Uvod v varilne metode in postopke za napajanje litij-ionskih baterij

Razumna izbira varilnih metod in postopkov v proizvodnem procesu litijevih baterij bo neposredno vplivala na ceno, kakovost, varnost in doslednost baterije. Nato organizirajmo vsebino o varjenju litijevih baterij.

1. Načela laserskega varjenja

Lasersko varjenje za delo uporablja odlično usmerjenost in visoko gostoto moči laserskih žarkov. Preko optičnega sistema se laserski žarek fokusira na zelo majhno površino in v zelo kratkem času tvori visoko koncentrirano območje vira toplote na zvarnem spoju, s čimer se zvarjeni predmet stopi in tvori trden spajkalni spoj in zvar.

2. Vrsta laserskega varjenja

Varjenje s toplotno prevodnostjo in varjenje z globokim prebojem

Lasersko toplotno prevodno varjenje se oblikuje z gostoto moči laserja 105-106w/cm2, lasersko varjenje z globokim prebojem pa se oblikuje z gostoto moči laserja 105-106w/cm2

Prebojno varjenje in šivno varjenje

Prebojno varjenje, spojni deli ne zahtevajo prebijanja, obdelava pa je relativno enostavna. Prebojno varjenje zahteva visokozmogljiv laserski varilni stroj. Globina preboja prebojnega varjenja je manjša kot pri šivnem varjenju, njegova zanesljivost pa je relativno slaba.

V primerjavi s prebojnim varjenjem šivno varjenje zahteva le laserski varilni stroj manjše moči. Globina preboja pri šivnem varjenju je večja kot pri prebojnem varjenju, njegova zanesljivost pa je relativno dobra. Toda povezovalni kos je treba preluknjati, kar oteži obdelavo.

Vzorci pulznega laserskega varjenja

Kontinuirano lasersko varjenje vzorcev

Pri varjenju močnih litijevih baterij bodo tehniki varilnega procesa izbrali ustrezne parametre laserskega in varilnega postopka na podlagi materiala baterije, oblike, debeline, nateznih zahtev itd., vključno s hitrostjo varjenja, valovno obliko, najvišjo vrednostjo in kotom nagiba varilno glavo, za nastavitev razumnih parametrov postopka varjenja, da zagotovite, da končni učinek varjenja ustreza zahtevam proizvajalca litijeve baterije.

Koncentrirana energija, visoka učinkovitost varjenja, visoka natančnost obdelave in veliko razmerje med globino in širino zvara. Laserski žarek je enostavno fokusirati, poravnati in voditi z optičnimi instrumenti. Postavite ga lahko na primerni razdalji od obdelovanca in ga lahko vodite med vpenjali ali ovirami okoli obdelovanca. Drugih načinov varjenja zaradi omenjenih prostorskih omejitev ni mogoče v celoti izkoristiti.

Majhen dovod toplote, majhna toplotno prizadeta cona in majhna preostala napetost in deformacija obdelovanca; Varilno energijo je mogoče natančno nadzorovati, učinek varjenja je stabilen in videz varjenja je dober;

Brezkontaktno varjenje, prenos po optičnih vlaknih, dobra dostopnost in visoka stopnja avtomatizacije. Pri varjenju tanke ali fine žice ni težav z reflowom, kot je to pri obločnem varjenju. Baterijske celice, ki se uporabljajo za napajanje litijevih baterij, so zaradi svojega lahkega principa običajno izdelane iz lažjega aluminijastega materiala in tanjše. Na splošno morajo biti ohišje, pokrov in dno debeli pod 1.0 mm, glavni proizvajalci pa imajo trenutno osnovno debelino materiala okoli 0,8 mm.

Težave pri postopku laserskega varjenja

Trenutno lupine baterij iz aluminijeve zlitine predstavljajo več kot 90 % celotne moči litijeve baterije. Težavnost njegovega varjenja je v izjemno visoki odbojnosti aluminijeve zlitine na laser, visoki občutljivosti plinskih por med varjenjem in neizogibnem pojavu nekaterih težav in napak med varjenjem, med katerimi so najpomembnejše plinske pore, vroče razpoke, in eksplozija.

Med postopkom laserskega varjenja aluminijeve zlitine obstajata dve pomembni vrsti por, ki se lahko pojavita: vodikove pore in pore, ki nastanejo zaradi pokanja mehurčkov. Zaradi hitre hitrosti ohlajanja laserskega varjenja je problem vodikovih por resnejši, obstaja pa tudi dodatna vrsta lukenj, ki nastanejo zaradi zrušitve majhnih lukenj pri laserskem varjenju.

Težava z vročimi razpokami. Aluminijeva zlitina je tipična zlitina evtektičnega tipa, ki je nagnjena k vročim razpokam med varjenjem, vključno z razpokami zaradi kristalizacije zvara in razpokami zaradi utekočinjenja HAZ. Zaradi segregacije komponent v coni zvara pride do evtektične segregacije in taljenja meja zrn. V pogojih napetosti se na mejah zrn oblikujejo utekočinjene razpoke, ki zmanjšajo zmogljivost zvarjenega spoja.

Težava z eksplozijo (znano tudi kot brizganje). Obstaja veliko dejavnikov, ki lahko povzročijo eksplozije, kot so čistoča materiala, čistost samega materiala in značilnosti samega materiala. Odločilna uporaba je stabilnost laserja. Površinske izbokline, pore in notranji mehurčki na lupini. Glavni razlog je, da je premer jedra vlakna premajhen ali pa je laserska energija nastavljena previsoko. Ne gre za to, da nekateri dobavitelji laserske opreme trdijo, da boljša kot je kakovost žarka, boljši je učinek varjenja. Dobra kakovost žarka je primerna za prekrivno varjenje z večjo globino preboja. Iskanje ustreznih procesnih parametrov je ključ do rešitve problemov.

Druge težave

Mehko pakirano varjenje paličastega ušesa zahteva visoke zahteve glede varilnih napeljav, zato je treba uho droga trdno pritisniti, da se zagotovi razdalja med varjenjem. Lahko doseže visokohitrostno varjenje zapletenih poti, kot so v obliki črke S in v obliki spirale, s čimer se poveča površina zvara in okrepi trdnost varjenja.

Varjenje cilindričnih baterijskih celic je pomembno za varjenje pozitivne elektrode. Zaradi tanke lupine negativne elektrode jo je izjemno enostavno prevariti. Trenutno nekateri proizvajalci uporabljajo postopek varjenja z negativno elektrodo brez varjenja, medtem ko pozitivna elektroda uporablja lasersko varjenje.

Pri varjenju kvadratnih kombinacij baterij je pol ali povezovalni del onesnažen in debel. Pri varjenju veznega kosa se onesnaževala razgradijo, kar lahko zlahka tvori mesta eksplozije varjenja in povzroči luknje; Baterije s tankimi poli in plastičnimi ali keramičnimi strukturnimi komponentami pod njimi so nagnjene k varjenju. Ko je drog majhen, je tudi enostavno, da zvar odstopa in povzroči plastične poškodbe, ki tvorijo eksplozivne točke. Ne uporabljajte večslojnih konektorjev, saj so med plastmi pore, ki otežujejo trdno spajkanje.

Najpomembnejši postopek pri varjenju kvadratnih baterij je pakiranje pokrova lupine, ki je razdeljen na varjenje zgornjega in spodnjega pokrova glede na različne položaje. Nekateri proizvajalci baterij uporabljajo tehnologijo globokega vlečenja za izdelavo ohišij za baterije zaradi majhne količine baterij, ki jih proizvajajo, kar zahteva samo varjenje zgornjega pokrova.

Vzorec stranskega varjenja litijeve baterije kvadratne moči

Metode varjenja za kvadratne baterije so v glavnem razdeljene na stransko varjenje in varjenje na vrhu. Pomembna prednost stranskega varjenja je, da ima manjši vpliv na notranjost baterijske celice in brizganje ne bo zlahka vstopilo v notranjo stran pokrova ohišja. Zaradi možnosti izboklin po varjenju, ki lahko nekoliko vplivajo na nadaljnjo montažo, proces stranskega varjenja zahteva izjemno visoko stabilnost laserja in čistočo materiala. Vrhunski varilni postopek ima zaradi varjenja na eni površini razmeroma nizke zahteve za integracijo varilne opreme in preprosto množično proizvodnjo. Vendar pa obstajata tudi dve slabosti. Prvič, med varjenjem lahko v baterijsko celico pride majhna količina brizganja, in drugič, visoke zahteve glede obdelave sprednjega dela ohišja lahko povzročijo težave s stroški.

5. Dejavniki, ki vplivajo na kakovost varjenja

Lasersko varjenje je trenutno pomembna metoda, ki jo zelo priporočamo za vrhunsko baterijsko varjenje. Lasersko varjenje je postopek visokoenergetskega laserskega obsevanja obdelovanca, ki povzroči močno povišanje delovne temperature, taljenje in ponovno povezavo obdelovanca v trajno povezavo. Lasersko varjenje ima dobro strižno trdnost in odpornost proti trganju. Merila za ocenjevanje kakovosti baterijskega varjenja vključujejo prevodnost, trdnost, zrakotesnost, utrujenost kovine in odpornost proti koroziji.

Na kakovost laserskega varjenja vpliva veliko dejavnikov. Nekateri od njih so zelo nestanovitni in imajo precejšnjo nestabilnost. Kako pravilno nastaviti in nadzorovati te parametre, tako da jih je mogoče nadzorovati v ustreznem obsegu med visokohitrostnim in neprekinjenim postopkom laserskega varjenja, da se zagotovi kakovost varjenja. Zanesljivost in stabilnost oblikovanja zvara sta pomembna vprašanja, povezana s praktičnostjo in industrializacijo tehnologije laserskega varjenja. Pomembni dejavniki, ki vplivajo na kakovost laserskega varjenja, so varilna oprema, stanje obdelovanca in procesni parametri.

1) Varilna oprema

Najpomembnejše zahteve glede kakovosti za laserje so način žarka, izhodna moč in stabilnost. Način žarka je pomemben pokazatelj kakovosti žarka. Nižji kot je vrstni red žarkovnega načina, boljša je učinkovitost fokusiranja žarka, manjša je točka, večja je gostota moči pri enaki moči laserja in večja je globina in širina zvara. Na splošno je potreben osnovni način (TEM00) ali način nižjega reda, sicer je težko izpolniti zahteve visokokakovostnega laserskega varjenja. Trenutno se domači laserji še vedno soočajo z določenimi težavami glede kakovosti žarka in stabilnosti izhodne moči za lasersko varjenje. Z vidika tujih situacij sta kakovost žarka in stabilnost izhodne moči laserjev že precej visoki in ne bosta postali težava pri laserskem varjenju. Najpomembnejši dejavnik, ki vpliva na kakovost varjenja v optičnih sistemih, je leča za ostrenje, ki običajno uporablja goriščno razdaljo med 127 mm (5 in) in 200 mm (7,9 palca). Majhna goriščna razdalja je koristna za zmanjšanje premera pasu fokusiranega žarka, vendar pa lahko premajhna zlahka povzroči kontaminacijo in poškodbe zaradi brizganja med postopkom varjenja.

Krajša kot je valovna dolžina, večja je stopnja absorpcije; Na splošno imajo materiali z dobro prevodnostjo visoko odbojnost. Pri YAG laserjih je odbojnost srebra 96 ​​%, aluminija 92 %, bakra 90 % in železa 60 %. Višja kot je temperatura, višja je stopnja absorpcije, kar kaže na linearno razmerje; Na splošno lahko površinski premaz s fosfatom, sajami, grafitom itd. izboljša stopnjo absorpcije.

2) Stanje obdelovanca

Lasersko varjenje zahteva obdelavo robov obdelovanca z visoko natančnostjo montaže, strogo poravnavo med točkovnim in zvarnim šivom, prvotna natančnost montaže in točkovna poravnava obdelovanca pa se ne moreta spremeniti zaradi toplotne deformacije varjenja med postopkom varjenja. To je zato, ker je laserska točka majhna in je zvar ozek. Na splošno se dodana kovina ne dodaja. Če sklop ni tesen in je reža prevelika, lahko žarek preide skozi režo in ne more stopiti osnovnega materiala ali povzroči očitnega podrezovanja ali vdolbine. Če je odstopanje med točko in šivom nekoliko veliko, lahko povzroči nepopolno zlitje ali nepopolno varjenje. Zato razmik med priklopom in sestavljanjem glavne plošče ter odstopanje poravnave točke ne sme presegati {{0}}.1 mm, neporavnanost pa ne sme presegati 0,2 mm. V dejanski proizvodnji včasih tehnologije laserskega varjenja ni mogoče uporabiti zaradi nezmožnosti izpolnjevanja teh zahtev. Da bi dosegli dobre rezultate varjenja, je treba dovoljeno režo za spajanje in prekrivanje nadzorovati znotraj 10 % debeline tanke plošče.

Uspešno lasersko varjenje zahteva tesen stik med zvarjeno podlago. To zahteva previdno zategovanje delov, da dosežete optimalne rezultate. In to je težko narediti dobro na tankih substratih polarnih ušes, ker so nagnjeni k upogibanju, zlasti če je polarno uho vgrajeno v velike baterijske module ali komponente.

3) Varilni parametri

1) Najpomembnejši dejavnik, ki vpliva na varilne parametre načina laserskega varjenja in stabilno tvorbo zvara, je gostota moči laserske točke. Njegov vpliv na način varjenja in stabilnost tvorbe zvara je naslednji: ko se gostota moči laserske točke poveča, postane stabilno varjenje s toplotno prevodnostjo, nestabilno varjenje v načinu in stabilno varjenje z globokim prebojem.

Gostota moči laserske točke je določena z močjo laserja in položajem žarišča žarka glede na določen način žarka in goriščno razdaljo zrcala za ostrenje. Gostota moči laserja je neposredno sorazmerna z močjo laserja. Vpliv položaja žarišča ima optimalno vrednost; Ko je žarišče žarka na določenem položaju pod površino obdelovanca (v razponu 1-2 mm, odvisno od debeline plošče in parametrov), je mogoče dobiti najbolj idealen zvar. Odstopanje od tega optimalnega položaja ostrenja bo povečalo površinsko točnost obdelovanca, kar bo povzročilo zmanjšanje gostote moči. Znotraj določenega območja bo povzročilo spremembo v obliki varilnega postopka.

Vpliv hitrosti varjenja na obliko in stabilnost varilnega procesa ni tako pomemben kot moč laserja in položaj fokusa. Šele pri previsoki hitrosti varjenja pride do nezmožnosti vzdrževanja stabilnega globokoprebojnega varjenja zaradi nizkega vnosa toplote. Med dejanskim varjenjem je treba izbrati stabilno varjenje z globokim prebojem ali varjenje s stabilno toplotno prevodnostjo glede na zahteve zvara glede globine preboja, varjenje v nestabilnem načinu pa je treba absolutno preprečiti.

(2) V območju varjenja z globokim prebojem vpliv varilnih parametrov na globino preboja: znotraj stabilnega območja varjenja z globokim prebojem je večja moč laserja, večja je globina preboja, z razmerjem približno 0 .7 moč; Večja kot je hitrost varjenja, manjša je globina preboja. Ko je žarišče v optimalnem položaju pod določenimi pogoji laserske moči in hitrosti varjenja, pride do največje globine prodiranja. Če odstopa od tega položaja, se globina preboja zmanjša in postane celo nestabilna ali stabilna toplotna prevodnost varjenja.

(3) Vpliv zaščitnega plina, katerega pomembna uporaba je zaščita obdelovanca pred oksidacijo med postopkom varjenja; Zaščitite lečo za ostrenje pred onesnaženjem s kovinskimi hlapi in brizganjem kapljic tekočine; Razpršite plazmo, ki nastane pri visokozmogljivem laserskem varjenju; Ohladite obdelovanec in zmanjšajte toplotno prizadeto območje.

Zaščitni plin je običajno argon ali helij, za tiste z nizkimi zahtevami glede navidezne kakovosti pa se lahko uporabi tudi dušik. Njihova nagnjenost k ustvarjanju plazme je bistveno drugačna: plin helij ima zaradi visokega ionizacijskega naboja in hitre toplotne prevodnosti manjšo nagnjenost k ustvarjanju plazme kot plin argon pod enakimi pogoji, s čimer dosežemo večjo globino taljenja. Znotraj določenega območja se s povečanjem pretoka zaščitnega plina poveča težnja po zatiranju plazme, kar povzroči povečanje globine taljenja. Ko pa doseže določeno območje, se nagiba k stabilizaciji.

(4) Analiza spremljanja vsakega parametra: med štirimi varilnimi parametri sta hitrost varjenja in pretok zaščitnega plina enostavna za spremljanje in ohranjanje stabilnosti, medtem ko sta moč laserja in položaj fokusa parametra, ki lahko nihata med postopkom varjenja in ju je težko spremljati . Čeprav je izhodna moč laserja iz laserja zelo stabilna in jo je enostavno spremljati, se bo moč laserja, ki doseže obdelovanec, spremenila zaradi izgube sistemov za vodenje in ostrenje. Ta izguba je povezana s kakovostjo, časom delovanja in površinskim onesnaženjem optičnega obdelovanca, zaradi česar je težko spremljati in postane negotov dejavnik pri kakovosti varjenja. Položaj žarišča žarka je eden izmed varilnih parametrov, ki pomembno vpliva na kakovost varjenja in ga je najtežje spremljati in kontrolirati. Trenutno se je v proizvodnji treba zanašati na ročno prilagajanje in ponavljajoče se procesne poskuse, da se določi ustrezen položaj žariščne točke, da se doseže želena globina penetracije. Vendar pa se lahko med postopkom varjenja zaradi deformacije obdelovanca, učinka termične leče ali večdimenzionalnega varjenja prostorskih krivulj položaj fokusa spremeni in preseže dovoljeno območje.

V zvezi z zgornjima dvema situacijama je treba na eni strani uporabljati visokokakovostne in stabilne optične komponente in jih redno vzdrževati, da se prepreči onesnaženje in vzdržuje čistoča; Po drugi strani pa je potrebno razviti metode spremljanja in nadzora v realnem času za postopke laserskega varjenja, da bi optimizirali parametre, spremljali spremembe moči laserja in položaja fokusa, ki doseže obdelovanec, dosegli krmiljenje v zaprti zanki in izboljšali zanesljivost in stabilnost kakovosti laserskega varjenja.

Na koncu je treba opozoriti, da je lasersko varjenje postopek taljenja. To pomeni, da se bosta podlagi med postopkom laserskega varjenja stopili. Ta proces je hiter, zato je skupni vnos toplote nizek. Ker pa je to proces taljenja, lahko pri varjenju različnih materialov nastanejo krhke visokoodporne intermetalne spojine. Kombinacija aluminija in bakra je še posebej nagnjena k tvorbi intermetalnih spojin. Dokazano je, da imajo te spojine negativne učinke na kratkoročne električne in dolgoročne mehanske lastnosti spojev mikroelektronskih naprav. Vpliv teh intermetalnih spojin na dolgoročno delovanje litij-ionskih baterij je še vedno negotov.