Introducció als mètodes i processos de soldadura per a bateries d'ions de liti

La selecció raonable de mètodes i processos de soldadura en el procés de fabricació de bateries de liti pot afectar directament el cost, la qualitat, la seguretat i la consistència de la bateria. A continuació, organitzem el contingut sobre la soldadura de bateries de liti de potència.

1. Principis de la soldadura per làser

La soldadura làser utilitza l'excel·lent direccionalitat i l'alta densitat de potència dels raigs làser per treballar. Mitjançant un sistema òptic, el feix làser es centra en una àrea molt petita, formant una zona de font de calor altament concentrada a la junta soldada en molt poc temps, fonent així l'objecte soldat i formant una junta de soldadura sòlida i una soldadura.

2. Tipus de soldadura làser

Soldadura per conducció de calor i soldadura de penetració profunda

La soldadura per conducció de calor làser es forma amb una densitat de potència làser de 105-106w/cm2, i la soldadura làser de penetració profunda es forma amb una densitat de potència làser de 105-106w/cm2

Soldadura per penetració i soldadura de costura

La soldadura per penetració, les peces de connexió no requereixen perforació i el processament és relativament senzill. La soldadura per penetració requereix una màquina de soldadura làser d'alta potència. La profunditat de penetració de la soldadura de penetració és inferior a la de la soldadura de costura i la seva fiabilitat és relativament pobre.

En comparació amb la soldadura per penetració, la soldadura de costura només requereix una màquina de soldadura làser de potència més petita. La profunditat de penetració de la soldadura de costura és superior a la de la soldadura per penetració i la seva fiabilitat és relativament bona. Però la peça de connexió s'ha de perforar, cosa que fa que el processament sigui relativament difícil.

Mostres de soldadura per làser de pols

Soldadura làser contínua de mostres

En la soldadura de bateries de liti de potència, els tècnics del procés de soldadura seleccionaran els paràmetres de procés de soldadura i làser adequats en funció del material de la bateria del client, la forma, el gruix, els requisits de tracció, etc., inclosa la velocitat de soldadura, la forma d'ona, el valor màxim i l'angle d'inclinació del client. capçal de soldadura, per establir paràmetres raonables del procés de soldadura per garantir que l'efecte de soldadura final compleixi els requisits del fabricant de bateries de liti.

Energia concentrada, alta eficiència de soldadura, alta precisió de processament i gran relació entre profunditat i amplada de soldadura. El feix làser és fàcil d'enfocar, alinear i ser guiat per instruments òptics. Es pot col·locar a una distància adequada de la peça de treball i es pot guiar entre accessoris o obstacles al voltant de la peça. Altres mètodes de soldadura no es poden utilitzar completament a causa de les limitacions espacials esmentades anteriorment.

Petita entrada de calor, petita zona afectada per la calor i petita tensió residual i deformació de la peça; L'energia de soldadura es pot controlar amb precisió, l'efecte de soldadura és estable i l'aspecte de la soldadura és bo;

Soldadura sense contacte, transmissió de fibra òptica, bona accessibilitat i alt grau d'automatització. Quan es solda filferro prim o fi, no hi ha cap problema de refluig com la soldadura per arc. Les cèl·lules de bateries utilitzades per alimentar les bateries de liti, a causa del seu principi lleuger, solen estar fetes d'un material d'alumini més lleuger i més prim. En general, la carcassa, la coberta i la part inferior han de ser inferiors a 1,0mm, i els fabricants principals actualment tenen un gruix de material bàsic d'uns 0,8 mm.

Dificultats en el procés de soldadura làser

En l'actualitat, les carcasses de la bateria d'aliatge d'alumini representen més del 90% de tota la potència de la bateria de liti. La dificultat de la seva soldadura rau en la reflectivitat extremadament alta de l'aliatge d'alumini al làser, l'alta sensibilitat dels porus del gas durant el procés de soldadura i l'aparició inevitable d'alguns problemes i defectes durant la soldadura, entre els quals els més importants són els porus del gas, les esquerdes calentes, i explosió.

Durant el procés de soldadura per làser de l'aliatge d'alumini, hi ha dos tipus importants de porus que són propensos a produir-se: els porus d'hidrogen i els porus causats per l'esclat de bombolles. A causa de la velocitat de refrigeració ràpida de la soldadura làser, el problema dels porus d'hidrogen és més greu i també hi ha un tipus addicional de forat causat pel col·lapse de petits forats en la soldadura làser.

Problema de crack calent. L'aliatge d'alumini és un aliatge típic de tipus eutèctic que és propens a esquerdes en calent durant la soldadura, incloses les esquerdes de cristal·lització de la soldadura i les esquerdes de liqüefacció HAZ. A causa de la segregació de components a la zona de soldadura, es produeix una segregació eutèctica i es produeix la fusió del límit del gra. En condicions d'estrès, es formen esquerdes de liqüefacció als límits del gra, reduint el rendiment de la unió soldada.

Problema d'explosió (també conegut com a esquitxades). Hi ha molts factors que poden provocar explosions, com ara la neteja del material, la puresa del propi material i les característiques del mateix material. L'ús decisiu és l'estabilitat del làser. Protuberàncies superficials, porus i bombolles internes a la closca. El motiu principal és que el diàmetre del nucli de la fibra és massa petit o que l'energia del làser està massa alta. No és que alguns proveïdors d'equips làser afirmin que com millor sigui la qualitat del feix, millor serà l'efecte de soldadura. La bona qualitat del feix és adequada per a la soldadura de superposició amb una profunditat de penetració més gran. Trobar els paràmetres de procés adequats és la clau per resoldre problemes.

Altres dificultats

La soldadura de l'orella del pol de paquet suau requereix uns requisits elevats d'accessoris de soldadura, i l'orella del pol s'ha de prémer fermament per garantir l'espai lliure de la soldadura. Pot aconseguir la soldadura d'alta velocitat de trajectòries complexes com en forma de S i en forma d'espiral, augmentant l'àrea d'unió de la soldadura i reforçant la resistència de la soldadura.

La soldadura de cèl·lules de bateries cilíndriques és important per a la soldadura de l'elèctrode positiu. A causa de la capa fina de l'elèctrode negatiu, és extremadament fàcil de soldar. Actualment, alguns fabricants utilitzen el procés lliure de soldadura d'elèctrodes negatius, mentre que l'elèctrode positiu utilitza soldadura làser.

Quan es solden combinacions de bateries quadrades, el pal o la peça de connexió està contaminada i gruixuda. En soldar la peça de connexió, els contaminants es descomponen, cosa que pot formar fàcilment punts d'explosió de soldadura i provocar forats; Les bateries amb pals prims i components estructurals de plàstic o ceràmica a sota són propenses a soldar-se. Quan el pal és petit, també és fàcil que la soldadura es desvii i provoqui danys plàstics, formant punts explosius. No utilitzeu connectors multicapa, ja que hi ha porus entre les capes, cosa que dificulta la soldadura ferma.

El procés més important en el procés de soldadura de bateries quadrades és l'embalatge de la coberta de la carcassa, que es divideix en soldadura de coberta superior i coberta inferior segons diferents posicions. Alguns fabricants de bateries utilitzen tecnologia d'embutició profunda per fabricar caixes de bateries a causa del petit volum de les bateries que produeixen, que només requereix la soldadura de la coberta superior.

Mostra de soldadura lateral de bateria de liti de potència quadrada

Els mètodes de soldadura per a bateries quadrades es divideixen principalment en soldadura lateral i soldadura superior. L'avantatge important de la soldadura lateral és que té menys impacte a l'interior de la cèl·lula de la bateria i les esquitxades no entraran fàcilment a la part interior de la coberta de la carcassa. A causa de la possibilitat de sortints després de la soldadura, que poden tenir un lleuger impacte en el procés de muntatge posterior, el procés de soldadura lateral requereix una estabilitat extremadament alta del làser i la neteja del material. El procés de soldadura superior, a causa de la soldadura en una superfície, té requisits relativament baixos per a la integració d'equips de soldadura i la producció en massa senzilla. Tanmateix, també hi ha dos inconvenients. En primer lloc, pot haver-hi una petita quantitat d'esquitxades que entri a la cèl·lula de la bateria durant la soldadura i, en segon lloc, els alts requisits de processament de la secció frontal de la carcassa poden provocar problemes de costos.

5. Factors que afecten la qualitat de la soldadura

La soldadura làser és actualment un mètode important molt recomanable per a la soldadura de bateries de gamma alta. La soldadura làser és el procés d'irradiació làser d'alta energia sobre una peça de treball, provocant un fort augment de la temperatura de treball, la fusió i la connexió de la peça per formar una connexió permanent. La soldadura làser té una bona resistència al tall i resistència a l'esquinçament. Els criteris d'avaluació de qualitat per a la soldadura de bateries inclouen conductivitat, resistència, hermeticitat, fatiga del metall i resistència a la corrosió.

Hi ha molts factors que afecten la qualitat de la soldadura làser. Alguns d'ells són altament volàtils i tenen una inestabilitat considerable. Com configurar i controlar correctament aquests paràmetres, de manera que es puguin controlar dins d'un rang adequat durant el procés de soldadura làser d'alta velocitat i continu, per garantir la qualitat de la soldadura. La fiabilitat i l'estabilitat de la formació de soldadura són qüestions importants relacionades amb la pràctica i la industrialització de la tecnologia de soldadura làser. Els factors importants que afecten la qualitat de la soldadura làser inclouen l'equip de soldadura, l'estat de la peça i els paràmetres del procés.

1) Equips de soldadura

Els requisits de qualitat més importants per als làsers són el mode de feix, la potència de sortida i l'estabilitat. El mode de feix és un indicador important de la qualitat del feix. Com més baix sigui l'ordre del mode de feix, millor serà el rendiment d'enfocament del feix, més petit és el punt, més gran serà la densitat de potència amb la mateixa potència làser i major serà la profunditat i l'amplada de la costura de soldadura. En general, es requereix un mode base (TEM00) o un mode d'ordre inferior, en cas contrari, és difícil complir els requisits de la soldadura làser d'alta qualitat. Actualment, els làsers domèstics encara s'enfronten a certes dificultats pel que fa a la qualitat del feix i l'estabilitat de sortida de potència per a la soldadura làser. Des de la perspectiva de situacions estrangeres, la qualitat del feix i l'estabilitat de la potència de sortida dels làsers ja són bastant altes i no es convertiran en un problema en la soldadura làser. El factor més important que afecta la qualitat de la soldadura en els sistemes òptics és la lent d'enfocament, que normalment utilitza una distància focal entre 127 mm (5 polzades) i 200 mm (7,9 polzades). Una petita distància focal és beneficiosa per reduir el diàmetre del punt de cintura del feix enfocat, però ser massa petit pot provocar fàcilment contaminació i danys per esquitxades durant el procés de soldadura.

Com més curta sigui la longitud d'ona, més gran serà la taxa d'absorció; En general, els materials amb bona conductivitat tenen una alta reflectivitat. Per als làsers YAG, la reflectivitat de la plata és del 96%, l'alumini és del 92%, el coure és del 90% i el ferro és del 60%. Com més alta és la temperatura, més gran és la taxa d'absorció, mostrant una relació lineal; En general, el recobriment superficial amb fosfat, negre de carboni, grafit, etc. pot millorar la taxa d'absorció.

2) Estat de la peça

La soldadura làser requereix el processament de les vores de la peça de treball, amb una alta precisió de muntatge, una alineació estricta entre el punt i la costura de soldadura, i la precisió del muntatge original i l'alineació puntual de la peça no poden canviar a causa de la deformació tèrmica de la soldadura durant el procés de soldadura. Això es deu al fet que el punt làser és petit i la costura de soldadura és estreta. En general, no s'afegeix cap metall d'aportació. Si el conjunt no està ajustat i el buit és massa gran, el feix pot passar a través del buit i no pot fondre el material de base, ni provocar una socavació o depressió evident. Si la desviació entre el punt i la costura és lleugerament gran, pot provocar una fusió incompleta o una soldadura incompleta. Per tant, la distància entre l'acoblament i el muntatge de la placa general i la desviació de l'alineació del punt no ha de superar {{0}},1 mm i la desalineació no ha de superar els 0,2 mm. En la producció real, de vegades no es pot utilitzar la tecnologia de soldadura per làser a causa de la incapacitat de complir aquests requisits. Per aconseguir bons resultats de soldadura, la bretxa permesa per a l'acoblament i la superposició s'ha de controlar dins del 10% del gruix de la placa prima.

L'èxit de la soldadura làser requereix un contacte estret entre el substrat soldat. Això requereix un ajustament acurat de les peces per aconseguir resultats òptims. I això és difícil de fer bé en substrats prims d'orella polar perquè és propens a la desalineació de flexió, especialment quan l'orella polar està incrustada en mòduls o components de bateries grans.

3) Paràmetres de soldadura

1) El factor més important que afecta els paràmetres de soldadura del mode de soldadura làser i la formació estable de soldadura és la densitat de potència del punt làser. El seu impacte en el mode de soldadura i l'estabilitat de la formació de soldadura és el següent: a mesura que augmenta la densitat de potència del punt làser, es converteix en soldadura de conductivitat tèrmica estable, soldadura en mode inestable i soldadura estable de penetració profunda.

La densitat de potència del punt làser ve determinada per la potència del làser i la posició del focus del feix, donat un determinat mode de feix i una distància focal del mirall d'enfocament. La densitat de potència del làser és directament proporcional a la potència del làser. La influència de la posició focal té un valor òptim; Quan el focus de la biga es troba en una determinada posició per sota de la superfície de la peça de treball (dins del rang de 1-2mm, depenent del gruix de la placa i dels paràmetres), es pot obtenir la soldadura més ideal. Desviar-se d'aquesta posició d'enfocament òptima augmentarà la superfície de la peça de treball, provocant una disminució de la densitat de potència. Dins d'un cert rang, provocarà un canvi en la forma del procés de soldadura.

La influència de la velocitat de soldadura en la forma i l'estabilitat del procés de soldadura no és tan significativa com la de la potència del làser i la posició del focus. Només quan la velocitat de soldadura és massa alta, es produeix la incapacitat de mantenir un procés de soldadura de penetració profunda estable a causa de la baixa entrada de calor. Durant la soldadura real, s'ha de seleccionar la soldadura de penetració profunda estable o la soldadura de conductivitat tèrmica estable en funció dels requisits de la soldadura per a la profunditat de penetració i s'ha d'evitar absolutament la soldadura en mode inestable.

(2) En el rang de soldadura de penetració profunda, la influència dels paràmetres de soldadura en la profunditat de penetració: dins d'un rang de soldadura de penetració profunda estable, com més gran sigui la potència del làser, més gran és la profunditat de penetració, amb una relació d'aproximadament 0 .7 potència; Com més gran sigui la velocitat de soldadura, menor serà la profunditat de penetració. Quan el focus es troba a la posició òptima sota determinades condicions de potència del làser i velocitat de soldadura, es produeix la màxima profunditat de penetració. Si es desvia d'aquesta posició, la profunditat de penetració disminueix i fins i tot es converteix en soldadura de conductivitat tèrmica inestable o estable.

(3) L'impacte del gas protector, l'ús important del qual és protegir la peça de l'oxidació durant el procés de soldadura; Protegiu la lent d'enfocament de la contaminació de vapor metàl·lic i les esquitxades de gotes líquides; Disperseu el plasma generat per soldadura làser d'alta potència; Refredar la peça i reduir la zona afectada per la calor.

El gas protector sol ser argó o heli, i el nitrogen també es pot utilitzar per a aquells amb baixos requisits de qualitat aparent. La seva tendència a produir plasma és significativament diferent: el gas heli, per la seva elevada càrrega d'ionització i ràpida conductivitat tèrmica, té una tendència menor a produir plasma que el gas argó en les mateixes condicions, obtenint així una major profunditat de fusió. Dins d'un cert rang, a mesura que augmenta el cabal de gas protector, augmenta la tendència a suprimir el plasma, donant lloc a un augment de la profunditat de fusió. Tanmateix, quan arriba a un cert rang, tendeix a estabilitzar-se.

(4) Anàlisi de seguiment de cada paràmetre: entre els quatre paràmetres de soldadura, la velocitat de soldadura i el cabal de gas de protecció són fàcils de controlar i mantenir l'estabilitat, mentre que la potència del làser i la posició del focus són paràmetres que poden fluctuar durant el procés de soldadura i són difícils de controlar. . Tot i que la potència del làser de sortida del làser té una gran estabilitat i és fàcil de controlar, la potència del làser que arriba a la peça de treball canviarà a causa de la pèrdua de sistemes de guia i enfocament. Aquesta pèrdua està relacionada amb la qualitat, el temps de servei i la contaminació de la superfície de la peça òptica, dificultant el seguiment i convertint-se en un factor incert en la qualitat de la soldadura. La posició de focus de la biga és un dels paràmetres de soldadura que té un impacte significatiu en la qualitat de la soldadura i és el més difícil de controlar i controlar. Actualment, en producció, cal confiar en l'ajust manual i en experiments de procés repetits per determinar la posició del punt focal adequada per aconseguir la profunditat de penetració desitjada. Tanmateix, durant el procés de soldadura, a causa de la deformació de la peça, l'efecte de la lent tèrmica o la soldadura multidimensional de corbes espacials, la posició del focus pot canviar i superar l'interval permès.

Pel que fa a les dues situacions anteriors, d'una banda, s'han d'utilitzar components òptics estables i d'alta qualitat i mantenir-los regularment per evitar la contaminació i mantenir la neteja; D'altra banda, cal desenvolupar mètodes de monitorització i control en temps real per als processos de soldadura làser, per tal d'optimitzar els paràmetres, controlar els canvis en la potència del làser i la posició del focus que arriben a la peça de treball, aconseguir un control de llaç tancat i millorar la fiabilitat. i estabilitat de la qualitat de la soldadura làser.

Finalment, cal destacar que la soldadura per làser és un procés de fusió. Això significa que els dos substrats es fondran durant el procés de soldadura per làser. Aquest procés és ràpid, de manera que l'entrada general de calor és baixa. Però com que es tracta d'un procés de fusió, es poden formar compostos intermetàl·lics d'alta resistència fràgils en soldar diferents materials. La combinació d'alumini de coure és especialment propensa a formar compostos intermetàl·lics. S'ha demostrat que aquests compostos tenen efectes negatius sobre les propietats elèctriques i mecàniques a llarg termini dels empalmes de dispositius microelectrònics. L'impacte d'aquests compostos intermetàl·lics en el rendiment a llarg termini de les bateries d'ions de liti encara és incert.