjunka efter svetsning, och mängden polering efter svetsning reduceras, vilket sparar produktionskostnaderna. Eftersom CW-laserns plats är relativt liten, måste arbetsstyckets monteringsnoggrannhet vara högre.
Kontinuerligt lasersvetsprov
Vid svetsning av kraftbatteri väljer svetsteknikerna lämpliga laser- och svetsparametrar enligt kundens&# 39: s batterimaterial, form, tjocklek, krav på dragkraft, inklusive svetshastighet, vågform, toppvärde, svetshuvudlutning vinkel etc. för att ställa in rimliga svetsparametrar för att säkerställa att den slutliga svetseffekten uppfyller kraven från kraftbatteritillverkare.
3 Fördelar med lasersvetsning
Det har fördelarna med koncentrerad energi, hög svetseffektivitet, hög bearbetningsnoggrannhet och ett stort djupbreddförhållande hos svetsen. Laserstrålen är lätt att fokusera, justera och styras av optiska instrument. Den kan placeras på lämpligt avstånd från arbetsstycket och kan styras igen mellan klämmorna eller hinder runt arbetsstycket. Andra svetsregler kan inte spela på grund av ovanstående utrymmesbegränsningar.
Svetsenergin kan kontrolleras exakt, svetseffekten är stabil och svetsutseendet är bra;
Beröringsfri svetsning, optisk fiberöverföring, bra tillgänglighet, hög grad av automatisering. Vid svetsning av tunt material eller tråd med fin diameter kommer det inte att finnas några problem med att smälta om som bågsvetsning. Eftersom cellen som används för strömbatteri följer principen för" lätt" är den vanligtvis gjord av" lätt" aluminium och måste vara" tunnare" ;. I allmänhet måste skalet, locket och botten vara mindre än 1,0 mm. För närvarande är basmaterialtjockleken hos vanliga tillverkare cirka 0,8 mm.
Det kan ge höghållfast svetsning för olika materialkombinationer, särskilt för svetsning mellan kopparmaterial och aluminiummaterial. Detta är också den enda tekniken som kan svetsa nickelplätering till kopparmaterial.
4 Svårigheter med lasersvetsning
För närvarande står batterihöljet av aluminiumlegering för mer än 90% av hela batteriet. Svårigheten med svetsning är att aluminiumlegeringens reflektionsförmåga mot lasern är mycket hög och porositetens känslighet är hög i svetsprocessen. Vissa problem och defekter kommer oundvikligen att dyka upp i svetsprocessen, varav de viktigaste är porositet, het spricka och explosion.
Det finns två huvudtyper av porositet vid lasersvetsning av aluminiumlegering: väteporositet och porositet orsakad av bubbelbrist. Eftersom kylhastigheten för lasersvetsning är för snabb är problemet med vätgasporositet allvarligare, och det finns också slags hål på grund av kollapsen av små hål i lasersvetsningen.
Värme sprickor problem. Aluminiumlegering är en typisk eutektisk legering som är benägen för heta sprickor under svetsning, inklusive svetskristallisationssprickor och HAZ-kondensationssprickor. På grund av kompositionssegregeringen i svetszonen kommer eutektisk segregation att inträffa och korngränssmältning kommer att ske. Under påverkan av spänning bildas kondenssprickor vid korngränsen, vilket minskar svetsfogens prestanda.
Explosion (även känd som stänk) problem. Det finns många faktorer som orsakar explosionen, såsom materialets renhet, själva materialets renhet, egenskaperna hos själva materialet och så vidare, och laserns stabilitet spelar en avgörande roll. Skalets yta är konvex, lufthålet och den inre luftbubblan. Den främsta anledningen är att fiberkärnans diameter är för liten eller att laserenergin är inställd för hög. Det är inte" bättre strålkvalitet, bättre svetseffekt" publiceras av vissa leverantörer av laserutrustning. Bra strålkvalitet är lämplig för överlagssvetsning med stor penetration. Nyckeln till att lösa problemet är att hitta rätt processparametrar.
Andra svårigheter
För svetsning av polskydd med mjuk omslag är svetsverktyg mycket nödvändigt, så polarskyddet måste pressas ordentligt för att säkerställa svetsgapet. Det kan förverkliga höghastighetssvetsning av S-form, spiralform och andra komplexa spår, öka svetsfogsområdet och stärka svetsstyrkan samtidigt.
Svetsningen av de cylindriska cellerna används huvudsakligen för svetsning av de positiva elektroderna. Eftersom skalet på den negativa elektroden är tunt är det mycket lätt att svetsa igenom. För närvarande använder till exempel vissa tillverkare den negativa elektrodsvetsningsfria processen, och den positiva elektroden är lasersvetsning.
När den fyrkantiga batterikombinationen är svetsad är polen eller anslutningsstycket mycket förorenad. när anslutningsstycket svetsas sönderdelas föroreningarna, vilket är lätt att bilda svetsexplosionspunkter och orsaka hål; när stolpen är tunn och det finns plast- eller keramikdelar under den är den lätt att svetsa igenom. När stången är liten är det lätt att avvika från plasten och bränna ut. Använd inte en kontakt med flera lager, det finns porer mellan lager, det är inte lätt att svetsa.
Den viktigaste svetsprocessen med fyrkantigt batteri är förpackningen av skalskyddet, som kan delas in i svetsning av topplock och bottenlock enligt olika positioner. På grund av batteriets lilla storlek använder vissa batteritillverkare" djupritning" process för att tillverka batterihöljet, behöver bara svetsa överkåpan.
Sidosvetsprov av fyrkantigt batteri
Svetsmetoderna för fyrkantiga batterier är huvudsakligen uppdelade i sidosvetsning och toppsvetsning. Den största fördelen med sidosvetsning är att den har mindre inflytande på cellens insida, och stänk kommer inte lätt in i insidan av skalet. Eftersom svetsningen kan orsaka en utbuktning, vilket kommer att ha en liten inverkan på den efterföljande monteringsprocessen, så har sidosvetsprocessen höga krav på laserns stabilitet och materialets renhet. Eftersom den övre svetsprocessen är svetsad på ena sidan är kraven för integration av svetsutrustning relativt låga och massproduktionen är enkel. Det finns emellertid två nackdelar: den ena är att lite sprut kan komma in i cellen under svetsning, och den andra är att de höga kraven på skalets främre del kommer att leda till kostnadsproblemet.
5. Faktorer som påverkar svetskvaliteten
Lasersvetsning är den viktigaste metoden för avancerad batterisvetsning. Lasersvetsning är en process med strålningslaserstrålning med hög energi på arbetsstycket, vilket får arbetstemperaturen att stiga kraftigt och arbetsstycket smälter och återansluts för att bilda en permanent anslutning. Skjuvhållfastheten och rivhållfastheten för lasersvetsning är bättre. Elektrisk ledningsförmåga, styrka, lufttäthet, metallutmattning och korrosionsbeständighet vid batterisvetsning är typiska standarder för utvärdering av svetskvaliteten.
Det finns många faktorer som påverkar lasersvetsningens kvalitet. Vissa av dem är mycket flyktiga och har stor instabilitet. Hur man ställer in och kontrollerar dessa parametrar korrekt så att de kan kontrolleras inom rätt intervall i den snabba och kontinuerliga lasersvetsprocessen för att säkerställa svetsningskvaliteten. Svetsformningens tillförlitlighet och stabilitet är viktiga problem relaterade till praktisk och industrialisering av lasersvetsningsteknik. De viktigaste faktorerna som påverkar lasersvetsningens kvalitet är svetsutrustning, arbetsstyckets skick och processparametrar.
1) Lasersvetsutrustning
Fiberlasersvetsmaskin för kraftbatteri
RS-SWF-80/150 80W GG-förstärkare; 150W fiberlasersvetsmaskin tillgodoser efterfrågan på höghastighetslasersvetsning för litiumbatterieceller.
Det viktigaste kvalitetskravet för laser är strålläge, uteffekt och stabilitet. Strålningsläge är huvudindex för strålkvalitet. Ju lägre ordning strålläget är, desto bättre strålfokuseringsprestanda, desto mindre plats, desto högre effekttäthet och desto större är svetsdjupet och bredden under samma lasereffekt. Grundläget (TEM00) eller läget för låg ordning krävs vanligtvis, annars är det svårt att uppfylla kraven för högkvalitativ lasersvetsning. För närvarande är det svårt för hushållslaser att användas vid lasersvetsning i termer av strålkvalitet och uteffekt. Från den utländska situationen har laserstrålkvaliteten och uteffektstabiliteten varit ganska hög, vilket inte blir problemet med lasersvetsning. Fokuslinsen är den viktigaste faktorn som påverkar svetskvaliteten i det optiska systemet. Brännvidden är i allmänhet mellan 127 mm (5 tum) och 200 mm (7,9 tum). En liten brännvidd är bra för att minska den fokuserade strålens midjepunktsdiameter, men den för lilla brännvidden är lätt att förorenas och skadas av sprut i svetsprocessen.
Ju kortare våglängden är, desto högre är absorptionsförmågan. I allmänhet är reflektionsförmågan hos material med god konduktivitet mycket hög. För YAG-laser är silverets reflektionsförmåga 96%, aluminium är 92%, koppar 90% och järn 60%. Ju högre temperaturen är, desto högre är absorptionsförmågan och visar ett linjärt förhållande; i allmänhet kan fosfat, kolsvart och grafit förbättra absorptionsförmågan.
2) Arbetsstyckets skick
Lasersvetsning kräver bearbetning av arbetsstyckets kant, monteringen har hög noggrannhet och platsen är strikt anpassad till svetsen. Dessutom kan den ursprungliga monteringsnoggrannheten och punktinriktningen av arbetsstycket inte ändras på grund av svetsens termiska deformation i svetsprocessen. Detta beror på att laserfläcken är liten och svetsfogen är smal. I allmänhet tillsätts ingen fyllmedel. Om monteringen inte är strikt och springan är för stor kan balken passera genom springan och kan inte smälta basmetallen eller orsaka uppenbar underskärning och fördjupning. Om punktens avvikelse från sömmen är något stor kan det orsaka ofullständig fusion eller ofullständig penetration. Därför bör det allmänna mellanrummet för plåtbotten och punktfalsavvikelsen inte vara större än 0,1 mm, felinriktning bör inte vara större än 0,2 mm. I verklig produktion kan ibland lasersvetsningsteknik inte användas eftersom den inte kan uppfylla dessa krav. För att erhålla en god svetseffekt bör det tillåtna ändrummet och varvavståndet kontrolleras inom 10% av arktjockleken.
Framgångsrik lasersvetsning kräver nära kontakt mellan substratet som ska svetsas. Detta kräver noggrann åtdragning av delarna för bästa resultat. Detta är svårt att göra på tappens tunna basmaterial, eftersom det är benäget för böjning och felinriktning, särskilt när tappen är inbäddad i en stor batterimodul eller -modul.
3) Lasersvetsparametrar
(1) Effektdensiteten hos laserfläck är den viktigaste faktorn som påverkar lasersvetsningsläge och svetsformningsstabilitet. Påverkan av laserpunktseffektdensitet på svetsläge och svetsformningsstabilitet är som följer: med laserpunktseffektdensiteten som ökar från liten till stor, är ordningen stabil värmeledningsförmåga, läget instabil svetsning och stabil djup penetrationssvetsning.
Laserdosens effekttäthet bestäms huvudsakligen av lasereffekten och strålens fokusposition när strålläget och brännvidden är fixerade. Lasereffektdensiteten är proportionell mot lasereffekten. När strålens fokus ligger på ett visst läge under arbetsstyckets yta (1-2 mm, beroende på tjocklek och parametrar) kan den optimala svetsningen erhållas. Avviker från den optimala fokuspositionen kommer ljusfläcken på arbetsstyckets yta att bli större, vilket gör att effekttätheten blir mindre. Till ett visst område kommer det att orsaka förändring av svetsprocessformen.
Först när svetshastigheten är för hög kan den stabila svetsprocessen med djup penetration inte bibehållas på grund av den lilla värmeinmatningen. Vid faktisk svetsning bör stabil djuppenetrationssvetsning eller stabil värmeledningssvetsning väljas enligt kraven för svetsningens penetration och instabilt svetsläge bör absolut undvikas.
(2) Inom området för djup penetrationssvetsning, påverkan av svetsparametrar på penetrationen: inom området för stabil djup penetrationssvetsning, ju högre lasereffekt, desto större penetration, vilket är cirka 0,7 effekt; och ju högre svetshastighet desto lägre blir penetrationen. Vid en viss laserkraft och svetshastighet är penetrationen störst när fokus är i bästa läge. Om fokus har avvikit från denna position minskar penetrationen och blir till och med instabil svetsning eller stabil värmeledningssvetsning.
(3) Huvudfunktionen för att skydda gas är att skydda arbetsstycket från oxidation under svetsning, för att skydda fokuslinsen från metallföroreningar och vätskedroppssprutning, för att sprida plasma producerad av högeffektiv lasersvetsning, för att kyla arbetsstycket och minska det värmepåverkade området.
Argon eller helium används vanligtvis som skyddsgas. Kväve kan användas för personer med låga uppenbara kvalitetskrav. Heliums tendens att producera plasma är annorlunda: helium har högre joniseringsvolym och snabbare värmeledning. Under samma förhållanden har gasen en mindre tendens att producera plasma än argon, så att den kan få ett större smältdjup. I ett visst område, med ökningen av skyddsgasens flödeshastighet, ökar tendensen att undertrycka plasma, så smältdjupet ökar, men det tenderar att vara stabilt när det ökar till ett visst område.
(4) Analys av övervakningen av varje parameter: bland de fyra svetsparametrarna är svetshastigheten och skyddsgasflödet lätta att övervaka och hålla sig stabila, medan laserkraften och fokuspositionen är de parametrar som kan fluktuera och är svåra att övervaka i svetsprocessen. Även om lasereffekten från lasern är mycket stabil och lätt att övervaka, på grund av förlusten av ljusstyrning och fokuseringssystem, kommer den lasereffekt som kommer fram till arbetsstycket att förändras, och denna förlust är relaterad till kvaliteten på det optiska arbetsstycket, servicetid och ytföroreningar, så det är inte lätt att övervaka och blir en osäker faktor för svetskvalitet. Strålens fokusposition är en av de svåraste faktorerna att övervaka och kontrollera, vilket har stor inverkan på svetskvaliteten. För närvarande är det nödvändigt att bestämma lämplig fokusposition genom manuell justering och upprepade procestester för att uppnå den perfekta penetrationen. Men i svetsprocessen, på grund av arbetsstycksdeformation, termisk linseffekt eller flerdimensionell svetsning av den rumsliga kurvan, kommer fokuspositionen att ändras och kan överskrida det tillåtna området.
För de två ovanstående fallen bör å ena sidan optiska element av hög kvalitet och hög stabilitet användas och underhållas regelbundet för att förhindra föroreningar och hålla rena. å andra sidan bör realtidsövervaknings- och kontrollmetoden för lasersvetsningsprocessen utvecklas för att optimera parametrar och övervaka svetsprocessen. Det kan uppnå förändring av laserkraft och fokusposition för arbetsstycket, realisera sluten slingstyrning, och förbättra pålitligheten och stabiliteten för lasersvetsningskvaliteten.
Slutligen är det viktigt att notera att lasersvetsning är en smältprocess. Detta innebär att båda substraten smälter under lasersvetsning. Denna process är mycket snabb, så den totala värmetillförseln är låg. Men eftersom det är en smältprocess är det möjligt att bilda sprö intermetalliska föreningar med hög motståndskraft vid svetsning av olika material. Kombinationen av aluminium och koppar är särskilt lätt att bilda intermetalliska föreningar. Dessa föreningar har visat sig ha negativa effekter på de kortvariga elektriska och långvariga mekaniska egenskaperna hos fogen hos mikroelektronisk utrustning. Inverkan av dessa intermetalliska föreningar på litiumbatteriernas långsiktiga prestanda är osäker.