배터리 커넥터 구리 레이저 용접 공정 연구

개요: 배터리 커넥터의 구리 용접을 위해 펄스 레이저와 연속 파이버 레이저가 레이저 용접 테스트에 사용되었습니다. 펄스 레이저의 경우 피크 출력, 펄스 폭 및 초점 거리의 공정 매개변수를 직교 실험에 적용하여 28N의 최대 전단력을 얻었습니다. 연속 파이버 레이저의 경우 전력, 용접 속도 및 초점 거리의 공정 매개변수를 직교 실험으로 수행하여 58N의 최대 전단력을 얻었습니다. 스폿의 출현은 펄스 용접의 용접 내부에 기공이 있음을 나타냅니다. 반대로, 연속 파이버 레이저로 용접된 내부 용접에는 기공이 없어 전단력을 향상시키는 데 유용했습니다.

키워드 : 구리 ;  레이저 용접; 직교 실험; 프로세스 매개변수

0 소개

보라색 구리는 우수한 열 전도율, 우수한 전기 전도성, 가공 및 성형 용이성과 같은 장점을 가지고 있습니다. 전선 및 케이블, 하드웨어 및 전자 제품 제조에 광범위하게 사용됩니다. 카메라 모듈, 화면, 스피커, 메모리, 회로 기판 등과 같이 휴대폰 내의 모든 장치를 작동하려면 전력이 필요합니다. 배터리는 일반적으로 고정되어 있습니다. 특정 영역에서 전원 공급을 위한 전도성 경로를 형성하기 위해 이러한 구성 요소와 연결하는 커넥터가 필요합니다. 보라색 구리는 휴대폰 배터리 커넥터에 가장 일반적으로 사용되는 재료입니다. 보라색 구리 커넥터 플레이트의 현재 용접 모드는 주로 저항 용접입니다. 양극과 음극의 큰 전류가 구리 커넥터 플레이트를 녹입니다. 전극이 분리되면서 재료가 냉각되어 용접 이음매가 형성됩니다. 이 용접 장치는 구조가 간단하고 조작이 실용적이며 편리하지만, 저항 용접에 사용되는 양극과 음극이 마모되고 파손되기 쉬우므로 교체를 위해 생산 라인을 중단해야 하므로 생산 효율성이 저하됩니다.

레이저 용접레이저를 가공 열원으로 사용하는 는 열 영향을 받는 면적이 작고, 용접 강도가 높으며, 공작물과의 비접촉, 생산 효율성이 높은 장점이 있습니다. 스테인레스강, 알루미늄합금, 니켈합금 등의 재료의 용접에 광범위하게 적용되어 왔습니다. 보라색 구리는 레이저에 대한 반사율이 97% 이상으로 높기 때문에 이를 보완하기 위해 레이저 출력을 높여야 합니다. 반사로 인해 레이저 에너지가 손실되어 레이저 에너지가 크게 낭비됩니다. 동시에 보라색 구리의 표면 상태의 변화는 레이저에 대한 구리의 반사율 변화에 영향을 미쳐 용접 공정의 불안정성을 크게 증가시킬 수 있습니다. 구리의 레이저 용접성을 높이기 위해 학자들은 구리의 레이저 흡수율을 높이기 위해 구리 표면에 레이저 에칭이나 흑연 코팅 등 구리 표면에 대한 광범위한 연구를 수행해 왔습니다. 이 방법은 구리의 용접성을 향상시키는 동시에 생산 공정을 추가하고 생산 비용을 증가시킵니다.

이 기사에서는 펄스 레이저와 연속 광섬유 레이저를 모두 사용하여 보라색 구리 배터리 극편에 대한 공정 최적화 실험을 수행하고 실제 생산에 대한 참고 자료를 제공합니다.

1 용접 실험

1.1 실험재료

실험물질의 상부층은 보라색 구리로 두께는 0.2mm이다. 하부층 재료는 니켈 도금된 보라색 구리이며 두께는 0.2mm입니다. 두 재료 층의 화학적 조성은 표 1에 나와 있습니다. 재료는 그림 20(a)에 표시된 대로 6mm x 1mm의 길이와 너비로 절단됩니다. 그림 4(b)와 같이 0.5mm x 1mm의 용접면적을 요구하는 겹침용접 실험을 수행하고, 용접이 완료된 후 전단력 시험을 수행한다. 하층 재료를 용접부를 따라 180도 구부린 후 그림 1(c)와 같이 전단력 시험을 실시한다. 전단력 시험은 마이크로 컴퓨터로 제어되는 전자 만능 시험기 모델 WDW-200E를 사용한다. 제품의 상단과 하단을 고정구로 고정하고, 연신속도는 50mm/s입니다.

Tab.1 시험물질의 화학적 조성(질량분율/%)

자재	Cu	P	Ni	Fe	Zn	S
보라색 구리	99.96	0.000	0.000	0.000	0.000	0.000
니켈 도금 보라색 구리	99.760	0.000	0.200	0.000	0.000	0.000

(A)	(비)	(C)
(가) 용접재료 (b) 용접점법 (c) 전단력 시험방법 그림 1 용접방법 및 전단력 시험

1.2 용접 장비 및 방법

이 어플리케이션에는 XNUMXµm 및 XNUMXµm 파장에서 최대 XNUMXW의 평균 전력을 제공하는 용접 실험 150W 준연속 펄스 파이버 레이저와 우한 레이커스 컴퍼니(Wuhan Raycus Company)에서 생산한 1000W 연속 파이버 레이저를 사용합니다. 준연속 펄스 파이버 레이저의 평균 출력은 150W, 피크 출력은 1500W, 펄스 폭은 0.2mm~25ms입니다. 파이버 레이저의 전기 광학 변환 효율은 30% 이상에 도달하여 더 높은 레이저 출력을 얻을 수 있으며 파이버 레이저는 빔 품질이 좋고 레이저 파이버의 직경은 0.05mm이며 외부 초점 거리입니다. 시준 거울 부분은 100mm이고 초점 렌즈의 초점 거리는 200mm입니다. 레이저 초점은 작고 이론적 최소 지점은 0.1mm에 도달할 수 있으며, 구리 재료 표면에 높은 전력 밀도를 가진 레이저의 충격은 구리 재료의 온도를 빠르게 올립니다. 온도가 상승함에 따라 재료의 레이저 흡수율도 빠르게 증가합니다. 따라서 구리 재료를 용접하기 위해 파이버 레이저를 사용하면 레이저에 대한 구리의 높은 반사 문제를 어느 정도 극복할 수 있습니다. 용접 실험 플랫폼은 위의 그림 2에 나와 있습니다.

그림 2 용접 실험 플랫폼

준연속 펄스 파이버 레이저의 각 펄스는 펄스 스폿 용접에 적합한 용접 스폿을 형성합니다. 용접 지점의 개략도는 위의 그림 3(a)에 나와 있습니다. 1000W 연속 광섬유 레이저의 평균 출력은 1000W이며 피크 출력이 없으므로 연속 심 용접에 매우 적합합니다. 용접점은 위의 그림 3 (b)와 같이 나선형 방식으로 작업하여 형성할 수 있습니다.

(a) 준연속 펄스 파이버 레이저에 의해 형성된 펄스 솔더 조인트 (b) 연속 파이버 레이저 나선형으로 형성된 솔더 조인트 그림 3 용접점의 개략도

2 실험 결과 및 분석

2.1 펄스 레이저 용접 공정 최적화

준연속 펄스 레이저 용접의 주요 용접 공정 매개변수는 피크 레이저 출력, 펄스 폭 및 디포커싱 양입니다. 이들 세 가지 공정 변수에 대해 2요소 0.2레벨 직교 실험을 수행하고 직교 실험 및 인장 시험 결과를 표 1400에 나타내었습니다. 레이저 피크 파워는 주로 용접 점용해 깊이에 영향을 미칩니다. 피크 전력이 증가하면 용융 깊이도 증가합니다. 그러나 피크 출력이 너무 높으면 재료가 증발하기 쉬워 재료가 흩날리고 용접 이음매 내부에 기공이 남게 됩니다. 펄스 폭은 주로 용접 지점의 크기에 영향을 미치며, 용접 지점의 크기는 펄스가 증가함에 따라 증가합니다. 폭이 증가합니다. 초점이 흐려지는 양은 레이저 초점과 작업물 표면 사이의 거리입니다. 레이저 초점이 공작물 표면 아래에 있는 경우 이는 네거티브 디포커싱으로 간주됩니다. 이 상황에서는 더 깊은 용융 깊이를 가진 용접 이음새를 쉽게 얻을 수 있습니다. 재료가 1200mm로 매우 얇기 때문에 용융 깊이가 너무 크면 쉽게 하부 재료가 침투하여 결과적으로 용접 지점의 전단력을 줄일 수 있습니다. 텍스트에서 포지티브 디포커싱은 용접에 사용됩니다(예: 레이저 초점이 작업물의 표면 위에 있음). 초점 흐림 정도의 크기에 따라 광점의 크기가 결정됩니다. 디포커싱 양이 증가할수록 광반이 확대되어 재료 표면에 작용하는 전력 밀도가 감소하고 결과적으로 용접 용융 깊이가 감소합니다. 피크 전력이 1200W일 경우 피크 전력이 너무 높아 발생하기 쉽습니다. 튐. 이러한 재료 손실은 용접점의 전단력 감소로 이어집니다. 레이저의 피크 전력이 8W일 때 용접점의 전단력은 일반적으로 높습니다. 레이저의 피크 출력이 1W이고 펄스 폭이 28ms이고 디포커스 양이 XNUMXmm일 때 최대 전단력은 XNUMXN에 도달할 수 있습니다.

Tab.2 펄스 레이저의 직교 실험 및 결과

번호	피크 전력/W	펄스 폭/ms	디포커스 양/mm	전단력/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 연속 파이버 레이저 용접 공정 최적화

연속의 주요 공정 매개변수 섬유 레이저 용접 레이저 평균 출력, 용접 속도(나선형 라인을 실행하는 레이저의 속도) 및 디포커스 양(준연속 펄스 레이저 용접의 경우 포지티브 디포커스가 실험에 사용됨)입니다. 세 가지 수준에서 이 세 가지 매개변수를 사용한 직교 실험 및 인장 시험 결과가 표 3에 나와 있습니다. 레이저의 평균 출력은 용접 이음매의 용융 깊이와 열 영향 영역에 영향을 미칩니다. 동력이 증가할수록 용융깊이가 증가하고 열영향부도 확대되어 오버번이 발생하기 쉬워져 장력이 감소하게 됩니다. 용접속도는 용융깊이와 열영향부에 영향을 미치게 됩니다. 용접 솔기의. 용접 속도가 증가함에 따라 용접점의 용융 깊이가 감소하고 열 영향 영역도 감소합니다. 디포커스의 크기에 따라 광점의 크기가 결정됩니다. 디포커스가 증가함에 따라 광점은 커지고 재료 표면에 작용하는 전력 밀도는 감소하여 용접 용융 깊이와 열 영향 영역이 모두 감소합니다. 평균 전력이 500W일 때 전단력은 일반적으로 작습니다. 이는 레이저의 평균 출력이 낮고 용접점의 용융 깊이가 낮아 전단력이 낮기 때문입니다. 평균 전력이 700W이면 레이저의 평균 전력이 너무 높아서 열 영향 영역이 너무 커집니다. 전단력을 테스트할 때 먼저 열 영향을 받는 부분에서 찢어지며 이로 인해 용접 지점의 전단력이 낮아집니다. 레이저의 평균 출력이 600W일 때 용접 지점의 전단력은 일반적으로 더 높습니다. 레이저의 평균 출력이 600W이고 용접 속도가 150mm/s일 때 디포커스가 0mm일 때 전단력은 최대 58N에 도달합니다.

Tab.3 파이버 레이저의 직교 실험 및 결과

번호	평균 전력/W	용접 속도/(mm/s)	디포커스 양/mm	전단력/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 외관 비교 분석

펄스 레이저와 연속 레이저의 전단력의 인장 차이를 분석하기 위해 섬유 레이저 용접 구리의 용접점의 외관을 분석합니다. 용접점을 전자현미경으로 관찰한 결과, 펄스레이저의 피크파워는 1200W, 펄스폭은 8ms, 디포커스(defocus)는 1mm일 때 용접점 표면에 부분적으로 스패터링이 발생하여 피트(pit)가 남음 그림 4(a)와 같이 표면에 그림 4(b)와 같이 용접 지점 뒷면의 일부 부품에 뚜렷한 구멍이 보입니다. 용접부를 절단하고 연마하고 연삭하고 부식시킨 후 확대경을 사용하여 용접부의 단면을 테스트합니다. 그림 4(c)와 같이 용접부 내부에 기공이 있습니다. 구리의 반사율로 인해 용접에 높은 피크 전력이 필요합니다. 그러나 피크 출력이 높으면 일부 원소가 쉽게 기화되어 기공이 생성되어 용접점의 전단력이 감소합니다. 연속 파이버 레이저로 용접할 경우 평균 레이저 출력이 600W일 때 용접 속도는 150mm/s입니다. , Defocus가 0mm이고 용접점의 표면은 그림 4(d)와 같이 피트나 스패터가 발생하지 않고 균일하고 일정합니다. 용접점 뒷면에 구멍이나 눈에 띄는 결함이 없습니다. 그림 4(e)에 나와 있습니다. 그림 4(f)와 같이 돋보기를 사용하여 연속 파이버 레이저 용접에서 용접 단면을 테스트합니다. 용접은 기공이 없으며 용접 이음매 묶음으로 구성됩니다. 연속 레이저 용접에서 나선형 용접을 수행하기 위한 특정 레이저 출력. 더 낮은 레이저 출력을 활용하고 열 축적으로 상단 및 하단 재료가 녹습니다. 용접 일관성이 좋고 기공이나 기타 결함이 형성되지 않아 펄스에 비해 전단력이 더 큽니다. 레이저 용접.

(A)	(비)	(C)
(비)	(E)	(에프)
(a)펄스 레이저 용접면 (b) 펄스 레이저 용접 뒷면 (c) 펄스 레이저 용접 심의 단면도 (d) 연속 파이버 레이저 용접 표면 (e) 연속 파이버 레이저 용접의 뒷면 (f) 연속 파이버 레이저 용접의 단면도 그림 4 반점의 출현

펄스 레이저와 연속 파이버 레이저를 별도로 사용하여 휴대폰 배터리 커넥터를 용접하고 저항 테스트를 수행합니다. 펄스 레이저 용접 후 테스트한 저항률은 0.120Ω·mm2/m으로 원래 구리의 저항률인 0.018Ω·mm2보다 높습니다. /중. 이는 용접점 내부에 기공이 존재하여 저항률이 증가하기 때문입니다. 연속 파이버 레이저 용접 후 테스트한 저항률은 0.0220 Ω·mm2/m으로 모재인 구리의 저항률에 가까워 실용성을 충족합니다. 생산 요구 사항.

3 결론

공정 최적화 실험을 수행하기 위해 150W 준연속 펄스 파이버 레이저와 1000W 연속 파이버 레이저를 구리 용접 실험에 별도로 사용합니다. 펄스 레이저의 피크 출력이 1200W일 때 펄스 폭은 8입니다. ms, 디포커싱 양은 1mm, 달성된 최대 전단력은 28N입니다. 연속 파이버 레이저의 평균 출력이 600W이고 용접 속도가 150mm/s이고 디포커싱 양이 0mm일 때 달성되는 최대 전단력은 58N입니다.

용접점 모양과 단면을 분석한 결과, 펄스 레이저 용접점의 표면에는 스플래터가 있고 용접 이음매에는 내부에 기공이 있는 것으로 나타났습니다. 연속 파이버 레이저 용접 지점은 지점 내부에 기공이 없이 일관되고 균일한 표면을 가지므로 용접 지점의 전단력이 향상됩니다. 이는 실제 생산에 필요한 레이저 광원 선택에 귀중한 참고 자료를 제공합니다.