Výzkum procesu laserového svařování mědi v konektoru baterie Česká republika

Abstrakt:Pro svařování mědi v konektoru baterie byly pro testování laserového svařování použity pulzní laser a kontinuální vláknový laser. U pulzního laseru byly procesní parametry špičkový výkon, šířka pulzu a ohniskové vzdálenosti přeneseny do ortogonálních experimentů a byla získána maximální smyková síla 28N. U kontinuálního vláknového laseru byly procesní parametry výkon, rychlost svařování a ohniskové vzdálenosti přeneseny do ortogonálních experimentů a byla získána maximální smyková síla 58N. Vzhled bodů ukázal, že svary uvnitř nebo svařované pulzem existují póry. Naopak svary vnitřní nebo svařované kontinuálním vláknovým laserem nevykazují žádné póry, což bylo užitečné pro zlepšení smykové síly.

Klíčová slova ：měď ;  laserové svařování; ortogonální experimenty; procesní parametr

0 úvod

Fialová měď má výhody, jako je dobrá tepelná vodivost, vynikající elektrická vodivost a snadné zpracování a tvarování. Je široce používán ve výrobě elektrických vodičů a kabelů, hardwaru a elektroniky. Každá jednotka v mobilním telefonu vyžaduje k provozu elektrickou energii, jako je modul fotoaparátu, obrazovka, reproduktor, paměť, obvodová deska atd. Baterie je obecně pevná v určité oblasti a potřebuje konektor, který jej propojí s těmito součástmi, aby vytvořil vodivou cestu pro napájení. Fialová měď je nejběžněji používaným materiálem pro konektory baterií mobilních telefonů. Současným způsobem svařování fialových měděných konektorových desek je především odporové svařování. Velké proudy z kladných a záporných elektrod taví měděnou konektorovou desku. Jak se elektrody oddělují, materiál se ochlazuje a vytváří svarový šev. Zatímco konstrukce tohoto svařovacího zařízení je jednoduchá a jeho obsluha je praktická a pohodlná, kladné a záporné elektrody používané při odporovém svařování mají tendenci se opotřebovávat a rozpadat, což vyžaduje zastavení výrobní linky kvůli výměně, čímž se snižuje efektivita výroby.

Laserové svařování, která jako zdroj tepla ke zpracování využívá lasery, má výhody malé tepelně ovlivněné plochy, vysoké svařovací pevnosti, bezkontaktnosti s obrobkem a vysoké efektivity výroby. Široce se používá při svařování materiálů, jako je nerezová ocel, slitina hliníku, slitina niklu a tak dále. Fialová měď má vysokou odrazivost 97 % nebo více pro lasery, což vyžaduje zvýšení výkonu laseru pro kompenzaci ztráta laserové energie v důsledku odrazu, což má za následek značné plýtvání laserovou energií. Současně mohou změny stavu povrchu fialové mědi ovlivnit změny v odrazivosti mědi vůči laseru, což značně zvyšuje nestabilitu svařovacího procesu. laserová svařitelnost mědi, vědci provedli rozsáhlý výzkum na povrchu mědi, jako je laserové leptání na měděný povrch nebo potažení grafitem, aby se zvýšila míra absorpce mědi laserem. Tato metoda sice zlepšila svařitelnost mědi, ale zároveň přispěla k výrobnímu procesu a zvýšila výrobní náklady.

Článek využívá použití jak pulzních laserů, tak kontinuálních vláknových laserů k provádění experimentů optimalizace procesu na fialových měděných bateriových pólových nástavcích, které poskytují referenci pro skutečnou výrobu.

1 Svařovací pokus

1.1 Experimentální materiály

Horní vrstva experimentálního materiálu je fialová měď o tloušťce 0.2 mm. Materiál spodní vrstvy je poniklovaná fialová měď o tloušťce 0.2 mm. Chemické složení dvou vrstev materiálu je uvedeno v tabulce 1. Materiály jsou nařezány na délky a šířky 20 mm x 6 mm, jak je znázorněno na obrázku 1(a). Provádějí se experimenty se svařováním s přesahem, které vyžadují svařovací plochu 4 mm x 0.5 mm, jak je znázorněno na obrázku 1(b). Po dokončení svařování se provede zkouška smykové síly. Materiál spodní vrstvy je ohnut o 180 stupňů podél svaru a je proveden test smykové síly, jak je znázorněno na obrázku 1(c). Test smykové síly používá mikropočítačem řízený elektronický univerzální testovací stroj, model WDW-200E. Horní a spodní konce výrobku jsou upnuty pomocí přípravku a rychlost natahování je 50 mm/s.

Tab.1 Chemické složení zkušebních materiálů (hmot. zlomek/%)

1.2 Svařovací zařízení a metody

Jedno svařovací experiment používá 150W kvazi-kontinuální pulzní vláknový laser a 1000W kontinuální vláknový laser vyráběný společností Wuhan Raycus Company. Průměrný výkon kvazi-kontinuálního pulzního vláknového laseru je 150 W, špičkový výkon je 1500 W a šířka pulzu je 0.2 mm~25 ms. Elektrooptická konverzní účinnost vláknového laseru dosahuje více než 30%, což může získat vyšší výstupní výkon laseru, také vláknový laser má dobrou kvalitu paprsku, průměr laserového vlákna je 0.05 mm, ohnisková vzdálenost externího kolimační zrcadlová část je 100 mm a zaostřovací vzdálenost zaostřovací čočky je 200 mm, bod zaostření laseru je malý a teoretický minimální bod může dosáhnout 0.1 mm, dopad laseru s vysokou hustotou výkonu na povrch měděného materiálu může rychle zvýšit teplotu měděného materiálu. S rostoucí teplotou se také rychle zvyšuje absorpce materiálu laserem. Proto použití vláknového laseru ke svařování měděných materiálů může do určité míry překonat problém vysokého odrazu mědi od laseru. Experimentální platforma svařování je znázorněna na obrázku 2 výše.

Obr.2 Svařovací experimentální platforma

Každý impuls z kvazi-kontinuálního pulzního vláknového laseru tvoří svařovací bod, vhodný pro pulzní bodové svařování. Schéma svarového bodu je znázorněno na obrázku 3(a) výše. Průměrný výkon 1000 W kontinuálního vláknového laseru je 1000 W bez špičkového výkonu, takže je velmi vhodný pro kontinuální švové svařování. Svařovací body mohou být vytvořeny provozem ve spirále, jak je znázorněno na obrázku 3 (b) výše.

(a) Pulzní pájený spoj tvořený kvazi-kontinuálním pulzním vláknovým laserem (b) Pájený spoj tvořený kontinuální vláknovou laserovou spirálou Obr.3 Schéma svarových bodů

2 Experimentální výsledky a analýzy

2.1 Optimalizace procesu svařování pulzním laserem

Hlavní parametry svařovacího procesu pro kvazikontinuální pulzní laserové svařování jsou špičkový výkon laseru, šířka pulzu a velikost rozostření. Na těchto třech parametrech procesu se provádí třífaktorový tříúrovňový ortogonální experiment a výsledky ortogonálního experimentu a tahové zkoušky jsou uvedeny v tabulce 2. Špičkový výkon laseru primárně ovlivňuje hloubku tavení bodu svaru. S rostoucím špičkovým výkonem se bude zvyšovat i hloubka tavení. Pokud je však špičkový výkon příliš vysoký, materiál je náchylný k vypařování, což způsobuje rozstřikování materiálu a zanechává póry uvnitř svarového švu. Šířka pulzu primárně ovlivňuje velikost svarového bodu, přičemž velikost svarového bodu se zvyšuje s pulzem šířka se zvětšuje. Míra rozostření je vzdálenost mezi laserovým ohniskem a povrchem obrobku. Pokud je laserové ohnisko pod povrchem obrobku, považuje se to za negativní rozostření. V této situaci je snadné získat svar s hlubší hloubkou tavení，Protože materiál je poměrně tenký na 0.2 mm, pokud je hloubka tavení příliš velká, může to snadno vést k proražení spodního materiálu, což zase může snížit smykovou sílu svarového bodu，V textu se pro svařování používá pozitivní rozostření (tj. laserové ohnisko je nad povrchem obrobku). Velikost míry rozostření určuje velikost světelného bodu; jak se zvyšuje míra rozostření, světelný bod se zvětšuje, snižuje hustotu výkonu působící na povrch materiálu a následně snižuje hloubku taveniny svařování. Když je špičkový výkon 1400 W, špičkový výkon je příliš vysoký, což usnadňuje generování cákanec. Tato ztráta materiálu vede ke snížení smykové síly svarového bodu. Když je špičkový výkon laseru 1200W, smyková síla svarového bodu je obecně vysoká. Když je špičkový výkon laseru 1200 W, šířka pulzu je 8 ms a velikost rozostření je 1 mm, může maximální smyková síla dosáhnout 28 N.

Tab.2 Ortogonální experiment a výsledek pulzního laseru

2.2 Optimalizace procesu svařování kontinuálním vláknovým laserem

Hlavní parametry procesu kontinuálního vláknové laserové svařování jsou průměrný výkon laseru, rychlost svařování (rychlost laseru běžícího po spirálové linii) a množství rozostření (stejně jako u kvazi-kontinuálního pulzního laserového svařování se pro experiment používá pozitivní rozostření). Ortogonální experimenty a výsledky tahových zkoušek s těmito třemi parametry na třech úrovních jsou uvedeny v tabulce 3. Průměrný výkon laseru ovlivňuje hloubku tavení a tepelně ovlivněnou zónu svarového švu. Jak se výkon zvyšuje, hloubka tavení se zvětšuje a tepelně ovlivněná zóna se také zvětšuje, což usnadňuje vytváření přepálení, což má za následek snížení napětí. Rychlost svařování bude mít dopad na hloubku tavení a tepelně ovlivněnou zónu svarového švu. Se zvyšující se rychlostí svařování se hloubka tavení bodu svaru snižuje a tepelně ovlivněná zóna se také zmenšuje. Velikost rozostření určuje velikost světelného bodu. S rostoucím rozostřením se světelný bod zvětšuje a hustota výkonu působící na povrch materiálu klesá, což sníží jak hloubku tavení svařování, tak tepelně ovlivněnou zónu. Když je průměrný výkon 500 W, smyková síla je obecně malý. Je to proto, že průměrný výkon laseru je nízký, hloubka tavení bodu svařování je nízká, což vede k nízké smykové síle. Když je průměrný výkon 700 W, průměrný výkon laseru je příliš vysoký, což má za následek příliš velkou tepelně ovlivněnou oblast. Při testování smykové síly se nejprve odtrhne od tepelně ovlivněné zóny, což způsobí, že smyková síla svařovacího bodu je nízká. Když je průměrný výkon laseru 600 W, smyková síla svařovacího bodu je obecně vyšší. Při průměrném výkonu laseru 600 W a rychlosti svařování 150 mm/s při rozostření 0 mm dosahuje smyková síla maximálně 58 N.

Tab.3 Ortogonální experiment a výsledek vláknového laseru

2.3 Srovnávací analýza vzhledu

Aby bylo možné analyzovat rozdíl v tahu ve smykové síle mezi pulzním laserem a kontinuálním vláknové laserové svařování mědi, je analyzován vzhled místa svařování. Pozorováním svarového bodu elektronovým mikroskopem, kdy špičkový výkon pulzního laseru je 1200 W, šířka pulzu je 8 ms a rozostření je 1 mm, dochází k částečnému rozstřiku na povrchu svarového bodu a zanechání důlků na povrchu, jak je znázorněno na obrázku 4(a). Na zadní straně svařovacího bodu jsou v některých částech vidět zřejmé otvory, jak je znázorněno na obrázku 4(b). Po rozříznutí svaru, vyleštění, broušení a korozi se použije lupa k otestování průřezu svaru, jak je znázorněno na obrázku 4(c), uvnitř svaru jsou póry, což je způsobeno vysokým odrazivost mědi, vyžadující vysoký špičkový výkon pro svařování. Vysoký špičkový výkon však způsobuje, že se některé prvky snadno vypařují a vytvářejí póry, které snižují smykovou sílu svařovacího bodu. Při svařování kontinuálním vláknovým laserem, když je průměrný výkon laseru 600 W, je rychlost svařování 150 mm/s a rozostření je 0 mm, povrch svařovacího bodu je stejnoměrný a konzistentní, nevytvářejí se žádné důlky nebo rozstřiky, jak je znázorněno na obrázku 4(d). Na zadní straně svařovacího bodu nejsou žádné díry ani zjevné vady. znázorněno na obrázku 4(e). Pomocí lupy otestujte průřez svaru z kontinuálního vláknového laserového svařování, jak je znázorněno na obrázku 4(f), svar je bez pórů a je složen ze svazků svarových švů, což je způsobeno použitím určitý výkon laseru pro provádění spirálového svařování při kontinuálním laserovém svařování. Využívá se nižší výkon laseru a akumulací tepla dochází k roztavení vrchního a spodního materiálu. Konzistence svaru je dobrá, bez tvorby pórů nebo jiných defektů, což má za následek větší smykovou sílu ve srovnání s pulzem laserové svařování.

Pulzní laser a kontinuální vláknový laser se používají samostatně ke svařování konektorů baterie telefonu a provádí se testování odporu. Po svařování pulzním laserem je testovaný měrný odpor 0.120Ω·mm2/m, vyšší než původní měrný odpor mědi, který je 0.018 Ω·mm2 /m To je způsobeno zvýšením měrného odporu způsobeného přítomností pórů uvnitř svařovacího bodu. Po kontinuálním vláknovém laserovém svařování je testovaný měrný odpor 0.0220 Ω·mm2/m, blízký měrnému odporu základního materiálu, mědi, čímž vyhovuje praktickým výrobní požadavky.

Závěr 3

150W kvazikontinuální pulzní vláknový laser a 1000W kontinuální vláknový laser se používají samostatně pro experimenty svařování na mědi, aby bylo možné provádět experimenty optimalizace procesu. Když je špičkový výkon pulzního laseru 1200 W, šířka pulzu je 8 ms a velikost rozostření je 1 mm, maximální dosažená smyková síla je 28N. Když je průměrný výkon kontinuálního vláknového laseru 600 W, rychlost svařování je 150 mm/s a velikost rozostření je 0 mm, maximální dosažená smyková síla je 58 N.

Analýza vzhledu a průřezu svarového bodu ukazuje, že pulzní laserový svarový bod má na povrchu stříkance a svarový šev má uvnitř póry. Kontinuální vláknový laserový svarový bod má konzistentní a jednotný povrch bez pórů uvnitř bodu, což zlepšuje smykovou sílu svarového bodu. To poskytuje cennou referenci pro volbu zdroje laserového světla potřebného v praktické výrobě.