Introduksjon til sveisemetoder og prosesser for kraftlitium-ion-batterier

Det rimelige utvalget av sveisemetoder og prosesser i produksjonsprosessen for kraftlitiumbatterier vil direkte påvirke kostnadene, kvaliteten, sikkerheten og konsistensen til batteriet. La oss deretter organisere innholdet på sveising av kraftlitiumbatterier.

1. Prinsipper for lasersveising

Lasersveising utnytter den utmerkede retningsevnen og høye effekttettheten til laserstråler for å fungere. Gjennom et optisk system fokuseres laserstrålen på et veldig lite område, og danner et svært konsentrert varmekildeområde ved sveiseskjøten på svært kort tid, og smelter derved det sveisede objektet og danner en solid loddeskjøt og sveisesøm.

2. Lasersveisingstype

Varmeledningssveising og dyp penetrasjonssveising

Laservarmeledningssveising dannes med en lasereffekttetthet på 105-106w/cm2, og lasersveising med dyp penetrering dannes med en lasereffekttetthet på 105-106w/cm2

Penetrasjonssveising og sømsveising

Penetrasjonssveising, koblingsstykker krever ikke stansing, og behandlingen er relativt enkel. Penetrasjonssveising krever en lasersveisemaskin med høy effekt. Inntrengningsdybden ved inntrengningssveising er lavere enn for sømsveising, og dens pålitelighet er relativt dårlig.

Sammenlignet med penetrasjonssveising krever sømsveising bare en lasersveisemaskin med mindre kraft. Inntrengningsdybden ved sømsveising er høyere enn for penetrasjonssveising, og dens pålitelighet er relativt god. Men koblingsstykket må stanses, noe som gjør behandlingen relativt vanskelig.

Puls laser sveiseprøver

Kontinuerlig lasersveising av prøver

Ved sveising av kraftlitiumbatterier vil sveiseprosessteknikere velge passende laser- og sveiseprosessparametere basert på kundens batterimateriale, form, tykkelse, krav til strekk, etc., inkludert sveisehastighet, bølgeform, toppverdi og tiltvinkel til enheten. sveisehode, for å angi rimelige sveiseprosessparametere for å sikre at den endelige sveiseeffekten oppfyller kravene til kraftlitiumbatteriprodusenten.

Konsentrert energi, høy sveiseeffektivitet, høy prosesseringsnøyaktighet og stort forhold mellom sveisedybde og bredde. Laserstrålen er enkel å fokusere, justere og styres av optiske instrumenter. Den kan plasseres i passende avstand fra arbeidsstykket og kan føres mellom fikstur eller hindringer rundt arbeidsstykket. Andre sveisemetoder kan ikke utnyttes fullt ut på grunn av de nevnte romlige begrensninger.

Liten varmetilførsel, liten varmepåvirket sone og liten gjenværende spenning og deformasjon av arbeidsstykket; Sveiseenergi kan kontrolleres nøyaktig, sveiseeffekten er stabil, og sveiseutseendet er bra;

Berøringsfri sveising, fiberoptisk transmisjon, god tilgjengelighet og høy grad av automatisering. Ved sveising av tynn eller fin tråd er det ikke noe problem med reflow som buesveising. Battericellene som brukes til kraftlitiumbatterier, er på grunn av deres lettvektsprinsipp vanligvis laget av lettere aluminiumsmateriale og tynnere. Vanligvis må skallet, dekselet og bunnen være under 1,0mm, og vanlige produsenter har for tiden en grunnleggende materialtykkelse på rundt 0,8 mm.

Vanskeligheter i lasersveiseprosessen

For tiden utgjør batteriskall av aluminiumslegering mer enn 90% av hele kraftlitiumbatteriet. Vanskeligheten med sveisingen ligger i den ekstremt høye reflektiviteten av aluminiumslegering til laser, høy følsomhet av gassporene under sveiseprosessen, og uunngåelig forekomst av noen problemer og defekter under sveising, blant dem de viktigste er gassporer, varme sprekker, og eksplosjon.

Under lasersveiseprosessen av aluminiumslegering er det to viktige typer porer som er tilbøyelige til å oppstå: hydrogenporer og porer forårsaket av sprengning av bobler. På grunn av den raske avkjølingshastigheten til lasersveising er problemet med hydrogenporer mer alvorlig, og det er også en ekstra type hull forårsaket av kollaps av små hull i lasersveising.

Hot crack problem. Aluminiumslegering er en typisk eutektisk type legering som er utsatt for varmesprekker under sveising, inkludert sveisekrystalliseringssprekker og HAZ-væskedannelsessprekker. På grunn av komponentsegregering i sveisesonen oppstår eutektisk segregering og korngrensesmelting. Under stressforhold dannes det flytende sprekker ved korngrensene, noe som reduserer ytelsen til sveiseskjøten.

Eksplosjonsproblem (også kjent som sprut). Det er mange faktorer som kan forårsake eksplosjoner, som renheten til materialet, renheten til selve materialet og egenskapene til selve materialet. Den avgjørende bruken er stabiliteten til laseren. Overflatefremspring, porer og interne bobler på skallet. Hovedårsaken er at fiberkjernediameteren er for liten eller laserenergien er satt for høyt. Det er ikke slik at noen leverandører av laserutstyr hevder at jo bedre strålekvalitet, jo bedre sveiseeffekt. God bjelkekvalitet egner seg for overleggssveising med større penetrasjonsdybde. Å finne passende prosessparametere er nøkkelen til å løse problemer.

Andre vanskeligheter

Sveising av stangøre med myk pakke krever høye krav til sveisearmatur, og stangøret må trykkes fast for å sikre sveiseklaring. Den kan oppnå høyhastighetssveising av komplekse baner som S-formet og spiralformet, øker sveisens skjøteareal og styrker sveisestyrken.

Sveising av sylindriske battericeller er viktig for sveising av den positive elektroden. På grunn av det tynne skallet til den negative elektroden er den ekstremt enkel å sveise gjennom. For tiden bruker noen produsenter den negative elektrodesveisefrie prosessen, mens den positive elektroden bruker lasersveising.

Ved sveising av firkantede batterikombinasjoner er polen eller koblingsstykket forurenset og tykt. Ved sveising av forbindelsesstykket brytes forurensningene ned, noe som lett kan danne sveiseeksplosjonspunkter og forårsake hull; Batterier med tynne poler og plast- eller keramiske strukturelle komponenter under er utsatt for gjennomsveising. Når stangen er liten, er det også lett for sveisingen å avvike og forårsake plastiske skader, og danner eksplosive punkter. Ikke bruk flerlags koblinger da det er porer mellom lagene, noe som gjør det vanskelig å lodde fast.

Den viktigste prosessen i sveiseprosessen av firkantede batterier er innpakningen av skalldekselet, som er delt inn i toppdeksel og bunndeksel sveising i henhold til forskjellige posisjoner. Noen batteriprodusenter bruker dyptrekkingsteknologi for å produsere batterikasser på grunn av det lille volumet på batteriene de produserer, som kun krever sveising av toppdekselet.

Sveiseprøve på siden av firkantet kraftlitiumbatteri

Sveisemetodene for firkantbatterier er hovedsakelig delt inn i sidesveising og toppsveising. Den viktige fordelen med sidesveising er at den har mindre innvirkning på det indre av battericellen, og sprut vil ikke lett komme inn på innsiden av skalldekselet. På grunn av muligheten for fremspring etter sveising, som kan ha en liten innvirkning på den etterfølgende monteringsprosessen, krever sidesveiseprosessen ekstremt høy stabilitet av laseren og renslighet av materialet. Toppsveiseprosessen, på grunn av sveising på en overflate, har relativt lave krav til sveiseutstyrsintegrasjon og enkel masseproduksjon. Det er imidlertid også to ulemper. For det første kan det være en liten mengde sprut som kommer inn i battericellen under sveising, og for det andre kan høye behandlingskrav for den fremre delen av skallet føre til kostnadsproblemer.

5. Faktorer som påvirker sveisekvaliteten

Lasersveising er for tiden en viktig metode som anbefales for avansert batterisveising. Lasersveising er prosessen med høyenergilaserbestråling på et arbeidsstykke, noe som forårsaker en kraftig økning i arbeidstemperaturen, smelter og kobler til arbeidsstykket igjen for å danne en permanent forbindelse. Lasersveising har god skjærstyrke og rivemotstand. Kvalitetsevalueringskriteriene for batterisveising inkluderer ledningsevne, styrke, lufttetthet, metalltretthet og korrosjonsmotstand.

Det er mange faktorer som påvirker kvaliteten på lasersveising. Noen av dem er svært flyktige og har betydelig ustabilitet. Hvordan stille inn og kontrollere disse parameterne riktig, slik at de kan kontrolleres innenfor et passende område under høyhastighets og kontinuerlig lasersveiseprosess, for å sikre sveisekvaliteten. Påliteligheten og stabiliteten til sveisedannelse er viktige spørsmål knyttet til praktisk og industrialisering av lasersveiseteknologi. De viktige faktorene som påvirker kvaliteten på lasersveising inkluderer sveiseutstyr, arbeidsstykkets tilstand og prosessparametere.

1) Sveiseutstyr

De viktigste kvalitetskravene til lasere er strålemodus, utgangseffekt og stabilitet. Strålemodusen er en viktig indikator på strålekvaliteten. Jo lavere rekkefølgen på strålemodusen er, desto bedre blir strålefokuseringsytelsen, jo mindre punktet, desto høyere effekttetthet under samme lasereffekt, og jo større er dybden og bredden på sveisesømmen. Vanligvis kreves en basismodus (TEM00) eller lavere ordensmodus, ellers er det vanskelig å oppfylle kravene til lasersveising av høy kvalitet. For tiden møter innenlandske lasere fortsatt visse vanskeligheter når det gjelder strålekvalitet og utgangsstabilitet for lasersveising. Fra perspektivet til fremmede situasjoner er strålekvaliteten og utgangseffektstabiliteten til lasere allerede ganske høye og vil ikke bli et problem ved lasersveising. Den viktigste faktoren som påvirker sveisekvaliteten i optiske systemer er fokuseringslinsen, som vanligvis bruker en brennvidde mellom 127 mm (5 tommer) og 200 mm (7,9 tommer). En liten brennvidde er gunstig for å redusere midjepunktdiameteren til den fokuserte strålen, men å være for liten kan lett føre til forurensning og sprutskader under sveiseprosessen.

Jo kortere bølgelengden er, desto høyere er absorpsjonshastigheten; Generelt har materialer med god ledningsevne høy reflektivitet. For YAG-lasere er reflektiviteten til sølv 96 %, aluminium er 92 %, kobber er 90 %, og jern er 60 %. Jo høyere temperatur, desto høyere absorpsjonshastighet, noe som viser en lineær sammenheng; Generelt kan overflatebelegg med fosfat, kjønrøk, grafitt, etc. forbedre absorpsjonshastigheten.

2) Arbeidsstykkets tilstand

Lasersveising krever behandling av kantene på arbeidsstykket, med høy monteringsnøyaktighet, streng justering mellom punktet og sveisesømmen, og den opprinnelige monteringsnøyaktigheten og punktjusteringen av arbeidsstykket kan ikke endres på grunn av sveisetermisk deformasjon under sveiseprosessen. Dette er fordi laserpunktet er lite og sveisesømmen er smal. Vanligvis tilsettes ikke fyllmetall. Hvis sammenstillingen ikke er tett og gapet er for stort, kan bjelken passere gjennom gapet og kan ikke smelte grunnmaterialet, eller forårsake åpenbar underskjæring eller forsenkning. Hvis avviket mellom punktet og sømmen er litt stort, kan det føre til ufullstendig sammensmelting eller ufullstendig sveising. Derfor bør gapet mellom dokking og montering av hovedkortet og avviket til punktjusteringen ikke overstige {{0}}.1 mm, og feiljusteringen bør ikke overstige 0.2 mm. I faktisk produksjon kan noen ganger ikke lasersveiseteknologi brukes på grunn av manglende evne til å oppfylle disse kravene. For å oppnå gode sveiseresultater bør det tillatte gapet for dokking og overlapping kontrolleres innenfor 10 % av tykkelsen på den tynne platen.

Vellykket lasersveising krever nær kontakt mellom det sveisede underlaget. Dette krever nøye stramming av delene for å oppnå optimale resultater. Og dette er vanskelig å gjøre bra på tynne polare øresubstrater fordi det er utsatt for bøyningsfeil, spesielt når det polare øret er innebygd i store batterimoduler eller komponenter.

3) Sveiseparametere

1) Den viktigste faktoren som påvirker sveiseparametrene for lasersveisemodus og stabil sveisedannelse er laserpunktets effekttetthet. Dens innvirkning på sveisemodusen og sveiseformasjonsstabiliteten er som følger: ettersom effekttettheten til laserpunktet øker, blir det stabil varmeledningsevnesveising, modusustabil sveising og stabil dyppenetrasjonssveising.

Effekttettheten til laserpunktet bestemmes av laserkraften og posisjonen til strålefokuset, gitt en viss strålemodus og brennvidde til fokusspeilet. Laserkrafttettheten er direkte proporsjonal med lasereffekten. Påvirkning av fokusposisjon har en optimal verdi; Når strålens fokus er i en bestemt posisjon under overflaten av arbeidsstykket (innenfor området 1-2mm, avhengig av platetykkelsen og parameterne), kan den mest ideelle sveisesømmen oppnås. Avvik fra denne optimale fokusposisjonen vil øke overflatepunktet på arbeidsstykket, noe som forårsaker en reduksjon i effekttetthet. Innenfor et visst område vil det føre til en endring i form av sveiseprosessen.

Påvirkningen av sveisehastighet på formen og stabiliteten til sveiseprosessen er ikke like stor som laserkraft og fokusposisjon. Bare når sveisehastigheten er for høy, oppstår manglende evne til å opprettholde en stabil dyppenetrasjonssveiseprosess på grunn av lav varmetilførsel. Under faktisk sveising bør stabil dyppenetrasjonssveising eller stabil termisk ledningsevnesveising velges basert på sveisens krav til penetreringsdybde, og ustabil modussveising bør absolutt forhindres.

(2) Innenfor området dyppenetreringssveising, innflytelsen av sveiseparametere på penetreringsdybden: innenfor et stabilt dyppenetrasjonssveisingsområde, jo høyere lasereffekt, desto større penetrasjonsdybde, med et forhold på omtrent 0 .7 kraft; Jo høyere sveisehastighet, desto grunnere inntrengningsdybde. Når fokuset er i den optimale posisjonen under visse laserkraft- og sveisehastighetsforhold, oppstår den maksimale penetrasjonsdybden. Hvis den avviker fra denne posisjonen, reduseres penetrasjonsdybden og blir til og med ustabil eller stabil varmeledningsevne sveising.

(3) Påvirkningen av beskyttende gass, hvis viktige bruk er å beskytte arbeidsstykket mot oksidasjon under sveiseprosessen; Beskytt fokuslinsen mot metalldampforurensning og sprut av væskedråper; Disperger plasmaet som genereres ved lasersveising med høy effekt; Avkjøl arbeidsstykket og reduser den varmepåvirkede sonen.

Beskyttelsesgassen er vanligvis argon eller helium, og nitrogen kan også brukes for de med lave krav til tilsynelatende kvalitet. Deres tendens til å produsere plasma er vesentlig forskjellig: Heliumgass har på grunn av sin høye ioniseringsladning og raske varmeledningsevne en mindre tendens til å produsere plasma enn argongass under de samme forholdene, og oppnår dermed en større smeltedybde. Innen et visst område, når strømningshastigheten til beskyttende gass øker, øker tendensen til å undertrykke plasma, noe som resulterer i en økning i smeltedybden. Men når den når et visst område, har den en tendens til å stabilisere seg.

(4) Overvåkingsanalyse av hver parameter: Blant de fire sveiseparametrene er sveisehastighet og dekkgassstrømningshastighet enkle å overvåke og opprettholde stabilitet, mens laserkraft og fokusposisjon er parametere som kan svinge under sveiseprosessen og er vanskelige å overvåke . Selv om lasereffekten fra laseren har høy stabilitet og er enkel å overvåke, vil laserkraften som når arbeidsstykket endres på grunn av tap av styre- og fokuseringssystemer. Dette tapet er relatert til kvaliteten, servicetiden og overflateforurensningene til det optiske arbeidsstykket, noe som gjør det vanskelig å overvåke og blir en usikker faktor i sveisekvaliteten. Fokusposisjonen til strålen er en av sveiseparametrene som har en betydelig innvirkning på sveisekvaliteten og er den vanskeligste å overvåke og kontrollere. For tiden, i produksjon, er det nødvendig å stole på manuell justering og gjentatte prosesseksperimenter for å bestemme riktig brennpunktsposisjon for å oppnå ønsket penetrasjonsdybde. Men under sveiseprosessen, på grunn av arbeidsstykkedeformasjon, termisk linseeffekt eller flerdimensjonal sveising av romlige kurver, kan fokusposisjonen endres og overskride det tillatte området.

Når det gjelder de to ovennevnte situasjonene, bør på den ene side høykvalitets og stabile optiske komponenter brukes og regelmessig vedlikeholdes for å forhindre forurensning og opprettholde renslighet; På den annen side er det nødvendig å utvikle sanntidsovervåking og kontrollmetoder for lasersveiseprosesser, for å optimere parametere, overvåke endringer i laserkraft og fokusposisjon som når arbeidsstykket, oppnå lukket sløyfekontroll og forbedre påliteligheten og stabilitet av lasersveisekvalitet.

Til slutt bør det bemerkes at lasersveising er en smelteprosess. Dette betyr at de to underlagene vil smelte under lasersveiseprosessen. Denne prosessen er rask, så den totale varmetilførselen er lav. Men fordi dette er en smelteprosess, kan det dannes sprø høymotstandsintermetalliske forbindelser ved sveising av forskjellige materialer. Aluminium kobber kombinasjon er spesielt utsatt for å danne intermetalliske forbindelser. Disse forbindelsene har vist seg å ha negative effekter på de kortsiktige elektriske og langsiktige mekaniske egenskapene til mikroelektroniske enhetsskjøter. Virkningen av disse intermetalliske forbindelsene på den langsiktige ytelsen til litium-ion-batterier er fortsatt usikker.