Лазерная очистка и резка Tab: секрет высокой прочности сварного шва

Автор: Дэни Хуанг, доктор философии.

Генеральный директор и руководитель исследований и разработок, TOB New Energy

Свяжитесь с доктором Хуангом в LinkedIn

Резюме и ключевые выводы

Приварной шов выходит из строя на поверхности задолго до того, как он выходит из строя на сварном шве. Алюминиевые пластины содержат собственный оксид толщиной 2–10 нм с шириной запрещенной зоны около 8,8 эВ — электрический изолятор, расположенный между двумя металлами, которые должны быть металлургически соединены. Удаление его непосредственно перед сваркой меняет оба важных показателя: прочность на растяжение и сопротивление соединения.

• Типичное изменение силы натяжения после очистки:25–40 Н до, 45–65 Н после на алюминиевой пластине толщиной 0,2 мм, приваренной к шине, при этом разброс падает с 25–40 % CV до менее 10 %.
• Типичное изменение сопротивления суставов:0,8–1,5 мОм до, 0,2–0,4 мОм после — достаточно, чтобы иметь значение на пути непрерывного разряда 100 А.
• Оксид отрастает:1–2 нм в течение нескольких минут на воздухе. Очистка должна быть встроенной и непосредственно перед сварным швом, а не отдельным этапом обработки.
• Лазерная резка удерживает заусенцы размером менее 10–15 мкм без износа инструмента., заменяя лезвие, качество кромки которого ухудшается с каждым движением.

Сварной шов проходит визуальный контроль. Никаких брызг, никаких изменений цвета, никаких явных зазоров. Затем испытание на растяжение показывает 32 Н по сравнению со спецификацией в 45 Н, а сопротивление соединения измеряется в четыре раза больше, чем смоделированное значение. В рецепте сварки нет ничего неправильного. Поверхность, которую нужно было соединить сварным швом, изначально никогда не была металлической.

Это один из самых тихих режимов отказа при сборке элементов, поскольку дефект невидим при любой визуальной проверке и проявляется только тогда, когда что-то измеряет силу или сопротивление. Инженерный ответ – не более строгий режим сварки. Это подготовка поверхности, которая происходит за секунды до сварки, на линии, в каждом цикле.

Почему поверхность выступа определяет прочность сварного шва раньше, чем сам сварной шов

Алюминий не остается голым. Свежая поверхность окисляется в окружающем воздухе в течение нескольких секунд, сразу достигая толщины 2–4 нм и продолжая расти до 5–10 нм в течение часов. Этот фильм не является тонким слоем неприятностей. Это Al₂O₃ с шириной запрещенной зоны около 8,8 эВ – диэлектрик. При ультразвуковой сварке оксид предотвращает контакт на атомном уровне, который обеспечивает твердотельное соединение. При лазерной сварке повышается пороговая энергия, необходимая для инициирования замочной скважины, и вводится переменное поглощение, поскольку толщина пленки колеблется поперек выступа.

Никелевые и медные вкладки ведут себя по-разному, но не лучше. Оксиды никеля и оксид меди тоньше, но все еще обладают сопротивлением, а рост оксида меди ускоряется с увеличением влажности и температуры. Рулонная медная фольга, хранящаяся без контроля атмосферы, может содержать оксидный слой, достаточно толстый, чтобы заметно изменить поведение сварного шва между первым и последним рулоном партии.

Добавьте остатки покрытия и картинка ухудшится. Избыточное распыление катодной суспензии мигрирует на зоны вкладок во время нанесения покрытия; Остатки углерода и связующего остаются на выступах анода после резки. Механическая чистка щеткой размазывает эти остатки, а не удаляет их, и размазанный слой становится барьером неизвестного состава под сварным швом.

Три состояния поверхности, определяющие качество соединения:

• Толщина оксида- определяет, возможен ли вообще контакт металла с металлом.
• Остаток и загрязнение- определяет, формируется ли сварочный самородок в металле или в смеси металла и органических остатков.
• Топография поверхности- определяет площадь контакта и, при ультразвуковой сварке, то, как энергия попадает в интерфейс.

Ни одна из этих проблем не устраняется путем регулировки мощности сварки. Все три проблемы решаются чисткой.

Что удаляет лазерная очистка и почему она самоограничивается

Импульсный волоконный лазер с длиной волны 1064 нм подает энергию импульсами 10–200 нс при плотности энергии примерно 1–10 Дж/см². Оксидный слой поглощает импульс гораздо сильнее, чем основной металл, и испаряется. Когда поверхность становится металлической, отражательная способность резко возрастает, и оставшаяся энергия импульса в значительной степени отражается, а не поглощается. Таким образом, процесс является самоограничивающимся: он удаляет оксид и останавливается на металле, поэтому правильно параметризованная система не утончает фольгу толщиной 8 мкм.

Такое самоограничивающееся поведение является причиной того, что лазерная очистка заменяет химическое травление на высокоскоростных линиях. Этот процесс является сухим, не требует промывки или сушки, не образует кислотных отходов и может выполняться в линию со скоростью передачи полотна или пластинок.

Цели удаления:

Шлейф, образующийся в результате абляции, необходимо удалять с помощью чистящей головки. Повторная конденсация металлических и углеродных частиц на только что очищенной вкладке противоречит цели этого этапа, а свободные проводящие частицы на поверхности ячейки представляют собой риск короткого замыкания. Отсасывание является частью спецификации очистительной станции, а не аксессуаром.

А против Б: механическая, химическая и лазерная подготовка поверхности

Для подготовки поверхностей выступов перед сваркой используются четыре метода. Они не взаимозаменяемы, и это сравнение объясняет, почему лазер вытеснил другие на линиях большого объема.

Механическая чистка по-прежнему подходит для небольших объемов работ и для вкладок, где требуется удалить только свободный мусор. Химическое травление дает лучшую поверхность, но не подходит для сухого поточного процесса и требует затрат на переработку отходов. Плазма хорошо справляется с органическими загрязнениями, но медленно удаляет оксид алюминия. Лазерная очистка — единственный метод, который сочетает в себе полное удаление оксидов, сухую поточную работу и отсутствие смещения расходных материалов в течение смены.

Результаты испытаний на растяжение: до и после

Самый ясный способ сформулировать ситуацию — это сформулировать измерение. В таблице ниже приведены типичные квалификационные значения для алюминиевой пластины толщиной 0,2 мм, приваренной к алюминиевой шине, и для никелевой пластины, приваренной к стальной банке, в зависимости от состояния очистки. Это целевые показатели процесса, наблюдаемые при квалификационных испытаниях, а не универсальные константы: у каждого слоя материала и метода сварки есть свое собственное окно.

Два показателя заслуживают внимания, помимо прироста силы. Первый — это разброс: коэффициент вариации выше 25 % означает, что процесс не находится под контролем, а спецификация, написанная на основе среднего значения, отклонит значимую часть хороших деталей и пропустит значимую часть плохих. Доведение CV ниже 10% часто приносит больше пользы, чем увеличение средней прочности, поскольку это делает спецификацию значимой.

Второе — совместное сопротивление. На аккумуляторе емкостью 50 Ач, потребляющем 100 А непрерывно, дополнительный 1 мОм на контактном соединении рассеивает 10 Вт в небольшом объеме и снижает напряжение на клеммах на 100 мВ. Это тепло находится в текущей точке сбора, худшем месте для горячей точки.

Лазерная резка: заусенцы, окалина и инструмент, который никогда не изнашивается

Геометрия выступа создается путем резки, а кромка разреза представляет собой поверхность сварного шва на стороне выступа и поверхность, обращенную к сепаратору, внутри ячейки. Механическая высечка приводит к образованию заусенцев, которые растут по всему интервалу заточки; заусенец размером примерно 10–15 мкм может привести к проколу сепаратора и создать нестабильную поверхность сварного шва.

Импульсная волоконная лазерная резка удерживает высоту заусенцев ниже этого порога на протяжении всего срока службы инструмента, поскольку нет кромки, которая могла бы изнашиваться. Параметры процесса, определяющие качество, относятся к той же группе, что и очистка: длительность импульса, частота повторения, положение фокуса, вспомогательный газ и скорость траектории резки. Наличие окалины на нижней стороне разреза контролируется положением фокуса и давлением газа; Ширина зоны термического влияния на тонкой фольге обычно остается в диапазоне 20–50 мкм.

Практическое преимущество сборки ячеек заключается не только в качестве кромок. Лазерная режущая головка меняет геометрию, загружая новый файл пути. Смена штампа занимает несколько часов и новый штамп. Для цилиндрических элементов, где форма выступа интегрирована с процессом намотки, сочетание резки, очистки и намотки на одной машине устраняет два этапа обработки, и каждый этап обработки между очисткой и сваркой представляет собой интервал восстановления оксида.

A Станок для лазерной резки и намотки цилиндрических ячеек для комплексного формирования выступов и намотки электродоввыполняет рез и ветер в одном непрерывном потоке. Именно это обеспечивает чистый, ровный край язычка при производительности, а не при скорости контроля, и исключает необходимость ручного переноса там, где в противном случае только что отрезанный язычок оставался бы открытым.

Интеграция очистки в линию, а не рядом с ней

Очистительная машина, установленная как отдельная дозирующая станция, решает поверхностную проблему и создает проблему планирования. Выгода снижается с каждой минутой между очисткой и сваркой, дополнительная обработка приводит к появлению новых загрязнений, а станция увеличивает трудозатраты, которые должна была устранить автоматизация.

Логика интеграции проста:

• Очистка на последней станции перед сваркой, по тому же пути передачи, с заданным и контролируемым интервалом.
• Извлеките шлейф на голове, с фильтрацией, рассчитанной на абляционную нагрузку, а не на общую вентиляцию.
• Следите за результатом, потому что система очистки, которая бесшумно теряет мощность или смещается в фокусе, создает поверхность, которая выглядит чистой и сваривается, как поверхность, покрытая оксидом. Обратная связь по отражению или плазменному излучению процесса обеспечивает эту проверку без остановки линии.
• Подберите чистящую головку к методу сварки.: ультразвуковая и лазерная сварка язычков требуют разных характеристик поверхности, и система, предназначенная для одной, не подходит автоматически для другой.

Здесь последовательность процессов имеет большее значение, чем какая-либо отдельная машина. Очистка, резка и сварка представляют собой одну непрерывную историю поверхности, и оборудование, которое выполняет эти этапы, должно быть указано как одна область применения. TOB New Energy поставляетСтанции для сварки аккумуляторных лепестков для ультразвуковой и лазерной сварки лепестков электродов и токосъемниковпри этом положение резки и очистки выше по потоку определяется как часть одной и той же схемы линии, поэтому интервал между подготовкой и соединением проектируется, а не определяется во время ввода в эксплуатацию.

Для профилей электродов, которые изменяются во время разработки, на этапе надрезания применяется та же логика:лазерная высечка электродов с изменением профиля без инструментов и краями без заусенцевустраняет затраты на штамп и время простоя при замене штампа, которые в противном случае прерывают историю поверхности между нанесением покрытия и сваркой.

Часто задаваемые вопросы: Лазерная очистка Tab и прочность сварного шва

Действительно ли лазерная очистка увеличивает прочность сварного шва на растяжение?
Да. Типичные аттестационные данные для алюминиевого язычка толщиной 0,2 мм показывают, что сила натяжения меняется от 25–40 Н при получении до 45–65 Н после очистки, при этом разброс падает ниже 10% CV.

Как быстро оксид алюминия отрастает после очистки?
Примерно 1–2 морских мили в течение нескольких минут в окружающем воздухе, продолжаясь до 5–10 морских миль в течение часов. Вот почему очистка проводится непосредственно перед сваркой, а не на отдельном этапе обработки.

Может ли лазерная очистка повредить тонкую фольгу?
Не при правильной параметризации. Процесс является самоограничивающимся: после удаления оксида отражательная способность металла возрастает, а поглощение импульса резко падает. Неправильная плотность энергии или фокус все равно могут оставить следы на поверхности, поэтому требуется проверка параметров фактической толщины фольги.

Зачем использовать лазерную резку вместо высечки вкладок?
Лазерная резка удерживает заусенцы размером менее 10–15 мкм без износа инструмента и меняет геометрию за счет загрузки нового траекторного файла. Заусенцы при резке штампа растут по мере промежутка заточки, и каждая новая форма выступа требует новой матрицы.

Заменяет ли этап очистки необходимость контроля сварки?
Нет. Очистка удаляет одну переменную; он не проверяет сварной шов. Мониторинг коаксиальных сварных швов и отбор проб для испытания на растяжение по-прежнему необходимы, а обратная связь процесса очистки (отражение или излучение плазмы) подтверждает, что сам этап очистки все еще работает.

Технический справочник, составленный группой инженеров-технологов TOB New Energy на основе работ по подготовке выступов и сварке на линиях сборки цилиндрических, призматических и пакетов. Для оценки прочности на растяжение и сопротивления для вашего конкретного набора вкладок свяжитесь с доктором Дэни Хуангом в LinkedIn или отправьте купоны на сварку в прикладную лабораторию Сямэнь.