Nos últimos anos, graças ao rápido desenvolvimento da indústria de novas energias, a soldagem a laser penetrou rapidamente em todo o setor devido às suas vantagens de rapidez e estabilidade. Dentre os equipamentos utilizados, a soldagem a laser representa a maior proporção de aplicações em toda a indústria de novas energias.
Soldagem a laserRapidamente se tornou a primeira escolha em todos os setores devido à sua alta velocidade, grande profundidade e pequena deformação. De soldas por pontos a soldas de topo, soldas de preenchimento e soldas de vedação,soldagem a laserProporciona precisão e controle incomparáveis. Desempenha um papel importante na produção e fabricação industrial, incluindo a indústria militar, a área médica, a aeroespacial, a de autopeças 3C, a de chapas metálicas, a de novas energias e outros setores.
Em comparação com outras tecnologias de soldagem, a soldagem a laser possui vantagens e desvantagens específicas.
Vantagem:
1. Alta velocidade, grande profundidade e pequena deformação.
2. A soldagem pode ser realizada em temperatura normal ou sob condições especiais, e o equipamento de soldagem é simples. Por exemplo, um feixe de laser não sofre deriva em um campo eletromagnético. Os lasers podem soldar no vácuo, no ar ou em certos ambientes gasosos, e podem soldar materiais que são transparentes ao feixe de laser, mesmo através do vidro.
3. Pode soldar materiais refratários como titânio e quartzo, e também materiais diferentes com bons resultados.
4. Após o laser ser focalizado, a densidade de potência é alta. A relação de aspecto pode atingir 5:1 e até 10:1 ao soldar dispositivos de alta potência.
5. É possível realizar microsoldagem. Após o feixe de laser ser focalizado, obtém-se um ponto minúsculo que pode ser posicionado com precisão. Essa técnica pode ser aplicada na montagem e soldagem de peças micro e pequenas, permitindo a produção em massa automatizada.
6. Permite soldar áreas de difícil acesso e realizar soldagem sem contato a longa distância, com grande flexibilidade. Especialmente nos últimos anos, a tecnologia de processamento a laser YAG adotou a tecnologia de transmissão por fibra óptica, o que possibilitou uma maior promoção e aplicação da tecnologia de soldagem a laser.
7. O feixe de laser é facilmente dividido no tempo e no espaço, e múltiplos feixes podem ser processados em vários locais simultaneamente, proporcionando condições para uma soldagem mais precisa.
Defeito:
1. A precisão de montagem da peça deve ser alta, e a posição do feixe na peça não pode apresentar desvios significativos. Isso ocorre porque o tamanho do ponto do laser após o foco é pequeno e a solda é estreita, dificultando a adição de material de enchimento. Se a precisão de montagem da peça ou a precisão de posicionamento do feixe não atenderem aos requisitos, defeitos de soldagem podem ocorrer.
2. O custo dos lasers e sistemas relacionados é alto, e o investimento inicial é elevado.
Defeitos comuns na soldagem a laserna fabricação de baterias de lítio
1. Porosidade de soldagem
Defeitos comuns emsoldagem a lasersão poros. A poça de fusão da soldagem é profunda e estreita. Durante o processo de soldagem a laser, o nitrogênio invade a poça de fusão a partir do exterior. Durante o processo de resfriamento e solidificação do metal, a solubilidade do nitrogênio diminui com a queda da temperatura. Quando o metal da poça de fusão esfria e começa a cristalizar, a solubilidade cai bruscamente e repentinamente. Nesse momento, uma grande quantidade de gás precipita, formando bolhas. Se a velocidade de flutuação das bolhas for menor que a velocidade de cristalização do metal, poros serão gerados.
Em aplicações na indústria de baterias de lítio, observamos frequentemente que a formação de poros é particularmente comum durante a soldagem do eletrodo positivo, mas raramente ocorre durante a soldagem do eletrodo negativo. Isso se deve ao fato de o eletrodo positivo ser feito de alumínio e o negativo de cobre. Durante a soldagem, o alumínio líquido na superfície se condensa antes que o gás interno vaze completamente, impedindo que o gás se dissipe e forme pequenos orifícios, grandes ou pequenos.
Além das causas de poros mencionadas acima, a formação de poros também pode ser influenciada por ar externo, umidade, óleo na superfície, etc. Ademais, a direção e o ângulo de sopro de nitrogênio também afetam a formação de poros.
E quanto a como reduzir a ocorrência de poros de soldagem?
Primeiro, antessoldagemNa produção de baterias de lítio, as manchas de óleo e impurezas na superfície dos materiais recebidos precisam ser limpas a tempo; a inspeção dos materiais recebidos é um processo essencial.
Em segundo lugar, o fluxo de gás de proteção deve ser ajustado de acordo com fatores como velocidade de soldagem, potência, posição, etc., e não deve ser nem muito grande nem muito pequeno. A pressão da capa protetora deve ser ajustada de acordo com fatores como potência do laser e posição do foco, e não deve ser nem muito alta nem muito baixa. O formato do bocal da capa protetora deve ser ajustado de acordo com o formato, a direção e outros fatores da solda, de modo que a capa protetora possa cobrir uniformemente a área de soldagem.
Em terceiro lugar, controle a temperatura, a umidade e a poeira no ar da oficina. A temperatura e a umidade ambiente afetam o teor de umidade na superfície do substrato e no gás de proteção, o que, por sua vez, afeta a geração e a liberação de vapor de água na poça de fusão. Se a temperatura e a umidade ambiente estiverem muito altas, haverá muita umidade na superfície do substrato e no gás de proteção, gerando uma grande quantidade de vapor de água e resultando em poros. Se a temperatura e a umidade ambiente estiverem muito baixas, haverá pouca umidade na superfície do substrato e no gás de proteção, reduzindo a geração de vapor de água e, consequentemente, os poros. A equipe de controle de qualidade deve monitorar os valores ideais de temperatura, umidade e poeira na estação de soldagem.
Em quarto lugar, o método de oscilação do feixe é utilizado para reduzir ou eliminar poros na soldagem a laser de penetração profunda. Devido à oscilação durante a soldagem, o movimento de vaivém do feixe sobre a junta de solda provoca a refusão repetida de parte da junta, o que prolonga o tempo de permanência do metal líquido na poça de fusão. Ao mesmo tempo, a deflexão do feixe também aumenta a entrada de calor por unidade de área. A relação profundidade/largura da solda é reduzida, o que favorece o surgimento de bolhas, eliminando assim os poros. Por outro lado, a oscilação do feixe faz com que o pequeno orifício oscile de acordo, o que também pode fornecer uma força de agitação para a poça de fusão, aumentando a convecção e a agitação da poça de fusão e tendo um efeito benéfico na eliminação dos poros.
Em quinto lugar, a frequência de pulso. A frequência de pulso refere-se ao número de pulsos emitidos pelo feixe de laser por unidade de tempo, o que afeta a entrada e o acúmulo de calor na poça de fusão e, consequentemente, o campo de temperatura e o fluxo na poça. Se a frequência de pulso for muito alta, haverá um aporte excessivo de calor na poça de fusão, elevando sua temperatura a um nível muito alto e produzindo vapor metálico ou outros elementos voláteis em altas temperaturas, resultando em poros. Se a frequência de pulso for muito baixa, haverá um acúmulo insuficiente de calor na poça de fusão, resultando em uma temperatura muito baixa, reduzindo a dissolução e a liberação de gases, também resultando em poros. De modo geral, a frequência de pulso deve ser escolhida dentro de uma faixa adequada, considerando a espessura do substrato e a potência do laser, evitando valores muito altos ou muito baixos.
Furos de soldagem (soldagem a laser)
2. Respingos de solda
Os respingos gerados durante o processo de soldagem a laser afetam seriamente a qualidade da superfície da solda, além de contaminar e danificar a lente. O comportamento geral é o seguinte: após a conclusão da soldagem a laser, muitas partículas de metal aparecem na superfície do material ou da peça e aderem a ela. O comportamento mais intuitivo é que, ao soldar no modo galvanométrico, após um período de uso da lente protetora do galvanômetro, surgem cavidades densas na superfície, causadas pelos respingos de soldagem. Com o tempo, essas cavidades podem bloquear a luz, causando problemas na iluminação da soldagem e resultando em uma série de problemas, como falhas na solda e soldas invisíveis.
Quais são as causas dos respingos?
Primeiramente, a densidade de potência: quanto maior a densidade de potência, mais fácil é gerar respingos, e os respingos estão diretamente relacionados à densidade de potência. Este é um problema secular. Pelo menos até agora, a indústria não conseguiu resolver o problema dos respingos, podendo-se apenas afirmar que houve uma leve redução. Na indústria de baterias de lítio, os respingos são a principal causa de curto-circuito, mas a causa raiz ainda não foi solucionada. O impacto dos respingos na bateria só pode ser reduzido por meio de medidas de proteção. Por exemplo, adicionam-se círculos de aberturas para remoção de poeira e tampas de proteção ao redor da área de soldagem, além de fileiras de lâminas de ar para evitar o impacto dos respingos ou mesmo danos à bateria. Pode-se dizer que os meios de proteção contra a destruição do ambiente, dos produtos e dos componentes ao redor da estação de soldagem foram esgotados.
Quanto à solução do problema de respingos, pode-se afirmar que reduzir a energia de soldagem ajuda a diminuir os respingos. Reduzir a velocidade de soldagem também pode ajudar se a penetração for insuficiente. No entanto, em alguns processos com requisitos específicos, isso tem pouco efeito. Mesmo sendo o mesmo processo, diferentes máquinas e lotes de materiais apresentam resultados de soldagem completamente diferentes. Portanto, existe uma regra não escrita na indústria de energia renovável: um conjunto de parâmetros de soldagem para um determinado equipamento.
Em segundo lugar, se a superfície do material processado ou da peça de trabalho não for limpa, manchas de óleo ou poluentes também causarão respingos graves. Nesse caso, a solução mais simples é limpar a superfície do material processado.
3. Alta refletividade da soldagem a laser
De modo geral, alta reflexão refere-se ao fato de o material de processamento ter baixa resistividade, uma superfície relativamente lisa e uma baixa taxa de absorção para lasers de infravermelho próximo, o que leva a uma grande quantidade de emissão de laser. Além disso, como a maioria dos lasers é usada na vertical ou com uma pequena inclinação devido ao material, a luz laser refletida retorna à cabeça de saída e parte dela é acoplada à fibra transmissora de energia, sendo transmitida de volta ao interior do laser, fazendo com que os componentes internos permaneçam em alta temperatura.
Quando a refletividade for muito alta durante a soldagem a laser, as seguintes soluções podem ser adotadas:
3.1 Utilize revestimento antirreflexo ou trate a superfície do material: revestir a superfície do material de soldagem com um revestimento antirreflexo pode reduzir efetivamente a refletividade do laser. Esse revestimento geralmente é um material óptico especial com baixa refletividade que absorve a energia do laser em vez de refletí-la. Em alguns processos, como soldagem de coletores de corrente, conexão flexível, etc., a superfície também pode ser texturizada.
3.2 Ajuste do ângulo de soldagem: Ajustando o ângulo de soldagem, o feixe de laser pode incidir sobre o material a ser soldado em um ângulo mais adequado, reduzindo a ocorrência de reflexões. Normalmente, incidir o feixe de laser perpendicularmente à superfície do material a ser soldado é uma boa maneira de reduzir as reflexões.
3.3 Adição de absorvente auxiliar: Durante o processo de soldagem, uma certa quantidade de absorvente auxiliar, como pó ou líquido, é adicionada à solda. Esses absorventes absorvem a energia do laser e reduzem a refletividade. O absorvente apropriado deve ser selecionado com base nos materiais de soldagem específicos e nos cenários de aplicação. Na indústria de baterias de lítio, isso é improvável.
3.4 Utilizar fibra óptica para transmitir o laser: Se possível, pode-se utilizar fibra óptica para transmitir o laser até a posição de soldagem, reduzindo a refletividade. As fibras ópticas podem guiar o feixe de laser até a área de soldagem, evitando a exposição direta à superfície do material a ser soldado e reduzindo a ocorrência de reflexos.
3.5 Ajuste dos parâmetros do laser: Ajustando parâmetros como potência do laser, distância focal e diâmetro focal, é possível controlar a distribuição da energia do laser e reduzir as reflexões. Para alguns materiais reflexivos, reduzir a potência do laser pode ser uma maneira eficaz de diminuir as reflexões.
3.6 Utilize um divisor de feixe: Um divisor de feixe pode direcionar parte da energia do laser para o dispositivo de absorção, reduzindo assim a ocorrência de reflexões. Os dispositivos de divisão de feixe geralmente consistem em componentes ópticos e absorvedores, e, selecionando os componentes apropriados e ajustando o layout do dispositivo, é possível obter uma refletividade menor.
4. Rebaixo de soldagem
No processo de fabricação de baterias de lítio, quais processos têm maior probabilidade de causar rebaixos? Por que os rebaixos ocorrem? Vamos analisar.
Em geral, o rebaixo ocorre quando os materiais de soldagem não estão bem combinados, a folga é muito grande ou aparece um sulco, a profundidade e a largura são geralmente maiores que 0,5 mm, o comprimento total é maior que 10% do comprimento da solda ou maior que o comprimento exigido pelo padrão do processo do produto.
Em todo o processo de fabricação de baterias de lítio, a ocorrência de mordeduras é mais provável, sendo geralmente mais frequente nas etapas de pré-soldagem e soldagem da vedação da placa de cobertura cilíndrica e na soldagem da vedação da placa de cobertura quadrada de alumínio. A principal razão é que a placa de cobertura de vedação precisa ser soldada em conjunto com a carcaça, e o processo de junção entre a placa de cobertura de vedação e a carcaça é propenso a folgas excessivas na solda, ranhuras, colapso, etc., tornando-a particularmente suscetível a mordeduras.
Então, o que causa o undercut?
Se a velocidade de soldagem for muito alta, o metal líquido atrás do pequeno orifício que aponta para o centro da solda não terá tempo de se redistribuir, resultando em solidificação e mordedura em ambos os lados da solda. Diante dessa situação, precisamos otimizar os parâmetros de soldagem. Simplificando, trata-se de repetir experimentos para verificar vários parâmetros e continuar realizando o planejamento de experimentos (DOE) até encontrar os parâmetros adequados.
2. Lacunas excessivas de solda, ranhuras, colapsos, etc., nos materiais de soldagem, reduzem a quantidade de metal fundido que preenche as lacunas, tornando mais provável a ocorrência de mordeduras. Isso é uma questão de equipamento e matéria-prima. É preciso verificar se a matéria-prima para soldagem atende aos requisitos do processo, se a precisão do equipamento atende aos requisitos, etc. A prática comum é pressionar e criticar constantemente os fornecedores e os responsáveis pelo equipamento.
3. Se a energia cair muito rapidamente no final da soldagem a laser, o pequeno orifício pode colapsar, resultando em mordeduras localizadas. O ajuste correto de potência e velocidade pode prevenir eficazmente a formação de mordeduras. Como diz o ditado, repita os experimentos, verifique os diversos parâmetros e continue o planejamento de experimentos (DOE) até encontrar os parâmetros ideais.
5. Colapso do centro da solda
Se a velocidade de soldagem for lenta, a poça de fusão será maior e mais larga, aumentando a quantidade de metal fundido. Isso pode dificultar a manutenção da tensão superficial. Quando o metal fundido se torna muito denso, o centro da solda pode afundar, formando depressões e cavidades. Nesse caso, a densidade de energia precisa ser reduzida adequadamente para evitar o colapso da poça de fusão.
Em outra situação, a folga de soldagem simplesmente forma um colapso sem causar perfuração. Isso é, sem dúvida, um problema de ajuste por pressão do equipamento.
Uma compreensão adequada dos defeitos que podem ocorrer durante a soldagem a laser e das causas dos diferentes defeitos permite uma abordagem mais direcionada para resolver quaisquer problemas anormais de soldagem.
6. Trincas na solda
As fissuras que aparecem durante a soldagem a laser contínua são principalmente fissuras térmicas, como fissuras de cristalização e fissuras de liquefação. A principal causa dessas fissuras são as grandes forças de contração geradas pela solda antes de sua completa solidificação.
Existem também os seguintes motivos para o aparecimento de fissuras na soldagem a laser:
1. Projeto de solda inadequado: Um projeto inadequado da geometria e do tamanho da solda pode causar concentração de tensões, resultando em trincas. A solução é otimizar o projeto da solda para evitar a concentração de tensões. Isso pode ser feito utilizando soldas com deslocamento adequado, alterando o formato da solda, etc.
2. Incompatibilidade dos parâmetros de soldagem: A seleção inadequada dos parâmetros de soldagem, como velocidade de soldagem muito alta, potência excessiva, etc., pode levar a variações de temperatura desiguais na área de soldagem, resultando em tensões elevadas e fissuras. A solução é ajustar os parâmetros de soldagem para que correspondam ao material específico e às condições de soldagem.
3. Preparação inadequada da superfície de soldagem: A falta de limpeza e pré-tratamento adequados da superfície de soldagem, como a remoção de óxidos, graxa, etc., afetará a qualidade e a resistência da solda e poderá levar facilmente ao surgimento de trincas. A solução é limpar e pré-tratar adequadamente a superfície de soldagem para garantir que as impurezas e contaminantes na área de soldagem sejam tratados de forma eficaz.
4. Controle inadequado da entrada de calor na soldagem: O controle inadequado da entrada de calor durante a soldagem, como temperatura excessiva, taxa de resfriamento inadequada da camada de solda, etc., levará a alterações na estrutura da área soldada, resultando em trincas. A solução é controlar a temperatura e a taxa de resfriamento durante a soldagem para evitar superaquecimento e resfriamento rápido.
5. Alívio de tensão insuficiente: O tratamento de alívio de tensão insuficiente após a soldagem resultará em alívio de tensão insuficiente na área soldada, o que levará facilmente ao surgimento de trincas. A solução é realizar um tratamento de alívio de tensão adequado após a soldagem, como tratamento térmico ou tratamento por vibração (principal causa).
Em relação ao processo de fabricação de baterias de lítio, quais processos têm maior probabilidade de causar rachaduras?
Geralmente, as fissuras são propensas a ocorrer durante a soldagem de vedação, como a soldagem de vedação de invólucros cilíndricos de aço ou alumínio, a soldagem de vedação de invólucros quadrados de alumínio, etc. Além disso, durante o processo de embalagem do módulo, a soldagem do coletor de corrente também é propensa a fissuras.
É claro que também podemos usar arame de enchimento, pré-aquecimento ou outros métodos para reduzir ou eliminar essas rachaduras.
Data da publicação: 01/09/2023
