В последние годы, благодаря стремительному развитию новой энергетической отрасли, лазерная сварка быстро проникла во всю эту отрасль благодаря своим быстрым и стабильным преимуществам. Среди них лазерное сварочное оборудование занимает наибольшую долю рынка во всей новой энергетической отрасли.
Лазерная сваркаБлагодаря высокой скорости, большой глубине сварки и малой деформации, этот метод быстро стал предпочтительным во всех сферах жизни. От точечной сварки до стыковой сварки, наплавки и герметизирующей сварки.лазерная сваркаОбеспечивает беспрецедентную точность и контроль. Играет важную роль в промышленном производстве и изготовлении продукции, включая военную промышленность, здравоохранение, аэрокосмическую отрасль, производство автокомпонентов 3C, металлообработку, возобновляемую энергетику и другие отрасли.
По сравнению с другими технологиями сварки, лазерная сварка имеет свои уникальные преимущества и недостатки.
Преимущество:
1. Высокая скорость, большая глубина и малая деформация.
2. Сварка может выполняться при нормальной температуре или в особых условиях, а сварочное оборудование простое. Например, лазерный луч не смещается в электромагнитном поле. Лазеры могут сваривать в вакууме, воздухе или определенных газовых средах, а также сваривать материалы, которые проходят сквозь стекло или являются прозрачными для лазерного луча.
3. Он может сваривать тугоплавкие материалы, такие как титан и кварц, а также сваривать разнородные материалы с хорошими результатами.
4. После фокусировки лазерного луча плотность мощности высока. Соотношение сторон может достигать 5:1, а при сварке мощных устройств — до 10:1.
5. Возможна микросварка. После фокусировки лазерного луча можно получить небольшое пятно, которое можно точно позиционировать. Это позволяет применять данный метод для сборки и сварки микроскопических и мелких заготовок с целью автоматизированного массового производства.
6. Он позволяет сваривать труднодоступные места и выполнять бесконтактную сварку на больших расстояниях, обладая при этом большой гибкостью. Особенно в последние годы в технологии обработки YAG-лазером применяется технология передачи данных по оптическому волокну, что способствовало более широкому распространению и применению технологии лазерной сварки.
7. Лазерный луч легко разделяется во времени и пространстве, и несколько лучей могут обрабатываться одновременно в нескольких местах, что обеспечивает условия для более точной сварки.
Дефект:
1. Требуется высокая точность сборки заготовки, а положение лазерного луча на заготовке не должно значительно отклоняться. Это связано с тем, что размер лазерного пятна после фокусировки невелик, а сварочный шов узок, что затрудняет добавление присадочного металла. Если точность сборки заготовки или точность позиционирования луча не соответствуют требованиям, высока вероятность возникновения сварочных дефектов.
2. Стоимость лазеров и сопутствующих систем высока, а единовременные инвестиции значительны.
Распространенные дефекты лазерной сваркив производстве литиевых батарей
1. Пористость сварного шва
Распространенные дефекты влазерная сваркаПоры. Расплавленная ванна при сварке глубокая и узкая. В процессе лазерной сварки азот проникает в расплавленную ванну снаружи. В процессе охлаждения и затвердевания металла растворимость азота уменьшается с понижением температуры. Когда расплавленный металл охлаждается и начинает кристаллизоваться, растворимость резко и внезапно падает. В это время большое количество газа выпадает в осадок, образуя пузырьки. Если скорость всплывания пузырьков меньше скорости кристаллизации металла, образуются поры.
В литий-ионной промышленности мы часто обнаруживаем, что поры с большей вероятностью образуются во время сварки положительного электрода, но редко — во время сварки отрицательного электрода. Это связано с тем, что положительный электрод изготовлен из алюминия, а отрицательный — из меди. Во время сварки жидкий алюминий на поверхности конденсируется до того, как внутренний газ полностью выйдет наружу, предотвращая переполнение газа и образование больших и малых отверстий.
Помимо упомянутых выше причин образования пор, к ним также относятся воздействие наружного воздуха, влаги, поверхностных масел и т.д. Кроме того, направление и угол подачи азота также влияют на образование пор.
Что касается способов уменьшения образования сварочных пор?
Во-первых, прежде чемсваркаМасляные пятна и загрязнения на поверхности поступающих материалов необходимо своевременно удалять; при производстве литиевых батарей контроль качества поступающих материалов является важнейшим процессом.
Во-вторых, поток защитного газа следует регулировать в зависимости от таких факторов, как скорость сварки, мощность, положение и т. д., и он не должен быть ни слишком большим, ни слишком малым. Давление защитной пленки следует регулировать в зависимости от таких факторов, как мощность лазера и положение фокусировки, и оно не должно быть ни слишком высоким, ни слишком низким. Форма сопла защитной пленки должна регулироваться в зависимости от формы, направления и других факторов сварного шва, чтобы защитная пленка равномерно покрывала зону сварки.
В-третьих, необходимо контролировать температуру, влажность и запыленность воздуха в цехе. Температура и влажность окружающей среды влияют на содержание влаги на поверхности подложки и в защитном газе, что, в свою очередь, влияет на образование и выход водяного пара в расплавленной ванне. Если температура и влажность окружающей среды слишком высоки, на поверхности подложки и в защитном газе будет слишком много влаги, что приведет к образованию большого количества водяного пара и, как следствие, к пористости. Если температура и влажность окружающей среды слишком низки, на поверхности подложки и в защитном газе будет слишком мало влаги, что снизит образование водяного пара и, следовательно, уменьшит пористость; необходимо поручить специалистам по контролю качества определять целевые значения температуры, влажности и запыленности на сварочном участке.
В-четвертых, метод качания луча используется для уменьшения или устранения пор при лазерной глубокопроплавной сварке. Благодаря добавлению качания во время сварки, возвратно-поступательное качание луча по сварочному шву вызывает многократное переплавление части сварочного шва, что увеличивает время пребывания жидкого металла в сварочной ванне. В то же время отклонение луча также увеличивает подвод тепла на единицу площади. Уменьшается отношение глубины к ширине сварного шва, что способствует образованию пузырьков и, следовательно, устранению пор. С другой стороны, качание луча вызывает соответствующее качание небольших отверстий, что также может обеспечить перемешивающую силу для сварочной ванны, усилить конвекцию и перемешивание сварочной ванны и оказать благоприятное воздействие на устранение пор.
В-пятых, частота импульсов. Частота импульсов — это количество импульсов, излучаемых лазерным лучом за единицу времени, которое влияет на подвод тепла и его накопление в расплавленной ванне, а следовательно, и на температурное и текущее поле в расплавленной ванне. Слишком высокая частота импульсов приведет к чрезмерному подводу тепла в расплавленную ванну, вызывая слишком высокую температуру, образование паров металла или других летучих элементов при высоких температурах, что приведет к образованию пор. Слишком низкая частота импульсов приведет к недостаточному накоплению тепла в расплавленной ванне, вызывая слишком низкую температуру, уменьшая растворение и выход газа, что также приведет к образованию пор. В целом, частоту импульсов следует выбирать в разумных пределах, исходя из толщины подложки и мощности лазера, избегая слишком высоких или слишком низких значений.
Сварка отверстий (лазерная сварка)
2. Брызги сварки
Брызги, образующиеся в процессе лазерной сварки, серьезно влияют на качество поверхности сварного шва, загрязняют и повреждают линзу. В целом, это проявляется следующим образом: после завершения лазерной сварки на поверхности материала или заготовки появляется множество металлических частиц, которые прилипают к ней. Наиболее наглядный пример: при сварке в режиме гальванометра, после некоторого времени использования защитной линзы гальванометра, на поверхности образуются плотные ямки, вызванные брызгами сварки. Со временем они легко блокируют свет, что приводит к проблемам со сварочным светом и, как следствие, к ряду проблем, таких как разрыв сварного шва и некачественная сварка.
Каковы причины разбрызгивания воды?
Во-первых, чем выше удельная мощность, тем легче образуется брызги, а разбрызгивание напрямую связано с удельной мощностью. Это проблема, существующая уже столетие. По крайней мере, до сих пор отрасль не смогла решить проблему разбрызгивания и может лишь сказать, что она несколько уменьшилась. В литиевой аккумуляторной промышленности разбрызгивание является основной причиной короткого замыкания батарей, но первопричину до сих пор не удалось устранить. Воздействие брызг на батарею можно уменьшить только с точки зрения защиты. Например, вокруг сварочного участка добавляются пылеотводящие патрубки и защитные кожухи, а также ряды воздушных ножей, расположенных по кругу, чтобы предотвратить воздействие брызг или даже повреждение батареи. Разрушение окружающей среды, изделий и компонентов вокруг сварочной станции можно считать исчерпанием имеющихся средств.
Что касается решения проблемы разбрызгивания, можно сказать лишь, что снижение энергии сварки помогает уменьшить разбрызгивание. Снижение скорости сварки также может помочь, если проплавление недостаточное. Но в некоторых особых технологических требованиях это малоэффективно. Это один и тот же процесс, разные станки и разные партии материалов дают совершенно разные результаты сварки. Поэтому в новой энергетической отрасли существует неписаное правило: один набор параметров сварки для одного оборудования.
Во-вторых, если поверхность обрабатываемого материала или заготовки не очистить, масляные пятна или загрязнения также вызовут сильные брызги. В этом случае проще всего очистить поверхность обрабатываемого материала.
3. Высокая отражательная способность лазерной сварки
В общем, высокая отражательная способность означает, что обрабатываемый материал имеет низкое удельное сопротивление, относительно гладкую поверхность и низкую степень поглощения для ближнеинфракрасных лазеров, что приводит к большому объему лазерного излучения. Кроме того, поскольку большинство лазеров используются в вертикальном положении из-за материала или небольшого наклона, возвращающийся лазерный свет снова попадает в выходную головку, и даже часть возвращающегося света попадает в передающее энергию волокно и передается обратно по волокну внутрь лазера, в результате чего основные компоненты внутри лазера продолжают нагреваться до высокой температуры.
При слишком высокой отражательной способности во время лазерной сварки можно применить следующие решения:
3.1 Использование антибликового покрытия или обработка поверхности материала: нанесение антибликового покрытия на поверхность свариваемого материала может эффективно снизить отражательную способность лазера. Обычно это специальный оптический материал с низкой отражательной способностью, который поглощает энергию лазера, а не отражает ее обратно. В некоторых процессах, таких как сварка токосъемников, мягкие соединения и т. д., поверхность также может быть тиснена.
3.2 Регулировка угла сварки: Регулировка угла сварки позволяет направлять лазерный луч на свариваемый материал под более подходящим углом и уменьшить возникновение отражений. Обычно, для уменьшения отражений, падение лазерного луча перпендикулярно поверхности свариваемого материала является хорошим способом уменьшения отражений.
3.3 Добавление вспомогательного абсорбента: В процессе сварки в сварной шов добавляется определенное количество вспомогательного абсорбента, например, порошка или жидкости. Эти абсорбенты поглощают энергию лазера и снижают отражательную способность. Выбор подходящего абсорбента должен основываться на конкретных сварочных материалах и сценариях применения. В индустрии литий-ионных батарей это маловероятно.
3.4 Использование оптического волокна для передачи лазерного луча: По возможности, для передачи лазерного луча в зону сварки можно использовать оптическое волокно, чтобы уменьшить отражательную способность. Оптические волокна позволяют направлять лазерный луч в зону сварки, избегая прямого воздействия на поверхность свариваемого материала и уменьшая возникновение отражений.
3.5 Регулировка параметров лазера: Регулируя такие параметры, как мощность лазера, фокусное расстояние и диаметр фокуса, можно контролировать распределение лазерной энергии и уменьшать отражения. Для некоторых отражающих материалов снижение мощности лазера может быть эффективным способом уменьшения отражений.
3.6 Использование разделителя луча: Разделитель луча может направлять часть энергии лазера в поглощающее устройство, тем самым уменьшая возникновение отражений. Разделители луча обычно состоят из оптических компонентов и поглотителей, и, выбирая соответствующие компоненты и регулируя компоновку устройства, можно добиться более низкого коэффициента отражения.
4. Подрез при сварке
Какие процессы в процессе производства литий-ионных батарей чаще всего приводят к подтравливанию? Почему происходит подтравливание? Давайте проанализируем это.
Подрезка, как правило, представляет собой плохое соединение сварочных материалов, слишком большой зазор или образование канавки, глубина и ширина которой обычно превышают 0,5 мм, общая длина превышает 10% от длины сварного шва или превышает требуемую длину в соответствии со стандартами технологического процесса.
В процессе производства литий-ионных батарей чаще всего происходит подрезка, которая, как правило, наблюдается на этапах предварительной сварки и сварки цилиндрической крышки, а также на этапах предварительной сварки и сварки квадратной алюминиевой крышки корпуса. Основная причина заключается в том, что при сварке уплотнительной крышки необходимо взаимодействовать с корпусом, и процесс сопряжения уплотнительной крышки и корпуса чрезмерен, что приводит к образованию зазоров, борозд, разрушению и т.д., поэтому подрезка особенно вероятна.
Так что же вызывает подрезание?
Если скорость сварки слишком высока, жидкий металл за небольшим отверстием, направленным к центру сварного шва, не успеет перераспределиться, что приведет к затвердению и подрезу с обеих сторон шва. Ввиду вышеизложенного, необходимо оптимизировать параметры сварки. Проще говоря, это многократные эксперименты для проверки различных параметров и продолжение планирования экспериментов до тех пор, пока не будут найдены оптимальные параметры.
2. Чрезмерные зазоры, канавки, обрушения и т. д. сварочных материалов уменьшают количество расплавленного металла, заполняющего зазоры, что повышает вероятность образования подрезов. Это вопрос оборудования и сырья. Соответствует ли сварочное сырье требованиям нашего процесса, соответствует ли точность оборудования требованиям и т. д. Обычно практикуют постоянные издевательства над поставщиками и ответственными за оборудование.
3. Если энергия слишком быстро падает в конце лазерной сварки, небольшое отверстие может разрушиться, что приведет к локальному подрезу. Правильное согласование мощности и скорости может эффективно предотвратить образование подрезов. Как гласит старая поговорка, повторяйте эксперименты, проверяйте различные параметры и продолжайте планирование экспериментов, пока не найдете правильные параметры.
5. Обрушение сварочного шва
При низкой скорости сварки расплавленная ванна будет больше и шире, что увеличит количество расплавленного металла. Это может затруднить поддержание поверхностного натяжения. Когда расплавленный металл становится слишком тяжелым, центр сварного шва может проседать, образуя впадины и ямки. В этом случае плотность энергии необходимо соответствующим образом снизить, чтобы предотвратить обрушение расплавленной ванны.
В другой ситуации сварочный зазор просто схлопывается, не вызывая сквозного прокола. Это, несомненно, проблема плотной посадки оборудования.
Правильное понимание дефектов, которые могут возникнуть при лазерной сварке, и причин различных дефектов позволяет применять более целенаправленный подход к решению любых проблем, связанных с ненормальным процессом сварки.
6. Трещины в сварных швах
Трещины, возникающие при непрерывной лазерной сварке, в основном являются термическими трещинами, такими как кристаллические трещины и трещины разжижения. Основной причиной этих трещин являются большие усадочные силы, возникающие в сварном шве до его полного затвердевания.
Также существуют следующие причины появления трещин при лазерной сварке:
1. Неправильная конструкция сварного шва: Неправильный расчет геометрии и размеров сварного шва может привести к концентрации сварочных напряжений, вызывая образование трещин. Решение заключается в оптимизации конструкции сварного шва для предотвращения концентрации сварочных напряжений. Можно использовать соответствующие смещенные сварные швы, изменять форму сварного шва и т. д.
2. Несоответствие параметров сварки: Неправильный выбор параметров сварки, таких как слишком высокая скорость сварки, слишком высокая мощность и т. д., может привести к неравномерным изменениям температуры в зоне сварки, что вызывает большие сварочные напряжения и трещины. Решение заключается в корректировке параметров сварки в соответствии с конкретным материалом и условиями сварки.
3. Некачественная подготовка сварочной поверхности: Неправильная очистка и предварительная обработка сварочной поверхности перед сваркой, например, удаление оксидов, смазки и т. д., повлияет на качество и прочность сварного шва и легко приведет к образованию трещин. Решение заключается в надлежащей очистке и предварительной обработке сварочной поверхности, чтобы обеспечить эффективную обработку загрязнений и примесей в зоне сварки.
4. Неправильный контроль подводимой тепловой энергии при сварке: Недостаточный контроль подводимой тепловой энергии во время сварки, например, чрезмерная температура, неправильная скорость охлаждения сварочного слоя и т. д., приводит к изменениям в структуре зоны сварки и образованию трещин. Решение заключается в контроле температуры и скорости охлаждения во время сварки, чтобы избежать перегрева и быстрого охлаждения.
5. Недостаточная термическая обработка: Недостаточная термическая обработка после сварки приведет к недостаточному снятию напряжений в зоне сварки, что легко может вызвать образование трещин. Решение заключается в проведении соответствующей термической обработки после сварки, такой как термообработка или вибрационная обработка (основная причина).
Что касается процесса производства литиевых батарей, какие процессы с большей вероятностью приводят к образованию трещин?
Как правило, трещины склонны образовываться во время сварки при герметизации, например, при сварке цилиндрических стальных или алюминиевых корпусов, сварке квадратных алюминиевых корпусов и т. д. Кроме того, в процессе упаковки модулей сварка токосъемника также подвержена образованию трещин.
Конечно, для уменьшения или устранения этих трещин можно также использовать присадочную проволоку, предварительный нагрев или другие методы.
Дата публикации: 01.09.2023
