Negli ultimi anni, grazie al rapido sviluppo del settore delle energie rinnovabili, la saldatura laser si è rapidamente diffusa in tutto il comparto, grazie ai suoi vantaggi in termini di velocità e affidabilità. Tra le varie tecnologie, le apparecchiature per la saldatura laser rappresentano la quota maggiore di applicazioni nell'intero settore delle energie rinnovabili.
Saldatura laserè diventato rapidamente la prima scelta in tutti i settori della vita grazie alla sua velocità elevata, alla grande profondità e alla piccola deformazione. Dalle saldature a punti alle saldature di testa, alle saldature di accumulo e di tenuta,saldatura laserOffre precisione e controllo senza pari. Svolge un ruolo importante nella produzione e nella manifattura industriale, compresi i settori militare, medico, aerospaziale, dei componenti automobilistici 3C, della lavorazione della lamiera, delle nuove energie e altri ancora.
Rispetto ad altre tecnologie di saldatura, la saldatura laser presenta vantaggi e svantaggi specifici.
Vantaggio:
1. Elevata velocità, grande profondità e minima deformazione.
2. La saldatura può essere eseguita a temperatura ambiente o in condizioni particolari, e l'attrezzatura di saldatura è semplice. Ad esempio, un raggio laser non subisce deviazioni in un campo elettromagnetico. I laser possono saldare sottovuoto, in aria o in determinati ambienti gassosi, e possono saldare materiali che attraversano il vetro o sono trasparenti al raggio laser.
3. È in grado di saldare materiali refrattari come il titanio e il quarzo, e può anche saldare materiali dissimili con buoni risultati.
4. Dopo la messa a fuoco del laser, la densità di potenza è elevata. Il rapporto d'aspetto può raggiungere 5:1 e può arrivare fino a 10:1 durante la saldatura di dispositivi ad alta potenza.
5. È possibile eseguire la microsaldatura. Dopo aver focalizzato il raggio laser, si ottiene un piccolo punto che può essere posizionato con precisione. Può essere applicato all'assemblaggio e alla saldatura di micro e piccoli pezzi per realizzare una produzione di massa automatizzata.
6. È in grado di saldare aree difficili da raggiungere ed eseguire saldature a distanza senza contatto, con grande flessibilità. In particolare, negli ultimi anni, la tecnologia di lavorazione laser YAG ha adottato la tecnologia di trasmissione in fibra ottica, che ha permesso una più ampia diffusione e applicazione della tecnologia di saldatura laser.
7. Il raggio laser è facilmente divisibile nel tempo e nello spazio, e più raggi possono essere elaborati simultaneamente in più punti, offrendo le condizioni per una saldatura più precisa.
Difetto:
1. È richiesta un'elevata precisione di assemblaggio del pezzo e la posizione del raggio sul pezzo non deve subire deviazioni significative. Questo perché la dimensione del punto laser dopo la focalizzazione è ridotta e il cordone di saldatura è stretto, il che rende difficile l'aggiunta di materiale d'apporto. Se la precisione di assemblaggio del pezzo o la precisione di posizionamento del raggio non soddisfano i requisiti, è probabile che si verifichino difetti di saldatura.
2. Il costo dei laser e dei sistemi correlati è elevato e l'investimento iniziale è ingente.
Difetti comuni nella saldatura lasernella produzione di batterie al litio
1. Porosità della saldatura
Difetti comuni insaldatura lasersono pori. Il bagno di fusione durante la saldatura è profondo e stretto. Durante il processo di saldatura laser, l'azoto invade il bagno di fusione dall'esterno. Durante il processo di raffreddamento e solidificazione del metallo, la solubilità dell'azoto diminuisce con la diminuzione della temperatura. Quando il metallo fuso si raffredda per iniziare a cristallizzare, la solubilità cala bruscamente e improvvisamente. In questo momento, una grande quantità di gas precipita formando bolle. Se la velocità di galleggiamento delle bolle è inferiore alla velocità di cristallizzazione del metallo, si generano pori.
Nelle applicazioni dell'industria delle batterie al litio, si osserva spesso che la formazione di pori è particolarmente probabile durante la saldatura dell'elettrodo positivo, mentre è rara durante la saldatura dell'elettrodo negativo. Ciò è dovuto al fatto che l'elettrodo positivo è in alluminio e quello negativo in rame. Durante la saldatura, l'alluminio liquido sulla superficie si condensa prima che il gas interno fuoriesca completamente, impedendo la fuoriuscita del gas e la formazione di fori di diverse dimensioni.
Oltre alle cause di formazione dei pori menzionate in precedenza, anche l'aria esterna, l'umidità, l'olio superficiale, ecc., possono contribuire alla loro formazione. Inoltre, anche la direzione e l'angolo del getto di azoto influiscono sulla formazione dei pori.
Come ridurre la formazione di porosità nelle saldature?
Innanzitutto, primasaldaturaLe macchie d'olio e le impurità presenti sulla superficie dei materiali in entrata devono essere pulite tempestivamente; nella produzione di batterie al litio, l'ispezione dei materiali in entrata è un processo essenziale.
In secondo luogo, il flusso del gas di protezione deve essere regolato in base a fattori quali velocità di saldatura, potenza, posizione, ecc., e non deve essere né troppo elevato né troppo basso. La pressione del mantello protettivo deve essere regolata in base a fattori quali potenza del laser e posizione di messa a fuoco, e non deve essere né troppo alta né troppo bassa. La forma dell'ugello del mantello protettivo deve essere adattata in base alla forma, alla direzione e ad altri fattori della saldatura, in modo che il mantello protettivo possa coprire uniformemente l'area di saldatura.
In terzo luogo, è necessario controllare la temperatura, l'umidità e la presenza di polvere nell'aria dell'officina. La temperatura e l'umidità ambientali influiscono sul contenuto di umidità sulla superficie del substrato e del gas di protezione, che a sua volta influisce sulla generazione e sulla fuoriuscita di vapore acqueo nel bagno di fusione. Se la temperatura e l'umidità ambientali sono troppo elevate, ci sarà troppa umidità sulla superficie del substrato e nel gas di protezione, generando una grande quantità di vapore acqueo e causando la formazione di porosità. Se la temperatura e l'umidità ambientali sono troppo basse, ci sarà troppo poca umidità sulla superficie del substrato e nel gas di protezione, riducendo la generazione di vapore acqueo e quindi la formazione di porosità; è necessario che il personale addetto al controllo qualità verifichi i valori target di temperatura, umidità e polvere nella postazione di saldatura.
In quarto luogo, il metodo di oscillazione del fascio viene utilizzato per ridurre o eliminare i pori nella saldatura laser a penetrazione profonda. Grazie all'aggiunta dell'oscillazione durante la saldatura, l'oscillazione alternata del fascio sul cordone di saldatura provoca la rifusione ripetuta di parte del cordone stesso, prolungando il tempo di permanenza del metallo liquido nel bagno di saldatura. Allo stesso tempo, la deflessione del fascio aumenta anche l'apporto di calore per unità di area. Il rapporto profondità-larghezza della saldatura si riduce, favorendo la formazione di bolle e, di conseguenza, eliminando i pori. D'altra parte, l'oscillazione del fascio fa sì che il piccolo foro si muova di conseguenza, fornendo una forza di agitazione al bagno di saldatura, aumentando la convezione e l'agitazione del bagno stesso, con un effetto benefico sull'eliminazione dei pori.
In quinto luogo, la frequenza degli impulsi. La frequenza degli impulsi si riferisce al numero di impulsi emessi dal raggio laser per unità di tempo, che influisce sull'apporto di calore e sull'accumulo di calore nel bagno fuso, influenzando di conseguenza il campo di temperatura e il campo di flusso al suo interno. Se la frequenza degli impulsi è troppo alta, si verifica un eccessivo apporto di calore nel bagno fuso, con conseguente innalzamento eccessivo della temperatura e produzione di vapore metallico o di altri elementi volatili ad alte temperature, con conseguente formazione di pori. Se la frequenza degli impulsi è troppo bassa, si verifica un insufficiente accumulo di calore nel bagno fuso, con conseguente abbassamento della temperatura, riduzione della dissoluzione e della fuoriuscita di gas, con conseguente formazione di pori. In generale, la frequenza degli impulsi dovrebbe essere scelta entro un intervallo ragionevole in base allo spessore del substrato e alla potenza del laser, evitando valori eccessivamente alti o bassi.
Fori di saldatura (saldatura laser)
2. Schizzi di saldatura
Gli schizzi generati durante il processo di saldatura laser influiscono seriamente sulla qualità superficiale della saldatura e sporcano e danneggiano la lente. In generale, il fenomeno si verifica quando, al termine della saldatura laser, numerose particelle metalliche compaiono sulla superficie del materiale o del pezzo e vi aderiscono. Un esempio lampante si ha quando, durante la saldatura in modalità galvanometro, dopo un certo periodo di utilizzo della lente protettiva del galvanometro, si formano delle cavità dense sulla superficie, causate dagli schizzi di saldatura. Col tempo, queste cavità possono facilmente ostruire la luce, causando problemi di saldatura e, di conseguenza, saldature difettose e non perfettamente saldate.
Quali sono le cause degli schizzi?
Innanzitutto, la densità di potenza: maggiore è la densità di potenza, più facile è generare schizzi, e gli schizzi sono direttamente correlati alla densità di potenza. Questo è un problema vecchio di secoli. Almeno finora, l'industria non è stata in grado di risolvere il problema degli schizzi, potendo solo affermare di averlo leggermente ridotto. Nell'industria delle batterie al litio, gli schizzi sono la principale causa di cortocircuito, ma non si è riusciti a risolvere la causa principale. L'impatto degli schizzi sulla batteria può essere ridotto solo dal punto di vista della protezione. Ad esempio, vengono aggiunti cerchi di bocchette di aspirazione della polvere e coperture protettive attorno alla zona di saldatura, e file di getti d'aria vengono aggiunte in cerchio per prevenire l'impatto degli schizzi o addirittura danni alla batteria. Si può dire che si siano esauriti i mezzi per distruggere l'ambiente, i prodotti e i componenti intorno alla stazione di saldatura.
Per quanto riguarda la risoluzione del problema degli spruzzi, si può solo dire che ridurre l'energia di saldatura aiuta a ridurli. Anche ridurre la velocità di saldatura può essere utile se la penetrazione è insufficiente. Tuttavia, in alcuni processi specifici, ha un effetto limitato. Pur trattandosi dello stesso processo, macchine diverse e lotti di materiali diversi producono risultati di saldatura completamente diversi. Pertanto, nel settore delle nuove energie vige una regola non scritta: un unico set di parametri di saldatura per ogni apparecchiatura.
In secondo luogo, se la superficie del materiale o del pezzo lavorato non viene pulita, macchie d'olio o agenti inquinanti possono causare schizzi pericolosi. In questo caso, la cosa più semplice è pulire la superficie del materiale lavorato.
3. Elevata riflettività della saldatura laser
In generale, l'elevata riflessione si riferisce al fatto che il materiale di lavorazione ha una bassa resistività, una superficie relativamente liscia e un basso tasso di assorbimento per i laser nel vicino infrarosso, il che porta a una grande quantità di emissione laser e, poiché la maggior parte dei laser viene utilizzata in verticale a causa del materiale o di una piccola inclinazione, la luce laser riflessa rientra nella testa di uscita e parte della luce riflessa viene persino accoppiata alla fibra di trasmissione dell'energia e viene ritrasmessa lungo la fibra all'interno del laser, facendo sì che i componenti principali all'interno del laser continuino a essere ad alta temperatura.
Quando la riflettività è troppo elevata durante la saldatura laser, si possono adottare le seguenti soluzioni:
3.1 Utilizzare un rivestimento antiriflesso o trattare la superficie del materiale: rivestire la superficie del materiale di saldatura con un rivestimento antiriflesso può ridurre efficacemente la riflettività del laser. Questo rivestimento è solitamente costituito da uno speciale materiale ottico a bassa riflettività che assorbe l'energia laser anziché rifletterla. In alcuni processi, come la saldatura a collettore di corrente, la saldatura a filo continuo, ecc., la superficie può anche essere goffrata.
3.2 Regolazione dell'angolo di saldatura: Regolando l'angolo di saldatura, il raggio laser può incidere sul materiale da saldare con un'angolazione più appropriata, riducendo così il rischio di riflessi. In genere, far incidere il raggio laser perpendicolarmente alla superficie del materiale da saldare è un buon metodo per ridurre i riflessi.
3.3 Aggiunta di assorbente ausiliario: Durante il processo di saldatura, una certa quantità di assorbente ausiliario, come polvere o liquido, viene aggiunta alla saldatura. Questi assorbenti assorbono l'energia del laser e riducono la riflettività. L'assorbente appropriato deve essere selezionato in base ai materiali di saldatura specifici e agli scenari di applicazione. Nell'industria delle batterie al litio, questo è improbabile.
3.4 Utilizzo di fibra ottica per la trasmissione del laser: Se possibile, è possibile utilizzare una fibra ottica per trasmettere il laser al punto di saldatura, riducendo così la riflettività. Le fibre ottiche possono guidare il raggio laser verso l'area di saldatura, evitando l'esposizione diretta alla superficie del materiale e riducendo la probabilità di riflessi.
3.5 Regolazione dei parametri del laser: Regolando parametri quali la potenza del laser, la lunghezza focale e il diametro focale, è possibile controllare la distribuzione dell'energia laser e ridurre i riflessi. Per alcuni materiali riflettenti, la riduzione della potenza del laser può essere un metodo efficace per ridurre i riflessi.
3.6 Utilizzo di un divisore di fascio: Un divisore di fascio può convogliare parte dell'energia laser verso il dispositivo di assorbimento, riducendo così la presenza di riflessioni. I dispositivi di divisione del fascio sono generalmente costituiti da componenti ottici e assorbitori e, selezionando i componenti appropriati e regolando la configurazione del dispositivo, è possibile ottenere una riflettività inferiore.
4. Sottosquadro di saldatura
Nel processo di produzione delle batterie al litio, quali fasi hanno maggiori probabilità di causare il sottosquadro? Perché si verifica il sottosquadro? Analizziamolo.
Sottosquadro, generalmente i materiali di saldatura non sono ben combinati tra loro, lo spazio è troppo grande o appare una scanalatura, la profondità e la larghezza sono sostanzialmente maggiori di 0,5 mm, la lunghezza totale è maggiore del 10% della lunghezza della saldatura o maggiore della lunghezza richiesta dallo standard di processo del prodotto.
Nell'intero processo di produzione delle batterie al litio, il sottosquadro è un problema frequente, generalmente distribuito nelle fasi di pre-saldatura e saldatura della piastra di copertura cilindrica e della piastra di copertura quadrata in alluminio. La ragione principale è che la piastra di copertura deve essere saldata in sinergia con l'involucro; il processo di accoppiamento tra la piastra di copertura e l'involucro è soggetto a eccessivi spazi di saldatura, scanalature, cedimenti, ecc., risultando quindi particolarmente incline al sottosquadro.
Quindi, cosa causa il ribasso dei prezzi?
Se la velocità di saldatura è troppo elevata, il metallo liquido dietro il piccolo foro orientato verso il centro della saldatura non avrà il tempo di ridistribuirsi, con conseguente solidificazione e sottosquadro su entrambi i lati della saldatura. In considerazione di questa situazione, è necessario ottimizzare i parametri di saldatura. In parole semplici, si tratta di ripetere gli esperimenti per verificare i vari parametri e continuare a eseguire la progettazione degli esperimenti (DOE) fino a quando non si trovano i parametri appropriati.
2. Un'eccessiva presenza di spazi vuoti, scanalature, cedimenti, ecc. nei materiali di saldatura ridurrà la quantità di metallo fuso che riempie gli spazi, aumentando la probabilità di sottosquadri. Questo è un problema di attrezzature e materie prime. Bisogna verificare se le materie prime per la saldatura soddisfano i requisiti dei materiali in ingresso del nostro processo, se la precisione delle attrezzature soddisfa i requisiti, ecc. La prassi normale è quella di tormentare e picchiare continuamente i fornitori e il personale responsabile delle attrezzature.
3. Se l'energia diminuisce troppo rapidamente alla fine della saldatura laser, il piccolo foro potrebbe collassare, causando sottosquadri locali. Un corretto abbinamento di potenza e velocità può prevenire efficacemente la formazione di sottosquadri. Come dice il vecchio proverbio, ripetete gli esperimenti, verificate i vari parametri e continuate con la progettazione degli esperimenti (DOE) finché non trovate i parametri corretti.
5. Collasso del centro di saldatura
Se la velocità di saldatura è bassa, il bagno di fusione sarà più grande e più ampio, aumentando la quantità di metallo fuso. Ciò può rendere difficile il mantenimento della tensione superficiale. Quando il metallo fuso diventa troppo pesante, il centro della saldatura può affondare e formare avvallamenti e cavità. In questo caso, è necessario ridurre opportunamente la densità di energia per evitare il collasso del bagno di fusione.
In un'altra situazione, la fessura di saldatura si deforma semplicemente collassando senza provocare perforazioni. Questo è indubbiamente un problema di accoppiamento a pressione dei componenti.
Una corretta comprensione dei difetti che possono verificarsi durante la saldatura laser e delle cause dei diversi difetti consente un approccio più mirato per risolvere eventuali problemi di saldatura anomali.
6. Crepe nelle saldature
Le cricche che compaiono durante la saldatura laser continua sono principalmente cricche termiche, come cricche cristalline e cricche da liquefazione. La causa principale di queste cricche è rappresentata dalle elevate forze di contrazione generate dalla saldatura prima della sua completa solidificazione.
Esistono inoltre le seguenti cause di formazione di crepe nella saldatura laser:
1. Progettazione della saldatura non idonea: una progettazione errata della geometria e delle dimensioni della saldatura può causare una concentrazione di stress, con conseguente formazione di cricche. La soluzione consiste nell'ottimizzare la progettazione della saldatura per evitare tale concentrazione. È possibile utilizzare saldature sfalsate appropriate, modificare la forma della saldatura, ecc.
2. Parametri di saldatura non corretti: una selezione errata dei parametri di saldatura, come una velocità di saldatura troppo elevata, una potenza troppo alta, ecc., può causare variazioni di temperatura non uniformi nell'area di saldatura, con conseguenti tensioni eccessive e cricche. La soluzione consiste nell'adattare i parametri di saldatura al materiale specifico e alle condizioni di saldatura.
3. Scarsa preparazione della superficie di saldatura: La mancata pulizia e pretrattamento adeguati della superficie di saldatura prima della saldatura, come la rimozione di ossidi, grasso, ecc., influirà sulla qualità e sulla resistenza della saldatura e porterà facilmente alla formazione di crepe. La soluzione consiste nel pulire e pretrattare adeguatamente la superficie di saldatura per garantire che le impurità e i contaminanti presenti nell'area di saldatura vengano rimossi efficacemente.
4. Controllo inadeguato dell'apporto termico durante la saldatura: un controllo inadeguato dell'apporto termico durante la saldatura, come temperature eccessive, velocità di raffreddamento insufficiente dello strato di saldatura, ecc., può causare alterazioni nella struttura dell'area di saldatura, con conseguente formazione di cricche. La soluzione consiste nel controllare la temperatura e la velocità di raffreddamento durante la saldatura per evitare surriscaldamento e raffreddamento troppo rapido.
5. Distensione insufficiente: Un trattamento di distensione insufficiente dopo la saldatura comporterà una distensione insufficiente nella zona saldata, che può facilmente portare alla formazione di crepe. La soluzione consiste nell'eseguire un trattamento di distensione adeguato dopo la saldatura, come il trattamento termico o il trattamento vibratorio (causa principale).
Per quanto riguarda il processo di produzione delle batterie al litio, quali fasi hanno maggiori probabilità di causare crepe?
In generale, le crepe tendono a formarsi durante le saldature di tenuta, come ad esempio la saldatura di gusci cilindrici in acciaio o in alluminio, la saldatura di gusci quadrati in alluminio, ecc. Inoltre, anche durante il processo di confezionamento dei moduli, la saldatura del collettore di corrente è soggetta a crepe.
Naturalmente, possiamo anche utilizzare filo di riempimento, preriscaldamento o altri metodi per ridurre o eliminare queste crepe.
Data di pubblicazione: 1 settembre 2023
