Forschung zum Laserschweißprozess von Kupfer in Batterieanschlüssen Deutschland

Zusammenfassung: Zum Schweißen von Kupfer in Batterieanschlüssen wurden Impulslaser und kontinuierliche Faserlaser zur Laserschweißprüfung eingesetzt. Für den Pulslaser wurden die Prozessparameter Spitzenleistung, Pulsbreite und Brennweite auf orthogonale Experimente übertragen und eine maximale Scherkraft von 28 N ermittelt. Für kontinuierliche Faserlaser wurden die Prozessparameter Leistung, Schweißgeschwindigkeit und Brennweiten auf orthogonale Experimente übertragen und eine maximale Scherkraft von 58 N ermittelt. Das Auftreten von Flecken zeigte, dass innerhalb der durch Impuls geschweißten Poren Schweißnähte vorhanden waren. Im Gegensatz dazu weisen die inneren Schweißnähte von Endlosfaserlaserschweißnähten keine Poren auf, was zur Verbesserung der Scherkraft nützlich war.

Schlüsselwörter:Kupfer;  Laserschweißen; orthogonale Experimente; Prozessparameter

0 Einführung

Lila Kupfer besitzt Vorteile wie eine gute Wärmeleitung, eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit und eine einfache Verarbeitung und Formgebung. Es wird in großem Umfang in der Herstellung elektrischer Drähte und Kabel, Hardware und Elektronik verwendet. Jede Einheit in einem Mobiltelefon benötigt zum Betrieb Strom, z. B. das Kameramodul, der Bildschirm, der Lautsprecher, der Speicher, die Leiterplatte usw. Der Akku ist im Allgemeinen fest eingebaut in einem bestimmten Bereich und benötigt einen Stecker, um es mit diesen Komponenten zu verbinden und einen leitenden Pfad für die Stromversorgung zu bilden. Lila Kupfer ist das am häufigsten verwendete Material für Akkuanschlüsse von Mobiltelefonen. Die derzeitige Methode zum Schweißen von violetten Kupfer-Anschlussplatten ist hauptsächlich Widerstandsschweißen. Große Ströme von positiven und negativen Elektroden schmelzen die Kupferanschlussplatte. Beim Trennen der Elektroden kühlt das Material ab und es entsteht eine Schweißnaht. Während der Aufbau dieses Schweißgeräts einfach und seine Bedienung praktisch und bequem ist, neigen die beim Widerstandsschweißen verwendeten positiven und negativen Elektroden dazu, sich abzunutzen und auszufallen, was eine Unterbrechung der Produktionslinie zum Austausch erforderlich macht und somit die Produktionseffizienz verringert.

Laserschweißen, das Laser als Wärmequelle für die Bearbeitung nutzt, bietet die Vorteile einer kleinen Wärmeeinflussfläche, einer hohen Schweißfestigkeit, keinem Kontakt mit dem Werkstück und einer hohen Produktionseffizienz. Es wird häufig beim Schweißen von Materialien wie Edelstahl, Aluminiumlegierungen, Nickellegierungen usw. eingesetzt. Lila Kupfer hat ein hohes Reflexionsvermögen von 97 % oder mehr für Laser, was eine Erhöhung der Laserleistung erfordert, um dies zu kompensieren Durch Reflexion geht Laserenergie verloren, was zu einer erheblichen Verschwendung von Laserenergie führt. Gleichzeitig können Änderungen im Oberflächenzustand des violetten Kupfers die Änderungen im Reflexionsvermögen des Kupfers für den Laser beeinflussen und die Instabilität des Schweißprozesses erheblich erhöhen. Zur Verbesserung der Zur Laserschweißbarkeit von Kupfer haben Wissenschaftler umfangreiche Untersuchungen an der Kupferoberfläche durchgeführt, wie z. B. Laserätzen auf der Kupferoberfläche oder Beschichten mit Graphit, um die Laserabsorptionsrate von Kupfer zu erhöhen. Während diese Methode die Schweißbarkeit von Kupfer verbessert hat, hat sie auch den Produktionsprozess erweitert und die Produktionskosten erhöht.

Der Artikel verwendet sowohl gepulste Laser als auch kontinuierliche Faserlaser, um Prozessoptimierungsexperimente an Batteriepolstücken aus violettem Kupfer durchzuführen und so eine Referenz für die tatsächliche Produktion bereitzustellen.

1 Schweißversuch

1.1 Experimentelle Materialien

Die obere Schicht des Versuchsmaterials besteht aus violettem Kupfer mit einer Dicke von 0.2 mm. Das Material der unteren Schicht ist vernickeltes violettes Kupfer mit einer Dicke von 0.2 mm. Die chemische Zusammensetzung der beiden Materialschichten ist in Tabelle 1 dargestellt. Die Materialien werden in Längen und Breiten von 20 mm x 6 mm geschnitten, wie in Abbildung 1(a) dargestellt. Es werden Überlappschweißexperimente durchgeführt, die eine Schweißfläche von 4 mm x 0.5 mm erfordern, wie in Abbildung 1(b) dargestellt. Nach Abschluss der Schweißung wird ein Scherkrafttest durchgeführt. Das Material der unteren Schicht wird entlang der Schweißnaht um 180 Grad gebogen und es wird ein Scherkrafttest durchgeführt, wie in Abbildung 1(c) dargestellt. Für den Scherkrafttest wird eine mikrocomputergesteuerte elektronische Universalprüfmaschine, Modell WDW-200E, verwendet. Die oberen und unteren Enden des Produkts werden mit einer Vorrichtung festgeklemmt und die Streckgeschwindigkeit beträgt 50 mm/s.

Tab.1 Chemische Zusammensetzung der Testmaterialien (Massenanteil/%)

1.2 Schweißgeräte und -methoden

Die Schweißexperiment verwendet einen quasi-kontinuierlichen gepulsten Faserlaser mit 150 W und einen kontinuierlichen Faserlaser mit 1000 W, hergestellt von der Wuhan Raycus Company. Die durchschnittliche Leistung des quasi-kontinuierlichen gepulsten Faserlasers beträgt 150 W, die Spitzenleistung beträgt 1500 W und die Impulsbreite beträgt 0.2 mm bis 25 ms. Der elektrooptische Umwandlungswirkungsgrad des Faserlasers erreicht mehr als 30 %, wodurch eine höhere Laserausgangsleistung erzielt werden kann. Außerdem hat der Faserlaser eine gute Strahlqualität, der Durchmesser der Laserfaser beträgt 0.05 mm, der Fokusabstand von außen Der Kollimationsspiegelteil beträgt 100 mm und der Fokusabstand der Fokussierlinse beträgt 200 mm. Der Laserfokusfleck ist klein und der theoretische Mindestfleck kann 0.1 mm erreichen, was dem Aufprall eines Lasers mit hoher Leistungsdichte auf der Oberfläche von Kupfermaterial entspricht Erhöhen Sie die Temperatur des Kupfermaterials schnell. Mit steigender Temperatur nimmt auch die Absorptionsrate des Lasers durch das Material schnell zu. Daher kann der Einsatz eines Faserlasers zum Schweißen von Kupfermaterialien das Problem der starken Reflexion von Kupfer an den Laser bis zu einem gewissen Grad lösen. Die Schweißexperimentplattform ist in Abbildung 2 oben dargestellt.

Abb.2 Versuchsplattform zum Schweißen

Jeder Puls des quasi-kontinuierlichen Pulsfaserlasers bildet einen Schweißpunkt, der zum Pulspunktschweißen geeignet ist. Das schematische Diagramm des Schweißpunkts ist in Abbildung 3(a) oben dargestellt. Die durchschnittliche Leistung des 1000-W-Endlosfaserlasers beträgt 1000 W, ohne Spitzenleistung, wodurch er sich sehr gut für das kontinuierliche Nahtschweißen eignet. Schweißpunkte können durch spiralförmiges Arbeiten gebildet werden, wie in Abbildung 3 (b) oben gezeigt.

(a) Pulslötverbindung, hergestellt durch einen quasi-kontinuierlichen Pulsfaserlaser (b) Lötverbindung durch kontinuierliche Faserlaserspirale gebildet Abb.3 Schematische Darstellung der Schweißpunkte

2 Experimentelle Ergebnisse und Analyse

2.1 Optimierung des Pulslaserschweißprozesses

Die wichtigsten Parameter des Schweißprozesses beim quasi-kontinuierlichen Pulslaserschweißen sind die Spitzenlaserleistung, die Pulsbreite und das Ausmaß der Defokussierung. An diesen drei Prozessparametern wird ein orthogonales Experiment mit drei Faktoren und drei Ebenen durchgeführt. Die Ergebnisse des orthogonalen Experiments und des Zugtests sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die Spitzenleistung des Lasers beeinflusst hauptsächlich die Schmelztiefe des Schweißpunkts. Mit zunehmender Spitzenleistung nimmt auch die Schmelztiefe zu. Wenn die Spitzenleistung jedoch zu hoch ist, neigt das Material zur Verdampfung, wodurch Materialspritzer entstehen und Poren in der Schweißnaht zurückbleiben. Die Impulsbreite beeinflusst in erster Linie die Größe des Schweißpunkts, wobei die Größe des Schweißpunkts mit zunehmendem Impuls zunimmt Die Breite nimmt zu. Der Defokussierungsbetrag ist der Abstand zwischen dem Laserfokus und der Werkstückoberfläche. Liegt der Laserfokus unterhalb der Werkstückoberfläche, spricht man von einer negativen Defokussierung. In dieser Situation ist es einfach, eine Schweißnaht mit einer tieferen Schmelztiefe zu erhalten. Da das Material mit 0.2 mm recht dünn ist, kann eine zu große Schmelztiefe leicht dazu führen, dass das untere Material durchdrungen wird, was wiederum dazu führt könnte die Scherkraft des Schweißpunkts verringern. Im Text wird beim Schweißen eine positive Defokussierung verwendet (dh der Laserfokus liegt über der Oberfläche des Werkstücks). Die Größe des Defokussierungsbetrags bestimmt die Größe des Lichtflecks; Mit zunehmender Defokussierungsmenge vergrößert sich der Lichtfleck, wodurch die auf die Materialoberfläche wirkende Leistungsdichte und damit die Schweißschmelztiefe verringert werden. Wenn die Spitzenleistung 1400 W beträgt, ist die Spitzenleistung zu hoch, was die Erzeugung erleichtert Spritzer. Dieser Materialverlust führt zu einer Verringerung der Scherkraft des Schweißpunkts. Wenn die Spitzenleistung des Lasers 1200 W beträgt, ist die Scherkraft des Schweißpunkts im Allgemeinen hoch. Wenn die Spitzenleistung des Lasers 1200 W beträgt, die Impulsbreite 8 ms beträgt und der Defokusbetrag 1 mm beträgt, kann die maximale Scherkraft 28 N erreichen.

Tab.2 Orthogonales Experiment und Ergebnis des Pulslasers

2.2 Optimierung des kontinuierlichen Faserlaserschweißprozesses

Die wichtigsten Prozessparameter der kontinuierlichen Faserlaserschweißen sind die durchschnittliche Laserleistung, die Schweißgeschwindigkeit (die Geschwindigkeit des Lasers, der die Spirallinie entlangläuft) und das Ausmaß der Defokussierung (wie beim quasi-kontinuierlichen Pulslaserschweißen wird für das Experiment eine positive Defokussierung verwendet). Orthogonale Experimente und Zugversuchsergebnisse mit diesen drei Parametern auf drei Ebenen sind in Tabelle 3 dargestellt. Die mittlere Leistung des Lasers beeinflusst die Einschmelztiefe und die Wärmeeinflusszone der Schweißnaht. Mit zunehmender Leistung erhöht sich die Schmelztiefe und auch die Wärmeeinflusszone vergrößert sich, wodurch es leicht zu Überbrand kommt, was zu einem Spannungsabfall führt. Die Schweißgeschwindigkeit wirkt sich auf die Schmelztiefe und die Wärmeeinflusszone aus der Schweißnaht. Mit zunehmender Schweißgeschwindigkeit nimmt die Aufschmelztiefe des Schweißpunktes ab und auch die Wärmeeinflusszone nimmt ab. Die Größe des Defokus bestimmt die Größe des Lichtflecks. Mit zunehmender Defokussierung wird der Lichtfleck größer und die auf die Materialoberfläche wirkende Leistungsdichte nimmt ab, wodurch sich sowohl die Schweißschmelztiefe als auch die Wärmeeinflusszone verringern. Bei einer durchschnittlichen Leistung von 500 W beträgt die Scherkraft im Allgemeinen klein. Dies liegt daran, dass die durchschnittliche Leistung des Lasers gering ist, die Schmelztiefe des Schweißpunkts gering ist, was zu einer geringen Scherkraft führt. Wenn die durchschnittliche Leistung 700 W beträgt, ist die durchschnittliche Leistung des Lasers zu hoch, was zu einer zu großen Wärmeeinflusszone führt. Bei der Scherkraftprüfung reißt dieser zunächst aus der Wärmeeinflusszone, wodurch die Scherkraft am Schweißpunkt gering ist. Bei einer durchschnittlichen Leistung des Lasers von 600 W ist die Scherkraft am Schweißpunkt im Allgemeinen höher. Wenn die durchschnittliche Leistung des Lasers 600 W beträgt und die Schweißgeschwindigkeit 150 mm/s beträgt, erreicht die Scherkraft bei einer Defokussierung von 0 mm ein Maximum von 58 N.

Tab.3 Orthogonales Experiment und Ergebnis des Faserlasers

2.3 Vergleichende Analyse des Aussehens

Um den Zugunterschied in der Scherkraft zwischen gepulstem Laser und kontinuierlichem Laser zu analysieren Faserlaserschweißen von Kupfer wird das Aussehen des Schweißpunktes analysiert. Bei der Beobachtung des Schweißpunkts mit einem Elektronenmikroskop kommt es bei einer Spitzenleistung des gepulsten Lasers von 1200 W, einer Impulsbreite von 8 ms und einer Defokussierung von 1 mm zu teilweisen Spritzern auf der Oberfläche des Schweißpunkts, die Grübchen hinterlassen auf der Oberfläche, wie in Abbildung 4(a) dargestellt. Auf der Rückseite des Schweißpunkts sind an einigen Stellen deutliche Löcher zu erkennen, wie in Abbildung 4(b) dargestellt. Nach dem Aufschneiden der Schweißnaht, dem Polieren, Schleifen und Korrodieren wird mit einer Lupe der Querschnitt der Schweißnaht geprüft, wie in Abbildung 4(c) dargestellt. Im Inneren der Schweißnaht befinden sich Poren, was auf die hohe Temperatur zurückzuführen ist Reflexionsvermögen von Kupfer, was zum Schweißen eine hohe Spitzenleistung erfordert. Die hohe Spitzenleistung führt jedoch dazu, dass einige Elemente leicht verdampfen und Poren entstehen, die die Scherkraft des Schweißpunkts verringern. Beim Schweißen mit einem kontinuierlichen Faserlaser beträgt die Schweißgeschwindigkeit bei einer durchschnittlichen Laserleistung von 600 W 150 mm/s und die Defokussierung 0 mm beträgt, ist die Oberfläche des Schweißpunkts gleichmäßig und gleichmäßig, ohne dass Löcher oder Spritzer entstehen, wie in Abbildung 4(d) dargestellt. Es gibt keine Löcher oder offensichtlichen Defekte auf der Rückseite des Schweißpunkts in Abbildung 4(e) dargestellt. Testen Sie mit einer Lupe den Querschnitt der Schweißnaht beim Endlosfaserlaserschweißen, wie in Abbildung 4(f) dargestellt. Die Schweißnaht ist porenfrei und besteht aus Bündeln von Schweißnähten, was auf die Verwendung von zurückzuführen ist eine bestimmte Laserleistung, um beim kontinuierlichen Laserschweißen das Spiralschweißen durchzuführen. Es wird eine geringere Laserleistung verwendet und durch Wärmestau werden die Ober- und Untermaterialien geschmolzen. Die Schweißkonsistenz ist gut, es bilden sich keine Poren oder andere Defekte, was zu einer höheren Scherkraft im Vergleich zur Impulsschweißung führt Laserschweißen.

Pulslaser und kontinuierlicher Faserlaser werden separat zum Schweißen von Telefonbatterieanschlüssen verwendet und es wird eine Widerstandsprüfung durchgeführt. Nach dem Pulslaserschweißen beträgt der getestete spezifische Widerstand 0.120 Ω·mm2/m und ist damit höher als der ursprüngliche spezifische Widerstand von Kupfer, der 0.018 Ω·mm2 beträgt /M. Dies ist auf den Anstieg des spezifischen Widerstands zurückzuführen, der durch das Vorhandensein von Poren innerhalb der Schweißstelle verursacht wird. Nach dem kontinuierlichen Faserlaserschweißen beträgt der getestete spezifische Widerstand 0.0220 Ω·mm2/m, was nahe am spezifischen Widerstand des Grundmaterials Kupfer liegt und somit den praktischen Anforderungen entspricht Produktionsanforderungen.

3 Fazit

Für Schweißexperimente an Kupfer werden getrennt ein 150 W quasi-kontinuierlicher Pulsfaserlaser und ein 1000 W kontinuierlicher Faserlaser eingesetzt, um Experimente zur Prozessoptimierung durchzuführen. Bei einer Spitzenleistung des Pulslasers von 1200 W beträgt die Pulsbreite 8 ms und der Defokussierungsbetrag beträgt 1 mm, die maximale Scherkraft beträgt 28 N. Wenn die durchschnittliche Leistung des kontinuierlichen Faserlasers 600 W beträgt, die Schweißgeschwindigkeit 150 mm/s beträgt und der Defokussierungsbetrag 0 mm beträgt, beträgt die maximal erreichte Scherkraft 58 N.

Eine Analyse des Aussehens und des Querschnitts der Schweißstelle zeigt, dass der Pulslaser-Schweißpunkt Spritzer auf der Oberfläche aufweist und die Schweißnaht im Inneren Poren aufweist. Der Endlosfaser-Laserschweißpunkt hat eine gleichmäßige und gleichmäßige Oberfläche ohne Poren im Punkt, was die Scherkraft des Schweißpunkts verbessert. Dies liefert wertvolle Hinweise für die Auswahl der in der praktischen Produktion erforderlichen Laserlichtquelle.