Увод у методе и процесе заваривања енергетских литијум-јонских батерија

Разуман избор метода и процеса заваривања у процесу производње енергетских литијумских батерија директно ће утицати на цену, квалитет, безбедност и конзистентност батерије. Даље, хајде да организујемо садржај о заваривању енергетских литијумских батерија.

1. Принципи ласерског заваривања

Ласерско заваривање користи одличну усмереност и велику густину снаге ласерских зрака за рад. Преко оптичког система, ласерски зрак се фокусира на веома малу површину, формирајући високо концентрисано подручје извора топлоте на завареном споју за врло кратко време, чиме се топи заварени предмет и формира чврст лемни спој и заварени шав.

2. Тип ласерског заваривања

Заваривање проводљивошћу топлоте и заваривање са дубоким продором

Ласерско заваривање топлотне проводљивости се формира са густином снаге ласера ​​од 105-106в/цм2, а ласерско заваривање дубоког продирања се формира са густином снаге ласера ​​од 105-106в/цм2

Пробојно заваривање и заваривање шавова

Пробојно заваривање, спојни делови не захтевају пробијање, а обрада је релативно једноставна. За пенетрационо заваривање потребна је машина за ласерско заваривање велике снаге. Дубина продора заваривања пенетрацијом је мања него код шавног заваривања, а његова поузданост је релативно лоша.

У поређењу са пенетрационим заваривањем, заваривање шавова захтева само машину за ласерско заваривање мање снаге. Дубина продирања шавног заваривања је већа него код продорног заваривања, а његова поузданост је релативно добра. Али спојни комад треба да се удари, што отежава обраду.

Узорци пулсног ласерског заваривања

Континуирано ласерско заваривање узорака

У заваривању енергетских литијумских батерија, техничари у процесу заваривања ће изабрати одговарајуће параметре ласера ​​и процеса заваривања на основу купчевог материјала, облика, дебљине, затезних захтева итд., укључујући брзину заваривања, таласни облик, вршну вредност и угао нагиба глава за заваривање, за постављање разумних параметара процеса заваривања како би се осигурало да коначни ефекат заваривања испуњава захтеве произвођача литијумских батерија за напајање.

Концентрисана енергија, висока ефикасност заваривања, висока тачност обраде и велики однос дубине завара и ширине. Ласерски зрак се лако фокусира, поравнава и води помоћу оптичких инструмената. Може се поставити на одговарајућу удаљеност од радног предмета и може се водити између учвршћења или препрека око радног предмета. Друге методе заваривања се не могу у потпуности искористити због горе наведених просторних ограничења.

Мали унос топлоте, мала зона утицаја топлоте и мали преостали напон и деформација радног предмета; Енергија заваривања се може прецизно контролисати, ефекат заваривања је стабилан, а изглед заваривања је добар;

Бесконтактно заваривање, оптички пренос, добра приступачност и висок степен аутоматизације. Када заварите танку или фину жицу, нема проблема са рефлов као код електролучног заваривања. Ћелије батерија које се користе за напајање литијумских батерија, због свог лаганог принципа, обично су направљене од лакшег алуминијумског материјала и тање. Генерално, љуска, поклопац и дно морају бити испод 1.0мм, а главни произвођачи тренутно имају основну дебљину материјала од око 0,8 мм.

Потешкоће у процесу ласерског заваривања

Тренутно, шкољке батерија од легуре алуминијума чине више од 90% укупне снаге литијумске батерије. Тешкоћа његовог заваривања лежи у изузетно високој рефлексивности легуре алуминијума на ласер, високој осетљивости гасних пора током процеса заваривања, и неизбежној појави неких проблема и недостатака при заваривању, међу којима су најзначајније гасне поре, вруће пукотине, и експлозија.

Током процеса ласерског заваривања легуре алуминијума, постоје две важне врсте пора које су склоне настанку: поре водоника и поре изазване пуцањем мехурића. Због велике брзине хлађења ласерског заваривања, проблем водоничних пора је озбиљнији, а постоји и додатна врста рупа узрокована урушавањем малих рупа у ласерском заваривању.

Хот црацк проблем. Алуминијумска легура је типична легура еутектичког типа која је склона врућим пуцањима током заваривања, укључујући пукотине од кристализације шава и пукотине од течења ХАЗ. Услед сегрегације компоненти у зони завара долази до еутектичке сегрегације и топљења границе зрна. У условима напрезања, на границама зрна се формирају пукотине од течења, смањујући перформансе завареног споја.

Проблем експлозије (познат и као прскање). Постоји много фактора који могу изазвати експлозије, као што су чистоћа материјала, чистоћа самог материјала и карактеристике самог материјала. Одлучујућа употреба је стабилност ласера. Површинске избочине, поре и унутрашњи мехурићи на љусци. Главни разлог је тај што је пречник језгра влакна премали или је енергија ласера ​​постављена превисоко. Није да неки добављачи ласерске опреме тврде да што је бољи квалитет зрака, то је бољи ефекат заваривања. Добар квалитет снопа је погодан за заваривање са већом дубином продирања. Проналажење одговарајућих параметара процеса је кључ за решавање проблема.

Друге потешкоће

Заваривање ушних стубова са меким пакетом захтева високе захтеве за учвршћење за заваривање, а уво стуба мора бити чврсто притиснуто да би се обезбедио размак заваривања. Може постићи заваривање великом брзином сложених путања као што су С-облик и спирални облик, повећавајући површину споја завара и јачајући снагу заваривања.

Заваривање цилиндричних ћелија батерије је важно за заваривање позитивне електроде. Због танке љуске негативне електроде, изузетно је лако заварити. Тренутно, неки произвођачи користе процес заваривања негативном електродом без заваривања, док позитивна електрода користи ласерско заваривање.

Приликом заваривања квадратних комбинација батерија, стуб или спојни комад су контаминирани и дебели. Приликом заваривања спојног комада, загађивачи се разлажу, што може лако формирати тачке експлозије заваривања и изазвати рупе; Батерије са танким половима и пластичним или керамичким структурним компонентама испод су склоне заваривању. Када је стуб мали, лако је заваривање да одступи и изазове пластично оштећење, формирајући експлозивне тачке. Немојте користити вишеслојне конекторе јер постоје поре између слојева, што отежава чврсто лемљење.

Најважнији процес у процесу заваривања квадратних батерија је паковање поклопца кућишта, који је подељен на заваривање горњег и доњег поклопца према различитим позицијама. Неки произвођачи батерија користе технологију дубоког извлачења за производњу кућишта батерија због мале запремине батерија које производе, што захтева само заваривање горњег поклопца.

Узорак заваривања са стране литијумске батерије квадратне снаге

Методе заваривања за квадратне батерије се углавном деле на бочно заваривање и заваривање на врху. Важна предност бочног заваривања је што мање утиче на унутрашњост ћелије батерије, а прскање неће лако ући на унутрашњу страну поклопца кућишта. Због могућности избочина након заваривања, што може имати благи утицај на каснији процес монтаже, процес бочног заваривања захтева изузетно високу стабилност ласера ​​и чистоћу материјала. Врхунски процес заваривања, због заваривања на једној површини, има релативно ниске захтеве за интеграцију опреме за заваривање и једноставну масовну производњу. Међутим, постоје и два недостатка. Прво, може доћи до мале количине прскања која улази у ћелију батерије током заваривања, а друго, високи захтеви за обраду предњег дела шкољке могу довести до проблема са трошковима.

5. Фактори који утичу на квалитет заваривања

Ласерско заваривање је тренутно важан метод који се препоручује за заваривање врхунских батерија. Ласерско заваривање је процес ласерског зрачења високе енергије на радном предмету, изазивајући нагло повећање радне температуре, топљење и поновно повезивање радног предмета како би се формирала трајна веза. Ласерско заваривање има добру отпорност на смицање и отпорност на кидање. Критеријуми за процену квалитета заваривања батеријама укључују проводљивост, чврстоћу, херметичност, замор метала и отпорност на корозију.

Постоји много фактора који утичу на квалитет ласерског заваривања. Неки од њих су веома нестабилни и имају значајну нестабилност. Како правилно подесити и контролисати ове параметре, тако да се могу контролисати у одговарајућем опсегу током брзог и континуираног процеса ласерског заваривања, како би се осигурао квалитет заваривања. Поузданост и стабилност формирања шава су важна питања везана за практичност и индустријализацију технологије ласерског заваривања. Важни фактори који утичу на квалитет ласерског заваривања су опрема за заваривање, стање радног предмета и параметри процеса.

1) Опрема за заваривање

Најважнији захтеви за квалитет ласера ​​су режим снопа, излазна снага и стабилност. Режим снопа је важан показатељ квалитета зрака. Што је нижи ред режима снопа, то су боље перформансе фокусирања снопа, мања је тачка, већа је густина снаге под истом снагом ласера ​​и већа је дубина и ширина завареног шава. Генерално, потребан је основни режим (ТЕМ00) или режим нижег реда, иначе је тешко испунити захтеве висококвалитетног ласерског заваривања. Тренутно се домаћи ласери и даље суочавају са одређеним потешкоћама у погледу квалитета зрака и стабилности излазне снаге за ласерско заваривање. Из перспективе иностраних ситуација, квалитет снопа и стабилност излазне снаге ласера ​​су већ прилично високи и неће бити проблем у ласерском заваривању. Најзначајнији фактор који утиче на квалитет заваривања у оптичким системима је сочиво за фокусирање, које обично користи жижну даљину између 127 мм (5 ин) и 200 мм (7,9 инча). Мала жижна даљина је корисна за смањење пречника тачке струка фокусираног снопа, али премала може лако довести до контаминације и оштећења прскањем током процеса заваривања.

Што је таласна дужина краћа, то је већа стопа апсорпције; Генерално, материјали са добром проводљивошћу имају високу рефлексивност. За ИАГ ласере, рефлексивност сребра је 96%, алуминијума је 92%, бакра је 90%, а гвожђа је 60%. Што је температура виша, то је већа стопа апсорпције, показујући линеарну везу; Генерално, површински премаз фосфатом, чађом, графитом, итд. може побољшати брзину апсорпције.

2) Стање радног предмета

Ласерско заваривање захтева обраду ивица радног предмета, са високом прецизношћу монтаже, стриктним поравнањем између тачке и шава заваривања, а оригинална тачност монтаже и тачкаст поравнања радног предмета не могу се променити због термичке деформације заваривања током процеса заваривања. То је зато што је ласерска тачка мала, а заварени шав је узак. Генерално, не додаје се додатни метал. Ако склоп није затегнут и размак је превелик, греда може проћи кроз отвор и не може да растопи основни материјал или да изазове очигледно подрезивање или депресију. Ако је одступање између тачке и шава мало велико, може доћи до непотпуног спајања или непотпуног заваривања. Због тога, размак између пристајања и склапања главне плоче и девијације поравнања тачке не би требало да пређе {{0}}.1 мм, а неусклађеност не би требало да прелази 0,2 мм. У стварној производњи, понекад се технологија ласерског заваривања не може користити због немогућности испуњавања ових захтева. Да би се постигли добри резултати заваривања, дозвољени размак за спајање и преклапање треба контролисати унутар 10% дебљине танке плоче.

Успешно ласерско заваривање захтева близак контакт између заварене подлоге. Ово захтева пажљиво затезање делова да би се постигли оптимални резултати. А ово је тешко добро урадити на танким поларним подлогама за уши јер је склоно неусклађености савијања, посебно када је поларно ухо уграђено у велике батеријске модуле или компоненте.

3) Параметри заваривања

1) Најважнији фактор који утиче на параметре заваривања у режиму ласерског заваривања и стабилно формирање вара је густина снаге ласерске тачке. Његов утицај на режим заваривања и стабилност формирања шава је следећи: како се густина снаге ласерске тачке повећава, она постаје стабилна топлотна проводљивост заваривања, нестабилно заваривање и стабилно заваривање са дубоким продором.

Густина снаге ласерске тачке је одређена снагом ласера ​​и положајем фокуса зрака, с обзиром на одређени режим снопа и жижну даљину огледала за фокусирање. Густина снаге ласера ​​је директно пропорционална снази ласера. Утицај фокалне позиције има оптималну вредност; Када је фокус снопа на одређеној позицији испод површине радног предмета (у опсегу од 1-2 мм, у зависности од дебљине плоче и параметара), може се добити најидеалнији заварени шав. Одступање од ове оптималне позиције фокуса ће повећати тачку на површини радног комада, узрокујући смањење густине снаге. У оквиру одређеног опсега, то ће изазвати промену облика процеса заваривања.

Утицај брзине заваривања на форму и стабилност процеса заваривања није толико значајан као утицај снаге ласера ​​и положаја фокуса. Само када је брзина заваривања превелика, долази до немогућности одржавања стабилног процеса заваривања са дубоким продирањем због малог уноса топлоте. Током стварног заваривања, стабилно заваривање са дубоким продирањем или заваривање са стабилном топлотном проводљивошћу треба изабрати на основу захтева шава за дубином продирања, а заваривање у нестабилном режиму треба апсолутно спречити.

(2) У опсегу заваривања са дубоким продором, утицај параметара заваривања на дубину продирања: унутар стабилног опсега заваривања са дубоким продором, што је већа снага ласера, већа је дубина пенетрације, са односом од приближно 0 .7 снага; Што је већа брзина заваривања, дубина продирања је мања. Када је фокус на оптималној позицији под одређеним условима снаге ласера ​​и брзине заваривања, долази до максималне дубине пенетрације. Ако одступи од ове позиције, дубина продирања се смањује и чак постаје нестабилна или стабилна топлотна проводљивост заваривања.

(3) Утицај заштитног гаса, чија је важна употреба да заштити радни предмет од оксидације током процеса заваривања; Заштитите сочиво за фокусирање од загађења металном паром и прскања капљица течности; Распршити плазму генерисану ласерским заваривањем велике снаге; Охладите радни предмет и смањите зону погођену топлотом.

Заштитни гас је обично аргон или хелијум, а азот се такође може користити за оне са ниским захтевима за привидан квалитет. Њихова тенденција да производе плазму је значајно другачија: гас хелијум, због свог високог јонизационог набоја и брзе топлотне проводљивости, има мању тенденцију да производи плазму од гаса аргона под истим условима, чиме се добија већа дубина топљења. Унутар одређеног опсега, како се повећава брзина протока заштитног гаса, повећава се тенденција потискивања плазме, што резултира повећањем дубине топљења. Међутим, када достигне одређени опсег, тежи да се стабилизује.

(4) Анализа праћења сваког параметра: Међу четири параметра заваривања, брзину заваривања и проток заштитног гаса је лако пратити и одржавати стабилност, док су снага ласера ​​и позиција фокуса параметри који могу флуктуирати током процеса заваривања и тешко их је пратити . Иако излазна снага ласера ​​​​има високу стабилност и лако се прати, снага ласера ​​која стиже до радног предмета ће се променити због губитка система за вођење и фокусирање. Овај губитак је повезан са квалитетом, временом сервиса и загађењем површине оптичког радног комада, што отежава праћење и постаје неизвестан фактор у квалитету заваривања. Положај фокуса снопа је један од параметара заваривања који има значајан утицај на квалитет заваривања и најтеже га је пратити и контролисати. Тренутно, у производњи, неопходно је ослонити се на ручно подешавање и поновљене експерименте процеса да би се одредио одговарајући положај фокусне тачке како би се постигла жељена дубина продирања. Међутим, током процеса заваривања, услед деформације радног предмета, ефекта термичког сочива или вишедимензионалног заваривања просторних кривих, позиција фокуса може да се промени и прекорачи дозвољени опсег.

Што се тиче горње две ситуације, с једне стране, висококвалитетне и стабилне оптичке компоненте треба користити и редовно одржавати како би се спречило загађење и одржала чистоћа; С друге стране, потребно је развити методе праћења и управљања у реалном времену за процесе ласерског заваривања, како би се оптимизовали параметри, пратиле промене у снази ласера ​​и позиције фокуса до обрадака, постигла контрола затворене петље и побољшала поузданост. и стабилност квалитета ласерског заваривања.

На крају, треба напоменути да је ласерско заваривање процес топљења. То значи да ће се две подлоге истопити током процеса ласерског заваривања. Овај процес је брз, тако да је укупан унос топлоте низак. Али пошто је ово процес топљења, могу се формирати крхка интерметална једињења високе отпорности приликом заваривања различитих материјала. Комбинација алуминијума и бакра је посебно склона формирању интерметалних једињења. Показало се да ова једињења имају негативне ефекте на краткорочна електрична и дугорочна механичка својства спојева микроелектронских уређаја. Утицај ових интерметалних једињења на дугорочне перформансе литијум-јонских батерија је још увек неизвестан.