Výběr metod a procesů svařování ve výrobním procesu silových baterií přímo ovlivní náklady, kvalitu, bezpečnost a konzistenci baterie.
1 Princip laserového svařování
Laserové svařování znamená pro práci použít vynikající směrovost a vysokou hustotu výkonu laserového paprsku. Laserový paprsek je zaostřen v malé oblasti optickým systémem. Ve velmi krátké době se na svařované části vytvoří oblast zdroje tepla s vysokou koncentrací energie, takže se svařovaný předmět roztaví a vytvoří se pevný pájený spoj a svar.
2 Druhy laserového svařování
Laserové svařování vedením tepla, laserový paprsek taví povrch obrobku podél švu a roztavený materiál konverguje a tuhne za vzniku svaru. Používá se hlavně pro relativně tenké materiály. Maximální hloubka svařování materiálů je omezena jeho tepelnou vodivostí a šířka svaru je vždy větší než hloubka svařování.
Při hlubokém svařování, když se vysoce výkonný laser shromažďuje na povrchu kovu, nemůže dojít ke ztrátě tepla a hloubka svařování se výrazně prohloubí. Tato svařovací technologie je svařování s hlubokým průnikem. Vzhledem k vysoké rychlosti zpracování, malé oblasti ovlivněné teplem a minimálnímu zkreslení lze pro hluboké svařování nebo svařování několika vrstev dat použít technologii hlubokého průniku.
Hlavním rozdílem mezi svařováním pomocí tepelného vedení a svařováním s hlubokým průnikem je hustota výkonu aplikovaná na kovový povrch v jednotkovém čase a kritická hodnota se u různých kovů liší.
Penetrační svařování a švové svařování
Díky svařování není spojovací kus nutný děrování a zpracování je relativně jednoduché. Pro penetrační svařování je zapotřebí vysoce výkonná laserová svářečka. Hloubka penetrace svařování penetrací je menší než hloubka svařování švem a spolehlivost je relativně špatná.
Ve srovnání s penetračním svařováním vyžaduje sváření pouze méně výkonné laserové svářečky. Pronikání švového svařování je vyšší než penetrace svařováním a spolehlivost je relativně dobrá. Ale spojovací kus musí být vyražen, takže je relativně obtížné ho zpracovat.
Pulzní svařování a kontinuální svařování
1) Pulzní režim svařování
Při laserovém svařování by měl být zvolen vhodný svařovací průběh. Běžně používané pulzní průběhy jsou čtvercová vlna, špičková vlna, bimodální vlna atd. Odrazivost povrchu hliníkové slitiny vůči světlu je příliš vysoká. Když laserový paprsek s vysokou intenzitou zasáhne povrch materiálu, dojde v důsledku odrazu ke ztrátě 60% - 98% energie laseru na kovovém povrchu a odrazivost se změní s teplotou povrchu. Obecně platí, že při svařování hliníkové slitiny je nejlepší volbou ostrá vlna a bimodální vlna. Tento druh svařovací křivky má ve spodní části delší šířku pulzu, což může účinně omezit vznik pórů a trhlin.
Vzorek pulzního laserového svařování
Kvůli vysoké odrazivosti hliníkové slitiny vůči laseru, aby se zabránilo tomu, že laserový paprsek způsobí vertikální odraz a poškození zrcadla laserového zaostřování, je svařovací spoj v procesu svařování obvykle vychýlen pod určitým úhlem. Průměr pájeného spoje a efektivní plocha spoje se zvětšují se zvětšením úhlu sklonu laseru. Když je úhel sklonu laseru 40 stupňů, lze dosáhnout maximálního pájeného spoje a účinného povrchu spoje. S úhlem sklonu laseru klesá penetrace svaru a efektivní penetrace. Pokud je úhel sklonu laseru větší než 60 stupňů, efektivní penetrace svaru se sníží na nulu. Proto lze penetraci a šířku svaru zvýšit nakloněním svařovaného spoje do určitého úhlu.
Kromě toho, když se svařuje, přičemž svar je hranice, měl by být laserový bod svařen o 65% krycí desky a 35% pláště, což může účinně snížit explozi způsobenou problémem se zavřením krytu.
2) Kontinuální režim svařování
Protože proces ohřevu kontinuálního laserového svařování není jako náhlé chlazení a ohřívání pulzního stroje, není během svařování tendence trhlin příliš zřejmá. Pro zlepšení kvality svaru je použito kontinuální laserové svařování. Povrch svaru je hladký a rovnoměrný, bez postříkání a defektů a uvnitř svaru není zjištěna žádná trhlina. Při svařování hliníkové slitiny jsou výhody kontinuálního laseru zřejmé. Ve srovnání s tradiční metodou svařování má kontinuální laser vysokou účinnost výroby a žádné plnění drátu; ve srovnání s pulzním laserovým svařováním dokáže vyřešit vady po svařování, jako jsou praskliny, póry, rozstřik atd., aby se zajistilo, že slitina hliníku bude mít po svařování dobré mechanické vlastnosti; po svařování nebude klesat a množství leštění po svařování se sníží, což šetří výrobní náklady. Protože je však místo CW laseru relativně malé, je nutné, aby byla přesnost montáže obrobku vyšší.
Kontinuální laserové svařovací vzorky
Při svařování výkonové baterie zvolí svařovací technici vhodné laserové a svařovací parametry podle materiálu baterie zákazníka, tvaru, tloušťky, požadavků na tahovou sílu, včetně rychlosti svařování, tvaru vlny, špičkové hodnoty, náklonu svařovací hlavy úhel atd. k nastavení přiměřených parametrů svařování, aby bylo zajištěno, že konečný svařovací efekt splňuje požadavky výrobců výkonových baterií.
3 Výhody laserového svařování
Má výhody koncentrované energie, vysoké účinnosti svařování, vysoké přesnosti obrábění a velkého poměru hloubky a šířky svaru. Laserový paprsek lze snadno zaostřit, vyrovnat a vést optickými nástroji. Může být umístěn v odpovídající vzdálenosti od obrobku a může být znovu veden mezi svorkami nebo překážkami kolem obrobku. Jiná pravidla svařování nemohou hrát kvůli výše uvedeným omezením prostoru.
Energii svařování lze přesně řídit, účinek svařování je stabilní a vzhled svařování je dobrý;
Bezkontaktní svařování, přenos optickými vlákny, dobrá dostupnost, vysoký stupeň automatizace. Při svařování tenkého materiálu nebo drátu s jemným průměrem nebude problém s přetavením jako při obloukovém svařování. Protože článek používaný pro napájení z baterie dodržuje princip&"; lehký GG"; je obvykle vyroben z&"; lehký GG"; hliník a musí být&„tenčí GG“. Obecně musí být plášť, kryt a dno menší než 1,0 mm. V současné době je základní tloušťka materiálu hlavních výrobců asi 0,8 mm.
Může poskytovat vysokopevnostní svařování pro různé kombinace materiálů, zejména pro svařování mezi měděnými materiály a hliníkovými materiály. Toto je také jediná technologie, která umožňuje svařovat niklování na měděné materiály.
4 Problémy laserového svařování
V současnosti tvoří plášť baterie z hliníkové slitiny více než 90% celé baterie. Obtížnost svařování spočívá v tom, že odrazivost hliníkové slitiny vůči laseru je velmi vysoká a citlivost pórovitosti je při procesu svařování vysoká. Ve svařovacím procesu se nevyhnutelně objeví některé problémy a vady, z nichž nejdůležitější jsou pórovitost, horká trhlina a výbuch.
Při laserovém svařování hliníkové slitiny existují dva hlavní typy pórovitosti: vodíková pórovitost a pórovitost způsobená prasknutím bubliny. Vzhledem k tomu, že rychlost chlazení laserového svařování je příliš vysoká, je problém pórovitosti vodíku vážnější a existuje také určitý druh děr v důsledku zhroucení malých otvorů při laserovém svařování.
Problém s tepelnými prasklinami. Hliníková slitina je typická eutektická slitina, která je náchylná k horkým trhlinám během svařování, včetně prasklin krystalizace svaru a trhlin HAZ. V důsledku segregace složení ve svarové zóně dojde k eutektické segregaci a dojde k roztavení hranic zrn. Působením napětí se na hranici zrn vytvoří zkapalňovací trhliny, což sníží výkonnost svařovaného spoje.
Problém s výbuchem (také známý jako stříkající voda). Existuje mnoho faktorů, které způsobují výbuch, jako je čistota materiálu, čistota samotného materiálu, vlastnosti samotného materiálu atd. A stabilita laseru hraje rozhodující roli. Povrch pláště je konvexní, vzduchový otvor a vnitřní vzduchová bublina. Hlavním důvodem je příliš malý průměr jádra vlákna nebo příliš vysoká energie laseru. Není to&„; lepší kvalita paprsku, lepší svařovací efekt GG“; propagováno některými dodavateli laserových zařízení. Dobrá kvalita paprsku je vhodná pro svařování s velkým průnikem. Klíčem k řešení problému je nalezení správných parametrů procesu.
Další potíže
Pro svařování měkkého ovinovacího polárního oka je vysoce nutné svařovací nářadí, takže polární oko musí být pevně přitlačeno, aby byla zajištěna svařovací mezera. Může realizovat vysokorychlostní svařování tvarů S, spirály a dalších složitých drah, zvětšit plochu svarového spoje a současně posílit pevnost svařování.
Svařování válcových článků se používá hlavně pro svařování kladných elektrod. Protože obal záporné elektrody je tenký, je velmi snadné jej svařovat. Například v současnosti někteří výrobci používají proces bez svařování negativní elektrodou a pozitivní elektrodou je laserové svařování.
Když je kombinace čtvercových baterií svařena, je pól nebo spojovací kus silně znečištěn; když je spojovací kus svařen, znečišťující látky se rozkládají, což snadno vytváří místa výbuchu svařování a způsobují otvory; když je tyč tenká a jsou pod ní plastové nebo keramické konstrukční části, lze ji snadno přivařit. Je-li tyč malá, lze se snadno odchýlit od plastu a vyhořet. Nepoužívejte vícevrstvý konektor, mezi vrstvami jsou póry, není snadné svařovat.
Nejdůležitějším procesem svařování čtvercové baterie je balení krytu pláště, které lze rozdělit na svařování horního krytu a spodního krytu podle různých pozic. Vzhledem k malé velikosti baterie používají někteří výrobci baterií" hluboké kreslení" procesu výroby pláště baterie, je potřeba pouze přivařit horní kryt.
Boční svařovací vzorek čtvercového napájecího akumulátoru
Metody svařování čtvercových baterií se dělí hlavně na boční a horní svařování. Hlavní výhodou bočního svařování je, že má menší vliv na vnitřek buňky a rozstřik nebude snadno vstupovat do vnitřku pláště. Protože svařování může způsobit vyboulení, které bude mít mírný dopad na následný proces montáže, má boční svařovací proces vysoké požadavky na stabilitu laseru a čistotu materiálu. Vzhledem k tomu, že horní proces svařování je svařován na jedné straně, jsou požadavky na integraci svařovacího zařízení relativně nízké a hromadná výroba je jednoduchá. Existují však dvě nevýhody: jednou je to, že do buňky může během svařování proniknout malý rozstřik, a druhou je to, že vysoké požadavky na přední část pláště povedou k problému s náklady.
5. Faktory ovlivňující kvalitu svařování
Laserové svařování je hlavní metodou špičkového bateriového svařování. Laserové svařování je proces ozařování laserem s vysokou energií paprskem na obrobku, který způsobí prudké zvýšení pracovní teploty a obrobek se roztaví a znovu spojí a vytvoří trvalé spojení. Pevnost ve smyku a odolnost proti roztržení laserovým svařováním jsou lepší. Elektrická vodivost, pevnost, vzduchotěsnost, únava kovu a odolnost proti korozi při bateriovém svařování jsou typické normy pro hodnocení kvality svařování.
Na kvalitu laserového svařování má vliv mnoho faktorů. Některé z nich jsou velmi nestálé a mají značnou nestabilitu. Jak správně nastavit a řídit tyto parametry tak, aby je bylo možné kontrolovat ve správném rozsahu při vysokorychlostním a kontinuálním laserovém svařovacím procesu, aby byla zajištěna kvalita svařování. Spolehlivost a stabilita tváření svaru jsou důležitými problémy souvisejícími s praktickou a industrializací technologie laserového svařování. Hlavními faktory ovlivňujícími kvalitu laserového svařování jsou svařovací zařízení, stav obrobku a parametry procesu.
1) Zařízení pro laserové svařování
Fiber Laser Welding Machine for Power Battery
Zesilovač RS-SWF-80/150 80W GG; 150W vláknový laserový svařovací stroj uspokojuje poptávku po vysoce kvalitním vysokorychlostním laserovém svařování článků lithiové baterie.
Nejdůležitějším požadavkem na kvalitu laseru je režim paprsku, výstupní výkon a stabilita. Režim paprsku je hlavním indexem kvality paprsku. Čím nižší je pořadí režimu paprsku, tím lepší je výkon zaostření paprsku, čím menší je bod, tím vyšší je hustota výkonu a čím větší je hloubka a šířka svaru při stejném laserovém výkonu. Obecně je vyžadován základní režim (TEM00) nebo režim nízkého řádu, jinak je obtížné splnit požadavky na vysoce kvalitní laserové svařování. V současné době je pro laserové svařování z hlediska kvality paprsku a stability výstupního výkonu obtížné použít domácí laser. Ze zahraniční situace byla kvalita laserového paprsku a stabilita výstupního výkonu poměrně vysoká, což se nestane problémem laserového svařování. Zaostřovací čočka je nejdůležitějším faktorem ovlivňujícím kvalitu svařování v optickém systému. Ohnisková vzdálenost je obvykle mezi 127 mm (5 palců) a 200 mm (7,9 palce). Malá ohnisková vzdálenost je dobrá pro zmenšení průměru pasu zaostřeného paprsku, ale příliš malá ohnisková vzdálenost se snadno znečišťuje a poškozuje rozstřikováním při svařování.
Čím kratší je vlnová délka, tím vyšší je absorpční schopnost. Obecně je odrazivost materiálů s dobrou vodivostí velmi vysoká. U laseru YAG je odrazivost stříbra 96%, odrazu hliníku 92%, mědi 90% a železa 60%. Čím vyšší je teplota, tím vyšší je absorpční schopnost, což ukazuje lineární vztah; obecně mohou fosfát, saze a grafit zlepšit absorpční schopnost.
2) Stav obrobku
Laserové svařování vyžaduje zpracování okraje obrobku, sestava má vysokou přesnost a místo je přísně vyrovnáno se svarem. Navíc nelze změnit původní přesnost montáže a bodové vyrovnání obrobku v důsledku tepelné deformace svařování v procesu svařování. Je to proto, že laserová skvrna je malá a svarový šev je úzký. Obecně se nepřidává žádný přídavný kov. Pokud sestava není přísná a mezera je příliš velká, může paprsek projít mezerou a nemůže roztavit základní kov nebo způsobit zjevné podříznutí a prohloubení. Pokud je odchylka skvrny od švu mírně velká, může to způsobit neúplnou fúzi nebo neúplnou penetraci. Obecná mezera sestavy tupého plechu a odchylka bodového švu by proto neměla být větší než 0,1 mm, vychýlení by nemělo být větší než 0,2 mm. Ve skutečné výrobě někdy nelze použít technologii laserového svařování, protože nemůže splnit tyto požadavky. Aby se dosáhlo dobrého svařovacího efektu, měla by být povolená mezera na tupo a mezera mezi břity kontrolována do 10% tloušťky plechu.
Úspěšné laserové svařování vyžaduje těsný kontakt mezi svařovaným podkladem. To vyžaduje pečlivé dotažení dílů pro dosažení optimálních výsledků. To je obtížné na tenkém základním materiálu výstupku, protože je náchylný k ohýbání a nesouososti, zvláště když je výstupek zabudován do velkého bateriového modulu nebo modulu.
3) Parametry laserového svařování
(1) Hustota výkonu laserového bodu je nejdůležitějším faktorem ovlivňujícím režim laserového svařování a stabilitu tváření svaru. Vliv hustoty výkonu laserového bodu na režim svařování a stabilitu tváření svaru je následující: se zvyšující se hustotou výkonu laserového bodu z malého na velký je stabilní svařování tepelnou vodivostí, nestabilní režim svařování a stabilní svařování hlubokým průnikem.
Hustota výkonu laserového bodu je určována hlavně výkonem laseru a polohou zaostření paprsku, když je režim paprsku a ohnisková vzdálenost fixní. Hustota výkonu laseru je úměrná výkonu laseru. Když je paprsek zaostřen v určité poloze pod povrchem obrobku (1–2 mm, v závislosti na tloušťce a parametrech), lze dosáhnout optimálního svaru. Odchyluje se od optimální polohy zaostření, světelná skvrna na povrchu obrobku se zvětší, což způsobí zmenšení hustoty výkonu. V určitém rozsahu to způsobí změnu formy procesu svařování.
Pouze při příliš vysoké rychlosti svařování nelze stabilní svařovací proces s hlubokým průnikem udržet kvůli malému přívodu tepla. Při skutečném svařování by mělo být zvoleno stabilní svařování s hlubokým průnikem nebo stabilní svařování pomocí tepelného vedení podle požadavků na průnik svařence a měl by být absolutně vyloučen režim nestabilního svařování.
(2) V rozsahu svařování s hlubokým průnikem vliv svařovacích parametrů na průnik: v rozsahu stabilního svařování s hlubokým průnikem, čím vyšší je výkon laseru, tím větší je penetrace, což je asi 0,7 výkonu; a čím vyšší je rychlost svařování, tím mělčí je penetrace. Při určité síle laseru a rychlosti svařování je penetrace největší, když je zaostření v nejlepší poloze. Pokud se ohnisko odchýlilo od této polohy, penetrace se snižuje a dokonce se stává nestabilním svařováním nebo stabilním svařováním tepelným vedením.
(3) Hlavní funkcí ochrany plynu je chránit obrobek před oxidací během svařování, chránit zaostřovací čočku před znečištěním kovovými parami a rozprašováním kapiček kapaliny, rozptýlit plazmu produkovanou vysokovýkonným laserovým svařováním, ochladit obrobek a snížit tepelně ovlivněná oblast.
Jako ochranný plyn se obvykle používá argon nebo hélium. Dusík lze použít u osob s nízkými zjevnými požadavky na kvalitu. Tendence hélia k produkci plazmy je odlišná: hélium má vyšší ionizační objem a rychlejší vedení tepla. Za stejných podmínek má plyn menší tendenci produkovat plazmu než argon, takže může získat větší hloubku tání. V určitém rozmezí se zvýšením průtoku ochranného plynu stoupá tendence potlačovat plazmu, takže se zvyšuje hloubka tavení, ale má tendenci být stabilní, když se zvyšuje do určitého rozmezí.
(4) Analýza monitorování každého parametru: ze čtyř parametrů svařování lze snadno sledovat a udržovat stabilní rychlost svařování a tok ochranného plynu, zatímco výkon laseru a poloha zaostření jsou parametry, které mohou kolísat a je obtížné je sledovat v procesu svařování. Přestože je výkon laseru z laseru vysoce stabilní a snadno monitorovatelný, v důsledku ztráty světlovodu a zaostřovacího systému se výkon laseru přicházející na obrobek změní a tato ztráta souvisí s kvalitou optického obrobku, servisní doba a znečištění povrchu, takže není snadné jej sledovat a stává se nejistým faktorem kvality svařování. Poloha zaostření paprsku je jedním z nejobtížnějších faktorů pro monitorování a ovládání, což má velký vliv na kvalitu svařování. V současné době je nutné určit vhodnou polohu zaostření manuálním nastavením a opakovanými zkouškami procesu, aby se dosáhlo ideální penetrace. Ale v procesu svařování se v důsledku deformace obrobku, efektu tepelné čočky nebo vícerozměrného svařování prostorové křivky změní poloha zaostření a může překročit povolený rozsah.
V obou výše uvedených případech by na jedné straně měly být pravidelně používány a udržovány vysoce kvalitní a stabilní optické prvky, aby se zabránilo znečištění a udržovaly se čisté; na druhé straně by měla být vyvinuta metoda monitorování a řízení procesu svařování laserem v reálném čase, aby se optimalizovaly parametry a monitoroval proces svařování. Může dosáhnout změny výkonu laseru a polohy zaostření obrobku, realizovat řízení v uzavřené smyčce, a zlepšit spolehlivost a stabilitu kvality laserového svařování.
Nakonec je důležité si uvědomit, že laserové svařování je proces tavení. To znamená, že se oba materiály během laserového svařování roztaví. Tento proces je velmi rychlý, takže celkový přívod tepla je nízký. Ale protože se jedná o proces tavení, je možné při svařování různých materiálů vytvářet křehké intermetalické sloučeniny s vysokou odolností. Kombinace hliníku a mědi se obzvláště snadno tvoří intermetalické sloučeniny. Ukázalo se, že tyto sloučeniny mají negativní účinky na krátkodobé elektrické a dlouhodobé mechanické vlastnosti spoje mikroelektronického zařízení. Vliv těchto intermetalických sloučenin na dlouhodobý výkon lithiových baterií je nejistý.