Onderzoek naar het laserlasproces van koper in batterijconnector

Samenvatting: Voor het lassen van koper in de batterijconnector werden pulslaser en continue vezellaser gebruikt voor het testen van laserlassen. Voor pulslasers werden procesparameters van piekvermogen, pulsbreedte en brandpuntsafstanden overgebracht naar orthogonale experimenten en werden een maximale schuifkracht van 28N verkregen. Voor continue fiberlasers werden procesparameters van vermogen, lassnelheid en brandpuntsafstanden overgebracht naar orthogonale experimenten en werden een maximale schuifkracht van 58N verkregen. Het verschijnen van vlekken toonde aan dat lassen binnenin of gelast door puls poriën bevatten. Omgekeerd hebben lassen aan de binnenkant van gelast door continue vezellaser geen poriën, wat nuttig was voor het verbeteren van de schuifkracht.

Trefwoorden: koper;  laserlassen; orthogonale experimenten; procesparameter

0 introductie

Paars koper bezit voordelen zoals goede warmtegeleiding, uitstekende elektrische geleidbaarheid en gemakkelijke verwerking en vormgeving. Het wordt veelvuldig gebruikt in de productie van elektrische draden en kabels, hardware en elektronica. Elke eenheid in een mobiele telefoon heeft elektrische stroom nodig om te kunnen werken, zoals de cameramodule, het scherm, de luidspreker, het geheugen, de printplaat, enz. De batterij is over het algemeen vast. in een specifiek gebied en heeft een connector nodig om deze met deze componenten te verbinden en zo een geleidend pad voor de stroomvoorziening te vormen. Paars koper is het meest gebruikte materiaal voor batterijconnectoren voor mobiele telefoons. De huidige manier om paarse koperen connectorplaten te lassen is voornamelijk weerstandslassen. Grote stromen van positieve en negatieve elektroden doen de koperen connectorplaat smelten. Terwijl de elektroden zich scheiden, koelt het materiaal af en vormt een lasnaad. Hoewel de structuur van dit lasapparaat eenvoudig is en de bediening ervan praktisch en gemakkelijk is, hebben de positieve en negatieve elektroden die bij weerstandslassen worden gebruikt de neiging te verslijten en kapot te gaan, waardoor een stopzetting van de productielijn nodig is voor vervanging, waardoor de productie-efficiëntie wordt verminderd.

Laserlassen, dat lasers als warmtebron voor de verwerking gebruikt, heeft de voordelen van een klein door hitte beïnvloed gebied, hoge lassterkte, geen contact met het werkstuk en een hoge productie-efficiëntie. Het is op grote schaal toegepast bij het lassen van materialen zoals roestvrij staal, aluminiumlegeringen, nikkellegeringen, enzovoort. Paars koper heeft een hoge reflectiviteit van 97% of meer voor lasers, wat een toename van het laservermogen noodzakelijk maakt om de verloren laserenergie als gevolg van reflectie, wat resulteert in een aanzienlijke verspilling van laserenergie. Tegelijkertijd kunnen veranderingen in de oppervlakteconditie van het paarse koper de veranderingen in de reflectiviteit van koper op de laser beïnvloeden, waardoor de instabiliteit van het lasproces aanzienlijk toeneemt. laserlasbaarheid van koper, wetenschappers hebben uitgebreid onderzoek gedaan naar het koperoppervlak, zoals laseretsen op het koperoppervlak of coating met grafiet, om de laserabsorptiesnelheid van koper te verhogen. Hoewel deze methode de lasbaarheid van koper heeft verbeterd, heeft deze ook het productieproces vergroot en de productiekosten verhoogd.

In het artikel wordt gebruik gemaakt van zowel gepulseerde lasers als continue fiberlasers om procesoptimalisatie-experimenten uit te voeren op paarskoperen batterijpoolstukken, wat een referentie vormt voor de daadwerkelijke productie.

1 Lasexperiment

1.1 Experimentele materialen

De bovenste laag van het experimentele materiaal is paars koper, met een dikte van 0.2 mm. Het materiaal van de onderste laag is vernikkeld paars koper, met een dikte van 0.2 mm. De chemische samenstelling van de twee lagen materiaal wordt weergegeven in Tabel 1. De materialen worden gesneden in lengtes en breedtes van 20 mm x 6 mm, zoals weergegeven in Figuur 1 (a). Er worden overlaplasexperimenten uitgevoerd, waarbij een lasoppervlak van 4 mm x 0.5 mm nodig is, zoals weergegeven in figuur 1 (b). Nadat het lassen is voltooid, wordt een schuifkrachttest uitgevoerd. Het materiaal van de onderste laag wordt 180 graden langs de las gebogen en er wordt een schuifkrachttest uitgevoerd, zoals weergegeven in figuur 1(c). De schuifkrachttest maakt gebruik van een microcomputergestuurde elektronische universele testmachine, model WDW-200E. De bovenste en onderste uiteinden van het product worden vastgeklemd met een armatuur en de reksnelheid bedraagt ​​50 mm/s.

Tab.1 Chemische samenstelling van testmaterialen (massafractie/%)

Materiaal	Cu	P	Ni	Fe	Zn	S
Paars koper	99.96	0.000	0.000	0.000	0.000	0.000
Vernikkeld paars koper	99.760	0.000	0.200	0.000	0.000	0.000

(A)	(B)	(C)
(a) Lasmaterialen (b) Laspuntmethode (c) Testmethode voor afschuifkracht Fig.1 Lasmethode en testen van schuifkracht

1.2 Lasapparatuur en -methoden

De las experiment maakt gebruik van een quasi-continue gepulseerde fiberlaser van 150 W en een continue fiberlaser van 1000 W, geproduceerd door Wuhan Raycus Company. Het gemiddelde vermogen van de quasi-continue gepulseerde fiberlaser is 150 W, het piekvermogen is 1500 W en de pulsbreedte is 0.2 mm ~ 25 ms. De elektro-optische conversie-efficiëntie van de fiberlaser bereikt meer dan 30%, wat een hoger laseruitgangsvermogen kan krijgen. Ook heeft de fiberlaser een goede straalkwaliteit, de diameter van de laservezel is 0.05 mm, de focusafstand van de externe het collimerende spiegelgedeelte is 100 mm en de focusafstand van de focusseerlens is 200 mm. De laserfocusvlek is klein en de theoretische minimale vlek kan 0.1 mm bereiken, de impact van een laser met een hoge vermogensdichtheid op het oppervlak van kopermateriaal kan verhoog snel de temperatuur van het kopermateriaal. Naarmate de temperatuur stijgt, neemt ook de absorptiesnelheid van het materiaal door de laser snel toe. Daarom kan het gebruik van een fiberlaser voor het lassen van kopermaterialen tot op zekere hoogte het probleem van de hoge reflectie van koper op de laser oplossen. Het lasexperimentplatform wordt weergegeven in figuur 2 hierboven.

Fig.2 Experimenteel lasplatform

Iedere puls van de quasi-continue puls fiberlaser vormt een lasplek, geschikt voor pulspuntlassen. Het schematische diagram van de lasplek wordt weergegeven in figuur 3(a) hierboven. Het gemiddelde vermogen van de 1000 W continue fiberlaser is 1000 W, zonder piekvermogen, waardoor deze zeer geschikt is voor continu naadlassen. Laspunten kunnen worden gevormd door spiraalvormig te werken, zoals weergegeven in figuur 3 (b) hierboven.

(a) Pulssoldeerverbinding gevormd door quasi-continue pulsvezellaser (b) Soldeerverbinding gevormd door een laserspiraal met continue vezels Fig.3 Schematisch diagram van laspunten

2 Experimentele resultaten en analyse

2.1 Optimalisatie van het pulslaserlasproces

De belangrijkste lasprocesparameters voor quasi-continu pulslaserlassen zijn het maximale laservermogen, de pulsbreedte en de mate van defocussering. Er wordt een orthogonaal experiment met drie factoren en drie niveaus uitgevoerd op deze drie procesparameters, en de resultaten van het orthogonale experiment en de trekproef worden weergegeven in Tabel 2. Het laserpiekvermogen heeft voornamelijk invloed op de smeltdiepte van de laspunt. Naarmate het piekvermogen toeneemt, zal de smeltdiepte ook toenemen. Wanneer het piekvermogen echter te hoog is, is het materiaal gevoelig voor verdamping, waardoor er materiaalspatten ontstaan ​​en er poriën in de lasnaad achterblijven. De pulsbreedte heeft voornamelijk invloed op de grootte van de lasplek, waarbij de grootte van de lasplek toeneemt naarmate de puls groter wordt. de breedte neemt toe. De mate van onscherpte is de afstand tussen de laserfocus en het werkstukoppervlak. Als de laserfocus zich onder het oppervlak van het werkstuk bevindt, wordt dit als negatieve defocussering beschouwd. In deze situatie is het gemakkelijk om een ​​lasnaad te verkrijgen met een diepere smeltdiepte. Omdat het materiaal vrij dun is met 0.2 mm, kan een te grote smeltdiepte er gemakkelijk toe leiden dat het lagere materiaal wordt gepenetreerd, wat op zijn beurt kan de schuifkracht van de lasplek verminderen. In de tekst wordt positieve defocussering gebruikt voor het lassen (dat wil zeggen, de laserfocus bevindt zich boven het oppervlak van het werkstuk). De grootte van de mate van onscherpte bepaalt de grootte van de lichtvlek; naarmate de mate van defocussering toeneemt, wordt de lichtvlek groter, waardoor de vermogensdichtheid die op het oppervlak van het materiaal inwerkt afneemt en bijgevolg de smeltdiepte van de las wordt verminderd. Wanneer het piekvermogen 1400 W is, is het piekvermogen te hoog, waardoor het gemakkelijk te genereren is. spatten. Dit materiaalverlies leidt tot een afname van de afschuifkracht van de lasplek. Wanneer het piekvermogen van de laser 1200W bedraagt, is de afschuifkracht van de lasplek over het algemeen hoog. Wanneer het piekvermogen van de laser 1200 W is, de pulsbreedte 8 ms is en de defocuswaarde 1 mm is, kan de maximale schuifkracht 28 N bereiken.

Tab.2 Orthogonaal experiment en resultaat van pulslaser

Telefoon Nummer	Piekvermogen/W	Pulsbreedte/ms	Hoeveelheid onscherpte/mm	Afschuifkracht/N
1	100	4	０	13
2	100	6	XNUMX	15
3	100	8	2	16
4	1200	4	2	25
5	1200	6	０	23
6	1200	8	XNUMX	28
7	1400	4	2	22
8	1400	6	1	21
9	1400	8	0	20

2.2 Optimalisatie van het continue fiberlaserlasproces

De belangrijkste procesparameters van continu fiber laser lassen zijn het gemiddelde laservermogen, de lassnelheid (de snelheid van de laser die over de spiraallijn loopt) en de mate van onscherpte (zoals bij quasi-continu pulslaserlassen wordt voor het experiment positieve defocus gebruikt). Orthogonale experimenten en trekproefresultaten met deze drie parameters op drie niveaus worden weergegeven in Tabel 3. Het gemiddelde vermogen van de laser beïnvloedt de smeltdiepte en de door hitte beïnvloede zone van de lasnaad. Naarmate het vermogen toeneemt, zal de smeltdiepte toenemen en zal de door hitte beïnvloede zone ook groter worden, waardoor het gemakkelijk wordt om overbranding te veroorzaken, wat resulteert in een afname van de spanning. De lassnelheid zal een impact hebben op de smeltdiepte en de door hitte beïnvloede zone van de lasnaad. Naarmate de lassnelheid toeneemt, neemt de smeltdiepte van het laspunt af en neemt ook de door hitte beïnvloede zone af. De grootte van de onscherpte bepaalt de grootte van de lichtvlek. Naarmate de onscherpte toeneemt, wordt de lichtvlek groter en neemt de vermogensdichtheid die op het oppervlak van het materiaal inwerkt af, wat zowel de smeltdiepte van het lassen als de door hitte beïnvloede zone zal verminderen. Wanneer het gemiddelde vermogen 500 W is, is de schuifkracht over het algemeen klein. Dit komt omdat het gemiddelde vermogen van de laser laag is en de smeltdiepte van het laspunt laag is, wat leidt tot een lage schuifkracht. Wanneer het gemiddelde vermogen 700 W is, is het gemiddelde vermogen van de laser te hoog, dit resulteert in een te grote door hitte beïnvloede zone. Bij het testen van de schuifkracht scheurt deze eerst uit de door hitte beïnvloede zone, waardoor de schuifkracht van het laspunt laag is. Wanneer het gemiddelde vermogen van de laser 600 W is, is de schuifkracht van het laspunt over het algemeen hoger. Wanneer het gemiddelde vermogen van de laser 600 W is en de lassnelheid 150 mm/s is, met een defocus van 0 mm, bereikt de schuifkracht een maximum van 58N.

Tab.3 Orthogonaal experiment en resultaat van fiberlaser

Telefoon Nummer	Gemiddeld vermogen/W	Lassnelheid/(mm/s)	Hoeveelheid onscherpte/mm	Afschuifkracht/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 Vergelijkende analyse van uiterlijk

Om het trekverschil in schuifkracht tussen gepulseerde laser en continu te analyseren fiber laser lassen van koper wordt het uiterlijk van de lasplek geanalyseerd. Door de lasplek te observeren met een elektronenmicroscoop, wanneer het piekvermogen van de gepulseerde laser 1200 W is, de pulsbreedte 8 ms is en de defocus 1 mm is, is er gedeeltelijke spatten op het oppervlak van de lasplek, waardoor er putjes achterblijven op het oppervlak, zoals weergegeven in figuur 4(a). Aan de achterkant van het laspunt zijn in sommige delen duidelijke gaten te zien, zoals weergegeven in figuur 4(b). Na het opensnijden van de las, polijsten, slijpen en corroderen, wordt een vergrootglas gebruikt om de dwarsdoorsnede van de las te testen, zoals weergegeven in figuur 4(c). Er bevinden zich poriën in de las, wat te wijten is aan de hoge reflectiviteit van koper, waardoor een hoog piekvermogen nodig is om te lassen. Het hoge piekvermogen zorgt er echter voor dat sommige elementen gemakkelijk verdampen, waardoor poriën ontstaan ​​die de schuifkracht van het laspunt verminderen. Bij het lassen met een continue fiberlaser, wanneer het gemiddelde laservermogen 600 W is, is de lassnelheid 150 mm/s en de defocus is 0 mm, het oppervlak van het laspunt is uniform en consistent, zonder dat er putjes of spatten ontstaan, zoals weergegeven in figuur 4(d). Er zijn geen gaten of duidelijke defecten aan de achterkant van het laspunt, zoals getoond in figuur 4(e). Gebruik een vergrootglas om de dwarsdoorsnede van de lasnaad van continu vezellaserlassen te testen, zoals weergegeven in figuur 4 (f). De las is vrij van poriën en bestaat uit bundels lasnaden, wat te wijten is aan het gebruik van een bepaald laservermogen om spiraallassen uit te voeren bij continu laserlassen. Er wordt een lager laservermogen gebruikt en door warmteaccumulatie worden de bovenste en onderste materialen gesmolten. De lasconsistentie is goed, zonder vorming van poriën of andere defecten, wat resulteert in een grotere afschuifkracht vergeleken met puls laserlassen.

(A)	(B)	(C)
(B)	(E)	(F)
(a) Pulslaserlasoppervlak (b) Achteroppervlak met pulslaserlassen (c) Dwarsdoorsnede van gepulseerde laserlasnaad (d) Laserlasoppervlak met continue vezels (e) Achterzijde van continu vezellaserlassen (f) Dwarsdoorsnede van continu vezellaserlassen Fig.4 Verschijning van vlekken

Pulslaser en continue fiberlaser worden afzonderlijk gebruikt om de connectoren van de telefoonbatterij te lassen, en er worden weerstandstests uitgevoerd. Na het pulslaserlassen is de geteste soortelijke weerstand 0.120 Ω · mm2/m, hoger dan de oorspronkelijke weerstand van koper, die 0.018 Ω · mm2 is. /M. Dit komt door de toename van de soortelijke weerstand veroorzaakt door de aanwezigheid van poriën in het laspunt. Na continu fiberlaserlassen bedraagt ​​de geteste soortelijke weerstand 0.0220 Ω·mm2/m, dicht bij de soortelijke weerstand van het moedermateriaal, koper, en voldoet daarmee aan de praktijk. productie eisen.

3 Conclusie

Een quasi-continue puls fiberlaser van 150 W en een continue fiberlaser van 1000 W worden afzonderlijk gebruikt voor lasexperimenten op koper, om procesoptimalisatie-experimenten uit te voeren. Wanneer het piekvermogen van de pulslaser 1200 W is, is de pulsbreedte 8 ms, en de mate van onscherpte is 1 mm, de maximale bereikte schuifkracht is 28N. Wanneer het gemiddelde vermogen van de continue fiberlaser 600 W is, de lassnelheid 150 mm/s en de defocusseringshoeveelheid 0 mm is, is de maximaal bereikte schuifkracht 58N.

Uit een analyse van het uiterlijk en de dwarsdoorsnede van het laspunt blijkt dat de pulslaserlasplek spetters op het oppervlak heeft en dat de lasnaad poriën aan de binnenkant heeft. De continue vezellaserlasplek heeft een consistent en uniform oppervlak zonder poriën in de plek, wat de schuifkracht van het laspunt verbetert. Dit biedt waardevolle referentie voor de keuze van de laserlichtbron die nodig is bij de praktische productie.