Investigación sobre el proceso de soldadura láser de cobre en conectores de baterías

Resumen: Para la soldadura de cobre en conectores de baterías, se utilizaron láser de pulso y láser de fibra continua para pruebas de soldadura por láser. Para el láser de pulso, los parámetros del proceso de potencia máxima, ancho de pulso y distancias focales se llevaron a experimentos ortogonales y se obtuvo una fuerza de corte máxima de 28 N. Para el láser de fibra continua, los parámetros del proceso de potencia, velocidad de soldadura y distancias focales se llevaron a experimentos ortogonales y se obtuvo una fuerza de corte máxima de 58 N. La aparición de manchas mostró que existían poros en las soldaduras internas de las soldadas por pulso. Por el contrario, las soldaduras internas de las soldadas mediante láser de fibra continua no tienen poros, lo que fue útil para mejorar la fuerza de corte.

Palabras clave: cobre;  soldadura por láser; experimentos ortogonales; parámetro de proceso

Introducción a 0

El cobre morado posee ventajas como una buena conducción del calor, una excelente conductividad eléctrica y facilidad de procesamiento y modelado. Se utiliza ampliamente en la fabricación de alambres y cables eléctricos, hardware y productos electrónicos. Cada unidad dentro de un teléfono móvil requiere energía eléctrica para funcionar, como el módulo de la cámara, la pantalla, el altavoz, la memoria, la placa de circuito, etc. La batería generalmente es fija. en un área específica y necesita un conector para vincularlo con estos componentes para formar una ruta conductora para el suministro de energía. El cobre púrpura es el material más utilizado para los conectores de baterías de teléfonos móviles. El modo actual de soldar placas de conectores de cobre púrpura es principalmente soldadura por resistencia. Grandes corrientes de electrodos positivos y negativos derriten la placa del conector de cobre. A medida que los electrodos se separan, el material se enfría para formar una costura de soldadura. Si bien la estructura de este dispositivo de soldadura es simple y su operación es práctica y conveniente, los electrodos positivos y negativos utilizados en la soldadura por resistencia tienden a desgastarse y averiarse, lo que requiere una parada en la línea de producción para su reemplazo, lo que reduce la eficiencia de la producción.

Soldadura por láser, que utiliza láseres como fuente de calor para el procesamiento, tiene las ventajas de una pequeña área afectada por el calor, alta resistencia de soldadura, sin contacto con la pieza de trabajo y alta eficiencia de producción. Se ha aplicado ampliamente en la soldadura de materiales como acero inoxidable, aleaciones de aluminio, aleaciones de níquel, etc. El cobre púrpura tiene una alta reflectividad del 97% o más a los láseres, lo que requiere un aumento en la potencia del láser para compensar la Pérdida de energía láser debido a la reflexión, lo que resulta en un desperdicio significativo de energía láser. Al mismo tiempo, los cambios en la condición de la superficie del cobre púrpura pueden afectar los cambios en la reflectividad del cobre al láser, aumentando en gran medida la inestabilidad del proceso de soldadura. Para mejorar la Soldabilidad láser del cobre, los académicos han realizado extensas investigaciones sobre la superficie del cobre, como grabado con láser en la superficie del cobre o recubrimiento con grafito, para aumentar la tasa de absorción del láser del cobre. Si bien este método ha mejorado la soldabilidad del cobre, también ha contribuido al proceso de producción y ha aumentado los costos de producción.

El artículo emplea el uso de láseres pulsados ​​y láseres de fibra continua para realizar experimentos de optimización de procesos en piezas polares de baterías de cobre púrpura, lo que proporciona una referencia para la producción real.

1 Experimento de soldadura

1.1 Materiales experimentales

La capa superior del material experimental es cobre violeta, con un espesor de 0.2 mm. El material de la capa inferior es cobre violeta niquelado, con un espesor de 0.2 mm. La composición química de las dos capas de material se muestra en la Tabla 1. Los materiales se cortan en largos y anchos de 20 mm x 6 mm, como se muestra en la Figura 1 (a). Se realizan experimentos de soldadura superpuesta, que requieren un área de soldadura de 4 mm x 0.5 mm, como se muestra en la Figura 1(b). Una vez completada la soldadura, se lleva a cabo una prueba de fuerza de corte. El material de la capa inferior se dobla 180 grados a lo largo de la soldadura y se realiza una prueba de fuerza de corte, como se muestra en la Figura 1 (c). La prueba de fuerza de corte utiliza una máquina de prueba universal electrónica controlada por microcomputadora, modelo WDW-200E. Los extremos superior e inferior del producto se sujetan con un dispositivo y la velocidad de estiramiento es de 50 mm/s.

Tab.1 Composición química de los materiales de prueba (fracción de masa/%)

1.2 Equipos y métodos de soldadura.

El sistema experimento de soldadura Utiliza un láser de fibra pulsada casi continua de 150 W y un láser de fibra continua de 1000 W producido por Wuhan Raycus Company. La potencia promedio del láser de fibra pulsada casi continua es de 150 W, la potencia máxima es de 1500 W y el ancho del pulso es de 0.2 mm a 25 ms. La eficiencia de conversión electroóptica del láser de fibra alcanza más del 30%, lo que puede obtener una mayor potencia de salida del láser. Además, el láser de fibra tiene una buena calidad de haz, el diámetro de la fibra láser es de 0.05 mm y la distancia de enfoque del externo. La porción del espejo colimador es de 100 mm y la distancia de enfoque de la lente de enfoque es de 200 mm. El punto de enfoque del láser es pequeño y el punto mínimo teórico puede alcanzar 0.1 mm. El impacto de un láser con alta densidad de potencia en la superficie del material de cobre puede elevar rápidamente la temperatura del material de cobre. A medida que aumenta la temperatura, la tasa de absorción del láser por el material también aumenta rápidamente. Por lo tanto, el uso de un láser de fibra para soldar materiales de cobre puede superar hasta cierto punto el problema de la alta reflexión del cobre en el láser. La plataforma del experimento de soldadura se muestra en la Figura 2 arriba.

Fig.2 Plataforma experimental de soldadura

Cada pulso del láser de fibra pulsante casi continuo forma un punto de soldadura, adecuado para la soldadura por puntos de pulso. El diagrama esquemático del punto de soldadura se muestra en la Figura 3 (a) arriba. La potencia promedio del láser de fibra continua de 1000 W es 1000 W, sin potencia máxima, lo que lo hace muy adecuado para soldadura de costura continua. Los puntos de soldadura se pueden formar operando en forma de espiral como se muestra en la Figura 3 (b) arriba.

(a) Unión de soldadura por pulsos formada por láser de fibra de pulsos casi continuo (b) Unión de soldadura formada por espiral láser de fibra continua Fig.3 Diagrama esquemático de los puntos de soldadura.

2 Resultados experimentales y análisis.

2.1 Optimización del proceso de soldadura por láser de pulso.

Los principales parámetros del proceso de soldadura para la soldadura por láser de pulso casi continuo son la potencia máxima del láser, el ancho del pulso y la cantidad de desenfoque. Se lleva a cabo un experimento ortogonal de tres factores y tres niveles en estos tres parámetros del proceso, y los resultados del experimento ortogonal y la prueba de tracción se muestran en la Tabla 2. La potencia máxima del láser afecta principalmente la profundidad de fusión del punto de soldadura. A medida que aumenta la potencia máxima, también aumentará la profundidad de fusión. Sin embargo, cuando la potencia máxima es demasiado alta, el material es propenso a la vaporización, lo que provoca salpicaduras y deja poros dentro de la costura de soldadura. El ancho del pulso afecta principalmente el tamaño del punto de soldadura, y el tamaño del punto de soldadura aumenta a medida que el pulso El ancho aumenta. La cantidad de desenfoque es la distancia entre el enfoque del láser y la superficie de la pieza de trabajo. Si el enfoque del láser está debajo de la superficie de la pieza de trabajo, se considera desenfoque negativo. En esta situación, es fácil obtener una costura de soldadura con una profundidad de fusión más profunda. Como el material es bastante delgado (0.2 mm), si la profundidad de fusión es demasiado grande, puede provocar fácilmente que se penetre el material inferior, lo que a su vez podría reducir la fuerza de corte del punto de soldadura. En el texto, se utiliza un desenfoque positivo para soldar (es decir, el enfoque del láser está por encima de la superficie de la pieza de trabajo). El tamaño de la cantidad de desenfoque determina el tamaño del punto de luz; a medida que aumenta la cantidad de desenfoque, el punto de luz se agranda, lo que reduce la densidad de potencia que actúa sobre la superficie del material y, en consecuencia, disminuye la profundidad de la fusión de soldadura. Cuando la potencia máxima es de 1400 W, la potencia máxima es demasiado alta, lo que facilita su generación. salpicar. Esta pérdida de material conduce a una disminución en la fuerza de corte del punto de soldadura. Cuando la potencia máxima del láser es de 1200 W, la fuerza de corte del punto de soldadura es generalmente alta. Cuando la potencia máxima del láser es de 1200 W, el ancho del pulso es de 8 ms y la cantidad de desenfoque es de 1 mm, la fuerza de corte máxima puede alcanzar los 28 N.

Tab.2 Experimento ortogonal y resultado del láser de pulso.

2.2 Optimización del proceso de soldadura láser de fibra continua

Los principales parámetros del proceso de continuo. soldadura por láser de fibra son la potencia promedio del láser, la velocidad de soldadura (la velocidad del láser que recorre la línea en espiral) y la cantidad de desenfoque (al igual que con la soldadura por láser de pulso casi continuo, se utiliza un desenfoque positivo para el experimento). Los experimentos ortogonales y los resultados de las pruebas de tracción con estos tres parámetros en tres niveles se muestran en la Tabla 3. La potencia promedio del láser afecta la profundidad de fusión y la zona afectada por el calor de la costura de soldadura. A medida que aumenta la potencia, la profundidad de fusión aumentará y la zona afectada por el calor también se ampliará, lo que facilitará la producción de sobrequemado, lo que resultará en una disminución de la tensión. La velocidad de soldadura tendrá un impacto en la profundidad de fusión y la zona afectada por el calor. de la costura de soldadura. A medida que aumenta la velocidad de soldadura, la profundidad de fusión del punto de soldadura disminuye y la zona afectada por el calor también disminuye. El tamaño del desenfoque determina el tamaño del punto de luz. A medida que aumenta el desenfoque, el punto de luz se hace más grande y la densidad de potencia que actúa sobre la superficie del material disminuye, lo que reducirá tanto la profundidad de fusión de la soldadura como la zona afectada por el calor. Cuando la potencia promedio es de 500 W, la fuerza de corte es generalmente pequeño. Esto se debe a que la potencia promedio del láser es baja y la profundidad de fusión del punto de soldadura es baja, lo que conduce a una fuerza de corte baja. Cuando la potencia promedio es de 700 W, la potencia promedio del láser es demasiado alta, lo que resulta en una zona afectada por el calor demasiado grande. Al probar la fuerza de corte, primero se desprende de la zona afectada por el calor, lo que hace que la fuerza de corte del punto de soldadura sea baja. Cuando la potencia promedio del láser es de 600 W, la fuerza de corte del punto de soldadura es generalmente mayor. Cuando la potencia media del láser es de 600 W y la velocidad de soldadura es de 150 mm/s, con un desenfoque de 0 mm, la fuerza de corte alcanza un máximo de 58 N.

Tab.3 Experimento ortogonal y resultado del láser de fibra.

2.3 Análisis comparativo de apariencia.

Para analizar la diferencia de tracción en la fuerza de corte entre el láser pulsado y el continuo soldadura por láser de fibra del cobre se analiza el aspecto del punto de soldadura. Al observar el punto de soldadura con un microscopio electrónico, cuando la potencia máxima del láser pulsado es de 1200 W, el ancho del pulso es de 8 ms y el desenfoque es de 1 mm, se producen salpicaduras parciales en la superficie del punto de soldadura, dejando hoyos. en la superficie, como se muestra en la figura 4(a). En la parte posterior del punto de soldadura, se pueden ver agujeros obvios en algunas partes, como se muestra en la Figura 4(b). Después de cortar la soldadura, pulir, esmerilar y corroer, se usa una lupa para probar la sección transversal de la soldadura, como se muestra en la Figura 4 (c), hay poros dentro de la soldadura, lo cual se debe a la alta reflectividad del cobre, lo que requiere una alta potencia máxima para soldar. Sin embargo, la alta potencia máxima hace que algunos elementos se vaporicen fácilmente, generando poros que reducirán la fuerza de corte del punto de soldadura. Cuando se suelda con un láser de fibra continua, cuando la potencia promedio del láser es de 600 W, la velocidad de soldadura es de 150 mm/s. , y el desenfoque es de 0 mm, la superficie del punto de soldadura es uniforme y consistente, sin picaduras ni salpicaduras, como se muestra en la Figura 4(d). No hay agujeros ni defectos obvios en la parte posterior del punto de soldadura, como como se muestra en la Figura 4(e). Usando una lupa para probar la sección transversal de la soldadura de soldadura láser de fibra continua, como se muestra en la Figura 4 (f), la soldadura está libre de poros y está compuesta por haces de costuras de soldadura, lo cual se debe al uso de una determinada potencia del láser para realizar soldadura en espiral en soldadura láser continua. Se utiliza una potencia láser más baja y, mediante la acumulación de calor, los materiales superior e inferior se funden. La consistencia de la soldadura es buena, sin formación de poros u otros defectos, lo que resulta en una mayor fuerza de corte en comparación con el pulso. soldadura por láser.

El láser de pulso y el láser de fibra continua se utilizan por separado para soldar los conectores de la batería del teléfono y se realizan pruebas de resistencia. Después de la soldadura por láser de pulso, la resistividad probada es de 0.120 Ω·mm2/m, mayor que la resistividad original del cobre, que es de 0.018 Ω·mm2 /metro. Esto se debe al aumento de la resistividad causado por la presencia de poros dentro del punto de soldadura. Después de la soldadura continua por láser de fibra, la resistividad probada es 0.0220 Ω·mm2/m, cercana a la resistividad del material base, el cobre, cumpliendo así con la práctica. requisitos de producción.

Conclusión 3

Un láser de fibra de pulso casi continuo de 150 W y un láser de fibra continuo de 1000 W se utilizan por separado para experimentos de soldadura en cobre, con el fin de realizar experimentos de optimización de procesos. Cuando la potencia máxima del láser de pulso es de 1200 W, el ancho del pulso es de 8 ms y la cantidad de desenfoque es de 1 mm, la fuerza de corte máxima conseguida es de 28 N. Cuando la potencia promedio del láser de fibra continua es de 600 W, la velocidad de soldadura es de 150 mm/s y la cantidad de desenfoque es de 0 mm, la fuerza de corte máxima alcanzada es de 58 N.

Un análisis de la apariencia y la sección transversal del punto de soldadura muestra que el punto de soldadura con láser pulsado tiene salpicaduras en la superficie y la costura de soldadura tiene poros en el interior. El punto de soldadura por láser de fibra continua tiene una superficie consistente y uniforme sin poros dentro del punto, lo que mejora la fuerza de corte del punto de soldadura. Esto proporciona una valiosa referencia para la elección de la fuente de luz láser necesaria en la producción práctica.