发布日期:2020/12/09 浏览量:1843
新能源锂电池激光焊接工艺难点
目前,铝合金材料的电池壳占整个发展动力汽车电池的90% 以上。其焊接的难点主要在于铝合金对激光的反射率极高, 焊接工作过程中产生气孔敏感性高, 焊接时不可为了避免地会出现对于一些社会问题存在缺陷,其中一个最主要的是气孔、热裂纹和炸火。
铝合金的激光焊接工作过程中我们容易导致产生气孔,主要有以下两类:氢气孔和气泡破灭产生的气孔。由于中国激光焊接的冷却速度发展太快,氢气孔问题可以更加具有严重,并且在激光焊接中还多了一类企业由于小孔的塌陷而产生的孔洞。
热裂纹发展问题。铝合金材料属于一个典型的共晶型合金,焊接时容易导致出现热裂纹,包括通过焊缝进行结晶裂纹和HAZ 液化裂纹,由于不同焊缝区成分偏析会发生共晶偏析而出现晶界熔化,在应力影响作用下会在晶界处形成中国液化裂纹,降低企业焊接连接接头的性能。
炸火(也称飞溅)问题。引起炸火的因素导致很多,如材料的清洁度、材料技术本身的纯度、材料进行自身的特性等,而起决定性影响作用的则是激光器的稳定性。壳体表面凸起、气孔、内部控制气泡。究其主要原因,主要是由于光纤芯径过小或者使用激光能量可以设置过高所致。并不是我们一些研究激光设备服务提供商宣传的“光束质量越来越好,焊接工作效果越优秀”,好的光束质量适合于熔深较大的叠加焊接。寻找一个合适的工艺设计参数才是有效解决这些问题的致胜法宝。
其他难点
软包极耳焊接,对焊接工装设计要求具有较高,必须将极耳压牢,保证企业焊接间隙。可实现S形、螺旋形等复杂发展轨迹的高速焊接,增大焊缝结合建筑面积的同时通过加强对于焊接结构强度。
筒形芯焊主要用于正极焊接,因为壳体的负极部分很薄,极易焊透。如目前一些厂家采用的是负非焊接工艺,正极为激光焊接。
方形动力电池进行组合可以焊接时,极柱或连接片受污染厚,焊接技术连接记录片时,污染物通过分解,易形成一个焊接炸点,造成这些孔洞;极柱较薄、下有不同塑料或陶瓷材料结构件的电池,容易焊穿。极柱较小时,也容易焊偏至塑料烧损,形成爆点。不要因为使用一种多层连接片,层之间有孔隙,不易焊牢。
方型电池的焊接工艺最重要的工序是壳盖的封装,根据位置的不同分为顶盖和底盖的焊接。有些电池厂家由于生产的电池体积不大,采用了“拉深”工艺制造电池壳,只需进行顶盖的焊接。
方形电池进行焊接工作方式方法主要可以分为侧焊和顶焊,其中侧焊的主要好处是对电芯内部的影响企业较小,飞溅物不会轻易进入壳盖内侧。由于我国焊接后可能会直接导致凸起,这对我们后续处理工艺的装配会有些微影响,因此侧焊工艺对激光器的稳定性、材料的洁净度等要求具有极高。而顶焊工艺技术由于焊接在一个面上,对焊接设备系统集成管理要求比较低,量产化简单,但是同时也有研究两个发展不利的地方,一是通过焊接可能会有少许飞溅进入电芯内,二是壳体前段加工能力要求高会导致公司成本控制问题。
焊接质量影响因素
激光焊接是目前高端电池的主要焊接方法。激光焊接是利用高能激光束照射工件,使其工作温度急剧上升,工件熔化并重新连接形成永久连接的过程。激光焊接的剪切强度和撕裂强度较好。电池焊接的电导率、强度、气密性、金属疲劳和耐腐蚀性是典型的焊接质量评价标准。
影响进行激光焊接工作质量的因素导致很多。其中存在一些极易波动,具有一个相当的不稳定性。如何选择正确设定和控制管理这些数据参数,使其在高速发展连续的激光焊接生产过程中需要控制在合适的范围内,以保证焊接产品质量。焊缝成形的可靠性和稳定性,是关系到激光焊接技术实用化、产业化的重要研究问题。影响激光焊接质量的主要经济因素分焊接设备,工件状况和工艺设计参数三方面。
一是对激光焊接设备的质量要求主要是光束模式、输出功率及其稳定性。光束模式是衡量光束质量的主要指标。在相同激光功率下,光束模式阶次越低,聚焦性能越好,聚焦光斑越小,功率密度越高,焊缝深度和宽度越大。基模(tem00)或低阶模的一般要求,否则难以满足高质量激光焊接的要求。目前,国产激光器在光束质量和功率输出稳定性方面难以应用于激光焊接。从国外来看,激光束质量和输出功率的稳定性已经相当高,不会成为激光焊接的难题。影响光学系统焊接质量的最主要因素是聚焦透镜,聚焦透镜通常使用在127mm (5英寸)和200mm (7.9英寸)之间,但是聚焦透镜太小,在焊接过程中容易被污染和飞溅损伤。
波长越来越短,吸收率影响越高;一般具有导电性好的材料,反射率都很高,对于YAG激光技术来说,银的反射率是96%,铝是92%,铜90%,铁60%。温度水平越高,吸收率越来越越高,呈线性相关关系;一般通过表面涂磷酸盐、炭黑、石墨等可以有效提高课堂吸收率。
第二是工件状况
激光焊接要求对工件的边缘进行加工,装配有很高的精度,光斑与焊缝严格对中,而且工件原始装配精度和光斑对中情况在焊接过程中不能因焊接热变形而变化。这是因为激光光斑小,焊缝窄,一般不加填充金属,如装配不严间隙过大,光束能穿过间隙不能熔化母材,或者引起明显的咬边、凹陷,如光斑对缝的偏差稍大就有可能造成未熔合或未焊透。所以,一般板材对接装配间隙和光斑对缝偏差均不应大于0.1mm,错边不应大于0.2mm。实际生产中,有时因不能满足这些要求,而无法采用激光焊接技术。要获得良好的焊接效果,对接允许间隙和搭接间隙要控制在薄板厚的10%以内。
成功的激光进行焊接技术要求被焊基材之间存在紧密接触。这需要我们仔细紧固零件,以取得一个最佳教学效果。而这在纤薄的极耳基材上很难发展做好,因为它容易产生弯曲失准,特别是在极耳嵌入大型电池管理模块或组件的情况下。
第三是焊接参数
激光光斑的功率密度是影响激光焊接方式和焊缝稳定性的最重要参数,对焊接方式和焊缝成形稳定性的影响如下: 随着激光光斑功率密度的增大,焊接热传导稳定、模式不稳定和深熔焊接稳定。激光光斑的功率密度主要取决于光束模式和聚焦透镜焦距固定时激光光束的功率和聚焦点。激光功率密度与激光功率成正比。当光束聚焦在一定位置(1ー2mm,取决于板材的厚度和参数)时,可以得到最佳的焊缝。偏离这一最佳聚焦位置,工件表面光斑会变大,导致功率密度变小,在一定程度上会导致焊接过程形态的变化。
焊接速度对焊接工作过程主要形式和稳定件的影响自己不如激光功率和焦点位置那样一个显著,只有通过焊接速度太大时,由于热输入过小而出现问题无法进行维持社会稳定深熔焊过程的情况。实际焊接时,应根据焊件对熔深的要求我们选择企业稳定深熔焊或稳定热导焊,而要绝对可以避免管理模式不稳定焊。
在深熔焊范围内,焊接技术参数对熔深的影响:在稳定深熔焊范围内,激光输出功率水平越高,熔深越大,约为0.7次方的关系;而焊接速变越高,熔深越浅。在一定激光功率和焊接发展速度不同条件下焦点企业处于一个最佳工作位置时熔深最大,偏离我们这个重要位置,熔深则下降,甚至可以变为教学模式存在不稳定焊接或稳定热导焊。
保护环境气体的影响,保护工作气体的主要作用是进行保护以及工件在焊接发展过程中可以免受氧化;保护问题聚焦透镜免受金属蒸汽污染和液体熔滴的溅射;驱散高功率控制激光焊接质量产生的等离子;冷却工件,减小热影响区。
保护气体通常是氩气或氦气,或氮气,如果不要求外观质量。它们产生等离子体的倾向明显不同: 由于氦气的高电离质量和快速热传导,在相同条件下产生等离子体的倾向低于氩气。在一定范围内,随着保护气体流量的增加,等离子体抑制趋势增强,渗透增加,但增加到一定范围后趋于稳定。
各参数的可监控性分析:在四种焊接技术参数中,焊接发展速度和保护环境气体流量管理属于自己容易监控和保持社会稳定的参数,而激光功率和焦点位置信息则是焊接工作过程中存在可能没有发生经济波动而难于监控的参数。虽然从激光器输出的激光功率稳定性很高且容易监控,但由于有导光和聚焦网络系统的损耗,到达工件的激光功率会发生变化,而这种损耗与光学工件的质量、使用一些时间及表面污染问题情况制定有关,故不易监测,成为我国焊接产品质量的不确定风险因素。光束焦点位置是焊接参数中对焊接施工质量直接影响到了极大而又最难监测和控制的一个重要因素。目前企业在生产中需靠人工智能调节和反复工艺研究试验的方法可以确定选择合适的焦点位置,以获得一种理想的熔深。但在焊接生产过程中同时由于工件变形,热透镜效应或者学习空间关系曲线的多维焊接,焦点位置会发生变化而 可能超出允许的范围。
对于通过上述几种不同情况,一方面要采用高质量、高稳定性的光学元件,并经常进行维护,防止环境污染,保持清洁;另一重要方面可以要求企业发展中国激光焊接工作过程实时数据监测与控制研究方法,以优化设计参数,监视到 达工件的激光功率和焦点位置的变化,实现闭环管理控制,提高激光焊接质量的可靠件和稳定性。
最后, 要注意激光焊接是一个熔化过程。这意味着我们两个基底在激光焊接工作过程中会熔化。这一发展过程很快,因此企业整个热输入较低。但因为他们这是作为一个熔化过程,在焊接方法不同学习材料的时候就可能形成易碎的高电阻金属间化合物。铝-铜组合特别容易产生形成一种金属间化合物。这些化合物已证明中国对于我国微电子设备搭接头的短期电气安全性能和长期机械产品性能有负面因素影响。这些研究金属间化合物对于锂电池长期稳定性能的影响机制尚不确定。