Lāzermetināšana salīdzinājumā ar punktmetināšanu: pilnīga akumulatoru savienojuma rokasgrāmata

Autors: Denijs Huangs, Ph.D.

TOB New Energy izpilddirektors un pētniecības un attīstības vadītājs

Sazinieties ar Dr. Huang vietnē LinkedIn

Kopsavilkums un galvenie ieteikumi

Akumulatora savienojuma metināšana ir saistīta ar diviem būtiski atšķirīgiem enerģijas avotiem. Pretestības punktmetināšana balstās uz kontakta pretestību un lielapjoma sildīšanu; tas darbojas uz plāniem, izturīgiem metāliem, piemēram, niķeļa. Šķiedru lāzermetināšana rada atslēgas caurumu, kas ignorē elektrovadītspēju un oksīda plēves, padarot to par vienīgo rūpnieciski dzīvotspējīgo procesu vara -uz-alumīnija kopnēm.

• Procesa spēja: Lāzer{0}}metinātie vara un alumīnija savienojumi pastāvīgi sasniedz 85–90 % no parastā metāla stiepes izturības, savukārt punktmetinātie ekvivalenti reti pārsniedz 65 % elektrodegradācijas un oksīdu ieslēgumu dēļ.
• Termiskā pēda: lāzera siltuma ietekmes zona paliek 300 µm robežās; punktmetinātājs piesūcina visu termināli, riskējot ar iekšējiem separatora bojājumiem lielas kapacitātes šūnās.
• Ražošanas stabilitāte: Punktmetināšanas elektrodi uz vara noārdās pēc 150–300 savienojumiem, liekot biežu apstrādāšanu un lūžņus. Lāzeroptikai ir nepieciešama minimāla apkope ik pēc vairākiem tūkstošiem metinājumu.
• Dizaina brīvība: Galvoskenēti lāzera stari bez fiziska spēka piekļūst šaurām vietām; punktmetināšanai ir nepieciešama divpusēja iespīlēšanas piekļuve, ko nevar nodrošināt daudzi moduļu izkārtojumi.

Katrs akumulatoru savienojuma inženieris galu galā apgūst vienu un to pašu fizikas stundu: elektriskā vadītspēja un metināmība ir apgriezti korelētas.

Varš un alumīnijs ir lielisks piemērs. Tie nodrošina strāvu ar minimāliem zaudējumiem,{1}}tādēļ tie veido kopnes un spailes. Bet šī pati augstā vadītspēja padara tos nežēlīgus pretestības punktmetināšanā. Novietojiet vara elektrodu pret vara mēlīti, iesūknējiet tūkstošiem ampēru, un elektriskais ceļš dod priekšroku elektroda sakausējumam, nevis sagatavei. Siltums uzkrājas tur, kur tam nevajadzētu. Elektrodi erodējas, tīrradņi saraujas un vilkšanas spēks sabrūk.

Lāzers to pilnībā apiet. Fokusētam staram nerūp kontakta pretestība. Enerģija savienojas tieši virsmā, izkausējot precīzu metāla kolonnu un sapludinot abas daļas. Tā nav mārketinga valoda. Tā ir atšķirība starp procesu, kas pasliktinās ar katru kadru, un tādu, kas saglabā nemainīgu izvadi desmitiem tūkstošu ciklu.

Termiskā problēma: kāpēc punktmetināšana apdraud šūnu integritāti?

Kad pretestības punktmetinātājs piespiežas uz prizmatiskas šūnas spailes un aizdegas, siltums netiek lokalizēts vēlamajā tīrradnī. Strāva izplatās pa visu termināla stabu, sildot to kā pretestības stieni. Laboratorijā veiktie termopāra mērījumi liecina, ka ķermeņa gala temperatūra var pārsniegt 200 grādus 30 milisekundēs pēc vara lielas strāvas impulsa.

Mazai cilindriskai šūnai ar ventilācijas vāciņu termiskā masa ir niecīga, un aktīvie slāņi atrodas tālu no spailes tapas. Bojājumi ir reti. Bet lielformāta prizmatiskajai vai maisiņu šūnai spaiļu tapa ir tieši metināta-vai pat izveidota kā iekšējās kolektora folijas pagarinājums-. Uzlieciet to pašu pretestības siltumu, un enerģija nonāk tieši želejas rullī. Atdalītājs, parasti polietilēna vai polipropilēna plēve, sāk sarukt un aizvērt poras aptuveni 130 grādu leņķī. Punktmetināšana apdraud ne tikai vāju savienojumu; tas riskē radīt lokālu iekšējo īssavienojumu, ko neviens veidošanās cikls neatklās.

Lāzermetināšana izmanto daudz mazāku kopējo enerģijas devu, kas mikrosekundēs tiek nogulsnēta mikroskopiskā laukumā. Apkārtējais termināla materiāls tik tikko uzsilst. Termopāris, kas novietots 2 mm attālumā no metināšanas baseina, parasti reģistrē kāpumu, kas ir mazāks par 20 grādiem. Aktīvais materiāls paliek drošībā. Tāpēc starptautiskie drošības standarti, piemēram, ANO 38.3, efektīvi nosaka zemas siltuma ievades procesus augstas enerģijas elementiem. Ne tāpēc, ka punktmetināšana ir aizliegta pēc nosaukuma, bet gan tāpēc, ka tā neatbilst netiešajam termiskajam ierobežojumam.

Materiāla barjera: varš, alumīnijs un oksīda āda

Divas īpašības padara pretestības punktmetināšanu ārkārtīgi sarežģītu parastajiem akumulatoru metāliem.

Pirmkārt, vara tilpuma pretestība ir pārāk zema. Lai izkausētu tīrradni, metinātājam ir jāģenerē pietiekami daudz lokālā siltuma pie apšuvuma virsmas. Tā kā vara loksne vada strāvu vieglāk nekā elektroda saskarne, nesamērīgi liela pretestības sildīšanas daļa notiek tieši pašā elektroda galā. Tas paātrina elektromigrāciju, kur vara atomi sakausē elektroda virsmā un vēl vairāk palielina tā pretestību. Process kļūst pašiznīcinošs. Atdalīšanas testa dati no tipiskas vara un vara punktmetināšanas rāda, ka stiprības variācijas koeficients pārsniedz 30 % jau pēc 100 šāvieniem.

Otrkārt, alumīnijam vienmēr ir keramiski ciets alumīnija oksīda slānis. Tā kušanas temperatūra ir aptuveni 2070 grādi, kas ir daudz augstāka par parastā metāla kušanas temperatūru 660 grādi. Punktmetināšana var nospiest alumīniju līdz izkusušajai temperatūrai, bet oksīda plēve bieži paliek daļēji neskarta, iesprostota tīrradņa iekšpusē. Rezultāts ir metinājums, kas pilns ar oksīdu ieslēgumiem, kas darbojas kā jau esošas plaisas. Kad modulis tiek pakļauts vibrācijai vai termiskajam ciklam, šīs plaisas izplatās gar tīrradņa robežu. Savienojums sabojājas pie slodzēm, kas ir daudz zemākas par pamatmetāla nominālvērtību.

Turpretim šķiedru lāzers uzreiz iztvaiko oksīda slāni. Atslēgas cauruma režīms aiztur staru kūli tvaika kanālā, un kausējuma baseins cirkulē ap kapilāru. Pievienojot staru kūļa svārstības-nelielas fokusētās vietas apļveida svārstības-, izkausētais sakausējums tiek mehāniski sajaukts. Oksīda fragmenti tiek sadalīti un atšķaidīti visā šuvē, veidojot blīvu, viendabīgu savienojumu bez plaisām. Tas nav būtisks uzlabojums. Tā ir atšķirība starp Cpk 0,6 un Cpk virs 1,5.

Kur punktmetināšana joprojām ir spēkā

Skaidrība par ierobežojumiem nenozīmē, ka punktmetināšana ir novecojusi. Ir skaidri definēta aploksne, kur tā joprojām ir optimālā, visrentablākā izvēle.

Trīs nosacījumi, kas nosaka punktmetināšanas apvalku:

• Abas sagataves ir no niķeļa, niķelēta tērauda vai vienkāršiem tērauda sakausējumiem.
• Izcilnes biezums ir mazāks par 0,2 mm.
• Ražošanas apjomam nav nepieciešamas automatizētas elektrodu pārklājuma sistēmas.

Šādās situācijās precīzs invertoru punktmetinātājs nodrošina konsekventus tīrradņus un veic tūkstošiem ciklu, pirms parādās kāds izmērāms elektrodu nodilums. Niķeļa un tērauda zemā siltumvadītspēja saglabā siltumu tieši tur, kur tas ir nepieciešams, un oksīdu veidošanās ir niecīga. Cilindriskā šūnu komplekta komplekts elektroinstrumentiem, ebike un maza mēroga ESS prototipiem ir lieliski piemērots šajā darbības kastē.

Robeža kļūst asa brīdī, kad varš vai alumīnijs nonāk materiālu sarakstā. Nevienai ražošanas līnijai, ko esam analizējuši gadu gaitā, nav izdevies uzturēt pieņemamas kvalitātes rādītājus punktmetinātām vara kopnēm, kas pārsniedz zemas ātruma prototipēšanu. Ekonomiskais pārejas punkts, kas balstīts tikai uz izejmateriālu un lūžņu izmaksām, sasniedz pārsteidzoši pieticīgu apjomu,{2}}parasti daži tūkstoši šūnu nedēļā.

Automatizācijas un fiksācijas sprauga

Akumulatora savstarpējo savienojumu metināšana nav tikai savienojuma izveidošana; runa ir par šī savienojuma atkārtotu izveidi modulī, kur piekļuve ir ierobežota un cikla laiks tiek mērīts sekundēs.

Pretestības punktmetinātājam ir nepieciešams abiem elektrodiem fiziski izspiest apstrādājamo priekšmetu ar spēkiem no 50 N līdz vairāk nekā 500 N. Metināšanas galviņa ir jāievieto uz stingras rokas, jānovieto līdz milimetra desmitdaļām un pēc tam jāatvelk. Instrumenti ātri kļūst sarežģīti. Ja moduļa dizains mainās vai tiek ieviests jauns šūnas formāts, viss elektrodu komplekts un bieži vien arī mehāniskā struktūra ir jāprojektē un jāpārstrādā. Tās ir ievērojamas vienreizējas inženiertehniskās izmaksas.

Akumulatora lāzermetināšanas iekārta ar galvano skenēšanas galviņu darbojas pavisam citādi. Staru virza mazi, ātri kustīgi spoguļi. Tas var pāriet no metināšanas uz šuvi milisekundēs, pielietot nulles mehānisko spēku un sasniegt padziļinājumā esošos apgabalus, kuriem lielapjoma elektrodu turētājs nekad nevarētu piekļūt. Metināšanas modeļa maiņa ir programmatūras rediģēšana. Tas padara lāzeru sistēmas elastīgākas jauktu modeļu ražošanai un ievērojami samazina laiku, kas nepieciešams jauna moduļa dizaina nodošanai.

Lāzermetināšanas bezspēka raksturs arī nozīmē, ka armatūrai vairs nav jāreaģē pret simtiem ņūtonu spiedienu. Lai saglabātu pareizu fokusa stāvokli, kopne jānotur tikai 0,2 mm attālumā no spailes virsmas. Armatūra kļūst vieglāka, lētāka un vieglāk integrējama ar automatizētiem konveijeriem.

Parametru zinātne: plaisu un porainības novēršana akumulatoru metināšanas šuvēs

Lāzera neapstrādātā jauda automātiski nerada uzticamas akumulatora metināšanas šuves. Procesa logs ir rūpīgi jāievada. Trīs visizplatītākie atteices režīmi, ar kuriem sastopamies, novēršot klientu līnijas, ir plaisāšana viduslīnijā, šļakatas un zemvirsmas porainība.

Centra līnijas plaisāšanaar alumīniju bagātās metināšanas vannās ir segregācijas parādība. Kad baseins sacietē no malām uz iekšu, zemas kušanas temperatūras eitektika tiek virzīta uz centru. Tie veido vāju robežu, kas saplaisā termiskās kontrakcijas spriedzes ietekmē. Universāls risinājums ir staru viļņošana. Svārstojot lāzera punktu nelielā aplī pie 200–300 Hz, sacietēšanas fronte sadalās un piemaisījumi tiek izkliedēti. Rezultāts zem mikroskopa ir smalka, vienāda graudu struktūra bez nepārtrauktas viduslīnijas.

Šļakatasrodas, kad atslēgas caurums kļūst nestabils. Mitrums, virsmas piesārņojums vai nepareizs aizsarggāzes pārklājums var izraisīt atslēgas cauruma spēcīgu sabrukšanu un izmest pilienus. Labojums sākas ar gāzes tīrību un plūsmu: argons, 15–25 l/min, tiek piegādāts caur sprauslu, kas ir 30–40 grādu leņķī pret normālu. Termināla virsmām jābūt sausām. Mitrā vidē 30 minūtes iepriekš cepot 80 grādos, tiek novērsts uzsūktais mitrums.

Pazemes porainībabieži izseko alumīnijā izšķīdinātam ūdeņradim. Ātrās sacietēšanas laikā ūdeņradis izplūst no šķīduma un veido mikroskopiskus burbuļus, kas darbojas kā stresa koncentratori. Pāreja uz argona-hēlija aizsargmaisījumu (parasti 70/30) samazina porainību, jo hēlija augstāka siltumvadītspēja palīdz izvadīt baseinu pirms tā sasalšanas.

Tie nav akadēmiski novērojumi. Tie ir tiešie tehniskie labojumi, kas katru nedēļu tiek piemēroti reālām ražošanas iekārtām.

Bieži uzdotie jautājumi: Lēmumi par akumulatoru savstarpējo savienojumu metināšanu

Q1: Ko punktmetinātājs var droši sametināt akumulatorā?
Niķeļa sloksnes līdz niķelētām tērauda kārbām. Jebkuram savienojumam, kurā ir vara vai alumīnija biezums par 0,15 mm, punktmetināšana rada augstu procesa risku un nav ieteicama ražošanas līnijām.

Q2: Vai lāzermetināšanai ir nepieciešams pildviela?
Kopņu un spaiļu savienojumiem standarts ir autogēnā metināšana (bez pildvielas). Tikai tad, kad sprauga pārsniedz aptuveni 15 % no lāzera plankuma diametra, kļūst nepieciešama pildviela, kas parasti ir sarkanais karogs, kas paredzēts ražošanai.

Q3: Cik ātrs ir tipisks akumulatora lāzera metināšanas process?
Viena kopnes un spailes metināšana ar 2 kW šķiedru lāzeru aizņem aptuveni 0,3–0,6 sekundes. Izmantojot galvanisko skenēšanu, staru kūlis maina pozīciju mazāk nekā 0,1 sekundē, kā rezultātā cikla laiks ir 20–35 metināšanas šuves minūtē.

Q4: Kāda apkope ir nepieciešama šķiedru lāzera metināšanas sistēmai?
Primāri notīriet vai nomainiet aizsargpārsegu ik pēc vairākiem tūkstošiem metinājumu. Dzesēšanas šķidruma un filtru maiņa notiek saskaņā ar standarta šķiedru lāzera grafikiem. Nav jāģērbj elektrodi, nav spēka jutīgu mehānisko detaļu, ko pārkalibrēt.

Q5: Vai akumulatora lāzera metināšanas iekārtu var integrēt esošajā MES?
Jā. Mūsdienu rūpnieciskie lāzera kontrolieri atbalsta standarta lauka kopnes protokolus (Profinet, EtherCAT utt.) un var reāllaikā reģistrēt metināšanas parametrus, lai nodrošinātu vadāmību un statistisko procesu kontroli.