Ricerca sul processo di saldatura laser del rame nel connettore della batteria

Riassunto: Per la saldatura del rame nel connettore della batteria, sono stati utilizzati laser a impulsi e laser a fibra continua per i test di saldatura laser. Per il laser a impulsi, i parametri di processo relativi alla potenza di picco, all'ampiezza dell'impulso e alle distanze focali sono stati applicati a esperimenti ortogonali e hanno ottenuto una forza di taglio massima di 28 N. Per il laser a fibra continua, i parametri di processo di potenza, velocità di saldatura e distanze focali sono stati applicati a esperimenti ortogonali e hanno ottenuto una forza di taglio massima di 58N. L'apparizione di macchie mostrava che le saldature all'interno dei pori saldati mediante impulso esistevano. Al contrario, le saldature interne del laser a fibra continua non presentano pori, il che è stato utile per migliorare la forza di taglio.

Parole chiave:rame;  saldatura laser; esperimenti ortogonali; parametro di processo

Introduzione a 0

Il rame viola possiede vantaggi come una buona conduzione del calore, un'eccellente conduttività elettrica e facilità di lavorazione e modellatura. È ampiamente utilizzato nella produzione di fili e cavi elettrici, hardware e componenti elettronici. Ogni unità all'interno di un telefono cellulare richiede energia elettrica per funzionare, come il modulo della fotocamera, lo schermo, l'altoparlante, la memoria, il circuito stampato, ecc. La batteria è generalmente fissa in un'area specifica e necessita di un connettore per collegarlo a questi componenti per formare un percorso conduttivo per l'alimentazione. Il rame viola è il materiale più comunemente utilizzato per i connettori delle batterie dei telefoni cellulari. L'attuale modalità di saldatura delle piastre dei connettori in rame viola è principalmente la saldatura a resistenza. Grandi correnti provenienti dagli elettrodi positivi e negativi fondono la piastra del connettore in rame. Quando gli elettrodi si separano, il materiale si raffredda per formare un cordone di saldatura. Sebbene la struttura di questo dispositivo di saldatura sia semplice e il suo funzionamento sia pratico e conveniente, gli elettrodi positivi e negativi utilizzati nella saldatura a resistenza tendono a usurarsi e rompersi, rendendo necessaria l'interruzione della linea di produzione per la sostituzione, riducendo così l'efficienza produttiva.

Saldatura laser, che utilizza i laser come fonte di calore per la lavorazione, presenta i vantaggi di una piccola area interessata dal calore, un'elevata resistenza alla saldatura, senza contatto con il pezzo in lavorazione e un'elevata efficienza produttiva. È stato ampiamente applicato nella saldatura di materiali come acciaio inossidabile, leghe di alluminio, leghe di nichel e così via. Il rame viola ha un'elevata riflettività pari o superiore al 97% rispetto ai laser, il che richiede un aumento della potenza del laser per compensare la perdita di energia laser a causa della riflessione, con conseguente notevole spreco di energia laser. Allo stesso tempo, i cambiamenti nelle condizioni superficiali del rame viola possono influenzare i cambiamenti nella riflettività del rame al laser, aumentando notevolmente l'instabilità del processo di saldatura. Per migliorare la saldabilità laser del rame, gli studiosi hanno condotto ricerche approfondite sulla superficie del rame, come l'incisione laser sulla superficie del rame o il rivestimento con grafite, per aumentare il tasso di assorbimento del laser del rame. Sebbene questo metodo abbia migliorato la saldabilità del rame, ha anche migliorato il processo di produzione e aumentato i costi di produzione.

L'articolo utilizza sia laser pulsati che laser a fibra continua per condurre esperimenti di ottimizzazione del processo su espansioni polari di batterie in rame viola, fornendo un riferimento per la produzione effettiva.

1 Esperimento di saldatura

1.1 Materiali sperimentali

Lo strato superiore del materiale sperimentale è rame viola, con uno spessore di 0.2 mm. Il materiale dello strato inferiore è rame viola nichelato, con uno spessore di 0.2 mm. La composizione chimica dei due strati di materiale è mostrata nella Tabella 1. I materiali vengono tagliati in lunghezze e larghezze di 20 mm x 6 mm, come mostrato nella Figura 1 (a). Vengono condotti esperimenti di saldatura sovrapposta, che richiedono un'area di saldatura di 4 mm x 0.5 mm, come mostrato nella Figura 1(b). Una volta completata la saldatura, viene eseguito un test di forza di taglio. Il materiale dello strato inferiore viene piegato di 180 gradi lungo la saldatura e viene condotto un test della forza di taglio, come mostrato nella Figura 1(c). Il test della forza di taglio utilizza una macchina di prova universale elettronica controllata da microcomputer, modello WDW-200E. Le estremità superiore e inferiore del prodotto sono fissate con un dispositivo e la velocità di allungamento è di 50 mm/s.

Tab.1 Composizione chimica dei materiali di prova (frazione di massa/%)

Materiali	Cu	P	Ni	Fe	Zn	S
Rame viola	99.96	0.000 7	0.000 2	0.000 8	0.000 9	0.000 9
Rame viola nichelato	99.760	0.000 5	0.200 0	0.000 6	0.000 9	0.000 8

(A)	(B)	(C)
(a) Materiali di saldatura (b) Metodo del punto di saldatura (c) Metodo di prova della forza di taglio Fig.1 Metodo di saldatura e prova della forza di taglio

1.2 Attrezzature e metodi di saldatura

Il esperimento di saldatura utilizza un laser a fibra pulsata quasi continua da 150 W e un laser a fibra continua da 1000 W prodotto dalla Wuhan Raycus Company. La potenza media del laser a fibra pulsata quasi continua è di 150 W, la potenza di picco è di 1500 W e la larghezza dell'impulso è di 0.2 mm ~ 25 ms. L'efficienza di conversione elettro-ottica del laser a fibra raggiunge oltre il 30%, che può ottenere una maggiore potenza di uscita del laser, inoltre, il laser a fibra ha una buona qualità del raggio, il diametro della fibra laser è 0.05 mm, la distanza di messa a fuoco dell'esterno la porzione dello specchio di collimazione è 100 mm e la distanza di messa a fuoco dell'obiettivo di messa a fuoco è 200 mm, il punto di messa a fuoco del laser è piccolo e il punto minimo teorico può raggiungere 0.1 mm, l'impatto di un laser con elevata densità di potenza sulla superficie del materiale di rame può aumentare rapidamente la temperatura del materiale di rame. All'aumentare della temperatura aumenta rapidamente anche la velocità di assorbimento del laser da parte del materiale. Pertanto, l'utilizzo di un laser a fibra per saldare materiali in rame può in una certa misura superare il problema dell'elevata riflessione del rame sul laser. La piattaforma per gli esperimenti di saldatura è mostrata nella Figura 2 sopra.

Fig.2 Piattaforma sperimentale di saldatura

Ogni impulso del laser a fibra a impulsi quasi continui forma un punto di saldatura, adatto alla saldatura a punti a impulsi. Il diagramma schematico del punto di saldatura è mostrato nella Figura 3 (a) sopra. La potenza media del laser a fibra continua da 1000 W è 1000 W, senza potenza di picco, il che lo rende molto adatto per la saldatura continua. I punti di saldatura possono essere formati operando a spirale come mostrato nella Figura 3 (b) sopra.

(a) Giunto di saldatura a impulsi formato da laser a fibra a impulsi quasi continui (b) Giunto di saldatura formato da spirale laser a fibra continua Fig.3 Rappresentazione schematica dei punti di saldatura

2 Risultati sperimentali e analisi

2.1 Ottimizzazione del processo di saldatura laser a impulsi

I principali parametri del processo di saldatura per la saldatura laser a impulsi quasi continui sono la potenza di picco del laser, l'ampiezza dell'impulso e la quantità di sfocatura. Su questi tre parametri di processo viene condotto un esperimento ortogonale a tre livelli e tre fattori e i risultati dell'esperimento ortogonale e del test di trazione sono mostrati nella Tabella 2. La potenza di picco del laser influisce principalmente sulla profondità di fusione del punto di saldatura. All’aumentare della potenza di picco, aumenterà anche la profondità di fusione. Tuttavia, quando la potenza di picco è troppo elevata, il materiale tende a vaporizzare, causando spruzzi di materiale e lasciando pori all'interno del cordone di saldatura. La larghezza dell'impulso influisce principalmente sulla dimensione del punto di saldatura, che aumenta con l'aumentare dell'impulso. la larghezza aumenta. La quantità di sfocatura è la distanza tra il fuoco del laser e la superficie del pezzo. Se il fuoco del laser si trova sotto la superficie del pezzo, si parla di sfocatura negativa. In questa situazione, è facile ottenere un cordone di saldatura con una profondità di fusione maggiore, poiché il materiale è piuttosto sottile a 0.2 mm, se la profondità di fusione è troppo grande, può facilmente portare alla penetrazione del materiale inferiore, che a sua volta potrebbe ridurre la forza di taglio del punto di saldatura. Nel testo, per la saldatura viene utilizzata la defocalizzazione positiva (ovvero, il fuoco del laser è sopra la superficie del pezzo). La dimensione della quantità di sfocatura determina la dimensione del punto luminoso; all'aumentare della quantità di sfocatura, il punto luminoso si allarga, riducendo la densità di potenza che agisce sulla superficie del materiale e di conseguenza diminuendo la profondità del punto di fusione della saldatura. Quando la potenza di picco è 1400 W, la potenza di picco è troppo elevata, rendendo facile la generazione schizzi. Questa perdita di materiale porta ad una diminuzione della forza di taglio del punto di saldatura. Quando la potenza di picco del laser è 1200 W, la forza di taglio del punto di saldatura è generalmente elevata. Quando la potenza di picco del laser è 1200 W, l'ampiezza dell'impulso è 8 ms e la quantità di sfocatura è 1 mm, la forza di taglio massima può raggiungere 28 N.

Tab.2 Esperimento ortogonale e risultato del laser a impulsi

Numero	Potenza di picco/W	Larghezza impulso/ms	Quantità di sfocatura/mm	Forza di taglio/N
1	100	4	０	13
2	100	6	1	15
3	100	8	2	16
4	1200	4	2	25
5	1200	6	０	23
6	1200	8	1	28
7	1400	4	2	22
8	1400	6	1	21
9	1400	8	0	20

2.2 Ottimizzazione del processo di saldatura laser in fibra continua

I principali parametri di processo del continuo saldatura laser a fibra sono la potenza media del laser, la velocità di saldatura (la velocità del laser che percorre la linea a spirale) e la quantità di sfocatura (come con la saldatura laser a impulsi quasi continui, per l'esperimento viene utilizzata la sfocatura positiva). Gli esperimenti ortogonali e i risultati delle prove di trazione con questi tre parametri su tre livelli sono mostrati nella Tabella 3. La potenza media del laser influenza la profondità di fusione e la zona termicamente alterata del cordone di saldatura. All'aumentare della potenza, aumenterà la profondità di fusione e anche la zona interessata dal calore si allargherà, facilitando la produzione di sovracombustione, con conseguente diminuzione della tensione. La velocità di saldatura avrà un impatto sulla profondità di fusione e sulla zona interessata dal calore del cordone di saldatura. All'aumentare della velocità di saldatura, diminuisce la profondità di fusione del punto di saldatura e diminuisce anche la zona interessata dal calore. La dimensione della sfocatura determina la dimensione del punto luminoso. All'aumentare della sfocatura, il punto luminoso diventa più grande e la densità di potenza che agisce sulla superficie del materiale diminuisce, il che ridurrà sia la profondità di fusione della saldatura che la zona interessata dal calore. Quando la potenza media è di 500 W, la forza di taglio è generalmente piccolo. Questo perché la potenza media del laser è bassa, la profondità di fusione del punto di saldatura è bassa, il che comporta una forza di taglio bassa. Quando la potenza media è 700 W, la potenza media del laser è troppo elevata, ciò si traduce in una zona interessata dal calore troppo grande. Quando si testa la forza di taglio, questa si strappa prima dalla zona interessata dal calore, il che fa sì che la forza di taglio del punto di saldatura sia bassa. Quando la potenza media del laser è di 600 W, la forza di taglio del punto di saldatura è generalmente più elevata. Quando la potenza media del laser è di 600 W e la velocità di saldatura è di 150 mm/s, con una sfocatura di 0 mm, la forza di taglio raggiunge un massimo di 58 N.

Tab.3 Esperimento ortogonale e risultato del laser a fibra

Numero	Potenza media/W	Velocità di saldatura/(mm/s)	Quantità di sfocatura/mm	Forza di taglio/N
1	500	100	0	33
2	500	150	1	35
3	500	200	2	32
4	600	100	2	49
5	600	150	0	58
6	600	200	1	53
7	700	100	2	44
8	700	150	1	43
9	700	200	0	40

2.3 Analisi comparativa dell'aspetto

Al fine di analizzare la differenza di trazione nella forza di taglio tra laser pulsato e continuo saldatura laser a fibra del rame si analizza l'aspetto del punto di saldatura. Osservando il punto di saldatura con un microscopio elettronico, quando la potenza di picco del laser pulsato è di 1200 W, la larghezza dell'impulso è di 8 ms e la sfocatura è di 1 mm, si notano schizzi parziali sulla superficie del punto di saldatura, che lasciano cavità sulla superficie, come mostrato in figura 4(a). Sul retro del punto di saldatura sono visibili in alcune parti evidenti fori, come mostrato in Figura 4(b). Dopo aver aperto la saldatura, lucidato, levigato e corroso, viene utilizzata una lente d'ingrandimento per testare la sezione trasversale della saldatura, come mostrato nella Figura 4 (c), ci sono pori all'interno della saldatura, a causa dell'elevata riflettività del rame, che richiede un'elevata potenza di picco per la saldatura. Tuttavia, l'elevata potenza di picco fa sì che alcuni elementi vaporizzino facilmente, generando pori che ridurranno la forza di taglio del punto di saldatura. Quando si salda con un laser a fibra continua, quando la potenza media del laser è di 600 W, la velocità di saldatura è di 150 mm/s , e la sfocatura è 0 mm, la superficie del punto di saldatura è uniforme e consistente, senza cavità o spruzzi generati, come mostrato nella Figura 4(d). Non sono presenti fori o difetti evidenti sul retro del punto di saldatura, come mostrato nella Figura 4 (e). Utilizzando una lente d'ingrandimento per testare la sezione trasversale della saldatura dalla saldatura laser a fibra continua, come mostrato nella Figura 4 (f), la saldatura è priva di pori ed è composta da fasci di cordoni di saldatura, il che è dovuto all'uso di una certa potenza laser per eseguire la saldatura a spirale nella saldatura laser continua. Viene utilizzata una potenza laser inferiore e, mediante l'accumulo di calore, i materiali superiore e inferiore vengono fusi. La consistenza della saldatura è buona, senza formazione di pori o altri difetti, con conseguente maggiore forza di taglio rispetto all'impulso saldatura laser.

(A)	(B)	(C)
(B)	(E)	(F)
(a) Superficie di saldatura laser a impulsi (b) Superficie posteriore della saldatura laser a impulsi (c) Vista in sezione trasversale del cordone di saldatura laser pulsato (d) Superficie di saldatura laser a fibra continua (e) Lato posteriore della saldatura laser a fibra continua (f) Vista in sezione trasversale della saldatura laser a fibra continua Fig.4 Aspetto delle macchie

Il laser a impulsi e il laser a fibra continua vengono utilizzati separatamente per saldare i connettori della batteria del telefono e viene eseguito il test di resistenza. Dopo la saldatura laser a impulsi, la resistività testata è 0.120 Ω·mm2/m, superiore alla resistività originale del rame che è 0.018 Ω·mm2 /M. Ciò è dovuto all'aumento della resistività causato dalla presenza di pori all'interno del punto di saldatura. Dopo la saldatura laser a fibra continua, la resistività testata è 0.0220 Ω·mm2/m, vicina alla resistività del materiale di base, il rame, soddisfacendo così la praticità requisiti di produzione.

Conclusione 3

Un laser a fibra a impulso quasi continuo da 150 W e un laser a fibra continua da 1000 W vengono utilizzati separatamente per esperimenti di saldatura su rame, al fine di condurre esperimenti di ottimizzazione del processo. Quando la potenza di picco del laser a impulsi è 1200 W, la larghezza dell'impulso è 8 ms e ​​la quantità di sfocatura è 1 mm, la forza di taglio massima raggiunta è 28 N. Quando la potenza media del laser a fibra continua è di 600 W, la velocità di saldatura è di 150 mm/s e la quantità di sfocatura è di 0 mm, la forza di taglio massima raggiunta è di 58 N.

Un'analisi dell'aspetto e della sezione trasversale del punto di saldatura mostra che il punto di saldatura del laser a impulsi presenta schizzi sulla superficie e che il cordone di saldatura presenta pori all'interno. Il punto di saldatura laser a fibra continua ha una superficie consistente e uniforme senza pori all'interno del punto, il che migliora la forza di taglio del punto di saldatura. Ciò fornisce un prezioso riferimento per la scelta della sorgente di luce laser richiesta nella produzione pratica.