Въведение в методите и процесите на заваряване на захранващи литиево-йонни батерии

Разумният избор на методи и процеси за заваряване в производствения процес на литиеви батерии ще повлияе пряко върху цената, качеството, безопасността и последователността на батерията. След това нека организираме съдържанието за заваряване на литиеви батерии.

1. Принципи на лазерното заваряване

Лазерното заваряване използва отличната насоченост и високата плътност на мощността на лазерните лъчи за работа. Чрез оптична система лазерният лъч се фокусира върху много малка площ, образувайки силно концентриран източник на топлина в заваръчната връзка за много кратко време, като по този начин разтопява заварения обект и образува солидна спойка и заваръчен шев.

2. Тип лазерно заваряване

Заваряване с топлопроводимост и заваряване с дълбоко проникване

Лазерното топлопроводимо заваряване се формира с плътност на лазерната мощност от 105-106w/cm2, а лазерното заваряване с дълбоко проникване се формира с лазерна плътност на мощността от 105-106w/cm2

Проникващо заваряване и заваряване на шевове

Проникващата заварка, свързващите части не изискват щанцоване и обработката е относително проста. Проникващата заварка изисква високомощна лазерна заваръчна машина. Дълбочината на проникване при заваряване с проникване е по-ниска от тази при заваряване на шев и неговата надеждност е относително лоша.

В сравнение със заваряването чрез проникване, заваряването на шевове изисква само лазерна заваръчна машина с по-малка мощност. Дълбочината на проникване при заваряване на шевове е по-висока от тази при заваряване с проникване и неговата надеждност е сравнително добра. Но свързващата част трябва да бъде пробита, което прави обработката относително трудна.

Образци за импулсно лазерно заваряване

Непрекъснато лазерно заваряване на образци

При заваряването на мощни литиеви батерии техниците по заваръчния процес ще изберат подходящи лазерни и параметри на процеса на заваряване въз основа на материала на батерията, формата, дебелината, изискванията за опън и т.н., включително скорост на заваряване, форма на вълната, пикова стойност и ъгъл на наклон на заваръчна глава, за да зададете разумни параметри на процеса на заваряване, за да гарантирате, че крайният заваръчен ефект отговаря на изискванията на производителя на мощна литиева батерия.

Концентрирана енергия, висока ефективност на заваряване, висока точност на обработка и голямо съотношение на дълбочина към ширина на заваръчния шев. Лазерният лъч е лесен за фокусиране, центриране и насочване от оптични инструменти. Може да се постави на подходящо разстояние от детайла и да се насочва между приспособления или препятствия около детайла. Други методи за заваряване не могат да бъдат напълно използвани поради гореспоменатите пространствени ограничения.

Малко подаване на топлина, малка зона на топлинно въздействие и малко остатъчно напрежение и деформация на детайла; Заваръчната енергия може да се контролира прецизно, заваръчният ефект е стабилен и външният вид на заваряването е добър;

Безконтактно заваряване, оптично предаване, добра достъпност и висока степен на автоматизация. Когато заварявате тънка или фина тел, няма проблем с преплавяне като електродъгово заваряване. Батерийните клетки, използвани за захранване на литиеви батерии, поради олекотения си принцип, обикновено са направени от по-лек алуминиев материал и по-тънки. Обикновено корпусът, капакът и дъното трябва да бъдат под 1.0 mm, а основните производители в момента имат основна дебелина на материала около 0.8 mm.

Трудности в процеса на лазерно заваряване

В момента черупките на батериите от алуминиева сплав представляват повече от 90% от цялата мощност на литиевата батерия. Трудността на заваряването му се състои в изключително високата отразяваща способност на алуминиевата сплав към лазера, високата чувствителност на газовите пори по време на процеса на заваряване и неизбежната поява на някои проблеми и дефекти по време на заваряване, сред които най-важните са газови пори, горещи пукнатини, и експлозия.

По време на процеса на лазерно заваряване на алуминиева сплав има два важни типа пори, които са склонни да се появят: водородни пори и пори, причинени от спукване на мехурчета. Поради бързата скорост на охлаждане при лазерно заваряване, проблемът с водородните пори е по-сериозен и има и допълнителен тип дупка, причинена от свиването на малки дупки при лазерно заваряване.

Проблем с горещо пукнатина. Алуминиевата сплав е типична сплав от евтектичен тип, която е склонна към горещо напукване по време на заваряване, включително пукнатини от кристализация на заваръчните шевове и пукнатини от втечняване на HAZ. Поради сегрегацията на компонентите в зоната на заваръчния шев възниква евтектична сегрегация и се получава разтопяване на границата на зърното. При условия на напрежение се образуват пукнатини от втечняване по границите на зърната, което намалява експлоатационните характеристики на заварената връзка.

Проблем с експлозия (известен също като пръскане). Има много фактори, които могат да причинят експлозии, като чистотата на материала, чистотата на самия материал и характеристиките на самия материал. Решаващата употреба е стабилността на лазера. Повърхностни издатини, пори и вътрешни мехурчета по черупката. Основната причина е, че диаметърът на сърцевината на влакното е твърде малък или лазерната енергия е зададена твърде високо. Не че някои доставчици на лазерно оборудване твърдят, че колкото по-добро е качеството на лъча, толкова по-добър е заваръчният ефект. Доброто качество на лъча е подходящо за заваряване с наслагване с по-голяма дълбочина на проникване. Намирането на подходящи параметри на процеса е ключът към решаването на проблемите.

Други трудности

Заваряването на ухото на стълба с мека опаковка изисква високи изисквания към заваръчните приспособления и ухото на стълба трябва да се притисне здраво, за да се осигури хлабина при заваряване. Той може да постигне високоскоростно заваряване на сложни траектории като S-образна и спирална форма, увеличавайки площта на заварката и укрепвайки якостта на заваряване.

Заваряването на цилиндрични акумулаторни клетки е важно за заваряването на положителния електрод. Благодарение на тънката обвивка на отрицателния електрод, той е изключително лесен за заваряване. В момента някои производители използват процес без заваряване с отрицателен електрод, докато положителният електрод използва лазерно заваряване.

При заваряване на квадратни комбинации от батерии полюсът или свързващата част са замърсени и дебели. При заваряване на свързващия елемент замърсителите се разлагат, което може лесно да образува точки на експлозия при заваряване и да причини дупки; Батериите с тънки полюси и пластмасови или керамични структурни компоненти отдолу са склонни към заваряване. Когато полюсът е малък, също така е лесно заваряването да се отклони и да причини пластмасова повреда, образувайки експлозивни точки. Не използвайте многослойни съединители, тъй като има пори между слоевете, което затруднява стабилното запояване.

Най-важният процес в процеса на заваряване на квадратни батерии е опаковането на капака на корпуса, който е разделен на заваряване на горен капак и заваряване на долен капак според различни позиции. Някои производители на батерии използват технология за дълбоко изтегляне за производството на кутии за батерии поради малкия обем на батериите, които произвеждат, което изисква само заваряване на горния капак.

Проба за странично заваряване на литиева батерия с квадратна мощност

Методите за заваряване на квадратни батерии се разделят главно на странично заваряване и горно заваряване. Важното предимство на страничното заваряване е, че има по-малко въздействие върху вътрешността на клетката на батерията и пръски няма лесно да проникнат във вътрешната страна на капака на корпуса. Поради възможността за изпъкналости след заваряване, което може да окаже леко влияние върху последващия процес на сглобяване, процесът на странично заваряване изисква изключително висока стабилност на лазера и чистота на материала. Горният процес на заваряване, поради заваряването на една повърхност, има относително ниски изисквания за интегриране на заваръчно оборудване и просто масово производство. Има обаче и два недостатъка. Първо, може да има малко количество пръски, навлизащи в акумулаторната клетка по време на заваряване, и второ, високите изисквания за обработка на предната част на корпуса могат да доведат до проблеми с разходите.

5. Фактори, влияещи върху качеството на заваряване

Лазерното заваряване понастоящем е важен метод, който силно се препоръчва за заваряване на батерии от висок клас. Лазерното заваряване е процес на високоенергийно лазерно облъчване на детайла, което води до рязко повишаване на работната температура, разтопяване и повторно свързване на детайла, за да се образува постоянна връзка. Лазерното заваряване има добра якост на срязване и устойчивост на разкъсване. Критериите за оценка на качеството за заваряване на батерии включват проводимост, якост, херметичност, умора на метала и устойчивост на корозия.

Има много фактори, които влияят върху качеството на лазерното заваряване. Някои от тях са силно променливи и имат значителна нестабилност. Как да настроите и контролирате правилно тези параметри, така че да могат да се контролират в подходящ диапазон по време на високоскоростен и непрекъснат процес на лазерно заваряване, за да се гарантира качество на заваряването. Надеждността и стабилността на формирането на заваръчния шев са важни въпроси, свързани с практичността и индустриализацията на технологията за лазерно заваряване. Важните фактори, влияещи върху качеството на лазерното заваряване, включват заваръчно оборудване, състояние на детайла и параметри на процеса.

1) Заваръчно оборудване

Най-важните изисквания за качество на лазерите са режим на лъч, изходна мощност и стабилност. Режимът на лъча е важен индикатор за качеството на лъча. Колкото по-нисък е редът на режима на лъча, толкова по-добро е фокусирането на лъча, толкова по-малко е петното, толкова по-висока е плътността на мощността при същата мощност на лазера и толкова по-голяма е дълбочината и ширината на заваръчния шев. Обикновено се изисква основен режим (TEM00) или режим от по-нисък порядък, в противен случай е трудно да се изпълнят изискванията за висококачествено лазерно заваряване. Понастоящем домашните лазери все още срещат определени трудности по отношение на качеството на лъча и стабилността на изходната мощност за лазерно заваряване. От гледна точка на външни ситуации, качеството на лъча и стабилността на изходната мощност на лазерите вече са доста високи и няма да се превърнат в проблем при лазерното заваряване. Най-значимият фактор, влияещ върху качеството на заваряване в оптичните системи, е фокусиращият обектив, който обикновено използва фокусно разстояние между 127 мм (5 инча) и 200 мм (7,9 инча). Малкото фокусно разстояние е от полза за намаляване на диаметъра на талията на фокусирания лъч, но твърде малкото може лесно да доведе до замърсяване и повреда от пръски по време на процеса на заваряване.

Колкото по-къса е дължината на вълната, толкова по-висока е степента на абсорбция; Като цяло материалите с добра проводимост имат висока отразяваща способност. За YAG лазерите коефициентът на отразяване на среброто е 96%, на алуминия е 92%, на медта е 90%, а на желязото е 60%. Колкото по-висока е температурата, толкова по-висока е степента на абсорбция, показваща линейна зависимост; Като цяло повърхностното покритие с фосфат, сажди, графит и др. може да подобри степента на абсорбция.

2) Състояние на детайла

Лазерното заваряване изисква обработка на краищата на детайла с висока точност на сглобяване, стриктно подравняване между точката и заваръчния шев, като оригиналната точност на сглобяване и точковото подравняване на детайла не могат да се променят поради термична деформация на заваряване по време на процеса на заваряване. Това е така, защото лазерното петно ​​е малко и заваръчният шев е тесен. Обикновено не се добавя добавъчен метал. Ако монтажът не е стегнат и празнината е твърде голяма, лъчът може да премине през междината и да не може да разтопи основния материал или да причини очевидно подрязване или вдлъбнатина. Ако отклонението между петното и шева е малко голямо, това може да причини непълно сливане или непълно заваряване. Следователно, разстоянието между докинг станцията и сглобяването на общата платка и отклонението на подравняването на точката не трябва да надвишава {{0}}.1 mm, а разместването не трябва да надвишава 0,2 mm. В действителното производство понякога технологията за лазерно заваряване не може да се използва поради невъзможността да се изпълнят тези изисквания. За да се постигнат добри резултати при заваряване, допустимата междина за докинг и припокриване трябва да се контролира в рамките на 10% от дебелината на тънката плоча.

Успешното лазерно заваряване изисква близък контакт между заварената основа. Това изисква внимателно затягане на частите, за да се постигнат оптимални резултати. И това е трудно да се направи добре върху тънки субстрати за полярно ухо, защото е предразположено към несъответствие при огъване, особено когато полярното ухо е вградено в големи батерийни модули или компоненти.

3) Параметри на заваряване

1) Най-важният фактор, влияещ върху параметрите на заваряване на режима на лазерно заваряване и стабилното образуване на заваръчен шев, е плътността на мощността на лазерното петно. Неговото въздействие върху режима на заваряване и стабилността на образуване на заваръчния шев е както следва: с увеличаването на плътността на мощността на лазерното петно, става стабилно заваряване с топлопроводимост, нестабилно заваряване в режим и стабилно заваряване с дълбоко проникване.

Плътността на мощността на лазерното петно ​​се определя от мощността на лазера и позицията на фокуса на лъча, при определен режим на лъча и фокусно разстояние на фокусиращото огледало. Плътността на мощността на лазера е право пропорционална на мощността на лазера. Влиянието на фокусното положение има оптимална стойност; Когато фокусът на лъча е в определена позиция под повърхността на обработвания детайл (в диапазона от 1-2 mm, в зависимост от дебелината на плочата и параметрите), може да се получи най-идеалният заваръчен шев. Отклонението от тази оптимална позиция на фокуса ще увеличи повърхностното петно ​​на детайла, причинявайки намаляване на плътността на мощността. В определен диапазон това ще доведе до промяна във формата на процеса на заваряване.

Влиянието на скоростта на заваряване върху формата и стабилността на процеса на заваряване не е толкова значително, колкото влиянието на мощността на лазера и позицията на фокуса. Само когато скоростта на заваряване е твърде висока, възниква невъзможността да се поддържа стабилен процес на заваряване с дълбоко проникване поради ниско входяща топлина. По време на действителното заваряване трябва да се избере стабилно заваряване с дълбоко проникване или заваряване със стабилна топлопроводимост въз основа на изискванията на заваръчния шев за дълбочина на проникване и заваряването в нестабилен режим трябва да бъде абсолютно предотвратено.

(2) В диапазона на заваряване с дълбоко проникване, влиянието на параметрите на заваряване върху дълбочината на проникване: в рамките на стабилен диапазон на заваряване с дълбоко проникване, колкото по-висока е мощността на лазера, толкова по-голяма е дълбочината на проникване, с връзка приблизително 0 .7 мощност; Колкото по-висока е скоростта на заваряване, толкова по-малка е дълбочината на проникване. Когато фокусът е в оптимална позиция при определени условия на лазерна мощност и скорост на заваряване, се получава максимална дълбочина на проникване. Ако се отклони от тази позиция, дълбочината на проникване намалява и дори става нестабилна или стабилна топлопроводимост заваряване.

(3) Въздействието на защитен газ, чиято важна употреба е да предпази детайла от окисление по време на процеса на заваряване; Защитете фокусиращата леща от замърсяване с метални пари и пръскане на капчици течност; Разпръснете плазмата, генерирана от високомощно лазерно заваряване; Охладете детайла и намалете засегнатата от топлина зона.

Защитният газ обикновено е аргон или хелий, а за тези с ниски изисквания за видимо качество може да се използва и азот. Тяхната тенденция да произвеждат плазма е значително различна: хелиевият газ, поради високия си йонизационен заряд и бърза топлопроводимост, има по-малка тенденция да произвежда плазма от аргоновия газ при същите условия, като по този начин се получава по-голяма дълбочина на топене. В рамките на определен диапазон, когато скоростта на потока на защитния газ се увеличава, тенденцията за потискане на плазмата се увеличава, което води до увеличаване на дълбочината на топене. Въпреки това, когато достигне определен диапазон, има тенденция да се стабилизира.

(4) Анализ на мониторинг на всеки параметър: Сред четирите параметъра на заваряване, скоростта на заваряване и скоростта на потока на защитен газ са лесни за наблюдение и поддържане на стабилност, докато мощността на лазера и позицията на фокуса са параметри, които могат да варират по време на процеса на заваряване и са трудни за наблюдение . Въпреки че лазерната изходна мощност от лазера има висока стабилност и е лесна за наблюдение, лазерната мощност, достигаща до детайла, ще се промени поради загубата на системи за насочване и фокусиране. Тази загуба е свързана с качеството, времето за обслужване и повърхностното замърсяване на оптичния детайл, което затруднява наблюдението и се превръща в несигурен фактор за качеството на заваряване. Фокусната позиция на лъча е един от параметрите на заваряване, който има значително влияние върху качеството на заваряване и е най-труден за наблюдение и контрол. Понастоящем при производството е необходимо да се разчита на ръчна настройка и повтарящи се експерименти на процеса, за да се определи подходящата позиция на фокусната точка, за да се постигне желаната дълбочина на проникване. Въпреки това, по време на процеса на заваряване, поради деформация на детайла, ефект на термична леща или многоизмерно заваряване на пространствени криви, позицията на фокуса може да се промени и да надхвърли допустимия диапазон.

По отношение на горните две ситуации, от една страна, трябва да се използват висококачествени и стабилни оптични компоненти и да се поддържат редовно, за да се предотврати замърсяване и да се поддържа чистота; От друга страна, необходимо е да се разработят методи за мониторинг и контрол в реално време за процесите на лазерно заваряване, за да се оптимизират параметрите, да се наблюдават промените в мощността на лазера и позицията на фокуса, достигаща до детайла, да се постигне управление на затворен цикъл и да се подобри надеждността и стабилност на качеството на лазерното заваряване.

И накрая, трябва да се отбележи, че лазерното заваряване е процес на топене. Това означава, че двата субстрата ще се стопят по време на процеса на лазерно заваряване. Този процес е бърз, така че общата вложена топлина е ниска. Но тъй като това е процес на топене, при заваряване на различни материали могат да се образуват крехки високоустойчиви интерметални съединения. Алуминиево-медната комбинация е особено склонна към образуване на интерметални съединения. Доказано е, че тези съединения имат отрицателни ефекти върху краткосрочните електрически и дългосрочните механични свойства на снажданията на микроелектронни устройства. Въздействието на тези интерметални съединения върху дългосрочната производителност на литиево-йонните батерии все още не е сигурно.