A seleção de métodos e processos de soldagem no processo de fabricação de baterias elétricas afetará diretamente o custo, a qualidade, a segurança e a consistência da bateria.
1 Princípio da soldagem a laser
Soldagem a laser é usar excelente diretividade e alta densidade de potência do feixe de laser para trabalhar. O feixe de laser é focalizado em uma pequena área através do sistema óptico. Em muito pouco tempo, uma área de fonte de calor com alta concentração de energia é formada na parte soldada, de modo que o objeto soldado é fundido e uma junta de solda sólida e solda são formadas.
2 tipos de soldagem a laser
Na soldagem por condução de calor a laser, o feixe de laser derrete a superfície da peça de trabalho ao longo da costura e o material fundido converge e se solidifica para formar a solda. É usado principalmente para materiais relativamente finos. A profundidade máxima de soldagem de materiais é limitada por sua condutividade térmica, e a largura de soldagem é sempre maior que a profundidade de soldagem.
Soldagem de penetração profunda, quando o laser de alta potência se acumula na superfície do metal, o calor não pode ser perdido e a profundidade de soldagem será bastante aprofundada. Esta tecnologia de soldagem é a soldagem de penetração profunda. Devido à alta velocidade de processamento, pequena área afetada pelo calor e distorção mínima, a tecnologia de soldagem de penetração profunda pode ser usada para soldagem profunda ou soldagem de várias camadas de dados.
A principal diferença entre a soldagem por condução de calor e a soldagem de penetração profunda é a densidade de potência aplicada à superfície do metal em unidade de tempo, e o valor crítico é diferente para metais diferentes.
Soldagem de penetração e soldagem de costura
Por meio da soldagem, a peça de conexão não precisa ser puncionada e o processamento é relativamente simples. Um soldador a laser de alta potência é necessário para soldagem de penetração. A profundidade de penetração da soldagem por penetração é menor do que a da soldagem por costura e a confiabilidade é relativamente baixa.
Em comparação com a soldagem de penetração, a soldagem por costura precisa apenas de um soldador a laser de menor potência. A penetração da soldagem por costura é maior do que a da soldagem por penetração e a confiabilidade é relativamente boa. Mas a peça de conexão precisa ser perfurada, por isso é relativamente difícil de processar.
Soldagem pulsada e soldagem contínua
1) Soldagem em modo de pulso
Ao soldar a laser, a forma de onda de soldagem apropriada deve ser selecionada. As formas de onda de pulso comumente usadas são onda quadrada, onda de pico, onda bimodal e assim por diante. A refletividade da superfície da liga de alumínio à luz é muito alta. Quando um feixe de laser de alta intensidade atinge a superfície do material, 60% - 98% da energia do laser na superfície do metal será perdida devido à reflexão, e a refletividade muda com a temperatura da superfície. Em geral, ao soldar liga de alumínio, a melhor escolha é onda nítida e onda bimodal. Este tipo de forma de onda de soldagem tem uma largura de pulso maior na parte inferior, o que pode reduzir efetivamente a geração de poros e trincas.
Amostra de soldagem a laser pulsada
Devido à alta refletividade da liga de alumínio ao laser, para evitar que o feixe de laser cause reflexão vertical e danifique o espelho de focalização do laser, a junta de soldagem é geralmente defletida em um determinado ângulo no processo de soldagem. O diâmetro da junta de solda e a superfície da junta efetiva aumentam com o aumento do ângulo de inclinação do laser. Quando o ângulo de inclinação do laser é de 40 graus, a junta de solda máxima e a superfície de junta efetiva podem ser obtidas. A penetração da solda e a penetração efetiva diminuem com o ângulo de inclinação do laser. Quando o ângulo de inclinação do laser é maior que 60 graus, a penetração efetiva da solda diminui para zero. Portanto, a penetração e a largura da solda podem ser aumentadas inclinando a junta soldada em um determinado ângulo.
Além disso, ao fazer a soldagem, tomando a solda como limite, o ponto do laser deve ser soldado em 65% da placa de cobertura e 35% da casca, o que pode efetivamente reduzir a explosão causada pelo problema de fechamento da tampa.
2) Soldagem em modo contínuo
Como o processo de aquecimento da soldagem a laser contínua não é como o resfriamento e o aquecimento repentinos da máquina de pulso, a tendência de trinca não é muito óbvia durante a soldagem. A fim de melhorar a qualidade da solda, a soldagem a laser contínua é adotada. A superfície da solda é lisa e uniforme, sem respingos e defeitos, e nenhuma trinca é encontrada no interior da solda. Na soldagem de liga de alumínio, as vantagens do laser contínuo são óbvias. Comparado com o método de soldagem tradicional, o laser contínuo tem alta eficiência de produção e nenhum enchimento de arame; em comparação com a soldagem a laser de pulso, pode solucionar os defeitos após a soldagem, como rachaduras, poros, respingos, etc., para garantir que a liga de alumínio tenha boas propriedades mecânicas após a soldagem; ele não cederá após a soldagem e a quantidade de polimento após a soldagem será reduzida, o que economiza o custo de produção. No entanto, como o ponto do laser CW é relativamente pequeno, a precisão de montagem da peça de trabalho deve ser maior.
Amostra de soldagem a laser contínua
Na soldagem da bateria de energia, os técnicos de soldagem selecionarão o laser apropriado e os parâmetros de soldagem de acordo com o' material da bateria do cliente, forma, espessura, requisitos de força de tração, incluindo velocidade de soldagem, forma de onda, valor de pico, inclinação da cabeça de soldagem ângulo, etc. para definir parâmetros de soldagem razoáveis, de modo a garantir que o efeito de soldagem final atenda aos requisitos dos fabricantes de baterias de energia.
3 vantagens da soldagem a laser
Tem as vantagens de energia concentrada, alta eficiência de soldagem, alta precisão de usinagem e uma grande proporção de largura de solda. O feixe de laser é fácil de ser focalizado, alinhado e guiado por instrumentos ópticos. Ele pode ser colocado a uma distância apropriada da peça de trabalho e pode ser guiado novamente entre os grampos ou obstáculos ao redor da peça de trabalho. Outras regras de soldagem não podem ser aplicadas devido às limitações de espaço acima.
A energia da soldagem pode ser controlada com precisão, o efeito da soldagem é estável e a aparência da soldagem é boa;
Soldagem sem contato, transmissão por fibra óptica, boa acessibilidade, alto grau de automação. Ao soldar material fino ou fio de diâmetro fino, não haverá problemas de refusão como na soldagem a arco. Uma vez que a célula utilizada para a bateria de potência segue o princípio de&leve GG, é normalmente feita de&leve GG. alumínio e deve ser&mais fino GG. Geralmente, o invólucro, a tampa e o fundo devem ter menos de 1,0 mm. Atualmente, a espessura do material básico dos principais fabricantes é de cerca de 0,8 mm.
Pode fornecer soldagem de alta resistência para várias combinações de materiais, especialmente para soldagem entre materiais de cobre e materiais de alumínio. Esta também é a única tecnologia que pode soldar níquel a materiais de cobre.
4 dificuldades da soldagem a laser
Atualmente, o corpo da bateria em liga de alumínio é responsável por mais de 90% de toda a bateria. A dificuldade da soldagem é que a refletividade da liga de alumínio ao laser é muito alta, e a sensibilidade da porosidade é alta no processo de soldagem. Alguns problemas e defeitos inevitavelmente aparecerão no processo de soldagem, os mais importantes dos quais são porosidade, trinca a quente e explosão.
Existem dois tipos principais de porosidade na soldagem a laser de ligas de alumínio: porosidade de hidrogênio e porosidade causada pelo estouro de bolhas. Como a velocidade de resfriamento da soldagem a laser é muito rápida, o problema da porosidade do hidrogênio é mais sério, e também há uma espécie de orifícios devido ao colapso de pequenos orifícios na soldagem a laser.
Problema de rachaduras de calor. A liga de alumínio é uma liga eutética típica, que está sujeita a trincas a quente durante a soldagem, incluindo trincas de cristalização de solda e trincas de liquefação HAZ. Devido à segregação da composição na zona de solda, ocorrerá a segregação eutética e ocorrerá a fusão do contorno do grão. Sob a ação do estresse, trincas de liquefação se formarão no contorno do grão, o que reduzirá o desempenho da junta soldada.
Problema de explosão (também conhecido como respingo). Existem muitos fatores que causam a explosão, como a limpeza do material, a pureza do próprio material, as características do próprio material e assim por diante, e a estabilidade do laser desempenha um papel decisivo. A superfície da concha é convexa, o orifício de ar e a bolha de ar interna. O principal motivo é que o diâmetro do núcleo da fibra é muito pequeno ou a energia do laser está definida para um valor muito alto. Não é o" melhor qualidade do feixe, melhor efeito de soldagem" divulgado por alguns fornecedores de equipamentos de laser. A boa qualidade do feixe é adequada para soldagem de sobreposição com grande penetração. A chave para resolver o problema é encontrar os parâmetros de processo corretos.
Outras dificuldades
Para a soldagem do terminal polar de envoltório macio, ferramentas de soldagem são altamente necessárias, portanto, o terminal polar deve ser firmemente pressionado para garantir a lacuna de soldagem. Pode realizar a soldagem de alta velocidade em forma de S, forma espiral e outras trilhas complexas, aumentar a área de junta de solda e fortalecer a resistência de soldagem ao mesmo tempo.
A soldagem das células cilíndricas é usada principalmente para a soldagem dos eletrodos positivos. Como a casca do eletrodo negativo é fina, é muito fácil soldá-la. Por exemplo, atualmente, alguns fabricantes usam o processo livre de soldagem com eletrodo negativo, e o eletrodo positivo é a soldagem a laser.
Quando a combinação de bateria quadrada é soldada, o pólo ou peça de conexão está altamente poluído; quando a peça de conexão é soldada, os poluentes se decompõem, o que é fácil de formar pontos de explosão de soldagem e causar furos; quando o poste é fino e há peças estruturais de plástico ou cerâmica sob ele, é fácil soldá-lo. Quando o poste é pequeno, é fácil desviar do plástico e queimar. Não use um conector multicamadas, existem poros entre as camadas, não é fácil de soldar.
O processo de soldagem mais importante da bateria quadrada é o acondicionamento da tampa da concha, que pode ser dividida em soldagem da tampa superior e inferior de acordo com as diferentes posições. Devido ao pequeno tamanho da bateria, alguns fabricantes usam o" deep drawing" processo para fabricar o invólucro da bateria, só precisa soldar a tampa superior.
Amostra de soldagem lateral de bateria quadrada
Os métodos de soldagem de baterias quadradas são divididos principalmente em soldagem lateral e soldagem superior. A principal vantagem da soldagem lateral é que ela tem menos influência no interior da célula, e os respingos não entrarão facilmente no interior da casca. Porque a soldagem pode causar um abaulamento, que terá um leve impacto no processo de montagem subsequente, por isso o processo de soldagem lateral tem elevados requisitos na estabilidade do laser e na limpeza do material. Como o processo de soldagem superior é soldado em um lado, os requisitos para integração do equipamento de soldagem são relativamente baixos e a produção em massa é simples. No entanto, existem duas desvantagens: uma é que alguns respingos podem entrar na célula durante a soldagem, e a outra é que os elevados requisitos para a seção frontal da carcaça levarão ao problema de custo.
5. Fatores que afetam a qualidade da soldagem
A soldagem a laser é o principal método de soldagem de bateria de última geração. A soldagem a laser é um processo de irradiação de feixe de laser de alta energia na peça de trabalho, que faz com que a temperatura de trabalho aumente drasticamente e a peça derrete e reconecta para formar uma conexão permanente. A resistência ao cisalhamento e ao rasgo da soldagem a laser são melhores. A condutividade elétrica, força, estanqueidade ao ar, fadiga do metal e resistência à corrosão da soldagem de bateria são padrões típicos de avaliação de qualidade de soldagem.
Muitos fatores afetam a qualidade da soldagem a laser. Alguns deles são muito voláteis e apresentam instabilidade considerável. Como definir e controlar esses parâmetros corretamente, de modo que possam ser controlados na faixa adequada no processo de soldagem a laser contínuo e de alta velocidade para garantir a qualidade da soldagem. A confiabilidade e a estabilidade da formação da solda são problemas importantes relacionados à prática e à industrialização da tecnologia de soldagem a laser. Os principais fatores que afetam a qualidade da soldagem a laser são o equipamento de soldagem, a condição da peça e os parâmetros do processo.
1) Equipamento de soldagem a laser
Máquina de solda a laser de fibra para bateria elétrica
O amplificador RS-SWF-80/150 80W GG; A máquina de solda a laser de fibra 150W atende à demanda por soldagem a laser de alta velocidade de alta qualidade para células de bateria de lítio.
O requisito de qualidade mais importante do laser é o modo de feixe, a potência de saída e a estabilidade. O modo de feixe é o principal índice de qualidade do feixe. Quanto mais baixa a ordem do modo de feixe, melhor será o desempenho de foco do feixe, quanto menor o ponto, maior a densidade de potência e maior a profundidade e largura de soldagem com a mesma potência do laser. O modo fundamental (TEM00) ou modo de baixa ordem é geralmente necessário, caso contrário, é difícil atender aos requisitos de soldagem a laser de alta qualidade. Atualmente, é difícil para os lasers domésticos serem usados na soldagem a laser em termos de qualidade do feixe e estabilidade de saída de energia. A partir da situação externa, a qualidade do feixe de laser e a estabilidade da potência de saída têm sido bastante altas, o que não se tornará o problema da soldagem a laser. A lente de foco é o fator mais importante que afeta a qualidade da soldagem no sistema óptico. A distância focal é geralmente entre 127 mm (5 pol.) E 200 mm (7,9 pol.). Um comprimento focal pequeno é bom para reduzir o diâmetro do ponto da cintura do feixe focado, mas o comprimento focal muito pequeno é fácil de ser poluído e danificado por respingos no processo de soldagem.
Quanto mais curto for o comprimento de onda, maior será a absortividade. Geralmente, a refletividade de materiais com boa condutividade é muito alta. Para o laser YAG, a refletividade da prata é 96%, a do alumínio é 92%, a do cobre é 90% e a do ferro é 60%. Quanto maior for a temperatura, maior será a absortividade, apresentando uma relação linear; geralmente, fosfato, negro de fumo e grafite podem melhorar a absortividade.
2) Condição da peça de trabalho
A soldagem a laser requer o processamento da borda da peça, a montagem tem alta precisão e o ponto está estritamente alinhado com a solda. Além disso, a precisão da montagem original e o alinhamento local da peça de trabalho não podem ser alterados devido à deformação térmica da soldagem no processo de soldagem. Isso ocorre porque o ponto do laser é pequeno e a costura de solda é estreita. Geralmente, nenhum metal de adição é adicionado. Se a montagem não for rígida e a lacuna for muito grande, a viga pode passar pela lacuna e não pode derreter o metal de base, ou causar cortes e depressão óbvios. Se o desvio do ponto da costura for ligeiramente grande, pode causar fusão incompleta ou penetração incompleta. Portanto, a folga geral do conjunto de topo da placa e o desvio da emenda local não devem ser maiores que 0,1 mm, o desalinhamento não deve ser maior que 0,2 mm. Na produção real, às vezes a tecnologia de soldagem a laser não pode ser usada porque não pode atender a esses requisitos. Para obter um bom efeito de soldagem, a folga de topo e a folga da volta permitidas devem ser controladas dentro de 10% da espessura da chapa.
A soldagem a laser bem-sucedida requer contato próximo entre o substrato a ser soldado. Isso requer um aperto cuidadoso das peças para obter os melhores resultados. Isso é difícil de fazer no material de base fino do terminal, porque está sujeito a entortar e desalinhamento, especialmente quando o terminal está embutido em um módulo ou módulo de bateria grande.
3) Parâmetros de soldagem a laser
(1) A densidade de potência do ponto de laser é o fator mais importante que afeta o modo de soldagem a laser e a estabilidade de formação da solda. A influência da densidade de potência do ponto do laser no modo de soldagem e estabilidade de formação da solda é a seguinte: com a densidade da potência do ponto do laser aumentando de pequena para grande, a ordem é soldagem de condutividade térmica estável, modo de soldagem instável e soldagem de penetração profunda estável.
A densidade de potência do ponto de laser é determinada principalmente pela potência do laser e pela posição do foco do feixe quando o modo do feixe e o comprimento focal são fixos. A densidade de potência do laser é proporcional à potência do laser. Quando o foco do feixe está em uma determinada posição abaixo da superfície da peça de trabalho (1-2 mm, dependendo da espessura e dos parâmetros), a solda ideal pode ser obtida. Se desviar da posição de foco ideal, o ponto de luz na superfície da peça ficará maior, fazendo com que a densidade de potência seja menor. Para uma determinada faixa, causará a mudança da forma do processo de soldagem.
Somente quando a velocidade de soldagem é muito alta, o processo de soldagem de penetração profunda estável não pode ser mantido devido à pequena entrada de calor. Na soldagem real, a soldagem de penetração profunda estável ou a soldagem por condução térmica estável devem ser selecionadas de acordo com os requisitos de penetração da soldagem, e o modo de soldagem instável deve ser absolutamente evitado.
(2) Na faixa de soldagem de penetração profunda, a influência dos parâmetros de soldagem na penetração: na faixa de soldagem de penetração profunda estável, quanto maior a potência do laser, maior a penetração, que é cerca de 0,7 potência; e quanto maior a velocidade de soldagem, menor será a penetração. Com uma determinada potência do laser e velocidade de soldagem, a penetração é maior quando o foco está na melhor posição. Se o foco se desviou desta posição, a penetração diminui e até se torna uma soldagem instável ou soldagem por condução térmica estável.
(3) A principal função de proteção do gás é proteger a peça de trabalho da oxidação durante a soldagem, para proteger a lente de foco da poluição de vapor de metal e pulverização de gotículas de líquido, para dispersar o plasma produzido por soldagem a laser de alta potência, para resfriar a peça de trabalho e reduzir a área afetada pelo calor.
Argônio ou hélio geralmente é usado como gás de proteção. O nitrogênio pode ser usado para aqueles com baixos requisitos de qualidade aparente. A tendência do hélio em produzir plasma é diferente: o hélio tem um maior volume de ionização e uma condução de calor mais rápida. Nas mesmas condições, o gás tem menor tendência a produzir plasma do que o argônio, podendo obter maior profundidade de fusão. Em uma certa faixa, com o aumento da vazão do gás de proteção, a tendência de suprimir o plasma aumenta, então a profundidade de fusão aumenta, mas tende a ser estável quando aumenta para uma certa faixa.
(4) Análise do monitoramento de cada parâmetro: entre os quatro parâmetros de soldagem, a velocidade de soldagem e o fluxo do gás de proteção são fáceis de monitorar e manter estáveis, enquanto a potência do laser e a posição do foco são os parâmetros que podem flutuar e são difíceis de monitorar no processo de soldagem. Embora a saída de potência do laser seja altamente estável e fácil de monitorar, devido à perda da guia de luz e do sistema de focagem, a potência do laser que chega à peça de trabalho mudará, e essa perda está relacionada à qualidade da peça de trabalho ótica, tempo de serviço e poluição da superfície, portanto, não é fácil de monitorar e se torna um fator incerto da qualidade da soldagem. A posição do foco do feixe é um dos fatores mais difíceis de monitorar e controlar, o que tem grande influência na qualidade da soldagem. Atualmente, é necessário determinar a posição apropriada do foco por ajuste manual e testes de processo repetidos para obter a penetração ideal. Mas no processo de soldagem, devido à deformação da peça de trabalho, efeito de lente térmica ou soldagem multidimensional da curva espacial, a posição do foco mudará e pode exceder a faixa permitida.
Para os dois casos acima, por um lado, elementos ópticos de alta qualidade e alta estabilidade devem ser usados e mantidos regularmente para evitar poluição e mantê-los limpos; por outro lado, o método de monitoramento e controle em tempo real do processo de soldagem a laser deve ser desenvolvido para otimizar os parâmetros e monitorar o processo de soldagem. Pode alcançar a mudança da potência do laser e a posição do foco da peça de trabalho, realizar o controle de circuito fechado, e melhorar a confiabilidade e estabilidade da qualidade da soldagem a laser.
Finalmente, é importante notar que a soldagem a laser é um processo de fusão. Isso significa que ambos os substratos derretem durante a soldagem a laser. Este processo é muito rápido, então a entrada geral de calor é baixa. Mas, por se tratar de um processo de fusão, é possível formar compostos intermetálicos frágeis de alta resistência ao soldar diferentes materiais. A combinação de alumínio e cobre é particularmente fácil de formar compostos intermetálicos. Esses compostos provaram ter efeitos negativos nas propriedades elétricas de curto prazo e mecânicas de longo prazo da junta de equipamentos microeletrônicos. A influência desses compostos intermetálicos no desempenho de longo prazo das baterias de lítio é incerta.