مقدمه ای بر روش ها و فرآیندهای جوشکاری برای باتری های لیتیوم یونی

انتخاب معقول روش‌ها و فرآیندهای جوشکاری در فرآیند تولید باتری‌های لیتیومی برقی به طور مستقیم بر هزینه، کیفیت، ایمنی و قوام باتری تأثیر می‌گذارد. در مرحله بعد، بیایید مطالب مربوط به جوشکاری باتری های لیتیومی را سازماندهی کنیم.

1. اصول جوشکاری لیزری

جوشکاری لیزر از جهت گیری عالی و چگالی توان بالای پرتوهای لیزر برای کار استفاده می کند. از طریق یک سیستم نوری، پرتو لیزر بر روی یک منطقه بسیار کوچک متمرکز می‌شود و در مدت زمان بسیار کوتاهی یک ناحیه منبع حرارتی بسیار متمرکز را در محل اتصال جوش داده شده تشکیل می‌دهد، در نتیجه جسم جوش داده شده را ذوب می‌کند و یک اتصال لحیم کاری جامد و درز جوش را تشکیل می‌دهد.

2. نوع جوش لیزری

جوشکاری هدایت حرارتی و جوشکاری با نفوذ عمیق

جوشکاری رسانش حرارتی لیزری با چگالی توان لیزری 105-106w/cm2 و جوشکاری با نفوذ عمیق لیزری با چگالی توان لیزری 105-106w/cm2 تشکیل می‌شود.

جوش نفوذی و جوشکاری درز

جوشکاری نفوذی، قطعات اتصال نیازی به پانچ ندارد و پردازش نسبتاً ساده است. جوشکاری نفوذی به دستگاه جوش لیزری با قدرت بالا نیاز دارد. عمق نفوذ جوشکاری نفوذی کمتر از جوشکاری درز است و قابلیت اطمینان آن نسبتاً ضعیف است.

در مقایسه با جوشکاری نفوذی، جوشکاری درز فقط به دستگاه جوش لیزری با قدرت کمتر نیاز دارد. عمق نفوذ جوشکاری درز بالاتر از جوشکاری نفوذی است و قابلیت اطمینان آن نسبتاً خوب است. اما قطعه اتصال باید پانچ شود و پردازش را نسبتاً دشوار می کند.

نمونه های جوشکاری لیزر پالسی

جوشکاری لیزری مداوم نمونه ها

در جوشکاری باتری‌های لیتیومی قدرت، تکنسین‌های فرآیند جوشکاری، لیزر و پارامترهای فرآیند جوشکاری مناسب را بر اساس مواد باتری، شکل، ضخامت، نیازهای کششی و غیره از جمله سرعت جوش، شکل موج، مقدار پیک و زاویه شیب باتری انتخاب می‌کنند. سر جوش، برای تنظیم پارامترهای فرآیند جوشکاری معقول برای اطمینان از اینکه اثر جوش نهایی مطابق با الزامات سازنده باتری لیتیومی قدرت است.

انرژی متمرکز، راندمان جوشکاری بالا، دقت پردازش بالا و نسبت عمق جوش به عرض زیاد. فوکوس، تراز و هدایت پرتو لیزر توسط ابزارهای نوری آسان است. می توان آن را در فاصله مناسبی از قطعه کار قرار داد و بین وسایل یا موانع اطراف قطعه کار هدایت کرد. سایر روش های جوشکاری به دلیل محدودیت های مکانی فوق الذکر نمی توانند به طور کامل مورد استفاده قرار گیرند.

گرمای ورودی کوچک، ناحیه تحت تاثیر حرارت کوچک و تنش باقیمانده و تغییر شکل قطعه کار. انرژی جوش را می توان دقیقاً کنترل کرد، اثر جوش پایدار است، و ظاهر جوش خوب است.

جوش غیر تماسی، انتقال فیبر نوری، دسترسی خوب و درجه بالایی از اتوماسیون. هنگام جوشکاری سیم نازک یا ریز، مانند جوش قوس الکتریکی مشکلی از جریان مجدد وجود ندارد. سلول های باتری مورد استفاده برای برق باتری های لیتیومی، به دلیل اصل سبک وزن، معمولاً از مواد آلومینیومی سبک تر و نازک تر ساخته می شوند. به طور کلی، پوسته، پوشش و پایین باید کمتر از 1.0 میلی‌متر باشد و تولیدکنندگان اصلی در حال حاضر ضخامت مواد اولیه حدود 0.8 میلی‌متر دارند.

مشکلات در فرآیند جوشکاری لیزری

در حال حاضر، پوسته باتری آلیاژ آلومینیوم بیش از 90 درصد کل باتری لیتیومی را تشکیل می دهد. سختی جوشکاری آن در بازتاب بسیار بالای آلیاژ آلومینیوم به لیزر، حساسیت بالای منافذ گاز در حین فرآیند جوشکاری و بروز اجتناب ناپذیر برخی مشکلات و عیوب در حین جوشکاری است که از جمله مهمترین آنها می توان به منافذ گاز، ترک های داغ و ... و انفجار

در طی فرآیند جوشکاری لیزری آلیاژ آلومینیوم، دو نوع مهم از منافذ مستعد ایجاد می‌شوند: منافذ هیدروژن و منافذ ناشی از ترکیدن حباب‌ها. با توجه به سرعت سرد شدن سریع جوش لیزری، مشکل منافذ هیدروژن جدی‌تر است و همچنین یک نوع سوراخ اضافی ناشی از فروریختن سوراخ‌های کوچک در جوش لیزری وجود دارد.

مشکل هات کرک آلیاژ آلومینیوم یک آلیاژ معمولی از نوع یوتکتیک است که در حین جوشکاری مستعد ترک خوردگی داغ از جمله ترک های کریستالیزاسیون جوش و ترک های مایع سازی HAZ است. به دلیل تفکیک اجزا در ناحیه جوش، جداسازی یوتکتیک رخ می دهد و ذوب مرز دانه رخ می دهد. در شرایط تنش، ترک‌های روان‌گرایی در مرز دانه‌ها ایجاد می‌شوند و عملکرد اتصال جوش داده شده را کاهش می‌دهند.

مشکل انفجار (همچنین به عنوان پاشش شناخته می شود). عوامل زیادی می توانند باعث انفجار شوند، مانند تمیزی مواد، خلوص خود مواد و ویژگی های خود مواد. استفاده تعیین کننده، پایداری لیزر است. برآمدگی های سطحی، منافذ و حباب های داخلی روی پوسته. دلیل اصلی این است که قطر هسته فیبر خیلی کوچک است یا انرژی لیزر بسیار زیاد است. اینطور نیست که برخی از تامین کنندگان تجهیزات لیزر ادعا کنند که هر چه کیفیت پرتو بهتر باشد، اثر جوشکاری بهتر است. کیفیت پرتو خوب برای جوشکاری پوششی با عمق نفوذ بیشتر مناسب است. یافتن پارامترهای فرآیند مناسب کلید حل مشکلات است.

مشکلات دیگر

جوش قطبی بسته نرم نیاز به اتصالات جوشکاری بالایی دارد و گوش قطب باید محکم فشار داده شود تا از فاصله جوش اطمینان حاصل شود. این می تواند به جوشکاری با سرعت بالا در مسیرهای پیچیده مانند S شکل و مارپیچ شکل دست یابد، سطح اتصال جوش را افزایش داده و استحکام جوش را تقویت کند.

جوشکاری سلول های باتری استوانه ای برای جوشکاری الکترود مثبت مهم است. به دلیل پوسته نازک الکترود منفی، جوش دادن آن بسیار آسان است. در حال حاضر، برخی از تولیدکنندگان از فرآیند جوشکاری بدون الکترود منفی استفاده می کنند، در حالی که الکترود مثبت از جوشکاری لیزری استفاده می کند.

هنگام جوشکاری ترکیب باتری مربعی، قطب یا قطعه اتصال آلوده و ضخیم است. هنگام جوشکاری قطعه اتصال، آلاینده ها تجزیه می شوند، که می تواند به راحتی نقاط انفجار جوش را تشکیل دهد و باعث ایجاد سوراخ شود. باتری‌هایی با قطب‌های نازک و اجزای ساختاری پلاستیکی یا سرامیکی در زیر آن‌ها مستعد جوش‌کاری هستند. هنگامی که قطب کوچک است، جوشکاری به راحتی منحرف می شود و باعث آسیب پلاستیک می شود و نقاط انفجاری ایجاد می کند. از اتصال دهنده های چند لایه استفاده نکنید زیرا منافذ بین لایه ها وجود دارد که لحیم کاری محکم را دشوار می کند.

مهمترین فرآیند در فرآیند جوش باطری های مربعی، بسته بندی پوشش پوسته است که با توجه به موقعیت های مختلف به جوشکاری پوشش بالا و پوشش پایین تقسیم می شود. برخی از تولیدکنندگان باتری به دلیل حجم کم باتری هایی که تولید می کنند، از فناوری کشش عمیق برای تولید کیس های باتری استفاده می کنند که فقط نیاز به جوشکاری پوشش بالایی دارد.

نمونه جوش جانبی باتری لیتیوم مربعی

روش های جوش برای باتری های مربعی عمدتاً به جوش جانبی و جوش بالا تقسیم می شوند. مزیت مهم جوش جانبی این است که تاثیر کمتری بر روی داخلی سلول باتری دارد و پاشش به راحتی وارد قسمت داخلی پوشش پوسته نمی شود. به دلیل احتمال برجستگی بعد از جوشکاری که ممکن است تاثیر جزئی بر روند مونتاژ بعدی داشته باشد، فرآیند جوش جانبی مستلزم پایداری فوق العاده بالای لیزر و تمیزی مواد است. فرآیند جوشکاری بالا، به دلیل جوشکاری روی یک سطح، نیازهای نسبتاً کمی برای یکپارچه سازی تجهیزات جوشکاری و تولید انبوه ساده دارد. با این حال، دو نقطه ضعف نیز وجود دارد. اولاً، ممکن است مقدار کمی پاشش وارد سلول باتری در حین جوشکاری شود، و ثانیاً، نیازهای پردازشی بالا برای بخش جلویی پوسته می‌تواند منجر به مشکلات هزینه شود.

5. عوامل موثر بر کیفیت جوش

جوشکاری لیزری در حال حاضر یک روش مهم است که برای جوشکاری باتری های پیشرفته بسیار توصیه می شود. جوشکاری لیزری فرآیند تابش لیزر پرانرژی بر روی قطعه کار است که باعث افزایش شدید دمای کار، ذوب شدن و اتصال مجدد قطعه کار برای ایجاد یک اتصال دائمی می شود. جوش لیزری استحکام برشی و مقاومت پارگی خوبی دارد. معیارهای ارزیابی کیفیت برای جوشکاری باتری عبارتند از رسانایی، استحکام، هوابندی، خستگی فلز و مقاومت در برابر خوردگی.

عوامل زیادی بر کیفیت جوشکاری لیزر تاثیر می گذارد. برخی از آنها بسیار فرار هستند و ناپایداری قابل توجهی دارند. نحوه تنظیم و کنترل صحیح این پارامترها به گونه ای که بتوان آنها را در یک محدوده مناسب در طی فرآیند جوشکاری لیزری با سرعت بالا و مداوم کنترل کرد تا از کیفیت جوش اطمینان حاصل شود. قابلیت اطمینان و پایداری تشکیل جوش از مسائل مهم مرتبط با کاربردی بودن و صنعتی شدن فناوری جوش لیزری است. عوامل مهم موثر بر کیفیت جوش لیزری شامل تجهیزات جوش، وضعیت قطعه کار و پارامترهای فرآیند می باشد.

1) تجهیزات جوشکاری

مهمترین الزامات کیفیت برای لیزرها حالت پرتو، توان خروجی و پایداری است. حالت پرتو یک شاخص مهم برای کیفیت پرتو است. هرچه ترتیب حالت پرتو کمتر باشد، عملکرد فوکوس پرتو بهتر است، نقطه کوچکتر، چگالی توان تحت همان توان لیزر و عمق و عرض درز جوش بیشتر می شود. به طور کلی، حالت پایه (TEM00) یا حالت مرتبه پایین‌تر مورد نیاز است، در غیر این صورت برآوردن الزامات جوش لیزری با کیفیت بالا دشوار است. در حال حاضر، لیزرهای خانگی هنوز با مشکلات خاصی از نظر کیفیت پرتو و پایداری توان خروجی برای جوشکاری لیزر مواجه هستند. از منظر شرایط خارجی، کیفیت پرتو و پایداری توان خروجی لیزرها در حال حاضر بسیار بالا است و در جوشکاری لیزر مشکلی ایجاد نخواهد کرد. مهمترین عامل موثر بر کیفیت جوش در سیستم های نوری، لنز فوکوس است که معمولاً از فاصله کانونی بین 127 میلی متر (5 اینچ) تا 200 میلی متر (7.9 اینچ) استفاده می کند. فاصله کانونی کوچک برای کاهش قطر لکه کمر پرتو متمرکز مفید است، اما کوچک بودن بیش از حد می تواند به راحتی منجر به آلودگی و آسیب پاشش در طول فرآیند جوشکاری شود.

هر چه طول موج کوتاهتر باشد، میزان جذب بالاتر است. به طور کلی، مواد با رسانایی خوب بازتاب بالایی دارند. برای لیزرهای YAG، بازتاب نقره 96٪، آلومینیوم 92٪، مس 90٪ و آهن 60٪ است. هر چه دما بالاتر باشد، نرخ جذب بالاتر است، که نشان دهنده یک رابطه خطی است. به طور کلی، پوشش سطح با فسفات، کربن سیاه، گرافیت و غیره می تواند سرعت جذب را بهبود بخشد.

2) وضعیت قطعه کار

جوشکاری لیزری نیاز به پردازش لبه های قطعه کار، با دقت مونتاژ بالا، تراز دقیق بین نقطه و درز جوش دارد و دقت مونتاژ اصلی و تراز نقطه ای قطعه کار به دلیل تغییر شکل حرارتی جوشکاری در طول فرآیند جوشکاری نمی تواند تغییر کند. این به این دلیل است که نقطه لیزر کوچک است و درز جوش باریک است. به طور کلی، هیچ فلز پرکننده اضافه نمی شود. اگر مجموعه سفت نباشد و شکاف بیش از حد بزرگ باشد، پرتو می تواند از شکاف عبور کند و نتواند مواد پایه را ذوب کند یا باعث ایجاد زیر برش یا فرورفتگی آشکار شود. اگر انحراف بین نقطه و درز کمی زیاد باشد، ممکن است باعث جوش ناقص یا جوشکاری ناقص شود. بنابراین، فاصله بین داک و مونتاژ تخته عمومی و انحراف تراز نقطه ای نباید از {0}}.1 میلی متر تجاوز کند و عدم تراز نباید از 0.2 میلی متر تجاوز کند. در تولید واقعی، گاهی اوقات به دلیل ناتوانی در برآوردن این الزامات، نمی توان از فناوری جوش لیزری استفاده کرد. برای دستیابی به نتایج خوب جوشکاری، شکاف مجاز برای اتصال و همپوشانی باید در 10% ضخامت صفحه نازک کنترل شود.

جوشکاری لیزری موفقیت آمیز نیاز به تماس نزدیک بین بستر جوش داده شده دارد. این امر مستلزم سفت کردن دقیق قطعات برای دستیابی به نتایج مطلوب است. و انجام این کار روی زیرلایه های نازک گوش قطبی دشوار است، زیرا مستعد انحراف خمشی است، به خصوص زمانی که گوش قطبی در ماژول ها یا قطعات باتری بزرگ تعبیه شده باشد.

3) پارامترهای جوشکاری

1) مهمترین عامل موثر بر پارامترهای جوش حالت جوش لیزری و تشکیل جوش پایدار، چگالی توان نقطه لیزر است. تأثیر آن بر حالت جوشکاری و پایداری تشکیل جوش به شرح زیر است: با افزایش چگالی توان نقطه لیزر، جوشکاری هدایت حرارتی پایدار، جوشکاری ناپایدار حالت، و جوشکاری با نفوذ عمیق پایدار می شود.

چگالی توان نقطه لیزر با توجه به حالت پرتو مشخص و فاصله کانونی آینه فوکوس با توان لیزر و موقعیت فوکوس پرتو تعیین می شود. چگالی توان لیزر نسبت مستقیمی با توان لیزر دارد. تأثیر موقعیت کانونی دارای مقدار بهینه است. هنگامی که تمرکز تیر در یک موقعیت خاص در زیر سطح قطعه کار باشد (در محدوده 1-2 میلی متر، بسته به ضخامت صفحه و پارامترها)، می توان ایده آل ترین درز جوش را به دست آورد. انحراف از این موقعیت فوکوس بهینه، لکه سطح قطعه کار را افزایش می دهد و باعث کاهش چگالی توان می شود. در محدوده معینی باعث تغییر شکل فرآیند جوشکاری می شود.

تاثیر سرعت جوش بر شکل و پایداری فرآیند جوشکاری به اندازه قدرت لیزر و موقعیت فوکوس قابل توجه نیست. تنها زمانی که سرعت جوشکاری بیش از حد بالا باشد، ناتوانی در حفظ فرآیند جوشکاری با نفوذ عمیق پایدار به دلیل حرارت ورودی کم رخ می دهد. در طول جوشکاری واقعی، جوشکاری با نفوذ عمیق پایدار یا جوشکاری هدایت حرارتی پایدار باید بر اساس الزامات جوش برای عمق نفوذ انتخاب شود و از جوشکاری در حالت ناپایدار باید به طور مطلق جلوگیری شود.

(2) در محدوده جوشکاری با نفوذ عمیق، تأثیر پارامترهای جوش بر عمق نفوذ: در محدوده جوشکاری با نفوذ عمیق پایدار، هرچه توان لیزر بیشتر باشد، عمق نفوذ بیشتر است، با رابطه تقریباً 0 .7 قدرت; هر چه سرعت جوش بیشتر باشد، عمق نفوذ کمتر می شود. هنگامی که فوکوس در موقعیت بهینه تحت شرایط خاص قدرت لیزر و سرعت جوش قرار می گیرد، حداکثر عمق نفوذ رخ می دهد. اگر از این موقعیت منحرف شود، عمق نفوذ کاهش می یابد و حتی جوشکاری هدایت حرارتی ناپایدار یا پایدار می شود.

(3) تاثیر گاز محافظ که کاربرد مهم آن محافظت از قطعه کار در برابر اکسیداسیون در طول فرآیند جوشکاری است. لنز فوکوس را از آلودگی بخار فلز و پاشیدن قطرات مایع محافظت کنید. پلاسمای تولید شده توسط جوش لیزری پرقدرت را پراکنده کنید. قطعه کار را خنک کنید و ناحیه تحت تأثیر حرارت را کاهش دهید.

گاز محافظ معمولاً آرگون یا هلیوم است و نیتروژن همچنین می تواند برای کسانی که نیازهای کمی برای کیفیت ظاهری دارند استفاده شود. تمایل آنها به تولید پلاسما به طور قابل توجهی متفاوت است: گاز هلیوم، به دلیل بار یونیزاسیون بالا و هدایت حرارتی سریع، تمایل کمتری به تولید پلاسما نسبت به گاز آرگون در شرایط یکسان دارد، بنابراین عمق ذوب بیشتری به دست می‌آید. در محدوده معینی، با افزایش سرعت جریان گاز محافظ، تمایل به سرکوب پلاسما افزایش می یابد و در نتیجه عمق ذوب افزایش می یابد. با این حال، زمانی که به محدوده خاصی می رسد، تمایل به تثبیت دارد.

(4) تجزیه و تحلیل نظارت بر هر پارامتر: در میان چهار پارامتر جوشکاری، سرعت جوش و سرعت جریان گاز محافظ به راحتی قابل نظارت و حفظ ثبات هستند، در حالی که توان لیزر و موقعیت فوکوس پارامترهایی هستند که ممکن است در طول فرآیند جوشکاری نوسان داشته باشند و نظارت بر آن دشوار است. . اگرچه توان لیزر خروجی از لیزر پایداری بالایی دارد و به راحتی قابل نظارت است، توان لیزری که به قطعه کار می رسد به دلیل از بین رفتن سیستم های هدایت و فوکوس تغییر می کند. این تلفات به کیفیت، زمان سرویس و آلودگی سطح قطعه کار نوری مربوط می شود و نظارت بر آن را دشوار می کند و به یک عامل نامشخص در کیفیت جوش تبدیل می شود. موقعیت فوکوس تیر یکی از پارامترهای جوشکاری است که تاثیر بسزایی بر کیفیت جوش دارد و نظارت و کنترل آن سخت ترین است. در حال حاضر، در تولید، برای دستیابی به عمق نفوذ مورد نظر، لازم است برای تعیین موقعیت نقطه کانونی مناسب، بر تنظیم دستی و آزمایش های مکرر فرآیند تکیه کرد. با این حال، در طول فرآیند جوشکاری، به دلیل تغییر شکل قطعه کار، اثر لنز حرارتی، یا جوش چند بعدی منحنی های فضایی، موقعیت فوکوس ممکن است تغییر کند و از محدوده مجاز فراتر رود.

با توجه به دو حالت فوق، از یک سو، برای جلوگیری از آلودگی و حفظ نظافت باید از قطعات نوری با کیفیت و پایدار استفاده و به طور مرتب نگهداری شود. از سوی دیگر، به منظور بهینه سازی پارامترها، نظارت بر تغییرات توان لیزر و موقعیت فوکوس رسیدن به قطعه کار، دستیابی به کنترل حلقه بسته و بهبود قابلیت اطمینان، نیاز به توسعه روش های نظارت و کنترل بلادرنگ برای فرآیندهای جوشکاری لیزری است. و ثبات کیفیت جوش لیزری.

در نهایت باید توجه داشت که جوشکاری لیزری یک فرآیند ذوب است. این بدان معنی است که دو بستر در طول فرآیند جوشکاری لیزر ذوب می شوند. این فرآیند سریع است، بنابراین گرمای ورودی کلی کم است. اما از آنجایی که این یک فرآیند ذوب است، ترکیبات بین فلزی با مقاومت بالا ممکن است هنگام جوشکاری مواد مختلف تشکیل شوند. ترکیب مس آلومینیوم به ویژه مستعد تشکیل ترکیبات بین فلزی است. نشان داده شده است که این ترکیبات اثرات منفی بر خواص الکتریکی کوتاه مدت و بلند مدت مکانیکی اتصالات دستگاه میکروالکترونیک دارند. تأثیر این ترکیبات بین فلزی بر عملکرد طولانی مدت باتری‌های لیتیوم یون هنوز نامشخص است.