جوشکاری لیزری در مقابل جوش نقطه ای: راهنمای نهایی برای اتصالات باتری

نویسنده: Dany Huang, Ph.D.

مدیر عامل و رهبر تحقیق و توسعه، TOB New Energy

با دکتر هوانگ در لینکدین ارتباط برقرار کنید

خلاصه اجرایی و نکات کلیدی

جوشکاری اتصال باتری به دو منبع انرژی اساساً متفاوت کاهش می یابد. جوشکاری نقطه ای مقاومتی به مقاومت تماس و گرمایش فله متکی است. روی فلزات نازک و مقاومی مانند نیکل کار می کند. جوشکاری لیزری فیبر یک سوراخ کلید ایجاد می‌کند که رسانایی الکتریکی و لایه‌های اکسید را نادیده می‌گیرد و آن را به تنها فرآیند صنعتی مناسب برای شینه‌های مسی به-آلومینیوم تبدیل می‌کند.

• قابلیت فرآیند: اتصالات مس و آلومینیوم جوش داده شده لیزری به طور مداوم به 85 تا 90 درصد استحکام کششی فلز پایه می‌رسند، در حالی که معادل‌های جوش‌خورده نقطه‌ای به ندرت به دلیل تخریب الکترود و ترکیبات اکسید از 65 درصد بیشتر می‌شوند.
• ردپای حرارتی: ناحیه متاثر از حرارت لیزر در 300 میکرومتر باقی می ماند. یک جوشکار نقطه ای کل ترمینال را خیس می کند و خطر آسیب جداکننده داخلی در سلول های با ظرفیت بالا را به همراه دارد.
• ثبات تولید: الکترودهای جوش نقطه ای روی مس پس از 150 تا 300 اتصال تجزیه می شوند و باعث پانسمان و ضایعات مکرر می شوند. اپتیک لیزر در هر چند هزار جوش به حداقل تعمیر و نگهداری نیاز دارد.
• آزادی طراحی: پرتوهای لیزر گالوو اسکن شده به فضاهای تنگ بدون نیروی فیزیکی دسترسی دارند. جوش نقطه ای نیاز به دسترسی گیره دو طرفه دارد که بسیاری از طرح های ماژول نمی توانند ارائه دهند.

هر مهندس اتصال به باتری در نهایت همان درس فیزیک را می آموزد: هدایت الکتریکی و جوش پذیری با هم همبستگی معکوس دارند.

مس و آلومینیوم نمونه کاملی هستند. آنها جریان را با کمترین تلفات حمل می کنند-دقیقاً چرا باسبارها و پایانه ها را تشکیل می دهند. اما همین رسانایی بالا آنها را در جوشکاری نقطه ای مقاومتی بی رحم می کند. یک الکترود مسی را در مقابل زبانه مسی قرار دهید، هزاران آمپر پمپاژ کنید و مسیر الکتریکی، آلیاژ الکترود را بر قطعه کار ترجیح می دهد. گرما در جایی که نباید ایجاد می کند. الکترودها فرسایش می یابند، قطعات کوچک می شوند و قدرت کشش فرو می ریزد.

لیزر این را به طور کامل دور می زند. یک پرتو متمرکز به مقاومت تماس اهمیتی نمی دهد. انرژی مستقیماً به سطح متصل می شود و ستون دقیق فلز را ذوب می کند و دو قسمت را به هم می آمیزد. این زبان بازاریابی نیست. این تفاوت بین فرآیندی است که با هر شات کاهش می یابد و فرآیندی که خروجی را برای ده ها هزار چرخه ثابت نگه می دارد.

مشکل حرارتی: چرا جوش نقطه ای یکپارچگی سلول را تهدید می کند؟

هنگامی که یک جوشکار نقطه ای مقاومتی به ترمینال سلول منشوری متصل می شود و آتش می گیرد، گرما به قطعه مورد نظر منتقل نمی شود. جریان در کل پست ترمینال پخش می شود و آن را مانند یک نوار مقاومتی گرم می کند. اندازه‌گیری‌های ترموکوپل در آزمایشگاه نشان می‌دهد که دمای بدنه نهایی می‌تواند در عرض 30 میلی‌ثانیه از یک پالس جریان بالا روی مس از 200 درجه تجاوز کند.

برای یک سلول استوانه‌ای کوچک با درپوش هواکش، جرم حرارتی کوچک است و لایه‌های فعال از پین انتهایی دور هستند. آسیب نادر است. اما در یک سلول منشوری یا کیسه‌ای با فرمت بزرگ، پین پایانه مستقیماً جوش داده می‌شود-یا حتی به عنوان یک پسوند- از فویل کلکتور داخلی تشکیل می‌شود. همان حرارت مقاومت را اعمال کنید و انرژی مستقیماً به رول ژله ای هدایت می شود. جداکننده که معمولاً یک لایه پلی اتیلن یا پلی پروپیلن است، در حدود 130 درجه شروع به جمع شدن و بسته شدن منافذ می کند. جوش نقطه ای فقط یک اتصال ضعیف را به خطر نمی اندازد. این خطر ایجاد یک کوتاه داخلی موضعی است که هیچ چرخه تشکیلی آن را تشخیص نخواهد داد.

جوشکاری لیزری دوز کل انرژی بسیار کمتری را اعمال می کند که در عرض میکروثانیه در یک ناحیه میکروسکوپی قرار می گیرد. مواد ترمینال اطراف به سختی گرم می شود. ترموکوپلی که در فاصله 2 میلی متری از حوضچه جوش قرار می گیرد، معمولاً افزایش کمتر از 20 درجه را ثبت می کند. ماده فعال ایمن می ماند. به همین دلیل است که استانداردهای ایمنی بین المللی مانند UN 38.3 به طور موثر فرآیندهای ورودی گرمای کم را برای سلول های پرانرژی الزامی می کند. نه به این دلیل که جوشکاری نقطه ای با نام ممنوع است، بلکه به این دلیل که حد حرارتی ضمنی را برآورده نمی کند.

سد مواد: مس، آلومینیوم و پوست اکسید

دو ویژگی جوشکاری نقطه ای مقاومتی را بر روی فلزات رایج باتری بسیار دشوار می کند.

اول اینکه مقاومت توده ای مس بسیار کم است. برای ذوب یک قطعه، جوشکار باید حرارت موضعی کافی را در سطح فایینگ تولید کند. از آنجایی که ورق مسی جریان را راحت تر از رابط الکترود هدایت می کند، سهم نامتناسبی از گرمایش مقاومتی درست در داخل خود نوک الکترود رخ می دهد. این امر مهاجرت الکتریکی را تسریع می‌کند، جایی که اتم‌های مس به سمت الکترود می‌آیند و مقاومت آن را بیشتر می‌کنند. این فرآیند خود ویرانگر می شود. داده‌های آزمایش لایه‌برداری از یک جوش نقطه‌ای مس به مس معمولی، ضریب تغییر در استحکام را تنها پس از 100 شلیک بیش از 30 درصد نشان می‌دهد.

دوم، آلومینیوم همیشه دارای یک لایه اکسید آلومینیوم سخت سرامیکی است. نقطه ذوب آن تقریباً 2070 درجه است، بسیار بالاتر از نقطه ذوب 660 درجه فلز پایه. جوش نقطه ای می تواند آلومینیوم را به دمای مذاب برساند، اما لایه اکسید اغلب تا حدی دست نخورده باقی می ماند و در داخل قطعه محبوس می شود. نتیجه یک جوش پر از آخال های اکسید است که به عنوان ترک های از قبل موجود عمل می کند. هنگامی که ماژول تحت ارتعاش یا چرخه حرارتی قرار می گیرد، آن ترک ها در امتداد مرز قطعه منتشر می شوند. اتصال در بارهای بسیار کمتر از درجه بندی فلز اصلی خراب می شود.

در مقابل، لیزر فیبر، لایه اکسید را فورا تبخیر می کند. حالت سوراخ کلید پرتو را در داخل کانال بخار به دام می اندازد و حوضچه مذاب در اطراف مویرگ به گردش در می آید. با اضافه شدن تکان پرتو-نوسان دایره ای کوچک نقطه متمرکز{3}}آلیاژ مذاب به صورت مکانیکی هم زده می شود. قطعات اکسید شکسته شده و در سراسر درز رقیق می شوند و یک اتصال متراکم، یکنواخت و بدون ترک ایجاد می کنند. این یک پیشرفت حاشیه ای نیست. این تفاوت بین Cpk 0.6 و Cpk بالای 1.5 است.

جایی که جوش نقطه ای هنوز پابرجاست

روشن بودن محدودیت ها به این معنی نیست که جوش نقطه ای منسوخ شده است. یک پاکت کاملاً تعریف شده وجود دارد که در آن بهینه ترین و مقرون به صرفه ترین انتخاب باقی می ماند.

سه شرطی که پوشش جوش نقطه ای را مشخص می کند:

• هر دو قطعه کار نیکل، فولاد نیکل اندود یا آلیاژهای فولادی ساده هستند.
• ضخامت زبانه زیر 0.2 میلی متر است.
• حجم تولید به سیستم های پانسمان الکترود خودکار نیاز ندارد.

در این شرایط، یک جوشکار نقطه‌ای مبتنی بر اینورتر دقیق، قطعات ثابتی را ارائه می‌کند و هزاران چرخه را قبل از ظاهر شدن هرگونه سایش الکترود قابل اندازه‌گیری انجام می‌دهد. رسانایی حرارتی پایین نیکل و فولاد گرما را دقیقاً در جایی که لازم است نگه می دارد و تشکیل اکسید ناچیز است. مجموعه بسته سلولی استوانه‌ای برای ابزارهای برقی، دوچرخه‌های دوچرخه، و نمونه‌های اولیه ESS در مقیاس کوچک، همگی در این جعبه عملیاتی جای می‌گیرند.

در لحظه ای که مس یا آلومینیوم وارد لایحه مواد می شود، مرز تیز می شود. هیچ یک از خط تولیدی که در طول سال‌ها آنالیز کرده‌ایم نتوانسته است معیارهای کیفیت قابل قبولی را در شین‌های مسی جوش‌خورده نقطه‌ای فراتر از نمونه‌سازی با نرخ پایین حفظ کند. نقطه متقاطع اقتصادی، صرفاً بر اساس هزینه‌های مصرفی و ضایعاتی، به حجم‌های بسیار کم-معمولاً چند هزار سلول در هفته می‌رسد.

شکاف اتوماسیون و تثبیت

جوشکاری اتصال باتری فقط ایجاد یک اتصال نیست. این در مورد ساختن آن مفصل در داخل یک ماژول است که در آن دسترسی محدود است و زمان چرخه بر حسب ثانیه اندازه گیری می شود.

یک جوشکار نقطه ای مقاومتی به هر دو الکترود نیاز دارد تا قطعه کار را با نیروهایی از 50 نیوتن تا بیش از 500 نیوتن فشرده کنند. ابزارسازی به سرعت پیچیده می شود. اگر طراحی ماژول تغییر کند، یا اگر قالب سلول جدیدی معرفی شود، کل مجموعه الکترود و اغلب ساختار مکانیکی باید دوباره طراحی و ماشینکاری شوند. این یک هزینه مهندسی قابل توجه غیر تکراری است.

دستگاه جوش لیزر باتری با سر گالوو اسکن کاملا متفاوت عمل می کند. پرتو توسط آینه های کوچک و سریع هدایت می شود. این می تواند در میلی ثانیه از جوشی به جوش دیگر بپرد، نیروی مکانیکی صفر اعمال کند و به قسمت های فرورفته ای برسد که نگهدارنده الکترود حجیم هرگز نمی تواند به آن دسترسی پیدا کند. تغییر الگوی جوش یک ویرایش نرم افزاری است. این سیستم‌های لیزری را ذاتاً برای تولید مدل‌های ترکیبی انعطاف‌پذیرتر می‌کند و زمان مورد نیاز برای راه‌اندازی طراحی ماژول جدید را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد.

ماهیت بدون نیرو جوش لیزری همچنین به این معنی است که دستگاه دیگر مجبور نیست در برابر فشار صدها نیوتن واکنش نشان دهد. بستن فقط باید شینه را در 0.2 میلی متر از سطح ترمینال نگه دارد تا موقعیت کانونی صحیح را حفظ کند. وسایل سبک‌تر، ارزان‌تر و ادغام با نوار نقاله‌های خودکار آسان‌تر می‌شوند.

علم پارامتر: جلوگیری از ترک و تخلخل در جوش‌های درجه باتری

قدرت خام لیزر به طور خودکار جوش باتری قابل اعتماد تولید نمی کند. پنجره فرآیند باید با دقت شماره گیری شود. سه حالت رایج خرابی که هنگام عیب یابی خطوط مشتری با آن مواجه می شویم عبارتند از: ترک خوردگی خط مرکزی، پاشش و تخلخل زیرسطحی.

ترک خط مرکزیدر استخرهای جوش غنی از آلومینیوم یک پدیده تفکیک است. همانطور که استخر از لبه ها به سمت داخل جامد می شود، یوتکتیک با نقطه ذوب پایین به مرکز رانده می شود. آنها یک مرز ضعیف را تشکیل می دهند که تحت تنش انقباض حرارتی ترک می خورد. راه حل جهانی تکان پرتو است. با نوسان دادن نقطه لیزر در یک دایره کوچک در 200-300 هرتز، قسمت انجماد شکسته شده و ناخالصی ها پراکنده می شوند. نتیجه زیر میکروسکوپ یک ساختار دانه ریز و هم محور بدون خط مرکزی پیوسته است.

پاشیدنزمانی ایجاد می شود که سوراخ کلید ناپایدار شود. رطوبت، آلودگی سطح، یا پوشش نامناسب گاز محافظ می تواند باعث ریزش شدید سوراخ کلید و بیرون ریختن قطرات شود. تعمیر با خلوص گاز و جریان شروع می شود: آرگون، 15 تا 25 لیتر در دقیقه، از طریق یک نازل با زاویه 30 تا 40 درجه نسبت به حالت عادی تحویل داده می شود. سطوح ترمینال باید خشک باشند. در محیط های مرطوب، پیش پخت در دمای 80 درجه به مدت 30 دقیقه رطوبت جذب شده را از بین می برد.

تخلخل زیرسطحیاغلب به هیدروژن محلول در آلومینیوم باز می گردد. در طول انجماد سریع، هیدروژن از محلول خارج می شود و حباب های میکروسکوپی را تشکیل می دهد که به عنوان متمرکز کننده تنش عمل می کنند. تغییر به ترکیب محافظ آرگون-هلیوم (معمولاً 70/30) تخلخل را کاهش می دهد زیرا هدایت حرارتی بالاتر هلیوم به خروج گاز از استخر قبل از یخ زدن کمک می کند.

اینها مشاهدات آکادمیک نیست. آنها اصلاحات فنی مستقیم هستند که هفته به هفته بر روی تجهیزات تولید واقعی اعمال می شوند.

سوالات متداول: تصمیمات جوشکاری اتصال باتری

Q1: یک جوشکار نقطه ای چه چیزی را می تواند به طور قابل اعتماد در بسته باتری جوش دهد؟
نوارهای نیکل به قوطی های فولادی با روکش نیکل. برای هر اتصالی که شامل مس یا آلومینیوم با ضخامت بیشتر از 0.15 میلی متر باشد، جوش نقطه ای ریسک فرآیند بالایی را معرفی می کند و برای خطوط تولید توصیه نمی شود.

Q2: آیا جوشکاری لیزری به مواد پرکننده نیاز دارد؟
برای اتصالات شینه به ترمینال، جوشکاری خودزا (بدون پرکننده) استاندارد است. تنها زمانی که شکاف از حدود 15 درصد قطر لکه لیزر فراتر رود، پرکننده ضروری می شود، که معمولاً یک طراحی برای تولید پرچم قرمز است.

Q3: یک فرآیند معمولی جوشکاری لیزر باتری چقدر سریع است؟
یک جوش باسبار به ترمینال با لیزر فیبر 2 کیلوواتی تقریباً 0.3 تا 0.6 ثانیه طول می کشد. با اسکن گالو، پرتو در کمتر از 0.1 ثانیه تغییر مکان می دهد و در نتیجه زمان چرخه 20 تا 35 جوش در دقیقه ایجاد می شود.

Q4: سیستم جوش لیزری فیبر به چه تعمیراتی نیاز دارد؟
در درجه اول هر چند هزار جوش شیشه محافظ را تمیز یا تعویض کنید. تغییرات مایع خنک کننده و فیلتر مطابق با برنامه لیزر فیبر استاندارد است. هیچ الکترودی برای پانسمان، هیچ بخش مکانیکی حساس به نیرو برای کالیبراسیون مجدد وجود ندارد.

Q5: آیا می توان دستگاه جوش لیزر باتری را با MES موجود ادغام کرد؟
بله. کنترل‌کننده‌های لیزری صنعتی مدرن از پروتکل‌های فیلدباس استاندارد (Profinet، EtherCAT، و غیره) پشتیبانی می‌کنند و می‌توانند پارامترهای جوش را در زمان واقعی برای قابلیت کشش و کنترل فرآیند آماری ثبت کنند.