파워 배터리 용 레이저 용접

파워 배터리의 제조 공정에서 용접 방법 및 프로세스를 선택하면 배터리의 비용, 품질, 안전 및 일관성에 직접적인 영향을 미칩니다.

1 레이저 용접의 원리

레이저 용접은 레이저 빔의 우수한 지향성과 높은 출력 밀도를 사용하여 작업하는 것입니다. 레이저 빔은 광학 시스템을 통해 작은 영역에 집중됩니다. 매우 짧은 시간에 용접 된 부분에 에너지 집중도가 높은 열원 영역이 형성되어 용접 된 물체가 녹고 견고한 솔더 조인트와 용접이 형성됩니다.

2 종류의 레이저 용접

레이저 열전도 용접, 레이저 빔은 이음새를 따라 공작물의 표면을 녹이고 용융 된 재료가 수렴 및 응고되어 용접을 형성합니다. 주로 비교적 얇은 재료에 사용됩니다. 재료의 최대 용접 깊이는 열전도율에 의해 제한되며 용접 폭은 항상 용접 깊이보다 큽니다.

깊은 침투 용접, 고출력 레이저가 금속 표면에 모일 때 열을 잃을 수 없으며 용접 깊이가 크게 깊어집니다. 이 용접 기술은 깊은 용입 용접입니다. 높은 처리 속도, 작은 열 영향 영역 및 최소 왜곡으로 인해 깊은 용입 용접 기술은 딥 용접 또는 여러 데이터 레이어를 함께 용접하는 데 사용할 수 있습니다.

열전도 용접과 심 용입 용접의 주요 차이점은 단위 시간에 금속 표면에 적용되는 전력 밀도이며 임계 값은 금속에 따라 다릅니다.

관통 용접 및 심 용접

용접을 통해 연결 부품은 펀칭이 필요하지 않으며 가공이 비교적 간단합니다. 관통 용접에는 고출력 레이저 용접기가 필요합니다. 용입 용접의 용입 깊이는 심 용접보다 낮고 신뢰성이 상대적으로 열악하다.

침투 용접에 비해 심 용접은 전력 레이저 용접기가 더 적게 필요합니다. 심 용접의 침투력이 침투 용접의 침투력보다 높고 신뢰성이 상대적으로 좋습니다. 그러나 연결 부분은 펀칭이 필요하므로 가공하기가 상대적으로 어렵습니다.

펄스 용접 및 연속 용접

1) 펄스 모드 용접

레이저 용접시 적절한 용접 파형을 선택해야합니다. 일반적으로 사용되는 펄스 파형은 구형파, 피크 파, 바이 모달 파 등입니다. 알루미늄 합금 표면의 빛에 대한 반사율이 너무 높습니다. 고강도 레이저 빔이 재료 표면에 닿으면 금속 표면에있는 레이저 에너지의 60 %-98 %가 반사로 인해 손실되고 반사율은 표면 온도에 따라 변합니다. 일반적으로 알루미늄 합금을 용접 할 때 가장 좋은 선택은 날카로운 웨이브와 바이 모달 웨이브입니다. 이러한 종류의 용접 파형은 하부의 펄스 폭이 더 길어 기공 및 균열 발생을 효과적으로 줄일 수 있습니다.

펄스 레이저 용접 샘플

레이저에 대한 알루미늄 합금의 높은 반사율로 인해 레이저 빔이 수직 반사를 일으키고 레이저 초점 미러를 손상시키는 것을 방지하기 위해 용접 조인트는 일반적으로 용접 과정에서 특정 각도로 편향됩니다. 솔더 조인트의 직경과 유효 조인트 표면은 레이저 경사각이 증가함에 따라 증가합니다. 레이저 경사각이 40도이면 최대 솔더 접합부와 유효 접합면을 얻을 수 있습니다. 용접 침투 및 유효 침투는 레이저 경사각에 따라 감소합니다. 레이저 경사각이 60 도보 다 크면 유효 용접 침투가 0으로 감소합니다. 따라서 용접 접합부를 특정 각도로 기울이면 용접 관통력과 너비를 늘릴 수 있습니다.

또한 용접을 할 때 용접을 경계로 삼고 레이저 스폿을 커버 플레이트의 65 %와 쉘의 35 %로 용접해야 커버 닫힘 문제로 인한 폭발을 효과적으로 줄일 수 있습니다.

2) 연속 모드 용접

연속 레이저 용접의 가열 과정은 펄스 기계의 갑작스런 냉각 및 가열과 같지 않기 때문에 용접 중에 균열 경향이 분명하지 않습니다. 용접 품질을 향상시키기 위해 연속 레이저 용접이 채택됩니다. 용접 표면이 매끄럽고 균일하며 튀거나 결함이 없으며 용접 내부에 균열이 없습니다. 알루미늄 합금 용접에서 연속 레이저의 장점은 분명합니다. 전통적인 용접 방법에 비해 연속 레이저는 생산 효율이 높고 와이어 충전이 없습니다. 펄스 레이저 용접에 비해 용접 후 균열, 기공, 스패 터 등과 같은 결함을 해결하여 알루미늄 합금이 용접 후 우수한 기계적 특성을 갖도록 할 수 있습니다. 용접 후 처지지 않고 용접 후 연마 량이 감소하여 생산 비용이 절감되지만 CW 레이저의 스폿이 상대적으로 작기 때문에 공작물의 조립 정확도가 높아야합니다.

연속 레이저 용접 샘플

파워 배터리 용접에서 용접 기술자는 고객&# 39의 배터리 재질, 모양, 두께, 인장력 요구 사항 (용접 속도, 파형, 피크 값, 용접 헤드 기울기 포함)에 따라 적절한 레이저 및 용접 매개 변수를 선택합니다. 각도 등은 합리적인 용접 매개 변수를 설정하여 최종 용접 효과가 전원 배터리 제조업체의 요구 사항을 충족하는지 확인합니다.

3 레이저 용접의 장점

집중 에너지, 높은 용접 효율, 높은 가공 정확도 및 용접 깊이 폭 비율이 크다는 장점이 있습니다. 레이저 빔은 광학 기기로 쉽게 초점을 맞추고, 정렬하고, 안내 할 수 있습니다. 공작물에서 적절한 거리에 배치 할 수 있으며 공작물 주변의 클램프 또는 장애물 사이에서 다시 유도 할 수 있습니다. 위의 공간 제한으로 인해 다른 용접 규칙은 재생할 수 없습니다.

용접 에너지를 정확하게 제어 할 수 있으며 용접 효과가 안정적이며 용접 외관이 좋습니다.

비접촉 용접, 광섬유 전송, 우수한 접근성, 높은 수준의 자동화. 얇은 소재 나 미세한 직경의 와이어를 용접 할 때 아크 용접과 같은 재 용융 문제가 없습니다. 파워 배터리에 사용되는 셀은" 경량"의 원리를 따르기 때문에 일반적으로" light" 알루미늄이고" 더 얇은" 일 필요가 있습니다. 일반적으로 외피, 덮개 및 바닥은 1.0mm 미만이어야합니다. 현재 주류 제조업체의 기본 재료 두께는 약 0.8mm입니다.

다양한 재료 조합, 특히 구리 재료와 알루미늄 재료 사이의 용접에 고강도 용접을 제공 할 수 있습니다. 이것은 또한 니켈 도금을 구리 재료에 용접 할 수있는 유일한 기술입니다.

4 레이저 용접의 어려움

현재 알루미늄 합금 배터리 쉘은 전체 전력 배터리의 90 % 이상을 차지합니다. 용접의 어려움은 알루미늄 합금의 레이저에 대한 반사율이 매우 높고 용접 공정에서 다공성의 감도가 높다는 것입니다. 용접 과정에서 불가피하게 발생하는 몇 가지 문제와 결함 중 가장 중요한 것은 다공성, 고온 균열 및 폭발입니다.

알루미늄 합금의 레이저 용접에는 두 가지 주요 유형의 다공성이 있습니다. 수소 다공성과 기포 파열로 인한 다공성입니다. 레이저 용접의 냉각 속도가 너무 빠르기 때문에 수소 다공성 문제가 더 심각하고 레이저 용접에서 작은 구멍이 무너져서 일종의 구멍이 있습니다.

열 균열 문제. 알루미늄 합금은 용접 결정 균열 및 HAZ 액화 균열을 포함하여 용접 중에 고온 균열이 발생하기 쉬운 전형적인 공융 합금입니다. 용접 영역의 조성 분리로 인해 공융 분리가 발생하고 입계 용융이 발생합니다. 응력의 작용으로 입계에 액화 균열이 형성되어 용접 접합의 성능이 저하됩니다.

폭발 (스플래시라고도 함) 문제. 폭발의 원인이되는 요소는 재료의 청결도, 재료 자체의 순도, 재료 자체의 특성 등 많은 요소가 있으며 레이저의 안정성이 결정적인 역할을합니다. 껍질의 표면은 볼록하고 공기 구멍 및 내부 기포입니다. 주된 이유는 섬유 코어 직경이 너무 작거나 레이저 에너지가 너무 높게 설정되어 있기 때문입니다. 그것은" 더 나은 빔 품질, 더 나은 용접 효과" 일부 레이저 장비 공급 업체에서 공개했습니다. 우수한 빔 품질은 침투력이 큰 오버레이 용접에 적합합니다. 문제 해결의 핵심은 올바른 공정 매개 변수를 찾는 것입니다.

기타 어려움

소프트 랩 폴라 러그의 용접을 위해서는 용접 툴링이 매우 필요하므로 용접 간격을 확보하기 위해 폴라 러그를 단단히 눌러야합니다. S 자, 나선형 및 기타 복잡한 트랙의 고속 용접을 실현하고 용접 이음 영역을 늘리고 동시에 용접 강도를 강화할 수 있습니다.

원통형 셀의 용접은 주로 양극의 용접에 사용됩니다. 음극의 껍질이 얇기 때문에 용접이 매우 쉽습니다. 예를 들어, 현재 일부 제조업체는 음극 용접이없는 공정을 사용하고 양극은 레이저 용접입니다.

사각형 배터리 조합이 용접되면 극 또는 연결 부품이 심하게 오염됩니다. 연결 조각이 용접되면 오염 물질이 분해되어 용접 폭발 지점을 형성하고 구멍을 유발하기 쉽습니다. 기둥이 얇고 그 아래에 플라스틱 또는 세라믹 구조 부품이있을 때 용접하기 쉽습니다. 기둥이 작 으면 플라스틱에서 벗어나 타 버리기 쉽습니다. 다층 커넥터를 사용하지 마십시오. 층 사이에 구멍이 있으며 용접하기가 쉽지 않습니다.

사각 배터리의 가장 중요한 용접 공정은 쉘 커버의 포장으로, 위치에 따라 상단 커버와 하단 커버의 용접으로 나눌 수 있습니다. 배터리 크기가 작기 때문에 일부 배터리 제조업체는" 딥 드로잉" 배터리 쉘을 제조하는 과정은 상단 덮개 만 용접하면됩니다.

스퀘어 파워 배터리의 측면 용접 샘플

정사각형 배터리의 용접 방법은 크게 측면 용접과 상단 용접으로 나뉩니다. 측면 용접의 가장 큰 장점은 셀 내부에 미치는 영향이 적고 스패 터가 쉘 내부로 쉽게 들어 가지 않는다는 것입니다. 용접은 부풀어 오를 수 있으며 이는 후속 조립 공정에 약간의 영향을 미치므로 측면 용접 공정은 레이저의 안정성과 재료의 청결에 대한 높은 요구 사항을 가지고 있습니다. 상부 용접 공정이 한쪽에 용접되기 때문에 용접 장비 통합에 대한 요구 사항이 상대적으로 낮고 대량 생산이 간단합니다. 그러나 두 가지 단점이 있습니다. 하나는 용접 중에 약간의 스패 터가 셀에 들어갈 수 있다는 것이고 다른 하나는 쉘의 앞 부분에 대한 높은 요구 사항으로 인해 비용 문제가 발생할 수 있다는 것입니다.

5. 용접 품질에 영향을 미치는 요인

레이저 용접은 고급 배터리 용접의 주요 방법입니다. 레이저 용접은 공작물에 고 에너지 빔 레이저를 조사하는 과정으로, 작업 온도가 급격히 상승하고 공작물이 녹고 다시 연결되어 영구적 인 연결을 형성합니다. 레이저 용접의 전단 강도와 인열 저항이 더 좋습니다. 배터리 용접의 전기 전도도, 강도, 기밀성, 금속 피로 및 내식성은 일반적인 용접 품질 평가 표준입니다.

레이저 용접의 품질에 영향을 미치는 많은 요인이 있습니다. 그들 중 일부는 매우 휘발성이 있고 상당한 불안정성이 있습니다. 용접 품질을 보장하기 위해 고속 및 연속 레이저 용접 프로세스에서 적절한 범위에서 제어 할 수 있도록 이러한 매개 변수를 올바르게 설정하고 제어하는 ​​방법. 용접 성형의 신뢰성과 안정성은 레이저 용접 기술의 실용화 및 산업화와 관련된 중요한 문제입니다. 레이저 용접의 품질에 영향을 미치는 주요 요인은 용접 장비, 공작물 상태 및 공정 매개 변수입니다.

1) 레이저 용접 장비

파워 배터리 용 파이버 레이저 용접기

RS-SWF-80 / 150 80W&앰프; 150W 파이버 레이저 용접기는 리튬 배터리 셀에 대한 고품질 고속 레이저 용접에 대한 수요를 충족시킵니다.

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레이저의 가장 중요한 품질 요구 사항은 빔 모드, 출력 전력 및 안정성입니다. 빔 모드는 빔 품질의 주요 지표입니다. 빔 모드의 순서가 낮을수록 빔 포커싱 성능이 향상되고 스폿이 작아지고 출력 밀도가 높아지며 동일한 레이저 출력에서 ​​용접 깊이와 폭이 커집니다. 기본 모드 (TEM00) 또는 하위 모드가 일반적으로 필요합니다. 그렇지 않으면 고품질 레이저 용접 요구 사항을 충족하기가 어렵습니다. 현재 국내 레이저는 빔 품질 및 출력 안정성 측면에서 레이저 용접에 사용하기가 어렵습니다. 외부 상황에서 레이저 빔 품질과 출력 전력 안정성이 상당히 높아 레이저 용접의 문제가되지 않습니다. 초점 렌즈는 광학 시스템의 용접 품질에 영향을 미치는 가장 중요한 요소입니다. 초점 거리는 일반적으로 127mm (5 인치)에서 200mm (7.9 인치) 사이입니다. 초점 거리가 작 으면 초점이 맞춰진 빔의 허리 스폿 직경을 줄이는 데 적합하지만 너무 작은 초점 거리는 용접 과정에서 스패 터링으로 인해 오염되고 손상되기 쉽습니다.

파장이 짧을수록 흡수율이 높아집니다. 일반적으로 전도성이 좋은 재료의 반사율은 매우 높습니다. YAG 레이저의 경우 은의 반사율은 96 %, 알루미늄의 반사율은 92 %, 구리의 반사율은 90 %, 철의 반사율은 60 %입니다. 온도가 높을수록 흡수율이 높아 선형 관계를 나타냅니다. 일반적으로 인산염, 카본 블랙 및 흑연은 흡수성을 향상시킬 수 있습니다.

2) 공작물 상태

레이저 용접에는 공작물의 가장자리 처리가 필요하고 어셈블리는 높은 정확도를 가지며 스폿은 용접과 엄격하게 정렬됩니다. 또한 용접 공정에서 용접 열 변형으로 인해 공작물의 원래 조립 정확도 및 스폿 정렬을 변경할 수 없습니다. 이것은 레이저 스폿이 작고 용접 이음새가 좁기 때문입니다. 일반적으로 용가재는 추가되지 않습니다. 조립이 엄격하지 않고 간격이 너무 크면 빔이 간격을 통과하여 모재를 녹일 수 없거나 명백한 언더컷 및 함몰을 유발할 수 있습니다. 솔기에서 스폿의 편차가 약간 크면 불완전한 융합 또는 불완전한 침투가 발생할 수 있습니다. 따라서 일반 플레이트 맞대기 어셈블리 간격과 스폿 이음새 편차는 0.1mm보다 크지 않아야하며 오정렬은 0.2mm보다 크지 않아야합니다. 실제 생산에서는 이러한 요구 사항을 충족 할 수 없기 때문에 때때로 레이저 용접 기술을 사용할 수 없습니다. 좋은 용접 효과를 얻으려면 허용 맞대기 간격과 랩 간격을 시트 두께의 10 % 이내로 제어해야합니다.

성공적인 레이저 용접은 용접 할 기판 사이의 긴밀한 접촉이 필요합니다. 이를 위해서는 최적의 결과를 위해 부품을 조심스럽게 조여야합니다. 러그의 얇은 모재에는 특히 러그가 대형 배터리 모듈이나 모듈에 내장 된 경우 구부러 지거나 정렬이 어긋나 기 쉽기 때문에이 작업을 수행하기가 어렵습니다.

3) 레이저 용접 매개 변수

(1) 레이저 스폿의 출력 밀도는 레이저 용접 모드 및 용접 성형 안정성에 영향을 미치는 가장 중요한 요소입니다. 레이저 스폿 출력 밀도가 용접 모드 및 용접 성형 안정성에 미치는 영향은 다음과 같습니다. 레이저 스폿 출력 밀도가 작은 것에서 큰 것으로 증가함에 따라 순서는 안정적인 열전도 용접, 모드 불안정한 용접, 안정적인 깊은 용입 용접입니다.

레이저 스폿의 파워 밀도는 주로 빔 모드와 초점 거리가 고정 될 때 레이저 파워와 빔 초점 위치에 의해 결정됩니다. 레이저 출력 밀도는 레이저 출력에 비례합니다. 빔의 초점이 공작물 표면 아래의 특정 위치 (두께 및 매개 변수에 따라 1-2mm)에있을 때 최적의 용접을 얻을 수 있습니다. 최적의 초점 위치에서 벗어나면 공작물 표면의 광점이 커져 출력 밀도가 작아집니다. 특정 범위까지 용접 공정 형태가 변경됩니다.

용접 속도가 너무 빠르면 열 유입량이 적어 안정된 심 용입 용접 공정을 유지할 수 없습니다. 실제 용접에서는 용접물의 관통 요건에 따라 안정된 심 용입 용접 또는 안정된 열전도 용접을 선택해야하며, 불안정한 용접 모드는 절대 피해야합니다.

(2) 깊은 침투 용접의 범위에서 용접 매개 변수가 침투에 미치는 영향 : 안정된 깊은 침투 용접의 범위에서 레이저 출력이 높을수록 침투가 커지며 약 0.7 전력입니다. 용접 속도가 높을수록 관통력이 얕아집니다. 특정 레이저 출력 및 용접 속도에서 초점이 최상의 위치에있을 때 침투가 가장 큽니다. 초점이이 위치에서 벗어나면 침투력이 감소하고 심지어 불안정한 용접 또는 안정적인 열전도 용접이됩니다.

(3) 가스 보호의 주요 기능은 용접 중 공작물을 산화로부터 보호하고, 금속 증기 오염 및 액적 스퍼터링으로부터 초점 렌즈를 보호하고, 고출력 레이저 용접으로 생성 된 플라즈마를 분산시키고, 공작물을 냉각시키고, 감소시키는 것입니다. 열 영향을받은 지역.

아르곤 또는 헬륨은 일반적으로 보호 가스로 사용됩니다. 겉보기 품질 요구 사항이 낮은 사람들에게는 질소를 사용할 수 있습니다. 헬륨이 플라즈마를 생성하는 경향은 다릅니다. 헬륨은 더 높은 이온화 부피와 더 빠른 열 전도를 갖습니다. 동일한 조건에서 가스는 아르곤보다 플라즈마를 생성하는 경향이 적으므로 더 큰 용융 깊이를 얻을 수 있습니다. 특정 범위에서는 보호 가스의 유량이 증가함에 따라 플라즈마를 억제하는 경향이 증가하여 용융 깊이가 증가하지만 일정 범위까지 증가하면 안정되는 경향이있다.

(4) 각 매개 변수 모니터링 분석 : 4 가지 용접 매개 변수 중 용접 속도 및 차폐 가스 흐름을 모니터링하고 안정적으로 유지하는 반면, 레이저 출력 및 초점 위치는 변동될 수 있고 모니터링하기 어려운 매개 변수입니다. 용접 과정에서. 레이저에서 출력되는 레이저 출력은 매우 안정적이고 모니터링하기 쉽지만 광 가이드 및 초점 시스템의 손실로 인해 공작물에 도달하는 레이저 출력이 변경되며이 손실은 광학 공작물의 품질과 관련이 있습니다. 서비스 시간과 표면 오염으로 인해 모니터링이 쉽지 않으며 용접 품질의 불확실한 요소가됩니다. 빔 초점 위치는 모니터링 및 제어가 가장 어려운 요소 중 하나이며 용접 품질에 큰 영향을 미칩니다. 현재 이상적인 침투를 얻기 위해서는 수동 조정과 반복적 인 공정 테스트를 통해 적절한 초점 위치를 결정해야합니다. 그러나 용접 과정에서 공작물 변형, 열 렌즈 효과 또는 공간 곡선의 다차원 용접으로 인해 초점 위치가 변경되어 허용 범위를 초과 할 수 있습니다.

위의 두 가지 경우에 대해 한편으로는 고품질의 고 안정성 광학 요소를 정기적으로 사용하고 유지하여 오염을 방지하고 깨끗하게 유지해야합니다. 반면에 레이저 용접 공정의 실시간 모니터링 및 제어 방법은 매개 변수를 최적화하고 용접 공정을 모니터링하기 위해 개발되어야합니다. 레이저 용접 품질의 신뢰성과 안정성을 향상시킵니다.

마지막으로 레이저 용접은 용융 공정이라는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 즉, 레이저 용접 중에 두 기판이 모두 녹습니다. 이 프로세스는 매우 빠르기 때문에 전체 열 입력이 낮습니다. 그러나 용융 공정이기 때문에 다른 재료를 용접 할 때 부서지기 쉬운 고 저항 금속 간 화합물을 형성 할 수 있습니다. 알루미늄과 구리의 조합은 특히 금속 간 화합물을 형성하기 쉽습니다. 이러한 화합물은 마이크로 전자 장비 조인트의 단기 전기적 및 장기적 기계적 특성에 부정적인 영향을 미치는 것으로 입증되었습니다. 리튬 배터리의 장기적인 성능에 대한 이러한 금속 간 화합물의 영향은 불확실합니다.