Inleiding tot lasmethoden en -processen voor krachtige lithium-ionbatterijen

De redelijke selectie van lasmethoden en -processen in het productieproces van krachtige lithiumbatterijen zal rechtstreeks van invloed zijn op de kosten, kwaliteit, veiligheid en consistentie van de batterij. Laten we vervolgens de inhoud over het lassen van krachtige lithiumbatterijen organiseren.

1. Principes van laserlassen

Bij laserlassen wordt gebruik gemaakt van de uitstekende richtingsgevoeligheid en hoge vermogensdichtheid van laserstralen. Via een optisch systeem wordt de laserstraal op een zeer klein gebied gefocusseerd, waardoor in zeer korte tijd een sterk geconcentreerd warmtebrongebied bij de lasverbinding ontstaat, waardoor het gelaste object smelt en een solide soldeerverbinding en lasnaad ontstaat.

2. Type laserlassen

Warmtegeleidingslassen en dieppenetratielassen

Laserwarmtegeleidingslassen wordt gevormd met een laservermogensdichtheid van 105-106w/cm2, en laserlassen met diepe penetratie wordt gevormd met een laservermogensdichtheid van 105-106w/cm2

Penetratielassen en naadlassen

Penetratielassen, verbindingsstukken vereisen geen ponsen en de verwerking is relatief eenvoudig. Penetratielassen vereist een krachtige laserlasmachine. De penetratiediepte van penetratielassen is lager dan die van naadlassen en de betrouwbaarheid ervan is relatief slecht.

Vergeleken met penetratielassen vereist naadlassen slechts een laserlasapparaat met een kleiner vermogen. De penetratiediepte van naadlassen is hoger dan die van penetratielassen en de betrouwbaarheid ervan is relatief goed. Maar het verbindingsstuk moet worden geponst, wat de verwerking relatief moeilijk maakt.

Pulslaserlasmonsters

Continu laserlassen van monsters

Bij het lassen van krachtige lithiumbatterijen selecteren lasprocestechnici de juiste laser- en lasprocesparameters op basis van het batterijmateriaal, de vorm, de dikte, de trekvereisten enz. van de klant, inclusief lassnelheid, golfvorm, piekwaarde en kantelhoek van de batterij. laskop, om redelijke lasprocesparameters in te stellen om ervoor te zorgen dat het uiteindelijke laseffect voldoet aan de eisen van de fabrikant van lithiumbatterijen.

Geconcentreerde energie, hoge lasefficiëntie, hoge verwerkingsnauwkeurigheid en grote lasdiepte-breedteverhouding. De laserstraal kan eenvoudig worden scherpgesteld, uitgelijnd en geleid door optische instrumenten. Hij kan op passende afstand van het werkstuk worden geplaatst en tussen armaturen of obstakels rondom het werkstuk worden geleid. Andere lasmethoden kunnen niet volledig worden benut vanwege de bovengenoemde ruimtelijke beperkingen.

Kleine warmte-inbreng, kleine door hitte beïnvloede zone en kleine restspanning en vervorming van het werkstuk; De lasenergie kan nauwkeurig worden geregeld, het laseffect is stabiel en het lasuiterlijk is goed;

Contactloos lassen, glasvezeltransmissie, goede bereikbaarheid en hoge mate van automatisering. Bij het lassen van dunne of fijne draad is er geen sprake van reflow, zoals bij booglassen. De batterijcellen die worden gebruikt voor lithiumbatterijen zijn vanwege hun lichtgewichtprincipe meestal gemaakt van lichter aluminiummateriaal en dunner. Over het algemeen moeten de schaal, de afdekking en de onderkant kleiner zijn dan 1,0 mm, en reguliere fabrikanten hanteren momenteel een basismateriaaldikte van ongeveer 0,8 mm.

Moeilijkheden bij het laserlasproces

Momenteel zijn batterijbehuizingen van aluminiumlegeringen goed voor meer dan 90% van de totale lithiumbatterij. De moeilijkheid van het lassen ligt in de extreem hoge reflectiviteit van aluminiumlegeringen voor laser, de hoge gevoeligheid van gasporiën tijdens het lasproces en het onvermijdelijke optreden van enkele problemen en defecten tijdens het lassen, waaronder de belangrijkste gasporiën, hete scheuren, en explosie.

Tijdens het laserlasproces van aluminiumlegeringen zijn er twee belangrijke soorten poriën die vaak voorkomen: waterstofporiën en poriën veroorzaakt door het barsten van bellen. Vanwege de hoge afkoelsnelheid van laserlassen is het probleem van waterstofporiën ernstiger, en er is ook een extra soort gat dat wordt veroorzaakt door het instorten van kleine gaatjes bij laserlassen.

Hot crack-probleem. Aluminiumlegering is een typische legering van het eutectische type die gevoelig is voor heetscheuren tijdens het lassen, inclusief laskristallisatiescheuren en HAZ-vloeibaarmakingsscheuren. Als gevolg van de segregatie van componenten in de laszone treedt eutectische segregatie op en treedt het smelten van de korrelgrenzen op. Onder spanningsomstandigheden vormen zich liquefactiescheuren aan de korrelgrenzen, waardoor de prestaties van de lasverbinding afnemen.

Explosieprobleem (ook wel spatten genoemd). Er zijn veel factoren die explosies kunnen veroorzaken, zoals de reinheid van het materiaal, de zuiverheid van het materiaal zelf en de eigenschappen van het materiaal zelf. Het doorslaggevende gebruik is de stabiliteit van de laser. Oppervlakte-uitsteeksels, poriën en interne belletjes op de schaal. De belangrijkste reden is dat de diameter van de vezelkern te klein is of dat de laserenergie te hoog is ingesteld. Het is niet zo dat sommige leveranciers van laserapparatuur beweren dat hoe beter de straalkwaliteit, hoe beter het laseffect. Een goede straalkwaliteit is geschikt voor overlay-lassen met een grotere indringdiepte. Het vinden van geschikte procesparameters is de sleutel tot het oplossen van problemen.

Andere moeilijkheden

Het lassen van pooloren met zacht pakket vereist hoge eisen aan de lasbevestiging, en het pooloor moet stevig worden aangedrukt om de lasspeling te garanderen. Het kan hogesnelheidslassen van complexe trajecten zoals S-vormig en spiraalvormig bereiken, waardoor het verbindingsoppervlak van de las wordt vergroot en de lassterkte wordt versterkt.

Het lassen van cilindrische batterijcellen is belangrijk voor het lassen van de positieve elektrode. Door de dunne schil van de negatieve elektrode is deze uiterst eenvoudig door te lassen. Momenteel gebruiken sommige fabrikanten het lasvrije proces met negatieve elektrodes, terwijl de positieve elektrode laserlassen gebruikt.

Bij het lassen van vierkante batterijcombinaties is de pool of het verbindingsstuk vervuild en dik. Bij het lassen van het verbindingsstuk ontleden de verontreinigende stoffen, waardoor gemakkelijk lasexplosies kunnen ontstaan ​​en gaten kunnen ontstaan; Batterijen met dunne polen en plastic of keramische structurele componenten eronder zijn gevoelig voor doorlassen. Wanneer de paal klein is, kan het laswerk ook gemakkelijk afwijken en plastische schade veroorzaken, waardoor explosieve punten ontstaan. Gebruik geen meerlaagse connectoren, omdat er poriën tussen de lagen zitten, waardoor het moeilijk is om stevig te solderen.

Het belangrijkste proces bij het lasproces van vierkante batterijen is de verpakking van de schaalafdekking, die volgens verschillende posities is verdeeld in lassen van de bovenkap en de onderkap. Sommige batterijfabrikanten gebruiken dieptrektechnologie om batterijbehuizingen te vervaardigen vanwege het kleine volume van de batterijen die ze produceren, waarvoor alleen het lassen van de bovenklep nodig is.

Vierkant lasmonster met lithiumbatterij aan de zijkant

De lasmethoden voor vierkante batterijen zijn hoofdzakelijk onderverdeeld in zijlassen en bovenlassen. Het belangrijke voordeel van zijlassen is dat het minder impact heeft op de binnenkant van de batterijcel en dat spatten niet gemakkelijk in de binnenkant van de schaalafdekking terechtkomen. Vanwege de mogelijkheid van uitsteeksels na het lassen, die een kleine impact kunnen hebben op het daaropvolgende montageproces, vereist het zijlasproces een extreem hoge stabiliteit van de laser en zuiverheid van het materiaal. Het toplasproces stelt, vanwege het lassen op één oppervlak, relatief lage eisen aan de integratie van lasapparatuur en eenvoudige massaproductie. Er zijn echter ook twee nadelen. Ten eerste kan er tijdens het lassen een kleine hoeveelheid spatten in de batterijcel terechtkomen, en ten tweede kunnen hoge verwerkingseisen voor het voorste gedeelte van de schaal tot kostenproblemen leiden.

5. Factoren die de laskwaliteit beïnvloeden

Laserlassen is momenteel een belangrijke methode die ten zeerste wordt aanbevolen voor high-end batterijlassen. Laserlassen is het proces van laserstraling met hoge energie op een werkstuk, waardoor de werktemperatuur sterk stijgt, waardoor het werkstuk smelt en opnieuw wordt verbonden om een ​​permanente verbinding te vormen. Laserlassen heeft een goede schuifsterkte en scheurweerstand. De kwaliteitsevaluatiecriteria voor batterijlassen omvatten geleidbaarheid, sterkte, luchtdichtheid, metaalmoeheid en corrosieweerstand.

Er zijn veel factoren die de kwaliteit van laserlassen beïnvloeden. Sommigen van hen zijn zeer volatiel en kennen een aanzienlijke instabiliteit. Hoe u deze parameters correct kunt instellen en controleren, zodat ze tijdens het hogesnelheids- en continue laserlasproces binnen een geschikt bereik kunnen worden geregeld, om de laskwaliteit te garanderen. De betrouwbaarheid en stabiliteit van lasvorming zijn belangrijke kwesties die verband houden met de bruikbaarheid en industrialisatie van laserlastechnologie. De belangrijke factoren die de kwaliteit van laserlassen beïnvloeden, zijn onder meer lasapparatuur, de toestand van het werkstuk en procesparameters.

1) Lasapparatuur

De belangrijkste kwaliteitseisen voor lasers zijn straalmodus, uitgangsvermogen en stabiliteit. De straalmodus is een belangrijke indicator voor de straalkwaliteit. Hoe lager de volgorde van de straalmodus, hoe beter de straalfocussering, hoe kleiner de vlek, hoe hoger de vermogensdichtheid bij hetzelfde laservermogen en hoe groter de diepte en breedte van de lasnaad. Over het algemeen is een basismodus (TEM00) of een lagere modus vereist, anders is het moeilijk om aan de eisen van hoogwaardig laserlassen te voldoen. Op dit moment worden huishoudelijke lasers nog steeds geconfronteerd met bepaalde problemen op het gebied van de straalkwaliteit en de stabiliteit van het uitgangsvermogen bij laserlassen. Vanuit het perspectief van buitenlandse situaties zijn de straalkwaliteit en de stabiliteit van het uitgangsvermogen van lasers al behoorlijk hoog en zullen deze geen probleem worden bij laserlassen. De belangrijkste factor die de laskwaliteit in optische systemen beïnvloedt, is de focusseringslens, die doorgaans een brandpuntsafstand gebruikt tussen 127 mm (5 inch) en 200 mm (7,9 inch). Een kleine brandpuntsafstand is gunstig voor het verkleinen van de taillepuntdiameter van de gefocusseerde straal, maar een te kleine brandpuntsafstand kan gemakkelijk leiden tot vervuiling en spatschade tijdens het lasproces.

Hoe korter de golflengte, hoe hoger de absorptiesnelheid; Over het algemeen hebben materialen met een goede geleidbaarheid een hoge reflectiviteit. Voor YAG-lasers is de reflectiviteit van zilver 96%, aluminium 92%, koper 90% en ijzer 60%. Hoe hoger de temperatuur, hoe hoger de absorptiesnelheid, wat een lineair verband laat zien; Over het algemeen kan oppervlaktecoating met fosfaat, roet, grafiet, enz. de absorptiesnelheid verbeteren.

2) Staat van het werkstuk

Laserlassen vereist de verwerking van de randen van het werkstuk, met een hoge montagenauwkeurigheid, strikte uitlijning tussen de punt en de lasnaad, en de oorspronkelijke montagenauwkeurigheid en puntuitlijning van het werkstuk kunnen niet veranderen als gevolg van thermische lasvervorming tijdens het lasproces. Dit komt doordat de laserspot klein is en de lasnaad smal. Over het algemeen wordt er geen vulmetaal toegevoegd. Als het geheel niet strak zit en de opening te groot is, kan de balk door de opening gaan en kan het basismateriaal niet smelten of duidelijke ondersnijding of inzinking veroorzaken. Als de afwijking tussen de plek en de naad enigszins groot is, kan dit onvolledige versmelting of onvolledig laswerk veroorzaken. Daarom mag de opening tussen de koppeling en montage van het algemene bord en de afwijking van de spotuitlijning niet groter zijn dan {{0}}.1 mm, en de verkeerde uitlijning mag niet groter zijn dan 0,2 mm. In de daadwerkelijke productie kan laserlastechnologie soms niet worden gebruikt omdat niet aan deze eisen kan worden voldaan. Om goede lasresultaten te bereiken, moet de toegestane opening voor aankoppelen en overlap binnen 10% van de dikte van de dunne plaat worden gehouden.

Succesvol laserlassen vereist nauw contact tussen het gelaste substraat. Dit vereist een zorgvuldige aanscherping van de onderdelen om een ​​optimaal resultaat te bereiken. En dit is moeilijk goed uit te voeren op dunne substraten van het pooloor, omdat het gevoelig is voor verkeerde uitlijning door buigen, vooral wanneer het pooloor is ingebed in grote batterijmodules of -componenten.

3) Lasparameters

1) De belangrijkste factor die de lasparameters van de laserlasmodus en stabiele lasvorming beïnvloedt, is de vermogensdichtheid van de laserpunt. De impact ervan op de lasmodus en de stabiliteit van de lasvorming is als volgt: naarmate de vermogensdichtheid van de laservlek toeneemt, wordt het stabiel lassen met thermische geleidbaarheid, modusonstabiel lassen en stabiel dieppenetratielassen.

De vermogensdichtheid van de laservlek wordt bepaald door het laservermogen en de positie van de straalfocus, gegeven een bepaalde straalmodus en brandpuntsafstand van de focusseerspiegel. De laservermogensdichtheid is recht evenredig met het laservermogen. De invloed van de focuspositie heeft een optimale waarde; Wanneer het brandpunt van de straal zich op een bepaalde positie onder het oppervlak van het werkstuk bevindt (binnen het bereik van 1-2mm, afhankelijk van de plaatdikte en parameters), kan de meest ideale lasnaad worden verkregen. Afwijken van deze optimale focuspositie zal de oppervlaktevlek van het werkstuk vergroten, waardoor de vermogensdichtheid afneemt. Binnen een bepaald bereik zal dit een verandering in de vorm van het lasproces veroorzaken.

De invloed van de lassnelheid op de vorm en stabiliteit van het lasproces is niet zo groot als die van het laservermogen en de focuspositie. Alleen wanneer de lassnelheid te hoog is, ontstaat het onvermogen om een ​​stabiel lasproces met diepe penetratie te handhaven vanwege de lage warmte-inbreng. Tijdens het daadwerkelijke lassen moet stabiel lassen met diepe penetratie of stabiel lassen met thermische geleidbaarheid worden geselecteerd op basis van de vereisten van de las voor penetratiediepte, en lassen in onstabiele modus moet absoluut worden voorkomen.

(2) In het bereik van lassen met diepe penetratie, de invloed van lasparameters op de penetratiediepte: binnen een stabiel lasbereik met diepe penetratie geldt: hoe hoger het laservermogen, hoe groter de penetratiediepte, met een relatie van ongeveer 0 .7 vermogen; Hoe hoger de lassnelheid, hoe ondieper de indringdiepte. Wanneer de focus zich op de optimale positie bevindt onder bepaalde omstandigheden van laservermogen en lassnelheid, wordt de maximale penetratiediepte bereikt. Als het van deze positie afwijkt, neemt de indringdiepte af en wordt het zelfs onstabiel of stabiel thermisch geleidend lassen.

(3) De impact van beschermend gas, waarvan het belangrijke gebruik is om het werkstuk te beschermen tegen oxidatie tijdens het lasproces; Bescherm de focusseerlens tegen vervuiling door metaaldamp en opspattende vloeistofdruppels; Verspreid het plasma dat wordt gegenereerd door laserlassen met hoog vermogen; Koel het werkstuk af en verklein de door hitte beïnvloede zone.

Het beschermende gas is meestal argon of helium, en stikstof kan ook worden gebruikt voor mensen met lage eisen aan de schijnbare kwaliteit. Hun neiging om plasma te produceren is aanzienlijk verschillend: heliumgas heeft, vanwege zijn hoge ionisatielading en snelle thermische geleidbaarheid, een kleinere neiging om plasma te produceren dan argongas onder dezelfde omstandigheden, waardoor een grotere smeltdiepte wordt verkregen. Binnen een bepaald bereik, naarmate de stroomsnelheid van het beschermende gas toeneemt, neemt de neiging om plasma te onderdrukken toe, wat resulteert in een toename van de smeltdiepte. Wanneer het echter een bepaald bereik bereikt, heeft het de neiging zich te stabiliseren.

(4) Analyse van elke parameter monitoren: van de vier lasparameters zijn de lassnelheid en de stroomsnelheid van het beschermgas eenvoudig te controleren en stabiel te houden, terwijl het laservermogen en de focuspositie parameters zijn die tijdens het lasproces kunnen fluctueren en moeilijk te controleren zijn . Hoewel het laservermogen van de laser een hoge stabiliteit heeft en gemakkelijk te controleren is, zal het laservermogen dat het werkstuk bereikt veranderen als gevolg van het wegvallen van geleidings- en focussystemen. Dit verlies houdt verband met de kwaliteit, onderhoudstijd en oppervlaktevervuiling van het optische werkstuk, waardoor het moeilijk te controleren is en een onzekere factor wordt in de laskwaliteit. De focuspositie van de straal is een van de lasparameters die een aanzienlijke invloed heeft op de laskwaliteit en die het moeilijkst te controleren en te controleren is. Momenteel is het bij de productie noodzakelijk om te vertrouwen op handmatige aanpassingen en herhaalde procesexperimenten om de juiste focuspuntpositie te bepalen om de gewenste penetratiediepte te bereiken. Tijdens het lasproces kan de focuspositie echter veranderen als gevolg van vervorming van het werkstuk, thermisch lenseffect of multidimensionaal lassen van ruimtelijke curven en het toegestane bereik overschrijden.

Wat de twee bovengenoemde situaties betreft, moeten enerzijds hoogwaardige en stabiele optische componenten worden gebruikt en regelmatig worden onderhouden om vervuiling te voorkomen en de netheid te behouden; Aan de andere kant is het nodig om realtime monitoring- en controlemethoden voor laserlasprocessen te ontwikkelen, om parameters te optimaliseren, veranderingen in laservermogen en focuspositie te monitoren die het werkstuk bereiken, gesloten-luscontrole te bereiken en de betrouwbaarheid te verbeteren. en stabiliteit van de laserlaskwaliteit.

Ten slotte moet worden opgemerkt dat laserlassen een smeltproces is. Dit betekent dat de twee substraten zullen smelten tijdens het laserlasproces. Dit proces is snel, waardoor de totale warmte-inbreng laag is. Maar omdat dit een smeltproces is, kunnen er broze intermetallische verbindingen met hoge weerstand ontstaan ​​bij het lassen van verschillende materialen. De combinatie van aluminiumkoper is bijzonder gevoelig voor de vorming van intermetaalverbindingen. Er is aangetoond dat deze verbindingen negatieve effecten hebben op de elektrische eigenschappen op korte termijn en op de mechanische eigenschappen op lange termijn van splitsingen van micro-elektronische apparaten. De impact van deze intermetaalverbindingen op de langetermijnprestaties van lithium-ionbatterijen is nog steeds onzeker.