バッテリーコネクターにおける銅のレーザー溶接プロセスに関する研究

要約:バッテリーコネクタの銅の溶接では、パルスレーザーと連続ファイバーレーザーを使用してレーザー溶接試験を行いました。パルス レーザーの場合、ピーク パワー、パルス幅、焦点距離のプロセス パラメーターが直交実験に適用され、28 N の最大せん断力が得られました。連続ファイバーレーザーの場合、出力、溶接速度、焦点距離のプロセスパラメータは直交実験に適用され、最大せん断力58Nが得られました。斑点の出現はパルス溶接の内部に気孔が存在することを示した。逆に連続ファイバーレーザーで溶接した内部は気孔が無く、せん断力の向上に役立ちました。

キーワード：銅;  レーザー溶接;直交実験 ;プロセスパラメータ

0の紹介

紫銅は、熱伝導が良く、電気伝導性に優れ、加工や成形が容易であるなどの利点を持っています。電線やケーブル、ハードウェア、電子機器の製造に広く使用されています。カメラ モジュール、画面、スピーカー、メモリ、回路基板など、携帯電話内のすべてのユニットの動作には電力が必要です。通常、バッテリーは固定されています。特定のエリアに設置されており、これらのコンポーネントと接続して電源用の導電パスを形成するためのコネクタが必要です。紫銅は携帯電話のバッテリーコネクタに最も一般的に使用される材料です。紫銅コネクタプレートの溶接の現在のモードは主に抵抗溶接です。正極と負極からの大電流により銅のコネクタプレートが溶けます。電極が分離すると、材料が冷えて溶接線が形成されます。この溶接装置は構造がシンプルで操作も実用的で便利ですが、抵抗溶接に使用されるプラス電極とマイナス電極は磨耗や故障が起こりやすく、交換のために生産ラインを停止する必要があり、生産効率が低下します。

レーザー溶接はレーザーを熱源として加工を行うため、熱影響範囲が小さく、溶接強度が高く、ワークとの非接触で生産効率が高いという利点があります。ステンレス鋼、アルミニウム合金、ニッケル合金などの溶接に広く使用されています。紫銅はレーザーに対する反射率が97%以上と高く、それを補うためにレーザー出力を増加する必要があります。反射によりレーザー エネルギーが失われ、レーザー エネルギーが大幅に浪費されます。同時に、紫銅の表面状態の変化がレーザーに対する銅の反射率の変化に影響を及ぼし、溶接プロセスの不安定性が大幅に増加する可能性があります。銅のレーザー溶接性について、学者たちは、銅のレーザー吸収率を高めるために、銅表面のレーザーエッチングやグラファイトでのコーティングなど、銅表面に関する広範な研究を行ってきました。この方法は銅の溶接性を向上させましたが、製造プロセスが増加し、製造コストも増加しました。

この記事では、パルス レーザーと連続ファイバー レーザーの両方を使用して紫銅バッテリーのポールピースのプロセス最適化実験を実施し、実際の生産の参考にしています。

1 溶接実験

1.1 実験材料

実験材料の上層は紫銅で、厚さは 0.2 mm です。下層の材質はニッケルメッキ紫銅で、厚さは0.2 mmです。 1 つの材料層の化学組成を表 20 に示します。図 6(a) に示すように、材料を 1 mm x 4 mm の長さと幅に切断します。図0.5(b)に示すように、溶接面積1mm×180mmの重ね溶接実験を行います。溶接完了後、せん断力試験を実施します。図1(c)に示すように、下層材を溶接部に沿って200度曲げてせん断力試験を行います。せん断力試験にはマイコン制御の電子万能試験機WDW-50E型を使用します。製品の上下端を治具でクランプし、引張り速度はXNUMXmm/sです。

表1 試験材料の化学組成(質量分率/%)

材料	Cu	P	Ni	Fe	Zn	S
紫銅	99.96	0.000	0.000	0.000	0.000	0.000
ニッケルメッキ紫銅	99.760	0.000	0.200	0.000	0.000	0.000

（a）	（b）	（c）
(a) 溶接材料 (b) 溶接点法 (c) せん断力試験方法 図1 溶接方法とせん断力試験

1.2 溶接装置と溶接方法

このアプリケーションには、XNUMXµmおよびXNUMXµm波長で最大XNUMXWの平均出力を提供する 溶接実験 Wuhan Raycus Company が製造した 150W 準連続パルスファイバーレーザーと 1000W 連続ファイバーレーザーを使用します。準連続パルスファイバーレーザーの平均パワーは150W、ピークパワーは1500W、パルス幅は0.2mm～25msです。ファイバーレーザーの電気光変換効率は30%以上に達し、より高いレーザー出力パワーを得ることができます。また、ファイバーレーザーはビーム品質が良く、レーザーファイバーの直径は0.05mmで、外部焦点距離は100mmです。コリメートミラー部分は200mm、集束レンズの焦点距離は0.1mm、レーザー焦点スポットは小さく、理論上の最小スポットは2mmに達する可能性があり、銅材料の表面に対する高出力密度のレーザーの影響は、銅素材の温度を急速に上昇させます。温度が上昇すると、材料のレーザー吸収率も急速に増加します。したがって、ファイバーレーザーを使用して銅材料を溶接すると、レーザーに対する銅の高反射の問題をある程度克服できます。溶接実験プラットフォームを上の図 XNUMX に示します。

図2 溶接実験台

準連続パルスファイバーレーザーからの各パルスは、パルススポット溶接に適した溶接スポットを形成します。溶接スポットの概略図を上の図 3(a) に示します。1000 W 連続ファイバー レーザーの平均出力は 1000 W で、ピーク出力がないため、連続シーム溶接に非常に適しています。上記図 3 (b) に示すように、スパイラル状に動作させることで溶接スポットを形成できます。

(a) 準連続パルスファイバーレーザーにより形成されたパルスはんだ接合部 (b) 連続ファイバーレーザースパイラルによって形成されたはんだ接合部 図3 溶接箇所の模式図

2 実験結果と解析

2.1 パルスレーザー溶接プロセスの最適化

準連続パルスレーザー溶接の主な溶接プロセスパラメータは、ピークレーザーパワー、パルス幅、デフォーカス量です。 2 要素 0.2 レベルの直交実験がこれら 1400 つのプロセス パラメーターに対して実行され、直交実験と引張試験の結果が表 1200 に示されています。レーザーのピーク出力は主に溶接点の溶融深さに影響します。ピークパワーが増加すると、溶解深さも増加します。ただし、ピーク電力が高すぎると、材料が蒸発しやすくなり、材料の飛散が発生し、溶接シーム内に気孔が残ります。パルス幅は主に溶接点のサイズに影響し、溶接点のサイズはパルスが増加するにつれて増加します。デフォーカス量はレーザー焦点とワーク表面の間の距離です。レーザーの焦点がワークピースの表面の下にある場合、それはマイナスの焦点ずれとみなされます。この状況では、より深い溶融深さの溶接シームが得られやすいです。材料が 1200 mm と非常に薄いため、溶融深さが大きすぎると、容易に下部材料が貫通してしまう可能性があります。溶接スポットのせん断力を減らすことができます。本文では、溶接に積極的なデフォーカスが使用されています (つまり、レーザーの焦点がワークピースの表面の上にあります)。デフォーカス量の大きさによって光点の大きさが決まります。デフォーカス量が増加すると、光スポットが拡大し、材料の表面に作用するパワー密度が減少し、その結果、溶接の溶けの深さが浅くなります。ピークパワーが 8W の場合、ピークパワーが高すぎるため、溶接が発生しやすくなります。スパッタ。この材料損失は溶接点のせん断力の低下につながります。レーザーのピークパワーが 1W の場合、溶接点のせん断力は一般に高くなります。レーザーのピークパワーが28W、パルス幅がXNUMXms、デフォーカス量がXNUMXmmの場合、最大せん断力はXNUMXNに達します。

Table.2 パルスレーザーの直交実験と結果

数	ピーク電力/W	パルス幅/ms	デフォーカス量/mm	せん断力/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 連続ファイバーレーザー溶接プロセスの最適化

連続式の主なプロセスパラメータ ファイバーレーザー溶接 レーザーの平均出力、溶接速度 (スパイラル ラインを走行するレーザーの速度)、およびデフォーカス量 (準連続パルス レーザー溶接と同様に、実験では正のデフォーカスが使用されます) です。これら 3 つのパラメーターを 500 つのレベルで使用した直交実験と引張試験の結果を表 700 に示します。レーザーの平均出力は、溶接シームの溶融深さと熱影響領域に影響します。出力が増加すると溶解深さが深くなり、熱影響部も拡大するためオーバーバーンが発生しやすくなり、張力が低下します。溶接速度は溶解深さと熱影響部に影響します。溶接シームの。溶接速度が増加すると、溶接点の溶融深さが減少し、熱影響部も減少します。デフォーカスのサイズによって光スポットのサイズが決まります。デフォーカスが増加すると、光スポットが大きくなり、材料の表面に作用するパワー密度が減少します。これにより、溶接溶解深さと熱影響部の両方が減少します。平均パワーが 600 W の場合、せん断力は全体的に小さい。これは、レーザーの平均出力が低く、溶接点の溶融深さが浅いため、せん断力が低いためです。平均出力が 600 W の場合、レーザーの平均出力が高すぎるため、熱影響領域が大きくなりすぎます。せん断力をテストする場合、最初に熱影響部から引き裂かれるため、溶接点のせん断力は低くなります。レーザーの平均出力が 150 W の場合、溶接点のせん断力は一般に高くなります。レーザーの平均出力が 0 W、溶接速度が 58 mm/s、デフォーカスが XNUMX mm の場合、せん断力は最大 XNUMX N に達します。

Table.3 ファイバーレーザーの直交実験と結果

数	平均電力/W	溶接速度/(mm/s)	デフォーカス量/mm	せん断力/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 外観の比較分析

パルスレーザーと連続レーザーの引張せん断力の違いを解析するには ファイバーレーザー溶接 銅の溶接箇所の外観​​を分析します。溶接箇所を電子顕微鏡で観察すると、パルスレーザーのピークパワー1200W、パルス幅8ms、デフォーカス1mmの場合、溶接箇所の表面に部分的にスパッタリングが発生し、ピットが残っています。図 4(a) に示すように、表面に溶接点が見られます。図 4(b) に示すように、溶接点の裏側には、いくつかの部分に明らかな穴が見られます。溶接部を切り開き、研磨、研削、腐食を行った後、拡大鏡を使用して溶接部の断面をテストします (図 4(c) を参照)。溶接部の内部には気孔があり、これは高熱によるものです。銅の反射率が高く、溶接には高いピーク電力が必要です。ただし、ピークパワーが高いと一部の元素が蒸発しやすくなり、気孔が発生して溶接点のせん断力が低下します。連続ファイバーレーザーで溶接する場合、平均レーザーパワーが600 Wの場合、溶接速度は150mm/sになります。 、デフォーカスが 0mm の場合、図 4(d) に示すように、溶接点の表面は均一で一貫しており、ピットやスパッタは発生しません。溶接点の裏側には穴や明らかな欠陥はありません。図 4(e) に​​示します。図 4(f) に示すように、拡大鏡を使用して連続ファイバー レーザー溶接の溶接断面をテストすると、溶接には気孔がなく、溶接シームの束で構成されています。連続レーザー溶接でスパイラル溶接を行うには、一定のレーザー出力が必要です。より低いレーザー出力が利用され、熱の蓄積によって上部と下部の材料が溶けます。溶接の一貫性が良好で、気孔やその他の欠陥が形成されないため、パルスに比べてより大きなせん断力が得られます。 レーザー溶接.

（a）	（b）	（c）
（b）	（e）の	（f）
(a)パルスレーザー溶接面 (b) 裏面パルスレーザー溶接 (c) パルスレーザー溶接シームの断面図 (d) 連続ファイバーレーザー溶接面 (e) 連続繊維レーザー溶接の裏面 (f) 連続繊維レーザー溶接の断面図 図4 スポットの様子

携帯電話のバッテリーコネクタの溶接にはパルスレーザーと連続ファイバーレーザーを別々に使用し、抵抗試験を実施します。パルスレーザー溶接後の試験抵抗率は0.120Ω・mm2/mで、銅の元の抵抗率0.018Ω・mm2よりも高くなりました。 /m.これは、溶接点内部に気孔が存在することによる抵抗率の増加によるものです。連続ファイバーレーザー溶接後の抵抗率の測定値は0.0220Ω・mm2/mであり、母材である銅の抵抗率に近く、実用レベルを満たしています。生産要件。

3まとめ

プロセス最適化実験を行うために、150 Wの準連続パルスファイバーレーザーと1000 Wの連続ファイバーレーザーを銅の溶接実験に別々に使用します。パルスレーザーのピークパワーが1200 Wの場合、パルス幅は8です。 ms、デフォーカス量 1mm、達成される最大せん断力は 28N です。連続ファイバーレーザーの平均出力が600W、溶接速度が150mm/s、デフォーカス量が0mmの場合、得られる最大せん断力は58Nです。

溶接点の外観と断面を分析すると、パルス レーザー溶接点の表面にスプラッタがあり、溶接シームの内部に気孔があることがわかります。連続ファイバーレーザーの溶接スポットは、スポット内部に気孔がなく、一貫した均一な表面を備えているため、溶接点のせん断力が向上します。これは、実際の生産に必要なレーザー光源の選択の貴重な参考資料となります。