بحث عن عملية اللحام بالليزر للنحاس في موصل البطارية

الخلاصة:لحام النحاس في موصل البطارية، تم استخدام الليزر النبضي وليزر الألياف المستمر لاختبار اللحام بالليزر. بالنسبة لليزر النبضي، تم إجراء معاملات العملية الخاصة بقدرة الذروة وعرض النبضة والمسافات البؤرية إلى تجارب متعامدة، وتم الحصول على أقصى قوة قص تبلغ 28 نيوتن. بالنسبة لليزر الألياف المستمر، تم إجراء معاملات العملية الخاصة بالطاقة وسرعة اللحام والمسافات البؤرية إلى تجارب متعامدة، وتم الحصول على أقصى قوة قص تبلغ 58 نيوتن. أظهر ظهور البقع أن اللحامات الداخلية الملحومة بالنبض موجودة في المسام. على العكس من ذلك، اللحامات الداخلية ملحومة بليزر الألياف المستمر بدون مسام، مما كان مفيداً لتحسين قوة القص.

الكلمات المفتاحية ：النحاس ;  اللحام بالليزر; تجارب متعامدة ; معلمة العملية

شنومك مقدمة

يمتلك النحاس الأرجواني مزايا مثل التوصيل الحراري الجيد، والتوصيل الكهربائي الممتاز، وسهولة المعالجة والتشكيل. يتم استخدامه على نطاق واسع في الأسلاك والكابلات الكهربائية، والأجهزة، وتصنيع الإلكترونيات. تتطلب كل وحدة داخل الهاتف المحمول طاقة كهربائية لتشغيلها، مثل وحدة الكاميرا، والشاشة، ومكبر الصوت، والذاكرة، ولوحة الدائرة، وما إلى ذلك. وتكون البطارية ثابتة بشكل عام في منطقة معينة ويحتاج إلى موصل لربطه بهذه المكونات لتكوين مسار موصل لإمدادات الطاقة. النحاس الأرجواني هو المادة الأكثر استخدامًا لموصلات بطارية الهاتف المحمول. الوضع الحالي للحام لوحات موصل النحاس الأرجواني هو اللحام بالمقاومة بشكل أساسي. تعمل التيارات الكبيرة من الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة على إذابة لوحة الموصل النحاسية. عندما تنفصل الأقطاب الكهربائية، تبرد المادة لتشكل خط لحام. في حين أن هيكل جهاز اللحام هذا بسيط وتشغيله عملي ومريح، فإن الأقطاب الكهربائية الإيجابية والسلبية المستخدمة في اللحام بالمقاومة تميل إلى التآكل والانهيار، مما يستلزم التوقف في خط الإنتاج للاستبدال، وبالتالي تقليل كفاءة الإنتاج.

اللحام بالليزر، الذي يستخدم الليزر كمصدر للحرارة للمعالجة، يتمتع بمزايا المساحة الصغيرة المتأثرة بالحرارة، وقوة اللحام العالية، وعدم الاتصال بقطعة العمل، وكفاءة الإنتاج العالية. وقد تم تطبيقه على نطاق واسع في لحام المواد مثل الفولاذ المقاوم للصدأ، وسبائك الألومنيوم، وسبائك النيكل، وما إلى ذلك. يتمتع النحاس الأرجواني بانعكاسية عالية تبلغ 97٪ أو أكثر لليزر، مما يستلزم زيادة طاقة الليزر للتعويض عن فقدان طاقة الليزر بسبب الانعكاس، مما يؤدي إلى إهدار كبير لطاقة الليزر. وفي الوقت نفسه، يمكن أن تؤثر التغيرات في حالة سطح النحاس الأرجواني على التغيرات في انعكاس النحاس لليزر، مما يزيد بشكل كبير من عدم استقرار عملية اللحام. لتحسين قابلية لحام النحاس بالليزر، أجرى العلماء أبحاثًا مكثفة على سطح النحاس، مثل النقش بالليزر على سطح النحاس أو الطلاء بالجرافيت، لزيادة معدل امتصاص النحاس بالليزر. في حين أن هذه الطريقة قد حسنت قابلية لحام النحاس، إلا أنها أضافت أيضًا إلى عملية الإنتاج وزيادة تكاليف الإنتاج.

تستخدم المقالة استخدام كل من الليزر النبضي وليزر الألياف المستمر لإجراء تجارب تحسين العملية على قطع أعمدة البطارية النحاسية الأرجوانية، مما يوفر مرجعًا للإنتاج الفعلي.

1 تجربة اللحام

1.1 المواد التجريبية

الطبقة العليا من المادة التجريبية من النحاس الأرجواني بسمك 0.2 ملم. مادة الطبقة السفلية هي النحاس الأرجواني المطلي بالنيكل، بسمك 0.2 مم. يظهر التركيب الكيميائي لطبقتي المادة في الجدول 1. يتم تقطيع المواد إلى أطوال وعرض 20 مم × 6 مم، كما هو موضح في الشكل 1 (أ). يتم إجراء تجارب اللحام المتداخل، مما يتطلب مساحة لحام تبلغ 4 مم × 0.5 مم، كما هو موضح في الشكل 1 (ب). وبعد اكتمال اللحام، يتم إجراء اختبار قوة القص. يتم ثني مادة الطبقة السفلية بمقدار 180 درجة على طول اللحام، ويتم إجراء اختبار قوة القص، كما هو موضح في الشكل 1 (ج). يستخدم اختبار قوة القص آلة اختبار عالمية إلكترونية يتم التحكم فيها عن طريق الكمبيوتر الصغير، موديل WDW-200E. يتم تثبيت الأطراف العلوية والسفلية للمنتج بمثبت، وسرعة التمدد هي 50 مم/ ثانية.

جدول 1 التركيب الكيميائي لمواد الاختبار (الجزء الكتلي/%)

1.2 معدات وطرق اللحام

تشير تجربة اللحام يستخدم ليزر ألياف نابض شبه مستمر بقدرة 150 وات وليزر ألياف مستمر بقدرة 1000 وات من إنتاج شركة Wuhan Raycus. متوسط ​​قوة ليزر الألياف النبضي شبه المستمر هو 150W، وطاقة الذروة هي 1500W، وعرض النبضة هو 0.2mm~25ms. تصل كفاءة التحويل الكهروضوئي لليزر الألياف إلى أكثر من 30٪، والتي يمكن أن تحصل على طاقة إخراج ليزر أعلى، كما أن ليزر الألياف يتمتع بجودة شعاع جيدة، ويبلغ قطر ألياف الليزر 0.05 مم، ومسافة التركيز الخارجية جزء المرآة الموازية هو 100 مم، ومسافة التركيز لعدسة التركيز 200 مم، ونقطة التركيز بالليزر صغيرة، ويمكن أن يصل الحد الأدنى النظري للبقعة إلى 0.1 مم، ويمكن أن يصل تأثير الليزر بكثافة الطاقة العالية على سطح مادة النحاس رفع درجة حرارة مادة النحاس بسرعة. ومع ارتفاع درجة الحرارة، يزداد أيضًا معدل امتصاص المادة لليزر بسرعة. لذلك، فإن استخدام ألياف الليزر في لحام المواد النحاسية يمكن أن يتغلب إلى حد ما على مشكلة الانعكاس العالي للنحاس على الليزر. تظهر منصة تجربة اللحام في الشكل 2 أعلاه.

الشكل 2 منصة اللحام التجريبية

كل نبضة من ليزر الألياف النبضي شبه المستمر تشكل نقطة لحام، مناسبة للحام البقع النبضي. يظهر الرسم التخطيطي لنقطة اللحام في الشكل 3 (أ) أعلاه. متوسط ​​طاقة ليزر الألياف المستمر بقدرة 1000 واط هو 1000 واط، بدون طاقة ذروة، مما يجعله مناسبًا جدًا للحام التماس المستمر. يمكن تشكيل نقاط اللحام عن طريق العمل بطريقة حلزونية كما هو موضح في الشكل 3 (ب) أعلاه.

(أ) وصلة لحام نبضية مكونة من ألياف ليزر نبضية شبه مستمرة (ب) وصلة لحام مكونة من دوامة ليزر الألياف المستمرة الشكل 3 رسم تخطيطي لبقع اللحام

2 النتائج التجريبية والتحليل

2.1 تحسين عملية اللحام بالليزر النبضي

معلمات عملية اللحام الرئيسية للحام بالليزر النبضي شبه المستمر هي طاقة الليزر القصوى، وعرض النبض، وكمية إزالة التركيز. تم إجراء تجربة متعامدة ثلاثية العوامل على معلمات العملية الثلاث هذه، وتظهر نتائج التجربة المتعامدة واختبار الشد في الجدول 2. تؤثر طاقة الذروة لليزر بشكل أساسي على عمق ذوبان بقعة اللحام. ومع زيادة قوة الذروة، سيزداد عمق الذوبان أيضًا. ومع ذلك، عندما تكون طاقة الذروة عالية جدًا، تكون المادة عرضة للتبخر، مما يتسبب في تناثر المواد وترك المسام داخل خط اللحام. يؤثر عرض النبض في المقام الأول على حجم بقعة اللحام، مع زيادة حجم بقعة اللحام مع زيادة النبض. يزيد العرض. مقدار إزالة التركيز البؤري هو المسافة بين تركيز الليزر وسطح قطعة العمل. إذا كان تركيز الليزر تحت سطح قطعة العمل، فإنه يعتبر إلغاء تركيز سلبي. في هذه الحالة، من السهل الحصول على وصلة لحام ذات عمق انصهار أعمق، نظرًا لأن المادة رقيقة جدًا عند 0.2 مم، وإذا كان عمق الانصهار كبيرًا جدًا، فقد يؤدي ذلك بسهولة إلى اختراق المادة السفلية، مما يؤدي بدوره إلى اختراقها. يمكن أن يقلل من قوة القص لبقعة اللحام، في النص، يتم استخدام إلغاء التركيز الإيجابي للحام (أي، يكون تركيز الليزر فوق سطح قطعة العمل). يحدد حجم كمية إزالة التركيز البؤري حجم بقعة الضوء؛ مع زيادة كمية إزالة التركيز البؤري، تتوسع بقعة الضوء، مما يقلل من كثافة الطاقة التي تعمل على سطح المادة، وبالتالي تقليل عمق ذوبان اللحام. عندما تكون طاقة الذروة 1400 وات، تكون طاقة الذروة عالية جدًا، مما يجعل من السهل توليدها ترشيش. تؤدي خسارة المواد هذه إلى انخفاض قوة القص لبقعة اللحام. عندما تكون قوة القص لليزر 1200 واط، تكون قوة القص لبقعة اللحام مرتفعة بشكل عام. عندما تكون قوة الليزر القصوى 1200 واط، وعرض النبضة 8 مللي ثانية، ومقدار إزالة التركيز البؤري 1 مم، يمكن أن تصل قوة القص القصوى إلى 28 نيوتن.

علامة التبويب 2: تجربة متعامدة ونتيجة الليزر النبضي

2.2 تحسين عملية اللحام بليزر الألياف المستمر

معلمات العملية الرئيسية مستمرة لحام ألياف الليزر هي متوسط ​​طاقة الليزر، وسرعة اللحام (سرعة الليزر الذي يعمل على الخط الحلزوني)، وكمية إزالة التركيز البؤري (كما هو الحال مع لحام الليزر النبضي شبه المستمر، يتم استخدام إزالة التركيز الإيجابي للتجربة). يوضح الجدول 3 التجارب المتعامدة ونتائج اختبار الشد مع هذه المعلمات الثلاثة على ثلاثة مستويات. يؤثر متوسط ​​قوة الليزر على عمق الانصهار والمنطقة المتأثرة بالحرارة لدرزة اللحام. مع زيادة الطاقة، سيزداد عمق الذوبان، كما ستتسع المنطقة المتأثرة بالحرارة، مما يجعل من السهل إنتاج احتراق زائد، مما يؤدي إلى انخفاض التوتر. وسيكون لسرعة اللحام تأثير على عمق الذوبان والمنطقة المتأثرة بالحرارة. من التماس اللحام. ومع زيادة سرعة اللحام، يتناقص عمق الانصهار لنقطة اللحام، كما تنخفض المنطقة المتأثرة بالحرارة. ويحدد حجم وحدة إزالة التركيز حجم بقعة الضوء. مع زيادة عدم التركيز، تصبح بقعة الضوء أكبر، وتنخفض كثافة الطاقة المؤثرة على سطح المادة، مما يقلل من عمق انصهار اللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة. عندما يكون متوسط ​​الطاقة 500 واط، تكون قوة القص صغيرة عموما. وذلك لأن متوسط ​​قوة الليزر منخفض، وعمق انصهار نقطة اللحام منخفض، مما يؤدي إلى انخفاض قوة القص. عندما يكون متوسط ​​الطاقة 700 واط، يكون متوسط ​​طاقة الليزر مرتفعًا جدًا، مما يؤدي إلى منطقة كبيرة جدًا متأثرة بالحرارة. عند اختبار قوة القص، يتم أولاً تمزق المنطقة المتأثرة بالحرارة، مما يتسبب في انخفاض قوة القص لنقطة اللحام. عندما يكون متوسط ​​قوة الليزر 600 واط، تكون قوة القص لنقطة اللحام أعلى بشكل عام. عندما يكون متوسط ​​قوة الليزر 600 واط، وسرعة اللحام 150 مم/ثانية، مع إزالة التركيز البؤري بمقدار 0 مم، تصل قوة القص إلى حد أقصى يبلغ 58 نيوتن.

علامة التبويب 3: تجربة متعامدة ونتائج ليزر الألياف

2.3 التحليل المقارن للمظهر

من أجل تحليل فرق الشد في قوة القص بين الليزر النبضي والمستمر لحام ألياف الليزر من النحاس، يتم تحليل مظهر بقعة اللحام. من خلال مراقبة بقعة اللحام بالمجهر الإلكتروني، عندما تكون الطاقة القصوى لليزر النبضي 1200 وات، يكون عرض النبضة 8 مللي ثانية، وإلغاء التركيز 1 مم، هناك تناثر جزئي على سطح بقعة اللحام، مما يترك حفرًا على السطح، كما هو موضح في الشكل 4 (أ). على الجزء الخلفي من نقطة اللحام، يمكن رؤية ثقوب واضحة في بعض الأجزاء، كما هو موضح في الشكل 4 (ب). بعد قطع اللحام وتلميعه وطحنه وتآكله، يتم استخدام عدسة مكبرة لاختبار المقطع العرضي للحام، كما هو موضح في الشكل 4 (ج)، توجد مسام داخل اللحام، وذلك بسبب ارتفاع انعكاسية النحاس تتطلب طاقة ذروة عالية للحام. ومع ذلك، فإن طاقة الذروة العالية تتسبب في تبخر بعض العناصر بسهولة، مما يؤدي إلى توليد المسام التي ستقلل من قوة القص لنقطة اللحام. عند اللحام بليزر الألياف المستمر، عندما يكون متوسط ​​طاقة الليزر 600 واط، تكون سرعة اللحام 150 مم / ثانية ، ويكون إلغاء التركيز البؤري 0 مم، ويكون سطح نقطة اللحام موحدًا ومتسقًا، مع عدم وجود حفر أو تناثر متولد، كما هو موضح في الشكل 4 (د). لا توجد ثقوب أو عيوب واضحة في الجزء الخلفي من نقطة اللحام، كما هو موضح في الشكل 4 (د). هو مبين في الشكل 4 (ه). باستخدام عدسة مكبرة لاختبار المقطع العرضي للحام من اللحام بليزر الألياف المستمر، كما هو موضح في الشكل XNUMX (و)، يكون اللحام خاليًا من المسام ويتكون من حزم من طبقات اللحام، وذلك بسبب استخدام قوة ليزر معينة لأداء اللحام الحلزوني في اللحام بالليزر المستمر. يتم استخدام طاقة ليزر أقل، ومن خلال تراكم الحرارة، يتم ذوبان المواد العلوية والسفلية. تماسك اللحام جيد، مع عدم وجود مسام أو عيوب أخرى، مما يؤدي إلى قوة قص أكبر مقارنة بالنبض اللحام بالليزر.

يتم استخدام الليزر النبضي وليزر الألياف المستمر بشكل منفصل لحام موصلات بطارية الهاتف، ويتم إجراء اختبار المقاومة. بعد اللحام بالليزر النبضي، تبلغ المقاومة المختبرة 0.120Ω·mm2/m، وهي أعلى من المقاومة الأصلية للنحاس وهي 0.018 Ω·mm2 /م. ويرجع ذلك إلى زيادة المقاومة الناتجة عن وجود المسام داخل نقطة اللحام. بعد اللحام بليزر الألياف المستمر، تبلغ المقاومة المختبرة 0.0220 Ω·mm2/m، وهي قريبة من مقاومة المادة الأم، النحاس، وبالتالي تلبي العملية مستلزمات الإنتاج.

3 الخاتمة

يتم استخدام ليزر ألياف نبضي شبه مستمر بقدرة 150 واط وليزر ألياف مستمر بقدرة 1000 واط بشكل منفصل لتجارب اللحام على النحاس، من أجل إجراء تجارب تحسين العملية. عندما تكون الطاقة القصوى لليزر النبضي 1200 واط، يكون عرض النبضة 8 مللي ثانية، ومقدار إزالة التركيز البؤري هو 1 مم، والحد الأقصى لقوة القص التي تم تحقيقها هو 28 نيوتن. عندما يكون متوسط ​​طاقة ليزر الألياف المستمر 600 واط، تكون سرعة اللحام 150 مم/ثانية، وكمية إزالة التركيز البؤري 0 مم، وأقصى قوة قص يتم تحقيقها هي 58 نيوتن.

يوضح تحليل مظهر نقطة اللحام والمقطع العرضي أن نقطة اللحام بالليزر النبضي بها بقع على السطح وأن خط اللحام به مسام بالداخل. تتميز نقطة اللحام بليزر الألياف المستمر بسطح ثابت وموحد مع عدم وجود مسام داخل البقعة، مما يحسن قوة القص لنقطة اللحام. وهذا يوفر مرجعًا قيمًا لاختيار مصدر ضوء الليزر المطلوب في الإنتاج العملي.