Recherche sur le processus de soudage laser du cuivre dans le connecteur de batterie

Résumé :Pour le soudage du cuivre dans le connecteur de batterie, un laser à impulsion et un laser à fibre continue ont été utilisés pour les tests de soudage au laser. Pour le laser à impulsions, les paramètres de processus de puissance de crête, de largeur d'impulsion et de distances focales ont été portés à des expériences orthogonales et ont obtenu une force de cisaillement maximale de 28N. Pour le laser à fibre continue, les paramètres de processus de puissance, vitesse de soudage et distances focales ont été portés à des expériences orthogonales et ont obtenu une force de cisaillement maximale de 58N. L'apparition de taches a montré que les soudures à l'intérieur des pores soudés par impulsion existaient. À l’opposé, les soudures intérieures soudées par laser à fibre continue ne présentaient aucun pore, ce qui était utile pour améliorer la force de cisaillement.

Mots clés ：cuivre ;  la soudure au laser; expériences orthogonales ; paramètre de processus

Introduction à 0

Le cuivre violet possède des avantages tels qu'une bonne conduction thermique, une excellente conductivité électrique et une facilité de traitement et de mise en forme. Il est largement utilisé dans la fabrication de fils et câbles électriques, de matériel informatique et de produits électroniques. Chaque unité d'un téléphone mobile nécessite de l'énergie électrique pour fonctionner, comme le module de caméra, l'écran, le haut-parleur, la mémoire, le circuit imprimé, etc. La batterie est généralement fixe. dans une zone spécifique et nécessite un connecteur pour le relier à ces composants afin de former un chemin conducteur pour l'alimentation électrique. Le cuivre violet est le matériau le plus couramment utilisé pour les connecteurs de batterie de téléphones portables. Le mode actuel de soudage des plaques de connecteur en cuivre violet est principalement le soudage par résistance. Les courants importants provenant des électrodes positives et négatives font fondre la plaque de connecteur en cuivre. Au fur et à mesure que les électrodes se séparent, le matériau refroidit pour former un cordon de soudure. Bien que la structure de ce dispositif de soudage soit simple et que son fonctionnement soit pratique et commode, les électrodes positives et négatives utilisées dans le soudage par résistance ont tendance à s'user et à se briser, ce qui nécessite un arrêt de la chaîne de production pour remplacement, réduisant ainsi l'efficacité de la production.

La soudure au laser, qui utilise des lasers comme source de chaleur pour le traitement, présente les avantages d'une petite zone affectée par la chaleur, d'une résistance de soudage élevée, d'un non-contact avec la pièce et d'une efficacité de production élevée. Il a été largement appliqué dans le soudage de matériaux tels que l'acier inoxydable, l'alliage d'aluminium, l'alliage de nickel, etc. Le cuivre violet a une réflectivité élevée de 97 % ou plus pour les lasers, ce qui nécessite une augmentation de la puissance du laser pour compenser le perte d'énergie laser due à la réflexion, entraînant un gaspillage important d'énergie laser. Simultanément, les changements dans l'état de surface du cuivre violet peuvent affecter les changements dans la réflectivité du cuivre au laser, augmentant considérablement l'instabilité du processus de soudage. Pour améliorer la soudabilité au laser du cuivre, les chercheurs ont mené des recherches approfondies sur la surface du cuivre, telles que la gravure au laser sur la surface du cuivre ou le revêtement de graphite, pour augmenter le taux d'absorption laser du cuivre. Bien que cette méthode ait amélioré la soudabilité du cuivre, elle a également augmenté le processus de production et augmenté les coûts de production.

L'article utilise à la fois des lasers pulsés et des lasers à fibre continue pour mener des expériences d'optimisation de processus sur des pièces polaires de batterie en cuivre violet, fournissant ainsi une référence pour la production réelle.

1 Expérience de soudage

1.1 Matériel expérimental

La couche supérieure du matériau expérimental est du cuivre violet, d'une épaisseur de 0.2 mm. Le matériau de la couche inférieure est du cuivre violet nickelé, d'une épaisseur de 0.2 mm. La composition chimique des deux couches de matériau est présentée dans le tableau 1. Les matériaux sont coupés en longueurs et largeurs de 20 mm x 6 mm, comme le montre la figure 1 (a). Des expériences de soudage par chevauchement sont menées, nécessitant une zone de soudage de 4 mm x 0.5 mm, comme le montre la figure 1 (b). Une fois le soudage terminé, un test de force de cisaillement est effectué. Le matériau de la couche inférieure est plié à 180 degrés le long de la soudure et un test de force de cisaillement est effectué, comme le montre la figure 1 (c). Le test de force de cisaillement utilise une machine d'essai universelle électronique contrôlée par micro-ordinateur, modèle WDW-200E. Les extrémités supérieure et inférieure du produit sont serrées avec un dispositif de fixation et la vitesse d'étirement est de 50 mm/s.

Tab.1 Composition chimique des matériaux d'essai (fraction massique/%)

1.2 Matériel et méthodes de soudage

Le expérience de soudage utilise un laser à fibre pulsée quasi continue de 150 W et un laser à fibre continue de 1000 150 W produits par Wuhan Raycus Company. La puissance moyenne du laser à fibre pulsée quasi continue est de 1500 W, la puissance maximale est de 0.2 25 W et la largeur d'impulsion est de 30 mm à 0.05 ms. L'efficacité de conversion électro-optique du laser à fibre atteint plus de 100 %, ce qui peut obtenir une puissance de sortie laser plus élevée. De plus, le laser à fibre a une bonne qualité de faisceau, le diamètre de la fibre laser est de 200 mm, la distance de mise au point de l'externe. la partie du miroir de collimation est de 0.1 mm et la distance de mise au point de la lentille de mise au point est de 2 mm. Le point de mise au point du laser est petit et le point minimum théorique peut atteindre XNUMX mm, l'impact d'un laser à haute densité de puissance sur la surface du matériau en cuivre peut augmenter rapidement la température du matériau en cuivre. À mesure que la température augmente, le taux d’absorption du laser par le matériau augmente également rapidement. Par conséquent, l’utilisation d’un laser à fibre pour souder des matériaux en cuivre peut dans une certaine mesure résoudre le problème de la réflexion élevée du cuivre vers le laser. La plate-forme d'expérimentation de soudage est illustrée à la figure XNUMX ci-dessus.

Fig.2 Plateforme expérimentale de soudage

Chaque impulsion du laser à fibre à impulsion quasi continue forme un point de soudage adapté au soudage par points pulsé. Le diagramme schématique du point de soudage est présenté dans la figure 3(a) ci-dessus. La puissance moyenne du laser à fibre continue de 1000 1000 W est de 3 XNUMX W, sans puissance de crête, ce qui le rend très approprié pour le soudage continu. Les points de soudure peuvent être formés en opérant en spirale comme le montre la figure XNUMX (b) ci-dessus.

(a) Joint de soudure pulsé formé par laser à fibre à impulsion quasi continue (b) Joint de soudure formé par une spirale laser à fibre continue Fig.3 Diagramme schématique des points de soudure

2 Résultats expérimentaux et analyse

2.1 Optimisation du procédé de soudage au laser pulsé

Les principaux paramètres du processus de soudage pour le soudage laser à impulsion quasi continue sont la puissance laser maximale, la largeur d'impulsion et l'ampleur de la défocalisation. Une expérience orthogonale à trois niveaux et trois facteurs est menée sur ces trois paramètres de processus, et les résultats de l'expérience orthogonale et de l'essai de traction sont présentés dans le tableau 2. La puissance maximale du laser affecte principalement la profondeur de fusion du point de soudure. À mesure que la puissance maximale augmente, la profondeur de fusion augmente également. Cependant, lorsque la puissance maximale est trop élevée, le matériau a tendance à se vaporiser, provoquant des éclaboussures de matériau et laissant des pores à l'intérieur du cordon de soudure. La largeur d'impulsion affecte principalement la taille du point de soudure, la taille du point de soudure augmentant à mesure que l'impulsion la largeur augmente. La quantité de défocalisation est la distance entre la focalisation laser et la surface de la pièce. Si la focalisation du laser se situe sous la surface de la pièce, cela est considéré comme une défocalisation négative. Dans cette situation, il est facile d'obtenir un cordon de soudure avec une profondeur de fusion plus profonde. Comme le matériau est assez fin à 0.2 mm, si la profondeur de fusion est trop grande, cela peut facilement conduire à la pénétration du matériau inférieur, ce qui à son tour pourrait réduire la force de cisaillement du point de soudure. Dans le texte, une défocalisation positive est utilisée pour le soudage (c'est-à-dire que la focalisation du laser est au-dessus de la surface de la pièce). La taille du degré de défocalisation détermine la taille du point lumineux ; à mesure que la quantité de défocalisation augmente, le point lumineux s'agrandit, réduisant la densité de puissance agissant sur la surface du matériau et diminuant par conséquent la profondeur de fusion du soudage. Lorsque la puissance maximale est de 1400 1200 W, la puissance maximale est trop élevée, ce qui facilite la génération éclabousser. Cette perte de matière entraîne une diminution de la force de cisaillement du point de soudure. Lorsque la puissance maximale du laser est de 1200 8 W, la force de cisaillement du point de soudure est généralement élevée. Lorsque la puissance maximale du laser est de 1 28 W, la largeur d'impulsion est de XNUMX ms et le degré de défocalisation est de XNUMX mm, la force de cisaillement maximale peut atteindre XNUMX N.

Tab.2 Expérience orthogonale et résultat du laser pulsé

2.2 Optimisation du procédé de soudage laser à fibre continue

Les principaux paramètres de processus de continu soudage laser fibre sont la puissance moyenne du laser, la vitesse de soudage (la vitesse du laser parcourant la ligne en spirale) et le degré de défocalisation (comme pour le soudage laser à impulsion quasi continue, une défocalisation positive est utilisée pour l'expérience). Les expériences orthogonales et les résultats des essais de traction avec ces trois paramètres sur trois niveaux sont présentés dans le tableau 3. La puissance moyenne du laser affecte la profondeur de fusion et la zone affectée thermiquement du cordon de soudure. À mesure que la puissance augmente, la profondeur de fusion augmentera et la zone affectée par la chaleur s'élargira également, ce qui facilitera la production d'une surchauffe, entraînant une diminution de la tension. La vitesse de soudage aura un impact sur la profondeur de fusion et la zone affectée par la chaleur. du cordon de soudure. À mesure que la vitesse de soudage augmente, la profondeur de fusion du point de soudure diminue et la zone affectée thermiquement diminue également. La taille de la défocalisation détermine la taille du point lumineux. À mesure que la défocalisation augmente, le point lumineux devient plus grand et la densité de puissance agissant sur la surface du matériau diminue, ce qui réduira à la fois la profondeur de fusion du soudage et la zone affectée thermiquement. Lorsque la puissance moyenne est de 500 W, la force de cisaillement est généralement petit. En effet, la puissance moyenne du laser est faible, la profondeur de fusion du point de soudure est faible, ce qui entraîne une faible force de cisaillement. Lorsque la puissance moyenne est de 700 W, la puissance moyenne du laser est trop élevée, ce qui entraîne une zone affectée thermiquement trop grande. Lors du test de la force de cisaillement, il se déchire d'abord de la zone affectée par la chaleur, ce qui entraîne une faible force de cisaillement du point de soudage. Lorsque la puissance moyenne du laser est de 600 W, la force de cisaillement du point de soudage est généralement plus élevée. Lorsque la puissance moyenne du laser est de 600 W et la vitesse de soudage de 150 mm/s, avec une défocalisation de 0 mm, la force de cisaillement atteint un maximum de 58 N.

Tab.3 Expérience orthogonale et résultat du laser à fibre

2.3 Analyse comparative de l'apparence

Afin d'analyser la différence de traction dans la force de cisaillement entre le laser pulsé et le laser continu soudage laser fibre de cuivre, l'aspect du point de soudure est analysé. En observant le point de soudure avec un microscope électronique, lorsque la puissance maximale du laser pulsé est de 1200 8 W, la largeur d'impulsion est de 1 ms et la défocalisation est de 4 mm, il y a des éclaboussures partielles sur la surface du point de soudure, laissant des piqûres. sur la surface, comme le montre la figure 4(a). À l'arrière du point de soudure, des trous évidents peuvent être vus dans certaines parties, comme le montre la figure 4(b). Après avoir ouvert la soudure, poli, meulé et corrodé, une loupe est utilisée pour tester la section transversale de la soudure, comme le montre la figure 600 (c), il y a des pores à l'intérieur de la soudure, ce qui est dû à la haute réflectivité du cuivre, nécessitant une puissance de crête élevée pour le soudage. Cependant, la puissance de crête élevée provoque la vaporisation facile de certains éléments, générant des pores qui réduiront la force de cisaillement du point de soudure. Lors du soudage avec un laser à fibre continue, lorsque la puissance moyenne du laser est de 150 W, la vitesse de soudage est de 0 mm/s. , et la défocalisation est de 4 mm, la surface du point de soudage est uniforme et cohérente, sans piqûres ni éclaboussures générées, comme le montre la figure 4 (d). Il n'y a pas de trous ou de défauts évidents à l'arrière du point de soudage, comme le montre la figure 4 (d). illustré à la figure XNUMX (e). À l'aide d'une loupe pour tester la section transversale de la soudure issue du soudage laser à fibre continue, comme le montre la figure XNUMX (f), la soudure est exempte de pores et est composée de faisceaux de cordons de soudure, ce qui est dû à l'utilisation de une certaine puissance laser pour effectuer un soudage en spirale en soudage laser continu. Une puissance laser inférieure est utilisée et, par accumulation de chaleur, les matériaux supérieurs et inférieurs fondent. La consistance de la soudure est bonne, sans formation de pores ou d'autres défauts, ce qui entraîne une force de cisaillement supérieure à celle d'une impulsion la soudure au laser.

Le laser à impulsions et le laser à fibre continue sont utilisés séparément pour souder les connecteurs de batterie de téléphone et des tests de résistance sont effectués. Après le soudage au laser pulsé, la résistivité testée est de 0.120 Ω · mm2/m, supérieure à la résistivité d'origine du cuivre qui est de 0.018 Ω · mm2. /m. Cela est dû à l'augmentation de la résistivité provoquée par la présence de pores à l'intérieur du point de soudage. Après le soudage laser à fibre continue, la résistivité testée est de 0.0220 Ω·mm2/m, proche de la résistivité du matériau parent, le cuivre, répondant ainsi aux exigences pratiques. exigences de production.

Conclusion 3

Un laser à fibre à impulsion quasi continue de 150 W et un laser à fibre continue de 1000 1200 W sont utilisés séparément pour des expériences de soudage sur cuivre, afin de mener des expériences d'optimisation de processus. Lorsque la puissance maximale du laser à impulsion est de 8 1 W, la largeur d'impulsion est de 28. ms, et la quantité de défocalisation est de 600 mm, la force de cisaillement maximale obtenue est de 150 N. Lorsque la puissance moyenne du laser à fibre continue est de 0 W, la vitesse de soudage est de 58 mm/s et le degré de défocalisation est de XNUMX mm, la force de cisaillement maximale obtenue est de XNUMX N.

Une analyse de l'apparence et de la section transversale du point de soudure montre que le point de soudure au laser pulsé présente des éclaboussures sur la surface et que le cordon de soudure présente des pores à l'intérieur. Le point de soudure laser à fibre continue présente une surface constante et uniforme sans pores à l'intérieur du point, ce qui améliore la force de cisaillement du point de soudure. Cela constitue une référence précieuse pour le choix de la source de lumière laser requise dans la production pratique.