Việc lựa chọn các phương pháp và quy trình hàn trong quá trình sản xuất pin điện sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí, chất lượng, độ an toàn và tính nhất quán của pin.
1 Nguyên lý hàn laser
Hàn laser là sử dụng khả năng định hướng tuyệt vời và mật độ công suất cao của chùm tia laser để làm việc. Chùm tia laze được hội tụ trong một khu vực nhỏ thông qua hệ thống quang học. Trong thời gian rất ngắn, vùng nguồn nhiệt có nồng độ năng lượng lớn được hình thành tại chi tiết được hàn, do đó vật hàn bị nóng chảy và hình thành mối hàn rắn và mối hàn.
2 loại hàn laser
Hàn dẫn nhiệt bằng laser, chùm tia laser làm nóng chảy bề mặt của phôi dọc theo đường nối, và vật liệu nóng chảy hội tụ và đông đặc lại để tạo thành mối hàn. Nó chủ yếu được sử dụng cho các vật liệu tương đối mỏng. Chiều sâu hàn tối đa của vật liệu bị hạn chế bởi tính dẫn nhiệt của nó, và chiều rộng mối hàn luôn lớn hơn chiều sâu hàn.
Hàn xuyên sâu, khi tia laser công suất cao tập trung trên bề mặt kim loại, nhiệt không thể bị thất thoát, và chiều sâu hàn sẽ sâu hơn rất nhiều. Công nghệ hàn này là hàn xuyên sâu. Do tốc độ xử lý cao, vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ và biến dạng tối thiểu, công nghệ hàn xuyên sâu có thể được sử dụng để hàn sâu hoặc hàn nhiều lớp dữ liệu với nhau.
Sự khác biệt chính giữa hàn dẫn nhiệt và hàn xuyên sâu là mật độ công suất tác dụng lên bề mặt kim loại theo đơn vị thời gian và giá trị tới hạn là khác nhau đối với các kim loại khác nhau.
Hàn thâm nhập và hàn đường nối
Thông qua hàn, đoạn kết nối không cần đục lỗ, và quá trình xử lý tương đối đơn giản. Cần có máy hàn laser công suất cao để hàn xuyên thấu. Độ sâu ngấu của hàn xuyên thấp hơn so với hàn đường và độ tin cậy tương đối kém.
So với hàn xuyên, hàn đường chỉ cần thợ hàn laser ít năng lượng hơn. Độ ngấu của hàn đường cao hơn so với hàn xuyên và độ tin cậy tương đối tốt. Nhưng đoạn nối cần được đục lỗ nên tương đối khó gia công.
Hàn xung và hàn liên tục
1) Hàn chế độ xung
Khi hàn laser, nên chọn dạng sóng hàn thích hợp. Các dạng sóng xung thường được sử dụng là sóng vuông, sóng đỉnh, sóng hai phương thức, v.v. Hệ số phản xạ của bề mặt hợp kim nhôm với ánh sáng quá cao. Khi một chùm tia laser cường độ cao chiếu vào bề mặt vật liệu, 60% - 98% năng lượng laser trên bề mặt kim loại sẽ bị mất đi do phản xạ, và hệ số phản xạ thay đổi theo nhiệt độ bề mặt. Nói chung, khi hàn hợp kim nhôm, sự lựa chọn tốt nhất là sóng sắc nét và sóng hai phương thức. Loại dạng sóng hàn này có độ rộng xung dài hơn ở phần dưới, có thể làm giảm hiệu quả việc tạo ra các lỗ rỗng và vết nứt.
Mẫu hàn laser xung
Do tính phản xạ của hợp kim nhôm đối với tia laze cao, để ngăn chặn tia laze gây phản xạ dọc và làm hỏng gương hội tụ laze, mối hàn thường bị lệch một góc nhất định trong quá trình hàn. Đường kính của mối nối hàn và bề mặt mối nối hiệu quả tăng lên khi tăng góc nghiêng của tia laser. Khi góc nghiêng của tia laser là 40 độ, có thể thu được mối hàn tối đa và bề mặt mối nối hiệu quả. Độ ngấu của mối hàn và độ ngấu hiệu quả giảm theo góc nghiêng của tia laser. Khi góc nghiêng của tia laser lớn hơn 60 độ, độ ngấu hiệu quả của mối hàn giảm xuống bằng không. Do đó, có thể tăng độ ngấu và chiều rộng của mối hàn bằng cách nghiêng mối hàn đến một góc nhất định.
Ngoài ra, khi hàn, lấy mối hàn làm ranh giới, nên hàn điểm tia laze bằng 65% tấm bìa và 35% vỏ, điều này có thể làm giảm hiệu quả cháy nổ do sự cố đóng nắp.
2) Chế độ hàn liên tục
Bởi vì quá trình gia nhiệt của hàn laser liên tục không giống như quá trình làm lạnh và làm nóng đột ngột của máy xung, xu hướng nứt không rõ ràng trong quá trình hàn. Để cải thiện chất lượng của mối hàn, phương pháp hàn laser liên tục được áp dụng. Bề mặt mối hàn nhẵn và đồng đều, không có vết văng và khuyết tật, không có vết nứt bên trong mối hàn. Trong hàn hợp kim nhôm, lợi thế của tia laser liên tục là rõ ràng. So với phương pháp hàn truyền thống, tia laser liên tục có hiệu suất sản xuất cao và không làm đầy dây; so với hàn laser xung, nó có thể giải quyết các khuyết tật sau khi hàn, chẳng hạn như vết nứt, rỗ, vết loang, vv, đảm bảo rằng hợp kim nhôm có cơ tính tốt sau khi hàn; Nó sẽ không chảy xệ sau khi hàn, và giảm lượng đánh bóng sau khi hàn, giúp tiết kiệm chi phí sản xuất, Tuy nhiên, do vết của laser CW tương đối nhỏ nên độ chính xác lắp ráp của phôi được yêu cầu cao hơn.
Mẫu hàn laser liên tục
Trong quá trình hàn pin nguồn, kỹ thuật viên hàn sẽ chọn tia laser và thông số hàn phù hợp theo yêu cầu của khách hàng về vật liệu pin, hình dạng, độ dày, lực kéo' bao gồm tốc độ hàn, dạng sóng, giá trị đỉnh, độ nghiêng đầu hàn góc, vv để thiết lập các thông số hàn hợp lý, để đảm bảo rằng hiệu quả hàn cuối cùng đáp ứng các yêu cầu của nhà sản xuất pin điện.
3 Ưu điểm của hàn laser
Nó có ưu điểm là năng lượng tập trung, hiệu suất hàn cao, độ chính xác gia công cao và tỷ lệ chiều rộng chiều sâu của mối hàn lớn. Chùm tia laze dễ dàng được tập trung, căn chỉnh và dẫn hướng bằng các dụng cụ quang học. Nó có thể được đặt ở một khoảng cách thích hợp từ phôi và có thể được dẫn hướng lại giữa các kẹp hoặc vật cản xung quanh phôi. Các quy tắc hàn khác không thể chơi do những hạn chế về không gian ở trên.
Năng lượng hàn có thể được kiểm soát chính xác, hiệu quả hàn ổn định và hình thức hàn tốt;
Hàn không tiếp xúc, truyền dẫn cáp quang, khả năng tiếp cận tốt, mức độ tự động hóa cao. Khi hàn vật liệu mỏng hoặc dây có đường kính nhỏ sẽ không gặp sự cố chảy lại như hàn hồ quang. Bởi vì tế bào được sử dụng cho pin nguồn tuân theo nguyên tắc" nhẹ" ;, nó thường được làm bằng" nhẹ" nhôm và cần phải là" mỏng hơn" ;. Nói chung, vỏ, nắp và đáy phải nhỏ hơn 1,0 mm. Hiện tại, độ dày vật liệu cơ bản của các nhà sản xuất chính là khoảng 0,8 mm.
Nó có thể cung cấp hàn độ bền cao cho các kết hợp vật liệu khác nhau, đặc biệt là để hàn giữa vật liệu đồng và vật liệu nhôm. Đây cũng là công nghệ duy nhất có thể hàn mạ niken cho vật liệu đồng.
4 Khó khăn khi hàn laser
Hiện tại, vỏ pin bằng hợp kim nhôm chiếm hơn 90% toàn bộ pin nguồn. Khó khăn của quá trình hàn là độ phản xạ của hợp kim nhôm với tia laser rất cao, và độ nhạy của độ xốp cao trong quá trình hàn. Một số vấn đề và khuyết tật chắc chắn sẽ xuất hiện trong quá trình hàn, trong đó quan trọng nhất là hiện tượng rỗ khí, nứt nóng, nổ.
Có hai loại độ xốp chính trong hàn laser hợp kim nhôm: độ xốp hydro và độ xốp do nổ bong bóng. Bởi vì tốc độ nguội của hàn laser quá nhanh, vấn đề về độ rỗng của hydro càng nghiêm trọng hơn, và cũng có loại lỗ do sự sụp đổ của các lỗ nhỏ trong hàn laser.
Vết nứt do nhiệt. Hợp kim nhôm là một hợp kim eutectic điển hình, dễ bị nứt nóng trong quá trình hàn, bao gồm cả vết nứt kết tinh mối hàn và vết nứt hóa lỏng HAZ. Do sự phân tách thành phần trong vùng hàn, sự phân tách eutectic sẽ xảy ra và sự nóng chảy ranh giới hạt sẽ xảy ra. Dưới tác dụng của ứng suất, các vết nứt hóa lỏng sẽ hình thành ở ranh giới thớ, điều này sẽ làm giảm hiệu suất của mối hàn.
Sự cố cháy nổ (còn được gọi là giật gân). Có nhiều yếu tố gây ra vụ nổ, chẳng hạn như độ sạch của vật liệu, độ tinh khiết của bản thân vật liệu, đặc tính của bản thân vật liệu, v.v. và tính ổn định của tia laser đóng vai trò quyết định. Bề mặt của vỏ lồi lõm, lỗ khí và bọt khí bên trong. Nguyên nhân chính là do đường kính lõi sợi quang quá nhỏ hoặc năng lượng laser được đặt quá cao. Nó không phải là" chất lượng chùm tia tốt hơn, hiệu quả hàn tốt hơn" được công bố bởi một số nhà cung cấp thiết bị laser. Chất lượng chùm tia tốt thích hợp cho hàn phủ có độ ngấu lớn. Chìa khóa để giải quyết vấn đề là tìm ra các thông số quá trình phù hợp.
Những khó khăn khác
Để hàn vấu cực bọc mềm, yêu cầu cao về dụng cụ hàn, vì vậy vấu cực phải được ép chặt để đảm bảo khe hở hàn. Nó có thể thực hiện hàn tốc độ cao hình chữ S, hình xoắn ốc và các đường phức tạp khác, tăng diện tích mối hàn và đồng thời tăng cường độ bền hàn.
Hàn của các tế bào hình trụ chủ yếu được sử dụng để hàn các điện cực dương. Vì vỏ của điện cực âm mỏng nên rất dễ hàn xuyên qua. Ví dụ, hiện nay, một số nhà sản xuất sử dụng quy trình hàn điện cực âm miễn phí, và điện cực dương là hàn laser.
Khi hàn kết hợp pin vuông, cực hoặc đoạn kết nối bị ô nhiễm nặng; khi hàn đoạn nối, các chất ô nhiễm bị phân hủy, dễ hình thành các điểm nổ hàn và gây ra các lỗ thủng; khi cực mỏng và có các bộ phận kết cấu bằng nhựa hoặc gốm ở dưới thì dễ hàn xuyên qua. Khi cực nhỏ dễ bị lệch nhựa và cháy ra ngoài. Không sử dụng đầu nối nhiều lớp, giữa các lớp có lỗ rỗng, không dễ hàn.
Quá trình hàn pin vuông quan trọng nhất là khâu đóng gói vỏ, có thể chia thành hàn nắp trên và hàn nắp dưới theo các vị trí khác nhau. Do kích thước nhỏ của pin, một số nhà sản xuất pin sử dụng" vẽ sâu" Quá trình sản xuất vỏ pin, chỉ cần hàn nắp trên.
Mẫu hàn bên của pin nguồn vuông
Các phương pháp hàn của pin vuông chủ yếu được chia thành hàn bên và hàn đỉnh. Ưu điểm chính của hàn bên là nó ít ảnh hưởng đến bên trong tế bào, và hạt văng sẽ không dễ dàng đi vào bên trong vỏ. Do khi hàn có thể gây ra hiện tượng phồng, ảnh hưởng nhẹ đến quá trình lắp ráp sau này, do đó quá trình hàn bên có yêu cầu cao về độ ổn định của tia laser và độ sạch của vật liệu. Bởi vì quá trình hàn trên cùng được hàn trên một mặt, các yêu cầu về tích hợp thiết bị hàn tương đối thấp và việc sản xuất hàng loạt cũng đơn giản. Tuy nhiên, có hai nhược điểm: một là một ít mảnh vụn có thể xâm nhập vào tế bào trong quá trình hàn, và hai là yêu cầu cao đối với phần trước của vỏ sẽ dẫn đến vấn đề chi phí.
5. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hàn
Hàn laser là phương pháp chính của hàn pin cao cấp. Hàn laser là một quá trình chiếu tia laser năng lượng cao vào phôi làm cho nhiệt độ làm việc tăng mạnh, phôi nóng chảy và kết nối lại tạo thành liên kết vĩnh viễn. Độ bền cắt và khả năng chống xé của hàn laser tốt hơn. Độ dẫn điện, độ bền, độ kín khí, độ mỏi kim loại và khả năng chống ăn mòn của hàn pin là các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng hàn điển hình.
Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của hàn laser. Một số trong số chúng rất dễ bay hơi và có sự bất ổn định đáng kể. Làm thế nào để thiết lập và kiểm soát các thông số này một cách chính xác, để chúng có thể được kiểm soát trong phạm vi thích hợp trong quá trình hàn laser tốc độ cao và liên tục để đảm bảo chất lượng hàn. Độ tin cậy và ổn định của quá trình tạo hình mối hàn là những vấn đề quan trọng liên quan đến thực tiễn và công nghiệp hóa của công nghệ hàn laser. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng của hàn laser là thiết bị hàn, tình trạng phôi và các thông số quá trình.
1) Thiết bị hàn laser
Máy hàn sợi quang cho pin nguồn
Bộ khuếch đại RS-SWF-80/150 80W GG; Máy hàn laser sợi quang 150W phục vụ nhu cầu hàn laser tốc độ cao chất lượng cao cho pin lithium.
Yêu cầu chất lượng quan trọng nhất của laser là chế độ chùm tia, công suất đầu ra và độ ổn định. Chế độ chùm tia là chỉ số chính của chất lượng chùm tia. Thứ tự chế độ chùm càng thấp, hiệu suất tập trung chùm càng tốt, điểm càng nhỏ, mật độ công suất càng cao, và chiều sâu và chiều rộng mối hàn càng lớn dưới cùng một công suất laser. Chế độ cơ bản (TEM00) hoặc chế độ bậc thấp thường được yêu cầu, nếu không, rất khó để đáp ứng các yêu cầu của hàn laser chất lượng cao. Hiện nay, các loại laser trong nước khó có thể sử dụng trong hàn laser về chất lượng chùm tia và độ ổn định của công suất phát. Từ tình hình nước ngoài, chất lượng chùm tia laser và độ ổn định công suất đầu ra khá cao, điều này sẽ không trở thành vấn đề của hàn laser. Thấu kính hội tụ là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến chất lượng hàn trong hệ thống quang học. Độ dài tiêu cự nói chung là từ 127 mm (5 in) đến 200 mm (7,9 in). Độ dài tiêu cự nhỏ rất tốt để giảm đường kính điểm eo của chùm tia hội tụ, nhưng độ dài tiêu cự quá nhỏ dễ bị ô nhiễm và hư hỏng do tán xạ trong quá trình hàn.
Bước sóng càng ngắn thì độ hấp thụ càng cao. Nói chung, hệ số phản xạ của các vật liệu có độ dẫn điện tốt là rất cao. Đối với laser YAG, hệ số phản xạ của bạc là 96%, của nhôm là 92%, của đồng là 90% và của sắt là 60%. Nhiệt độ càng cao thì độ hấp thụ càng cao, thể hiện mối quan hệ tuyến tính; nói chung, phốt phát, muội than và than chì có thể cải thiện khả năng hấp thụ.
2) Tình trạng phôi
Hàn laser đòi hỏi phải xử lý mép phôi, lắp ráp có độ chính xác cao, điểm ăn khớp với mối hàn một cách chặt chẽ. Hơn nữa, độ chính xác lắp ráp ban đầu và sự liên kết điểm của phôi không thể thay đổi do biến dạng nhiệt hàn trong quá trình hàn. Điều này là do vết laser nhỏ và đường hàn hẹp. Nói chung, không có kim loại độn nào được thêm vào. Nếu lắp ráp không chặt chẽ và khe hở quá lớn, chùm tia có thể đi qua khe hở và không thể làm tan chảy kim loại cơ bản, hoặc gây ra vết lõm và vết lõm rõ ràng. Nếu độ lệch của điểm so với đường nối hơi lớn, nó có thể gây ra sự kết hợp không hoàn toàn hoặc sự thâm nhập không hoàn toàn. Do đó, khe hở lắp ghép tấm bản chung và độ lệch đường may điểm không được lớn hơn 0,1 mm, độ lệch không được lớn hơn 0,2 mm. Trong thực tế sản xuất, đôi khi không thể sử dụng công nghệ hàn laser vì không đáp ứng được các yêu cầu này. Để đạt được hiệu quả hàn tốt, khe hở đối đầu và khe hở cho phép phải được kiểm soát trong phạm vi 10% chiều dày tấm.
Hàn laser thành công yêu cầu tiếp xúc chặt chẽ giữa chất nền được hàn. Điều này đòi hỏi sự thắt chặt cẩn thận của các bộ phận để có kết quả tối ưu. Điều này khó thực hiện trên vật liệu nền mỏng của vấu, vì nó dễ bị cong và lệch, đặc biệt khi vấu được nhúng vào một mô-đun hoặc mô-đun pin lớn.
3) Các thông số hàn laser
(1) Mật độ công suất của điểm laser là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến chế độ hàn laser và độ ổn định hình thành mối hàn. Ảnh hưởng của mật độ công suất điểm laser đến chế độ hàn và độ ổn định hình thành mối hàn như sau: với mật độ công suất điểm laser tăng từ nhỏ đến lớn, thứ tự là hàn dẫn nhiệt ổn định, chế độ hàn không ổn định và hàn xuyên sâu ổn định.
Mật độ công suất của điểm laser chủ yếu được xác định bởi công suất laser và vị trí tập trung chùm tia khi chế độ chùm tia và độ dài tiêu cự được cố định. Mật độ công suất laser tỷ lệ với công suất laser. Khi tiêu điểm của chùm tia ở một vị trí nhất định dưới bề mặt của phôi (1-2mm, tùy thuộc vào độ dày và thông số), có thể thu được mối hàn tối ưu. Chệch khỏi vị trí lấy nét tối ưu, điểm sáng trên bề mặt phôi sẽ trở nên lớn hơn, làm cho mật độ công suất nhỏ hơn. Đến một phạm vi nhất định, nó sẽ gây ra sự thay đổi hình thức quá trình hàn.
Chỉ khi tốc độ hàn quá cao, quá trình hàn xuyên sâu ổn định không thể được duy trì do nhiệt lượng đầu vào nhỏ. Trong thực tế hàn, nên lựa chọn hàn xuyên sâu ổn định hoặc hàn dẫn nhiệt ổn định tùy theo yêu cầu về độ ngấu của vật hàn, và tuyệt đối tránh chế độ hàn không ổn định.
(2) Trong phạm vi hàn xuyên sâu, ảnh hưởng của các thông số hàn đến độ ngấu: trong phạm vi hàn xuyên sâu ổn định, công suất laser càng cao thì độ ngấu càng lớn, khoảng 0,7 công suất; và tốc độ hàn càng cao thì độ thâm nhập càng nông. Ở một công suất laser và tốc độ hàn nhất định, độ xuyên thấu lớn nhất khi tiêu điểm ở vị trí tốt nhất. Nếu tiêu điểm lệch khỏi vị trí này, độ ngấu giảm và thậm chí trở thành hàn không ổn định hoặc hàn dẫn nhiệt ổn định.
(3) Chức năng chính của khí bảo vệ là bảo vệ phôi khỏi bị oxy hóa trong quá trình hàn, bảo vệ thấu kính hội tụ khỏi ô nhiễm hơi kim loại và sự phóng xạ giọt chất lỏng, phân tán plasma được tạo ra bởi hàn laser công suất cao, để làm mát phôi và giảm khu vực bị ảnh hưởng nhiệt.
Argon hoặc heli thường được sử dụng làm khí bảo vệ. Nitơ có thể được sử dụng cho những loại có yêu cầu chất lượng biểu kiến thấp. Xu hướng tạo ra plasma của heli thì khác: heli có thể tích ion hóa cao hơn và dẫn nhiệt nhanh hơn. Trong cùng điều kiện, khí có xu hướng tạo ra plasma nhỏ hơn argon, do đó nó có thể thu được độ sâu nóng chảy lớn hơn. Trong một phạm vi nhất định, với sự tăng của tốc độ dòng khí bảo vệ, xu hướng triệt tiêu plasma tăng lên, do đó chiều sâu nóng chảy tăng lên, nhưng nó có xu hướng ổn định khi tăng đến một phạm vi nhất định.
(4) Phân tích giám sát từng thông số: trong số bốn thông số hàn, tốc độ hàn và dòng khí che chắn dễ theo dõi và giữ ổn định, trong khi công suất laser và vị trí lấy nét là các thông số có thể dao động và khó theo dõi. trong quá trình hàn. Mặc dù công suất laser phát ra từ laser rất ổn định và dễ theo dõi, nhưng do mất hệ thống dẫn sáng và lấy nét, công suất laser đến phôi sẽ thay đổi và tổn thất này liên quan đến chất lượng của phôi quang học, thời gian phục vụ và ô nhiễm bề mặt nên không dễ theo dõi và trở thành yếu tố không chắc chắn của chất lượng hàn. Vị trí tập trung tia là một trong những yếu tố khó theo dõi và kiểm soát nhất, có ảnh hưởng lớn đến chất lượng hàn. Hiện tại, cần phải xác định vị trí lấy nét thích hợp bằng cách điều chỉnh thủ công và các thử nghiệm quy trình lặp lại để có được độ xuyên thấu lý tưởng. Nhưng trong quá trình hàn, do biến dạng phôi, hiệu ứng thấu kính nhiệt, hoặc đường cong không gian hàn nhiều chiều, vị trí tiêu điểm sẽ thay đổi và có thể vượt quá phạm vi cho phép.
Đối với hai trường hợp trên, một mặt, các phần tử quang chất lượng cao và độ ổn định cao cần được sử dụng và bảo dưỡng thường xuyên để ngăn ngừa ô nhiễm và giữ sạch sẽ; mặt khác, phương pháp giám sát và điều khiển thời gian thực của quá trình hàn laser nên được phát triển để tối ưu hóa các thông số và giám sát quá trình hàn. Nó có thể đạt được sự thay đổi của công suất laser và vị trí tập trung của phôi, thực hiện điều khiển vòng kín, và cải thiện độ tin cậy và ổn định của chất lượng hàn laser.
Cuối cùng, điều quan trọng cần lưu ý là hàn laser là một quá trình nóng chảy. Điều này có nghĩa là cả hai chất nền đều tan chảy trong quá trình hàn laser. Quá trình này diễn ra rất nhanh, do đó nhiệt lượng đầu vào tổng thể thấp. Nhưng bởi vì nó là một quá trình nóng chảy, nó có thể tạo thành các hợp chất liên kim loại có điện trở cao giòn khi hàn các vật liệu khác nhau. Sự kết hợp của nhôm và đồng đặc biệt dễ tạo thành các hợp chất liên kim. Các hợp chất này đã được chứng minh là có ảnh hưởng tiêu cực đến các đặc tính cơ học ngắn hạn và dài hạn của mối nối của thiết bị vi điện tử. Ảnh hưởng của các hợp chất liên kim loại này đến hiệu suất lâu dài của pin lithium là không chắc chắn.