Introduktion til svejsemetoder og -processer for power lithium-ion batterier

Det rimelige udvalg af svejsemetoder og -processer i fremstillingsprocessen af ​​power lithium-batterier vil direkte påvirke omkostningerne, kvaliteten, sikkerheden og konsistensen af ​​batteriet. Lad os derefter organisere indholdet om svejsning af power lithium-batterier.

1. Principper for lasersvejsning

Lasersvejsning udnytter laserstrålernes fremragende retningsevne og høje effekttæthed til at fungere. Gennem et optisk system fokuseres laserstrålen på et meget lille område, og danner et stærkt koncentreret varmekildeområde ved svejsefugen på meget kort tid, hvorved det svejsede objekt smelter og danner en solid loddesamling og svejsesøm.

2. Lasersvejsningstype

Varmeledningssvejsning og dyb penetrationssvejsning

Laser varmeledningssvejsning er dannet med en lasereffekttæthed på 105-106w/cm2, og laser dyb penetrationssvejsning dannes med en lasereffekttæthed på 105-106w/cm2

Penetreringssvejsning og sømsvejsning

Penetreringssvejsning, forbindelsesstykker kræver ikke stansning, og behandlingen er relativt enkel. Penetreringssvejsning kræver en lasersvejsemaskine med høj effekt. Indtrængningsdybden af ​​penetrationssvejsning er lavere end sømsvejsning, og dens pålidelighed er relativt dårlig.

Sammenlignet med penetreringssvejsning kræver sømsvejsning kun en mindre kraft lasersvejsemaskine. Indtrængningsdybden af ​​sømsvejsning er højere end penetrationssvejsning, og dens pålidelighed er relativt god. Men forbindelsesstykket skal udstanses, hvilket gør behandlingen relativt vanskelig.

Puls laser svejseprøver

Kontinuerlig lasersvejsning af prøver

Ved svejsning af power-lithium-batterier vil svejseprocesteknikere vælge passende laser- og svejseprocesparametre baseret på kundens batterimateriale, form, tykkelse, krav til trækstyrke osv., herunder svejsehastighed, bølgeform, spidsværdi og hældningsvinkel for svejsehoved, for at indstille rimelige svejseprocesparametre for at sikre, at den endelige svejseeffekt opfylder kravene fra producenten af ​​strømlithiumbatterier.

Koncentreret energi, høj svejseeffektivitet, høj bearbejdningsnøjagtighed og stort forhold mellem svejsedybde og bredde. Laserstrålen er let at fokusere, justere og blive styret af optiske instrumenter. Den kan placeres i passende afstand fra emnet og kan føres mellem inventar eller forhindringer rundt om emnet. Andre svejsemetoder kan ikke udnyttes fuldt ud på grund af de førnævnte rumlige begrænsninger.

Lille varmetilførsel, lille varmepåvirket zone og lille resterende spænding og deformation af emnet; Svejseenergi kan kontrolleres præcist, svejseeffekten er stabil, og svejseudseendet er godt;

Berøringsfri svejsning, fiberoptisk transmission, god tilgængelighed og høj grad af automatisering. Ved svejsning af tynde eller fine tråde er der ingen problemer med reflow som buesvejsning. Battericellerne, der bruges til power lithium-batterier, er på grund af deres letvægtsprincip normalt lavet af lettere aluminiumsmateriale og tyndere. Generelt kræves det, at skallen, dækslet og bunden er under 1,0mm, og almindelige producenter har i øjeblikket en grundlæggende materialetykkelse på omkring 0,8 mm.

Vanskeligheder i lasersvejseprocessen

På nuværende tidspunkt tegner batteriskaller af aluminiumslegering sig for mere end 90% af hele strømlithiumbatteriet. Vanskeligheden ved dens svejsning ligger i den ekstremt høje reflektionsevne af aluminiumslegering til laser, høj følsomhed af gasporer under svejseprocessen og uundgåelig forekomst af nogle problemer og defekter under svejsning, blandt hvilke de vigtigste er gasporer, varme revner, og eksplosion.

Under lasersvejseprocessen af ​​aluminiumslegering er der to vigtige typer porer, der er tilbøjelige til at forekomme: brintporer og porer forårsaget af sprængning af bobler. På grund af den hurtige afkølingshastighed ved lasersvejsning er problemet med brintporer mere alvorligt, og der er også en ekstra type hul forårsaget af sammenbrud af små huller i lasersvejsning.

Hot crack problem. Aluminiumslegering er en typisk eutektisk type legering, der er tilbøjelig til at varme revner under svejsning, herunder svejsekrystallisationsrevner og HAZ-likvefaktionsrevner. På grund af komponentadskillelse i svejsezonen opstår der eutektisk adskillelse og korngrænsesmeltning. Under stressforhold dannes der flydende revner ved korngrænserne, hvilket reducerer ydeevnen af ​​den svejste samling.

Eksplosionsproblem (også kendt som sprøjt). Der er mange faktorer, der kan forårsage eksplosioner, såsom materialets renhed, selve materialets renhed og materialets egenskaber. Den afgørende anvendelse er laserens stabilitet. Overfladefremspring, porer og indre bobler på skallen. Hovedårsagen er, at fiberkernens diameter er for lille, eller laserenergien er indstillet for højt. Det er ikke sådan, at nogle leverandører af laserudstyr hævder, at jo bedre strålekvalitet, jo bedre svejseeffekt. God strålekvalitet er velegnet til overlejringssvejsning med større indtrængningsdybde. At finde passende procesparametre er nøglen til at løse problemer.

Andre vanskeligheder

Svejsning af bløde stangører kræver høje krav til svejsebeslag, og stangøret skal presses fast for at sikre svejseafstand. Det kan opnå højhastighedssvejsning af komplekse baner såsom S-formede og spiralformede, hvilket øger svejsningens samlingsareal og styrker svejsestyrken.

Svejsningen af ​​cylindriske battericeller er vigtig for svejsningen af ​​den positive elektrode. På grund af den negative elektrodes tynde skal er den ekstrem nem at svejse igennem. I øjeblikket bruger nogle producenter den negative elektrode svejsefri proces, mens den positive elektrode bruger lasersvejsning.

Ved svejsning af firkantede batterikombinationer er polen eller forbindelsesstykket forurenet og tykt. Ved svejsning af forbindelsesstykket nedbrydes de forurenende stoffer, hvilket let kan danne svejseeksplosionspunkter og forårsage huller; Batterier med tynde poler og plastik eller keramiske strukturelle komponenter nedenunder er tilbøjelige til at svejse igennem. Når stangen er lille, er det også let for svejsningen at afvige og forårsage plastiske skader, der danner eksplosive punkter. Brug ikke flerlagsstik, da der er porer mellem lagene, hvilket gør det vanskeligt at lodde fast.

Den vigtigste proces i svejseprocessen af ​​firkantede batterier er emballagen af ​​skaldækslet, som er opdelt i topdæksel og bunddæksel svejsning i henhold til forskellige positioner. Nogle batteriproducenter bruger dybtræksteknologi til at fremstille batterikasser på grund af den lille volumen af ​​de batterier, de producerer, hvilket kun kræver svejsning af topdækslet.

Square power lithium batteri side svejseprøve

Svejsemetoderne til firkantede batterier er hovedsageligt opdelt i sidesvejsning og topsvejsning. Den vigtige fordel ved sidesvejsning er, at det har mindre indvirkning på det indre af battericellen, og stænk vil ikke let trænge ind på indersiden af ​​kappen. På grund af muligheden for fremspring efter svejsning, som kan have en lille indvirkning på den efterfølgende montageproces, kræver sidesvejseprocessen ekstrem høj stabilitet af laseren og renhed af materialet. Topsvejseprocessen, på grund af svejsning på én overflade, har relativt lave krav til integration af svejseudstyr og simpel masseproduktion. Der er dog også to ulemper. For det første kan der komme en lille mængde sprøjt ind i battericellen under svejsning, og for det andet kan høje forarbejdningskrav til den forreste del af skallen føre til omkostningsproblemer.

5. Faktorer, der påvirker svejsekvaliteten

Lasersvejsning er i øjeblikket en vigtig metode, der stærkt anbefales til high-end batterisvejsning. Lasersvejsning er processen med højenergilaserbestråling på et emne, hvilket forårsager en kraftig stigning i arbejdstemperaturen, smeltning og genforbindelse af emnet for at danne en permanent forbindelse. Lasersvejsning har god forskydningsstyrke og rivemodstand. Kvalitetsevalueringskriterierne for batterisvejsning omfatter ledningsevne, styrke, lufttæthed, metaltræthed og korrosionsbestandighed.

Der er mange faktorer, der påvirker kvaliteten af ​​lasersvejsning. Nogle af dem er meget flygtige og har betydelig ustabilitet. Sådan indstilles og kontrolleres disse parametre korrekt, så de kan kontrolleres inden for et passende område under højhastigheds- og kontinuerlig lasersvejseproces for at sikre svejsekvaliteten. Pålideligheden og stabiliteten af ​​svejsedannelse er vigtige spørgsmål relateret til den praktiske og industrialisering af lasersvejseteknologi. De vigtige faktorer, der påvirker kvaliteten af ​​lasersvejsning, omfatter svejseudstyr, emnets tilstand og procesparametre.

1) Svejseudstyr

De vigtigste kvalitetskrav til lasere er stråletilstand, udgangseffekt og stabilitet. Stråletilstanden er en vigtig indikator for strålekvaliteten. Jo lavere rækkefølgen af ​​stråletilstanden er, jo bedre er strålefokuseringsydelsen, jo mindre punkt, jo højere effekttæthed under den samme lasereffekt, og jo større er dybden og bredden af ​​svejsesømmen. Generelt kræves en basistilstand (TEM00) eller lavere ordenstilstand, ellers er det vanskeligt at opfylde kravene til lasersvejsning af høj kvalitet. På nuværende tidspunkt står indenlandske lasere stadig over for visse vanskeligheder med hensyn til strålekvalitet og udgangsstabilitet til lasersvejsning. Set fra udenlandske situationer er strålekvaliteten og udgangseffektstabiliteten af ​​lasere allerede ret høje og vil ikke blive et problem ved lasersvejsning. Den væsentligste faktor, der påvirker svejsekvaliteten i optiske systemer, er fokuslinsen, som typisk bruger en brændvidde mellem 127 mm (5 tommer) og 200 mm (7,9 tommer). En lille brændvidde er gavnlig til at reducere taljepunktets diameter på den fokuserede stråle, men at være for lille kan let føre til forurening og sprøjteskader under svejseprocessen.

Jo kortere bølgelængden er, jo højere er absorptionshastigheden; Generelt har materialer med god ledningsevne en høj reflektionsevne. For YAG-lasere er reflektiviteten af ​​sølv 96 %, aluminium er 92 %, kobber er 90 %, og jern er 60 %. Jo højere temperatur, jo højere er absorptionshastigheden, hvilket viser en lineær sammenhæng; Generelt kan overfladebelægning med fosfat, kønrøg, grafit osv. forbedre absorptionshastigheden.

2) Emnets tilstand

Lasersvejsning kræver bearbejdning af emnets kanter med høj monteringsnøjagtighed, streng justering mellem pletten og svejsesømmen, og den oprindelige samlingsnøjagtighed og punktjustering af emnet kan ikke ændres på grund af svejsetermisk deformation under svejseprocessen. Dette skyldes, at laserpletten er lille, og svejsesømmen er smal. Generelt tilsættes intet fyldmetal. Hvis samlingen ikke er stram, og spalten er for stor, kan bjælken passere gennem spalten og kan ikke smelte basismaterialet eller forårsage tydelig underskæring eller fordybning. Hvis afvigelsen mellem stedet og sømmen er lidt stor, kan det forårsage ufuldstændig sammensmeltning eller ufuldstændig svejsning. Derfor bør afstanden mellem docking og samling af det generelle bord og afvigelsen af ​​spotjusteringen ikke overstige {{0}}.1 mm, og fejljusteringen bør ikke overstige 0.2 mm. I den faktiske produktion kan lasersvejseteknologi nogle gange ikke bruges på grund af manglende evne til at opfylde disse krav. For at opnå gode svejseresultater bør det tilladte mellemrum for docking og overlapning kontrolleres inden for 10 % af tykkelsen af ​​den tynde plade.

Vellykket lasersvejsning kræver tæt kontakt mellem det svejsede underlag. Dette kræver omhyggelig tilspænding af delene for at opnå optimale resultater. Og dette er svært at gøre godt på tynde polære øresubstrater, fordi det er tilbøjeligt til at bøje forkert justering, især når det polære øre er indlejret i store batterimoduler eller komponenter.

3) Svejseparametre

1) Den vigtigste faktor, der påvirker svejseparametrene for lasersvejsetilstand og stabil svejsedannelse, er laserpunktets effekttæthed. Dens indvirkning på svejsetilstanden og svejsedannelsesstabiliteten er som følger: Efterhånden som laserplettens effekttæthed øges, bliver den stabil termisk ledningsevnesvejsning, mode ustabil svejsning og stabil dyb penetrationssvejsning.

Laserpunktets effekttæthed bestemmes af lasereffekten og placeringen af ​​strålefokus, givet en bestemt stråletilstand og brændvidde af fokuseringsspejlet. Lasereffekttætheden er direkte proportional med lasereffekten. Påvirkningen af ​​fokusposition har en optimal værdi; Når strålens fokus er i en bestemt position under overfladen af ​​emnet (inden for området 1-2 mm, afhængigt af pladetykkelsen og parametrene), kan den mest ideelle svejsesøm opnås. Afvigelse fra denne optimale fokusposition vil øge overfladepletten på emnet, hvilket forårsager et fald i effekttæthed. Inden for et vist område vil det medføre en ændring i form af svejseprocessen.

Indflydelsen af ​​svejsehastighed på formen og stabiliteten af ​​svejseprocessen er ikke så væsentlig som laserkraften og fokuspositionen. Kun når svejsehastigheden er for høj, opstår manglende evne til at opretholde en stabil dyb penetration svejseproces på grund af lav varmetilførsel. Under faktisk svejsning bør stabil dyb penetration svejsning eller stabil termisk ledningsevne svejsning vælges baseret på svejsningens krav til penetrationsdybde, og ustabil modus svejsning bør absolut forhindres.

(2) Inden for området for dyb penetrationssvejsning, svejseparametrenes indflydelse på penetrationsdybden: inden for et stabilt dyb penetrationssvejseområde, jo højere lasereffekten er, jo større penetrationsdybden, med et forhold på ca. 0 .7 magt; Jo højere svejsehastigheden er, jo lavere er indtrængningsdybden. Når fokus er i den optimale position under bestemte lasereffekt- og svejsehastighedsforhold, opstår den maksimale indtrængningsdybde. Hvis den afviger fra denne position, falder indtrængningsdybden og bliver endda ustabil eller stabil termisk ledningsevne svejsning.

(3) Påvirkningen af ​​beskyttelsesgas, hvis vigtige anvendelse er at beskytte emnet mod oxidation under svejseprocessen; Beskyt fokuslinsen mod metaldampforurening og sprøjt af væskedråber; Disperger plasmaet, der genereres ved lasersvejsning med høj effekt; Afkøl emnet og reducer den varmepåvirkede zone.

Beskyttelsesgassen er normalt argon eller helium, og nitrogen kan også bruges til dem med lave krav til tilsyneladende kvalitet. Deres tendens til at producere plasma er væsentligt anderledes: Heliumgas har på grund af sin høje ioniseringsladning og hurtige termiske ledningsevne en mindre tendens til at producere plasma end argongas under de samme forhold og opnår dermed en større smeltedybde. Inden for et vist område, når strømningshastigheden af ​​beskyttelsesgas stiger, øges tendensen til at undertrykke plasma, hvilket resulterer i en stigning i smeltedybden. Men når det når et vist område, har det en tendens til at stabilisere sig.

(4) Overvågningsanalyse af hver parameter: Blandt de fire svejseparametre er svejsehastighed og beskyttelsesgasstrømningshastighed nemme at overvåge og opretholde stabilitet, mens lasereffekt og fokusposition er parametre, der kan svinge under svejseprocessen og er svære at overvåge . Selvom lasereffekten fra laseren har høj stabilitet og er nem at overvåge, vil lasereffekten, der når arbejdsemnet, ændres på grund af tab af styre- og fokuseringssystemer. Dette tab er relateret til kvaliteten, servicetiden og overfladeforurening af det optiske emne, hvilket gør det vanskeligt at overvåge og bliver en usikker faktor i svejsekvaliteten. Strålens fokusposition er et af de svejseparametre, der har en væsentlig indflydelse på svejsekvaliteten og er den sværeste at overvåge og kontrollere. På nuværende tidspunkt er det i produktionen nødvendigt at stole på manuel justering og gentagne proceseksperimenter for at bestemme den passende brændpunktsposition for at opnå den ønskede penetrationsdybde. Men under svejseprocessen, på grund af emnedeformation, termisk linseeffekt eller multidimensionel svejsning af rumlige kurver, kan fokuspositionen ændre sig og overskride det tilladte område.

Med hensyn til de to ovennævnte situationer bør på den ene side højkvalitets og stabile optiske komponenter anvendes og regelmæssigt vedligeholdes for at forhindre forurening og opretholde renlighed; På den anden side er det nødvendigt at udvikle realtidsovervågnings- og kontrolmetoder til lasersvejseprocesser for at optimere parametre, overvåge ændringer i lasereffekt og fokusposition, der når arbejdsemnet, opnå lukket sløjfekontrol og forbedre pålideligheden og stabilitet af lasersvejsekvalitet.

Endelig skal det bemærkes, at lasersvejsning er en smelteproces. Det betyder, at de to substrater vil smelte under lasersvejseprocessen. Denne proces er hurtig, så den samlede varmetilførsel er lav. Men fordi dette er en smelteproces, kan der dannes sprøde højmodstandsdygtige intermetalliske forbindelser ved svejsning af forskellige materialer. Aluminium kobber kombination er særligt tilbøjelig til at danne intermetalliske forbindelser. Disse forbindelser har vist sig at have negative virkninger på de kortsigtede elektriske og langsigtede mekaniske egenskaber af mikroelektroniske enhedssplejsninger. Virkningen af ​​disse intermetalliske forbindelser på den langsigtede ydeevne af lithium-ion-batterier er stadig usikker.