Badania procesu spawania laserowego miedzi w złączu akumulatorowym

Streszczenie: Do spawania miedzi w złączu akumulatora do badań spawania laserowego wykorzystano laser impulsowy i laser światłowodowy ciągły. Dla lasera impulsowego parametry procesu takie jak moc szczytowa, szerokość impulsu i odległości ogniskowe przeniesiono do eksperymentów ortogonalnych i uzyskano maksymalną siłę ścinającą 28N. W przypadku lasera światłowodowego ciągłego parametry procesu, takie jak moc, prędkość spawania i odległości ogniskowe, przeniesiono do eksperymentów ortogonalnych i uzyskano maksymalną siłę ścinającą 58N. Pojawienie się plam świadczyło o tym, że w spoinach spawanych impulsowo istniały pory. Przeciwnie, spoiny wewnętrzne są spawane za pomocą ciągłego lasera światłowodowego i nie mają porów, co było przydatne do poprawy siły ścinającej.

Słowa kluczowe: miedź;  spawanie laserowe; eksperymenty ortogonalne ; parametr procesu

Wprowadzenie do 0

Fioletowa miedź ma takie zalety, jak dobre przewodzenie ciepła, doskonała przewodność elektryczna oraz łatwość obróbki i kształtowania. Jest szeroko stosowany w przewodach i kablach elektrycznych, sprzęcie i elektronice. Każda jednostka telefonu komórkowego, np. moduł kamery, ekran, głośnik, pamięć, płytka drukowana itp., wymaga do działania zasilania elektrycznego. Bateria jest zazwyczaj stała w określonym obszarze i potrzebuje złącza łączącego je z tymi elementami w celu utworzenia ścieżki przewodzącej dla zasilania. Fioletowa miedź jest najczęściej stosowanym materiałem na złącza baterii telefonów komórkowych. Obecnym sposobem spawania płytek złączy z fioletowej miedzi jest głównie zgrzewanie oporowe. Duże prądy z elektrod dodatnich i ujemnych topią miedzianą płytkę złącza. W miarę oddzielania się elektrod materiał ochładza się, tworząc szew spawalniczy. Chociaż konstrukcja tego urządzenia spawalniczego jest prosta, a jego obsługa praktyczna i wygodna, elektrody dodatnie i ujemne stosowane w zgrzewaniu oporowym mają tendencję do zużywania się i awarii, co powoduje konieczność zatrzymania linii produkcyjnej w celu wymiany, a tym samym zmniejszenie wydajności produkcji.

Spawanie laserowe, który wykorzystuje lasery jako źródło ciepła do obróbki, ma zalety małego obszaru wpływu ciepła, wysokiej wytrzymałości spawania, braku kontaktu z przedmiotem obrabianym i wysokiej wydajności produkcji. Jest szeroko stosowana do spawania materiałów takich jak stal nierdzewna, stop aluminium, stop niklu itd. Fioletowa miedź ma wysoki współczynnik odbicia światła lasera wynoszący 97% lub więcej, co wymaga zwiększenia mocy lasera w celu skompensowania utrata energii lasera w wyniku odbicia, co powoduje znaczne straty energii lasera. Jednocześnie zmiany stanu powierzchni fioletowej miedzi mogą wpływać na zmiany współczynnika odbicia miedzi dla lasera, znacznie zwiększając niestabilność procesu spawania. Aby poprawić spawalności laserowej miedzi uczeni przeprowadzili szeroko zakrojone badania powierzchni miedzi, takie jak trawienie laserowe na powierzchni miedzi lub powlekanie grafitem, aby zwiększyć współczynnik absorpcji lasera przez miedź. Chociaż metoda ta poprawiła spawalność miedzi, zwiększyła również proces produkcyjny i zwiększyła koszty produkcji.

W artykule wykorzystano zarówno lasery impulsowe, jak i lasery światłowodowe ciągłe do przeprowadzenia eksperymentów optymalizacji procesu na nabiegunnikach baterii z fioletowej miedzi, co stanowi punkt odniesienia dla rzeczywistej produkcji.

1 Eksperyment spawalniczy

1.1 Materiały eksperymentalne

Górną warstwę materiału doświadczalnego stanowi miedź purpurowa o grubości 0.2 mm. Materiał dolnej warstwy to niklowana fioletowa miedź o grubości 0.2 mm. Skład chemiczny dwóch warstw materiału pokazano w Tabeli 1. Materiały pocięto na długości i szerokości 20 mm x 6 mm, jak pokazano na Figurze 1 (a). Przeprowadza się eksperymenty ze zgrzewaniem zakładkowym, wymagające obszaru zgrzewania o wymiarach 4 mm x 0.5 mm, jak pokazano na rysunku 1 (b). Po zakończeniu zgrzewania przeprowadza się badanie siły ścinającej. Materiał dolnej warstwy jest zaginany pod kątem 180 stopni wzdłuż spoiny i przeprowadzany jest test siły ścinającej, jak pokazano na rysunku 1(c). Do badania siły ścinającej wykorzystuje się sterowaną mikrokomputerem elektroniczną uniwersalną maszynę wytrzymałościową model WDW-200E. Górne i dolne końce produktu mocuje się za pomocą uchwytu, a prędkość rozciągania wynosi 50 mm/s.

Tab.1 Skład chemiczny materiałów do badań (ułamek masowy/%)

Materiał	Cu	P	Ni	Fe	Zn	S
Purpurowa miedź	99.96	0.000 7	0.000 2	0.000 8	0.000 9	0.000 9
Niklowana miedź w kolorze fioletowym	99.760	0.000 5	0.200 0	0.000 6	0.000 9	0.000 8

(A)	(B)	(C)
(a) Materiały spawalnicze (b) Metoda punktu spawania (c) Metoda badania siły ścinającej Rys.1 Metoda spawania i badanie siły ścinającej

1.2 Sprzęt i metody spawalnicze

Połączenia eksperyment spawalniczy wykorzystuje quasi-ciągły, impulsowy laser światłowodowy o mocy 150 W i ciągły laser światłowodowy o mocy 1000 W, wyprodukowane przez firmę Wuhan Raycus. Średnia moc quasi-ciągłego impulsowego lasera światłowodowego wynosi 150 W, moc szczytowa wynosi 1500 W, a szerokość impulsu wynosi 0.2 mm ~ 25 ms. Wydajność konwersji elektrooptycznej lasera światłowodowego sięga ponad 30%, co pozwala uzyskać wyższą moc wyjściową lasera, a laser światłowodowy ma dobrą jakość wiązki, średnica włókna laserowego wynosi 0.05 mm, odległość ogniskowania zewnętrznego Część zwierciadła kolimacyjnego wynosi 100 mm, a odległość ogniskowania soczewki ogniskującej wynosi 200 mm. Plamka ogniskowania lasera jest mała, a teoretyczna minimalna plamka może osiągnąć 0.1 mm, wpływ lasera o dużej gęstości mocy na powierzchnię materiału miedzianego może szybko podnieść temperaturę materiału miedzianego. Wraz ze wzrostem temperatury szybko wzrasta również współczynnik absorpcji lasera przez materiał. Dlatego użycie lasera światłowodowego do spawania materiałów miedzianych może w pewnym stopniu rozwiązać problem wysokiego odbicia miedzi od lasera. Platformę do eksperymentów spawalniczych pokazano na rysunku 2 powyżej.

Rys.2 Spawalnicza platforma doświadczalna

Każdy impuls quasi-ciągłego impulsowego lasera światłowodowego tworzy punkt zgrzewania, odpowiedni do zgrzewania punktowego impulsem. Schemat ideowy miejsca zgrzewania pokazano na rysunku 3(a) powyżej. Średnia moc lasera światłowodowego ciągłego o mocy 1000 W wynosi 1000 W, bez mocy szczytowej, co czyni go bardzo odpowiednim do spawania ciągłego. Miejsca spawania można utworzyć, działając spiralnie, jak pokazano na rysunku 3 (b) powyżej.

(a) Impulsowe złącze lutowane utworzone za pomocą quasi-ciągłego impulsowego lasera światłowodowego (b) Złącze lutowane utworzone za pomocą ciągłej spirali lasera światłowodowego Ryc.3 Schemat ideowy miejsc zgrzewania

2 Wyniki eksperymentów i analizy

2.1 Optymalizacja procesu spawania laserowego impulsowego

Głównymi parametrami procesu spawania w przypadku quasi-ciągłego spawania laserowego impulsowego są szczytowa moc lasera, szerokość impulsu i stopień rozogniskowania. Na tych trzech parametrach procesu przeprowadza się trójczynnikowy, trójpoziomowy eksperyment ortogonalny, a wyniki eksperymentu ortogonalnego i próby rozciągania przedstawiono w tabeli 2. Moc szczytowa lasera wpływa przede wszystkim na głębokość wtopienia punktu spoiny. Wraz ze wzrostem mocy szczytowej wzrasta również głębokość topienia. Jednakże, gdy moc szczytowa jest zbyt wysoka, materiał jest podatny na parowanie, powodując rozpryski materiału i pozostawiając pory w spoinie. Szerokość impulsu wpływa przede wszystkim na wielkość punktu spoiny, przy czym wielkość punktu spoiny zwiększa się wraz z impulsem szerokość wzrasta. Stopień rozogniskowania to odległość pomiędzy ogniskiem lasera a powierzchnią przedmiotu obrabianego. Jeśli ognisko lasera znajduje się pod powierzchnią przedmiotu obrabianego, uznaje się to za rozogniskowanie ujemne. W tej sytuacji łatwo jest uzyskać spoinę o większej głębokości wtopienia. Ponieważ materiał jest dość cienki i wynosi 0.2 mm, zbyt duża głębokość wtopienia może łatwo doprowadzić do penetracji dolnego materiału, co z kolei może zmniejszyć siłę ścinającą miejsca spoiny. W tekście do spawania stosowane jest dodatnie rozogniskowanie (tj. ognisko lasera znajduje się nad powierzchnią przedmiotu obrabianego). Wielkość rozmycia określa wielkość plamki świetlnej; wraz ze wzrostem stopnia rozogniskowania plamka świetlna powiększa się, zmniejszając gęstość mocy działającą na powierzchnię materiału, a w konsekwencji zmniejszając głębokość stopienia spawania. Gdy moc szczytowa wynosi 1400W, moc szczytowa jest zbyt duża, co ułatwia jej wygenerowanie rozprysk. Ta strata materiału prowadzi do zmniejszenia siły ścinającej w miejscu zgrzeiny. Gdy moc szczytowa lasera wynosi 1200 W, siła ścinająca w miejscu zgrzeiny jest zazwyczaj wysoka. Gdy moc szczytowa lasera wynosi 1200 W, szerokość impulsu wynosi 8 ms, a stopień rozogniskowania wynosi 1 mm, maksymalna siła ścinająca może osiągnąć 28 N.

Tab.2 Doświadczenie ortogonalne i wyniki działania lasera impulsowego

Numer	Moc szczytowa/W	Szerokość impulsu/ms	Stopień rozogniskowania/mm	Siła ścinająca/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 Optymalizacja procesu ciągłego spawania laserem światłowodowym

Główne parametry procesu ciągłego spawanie laserem światłowodowym to średnia moc lasera, prędkość spawania (prędkość lasera przebiegającego po linii spiralnej) i wielkość rozogniskowania (podobnie jak w przypadku quasi-ciągłego spawania laserowego impulsowego, w eksperymencie wykorzystuje się dodatnie rozogniskowanie). Doświadczenia ortogonalne i wyniki prób rozciągania dla tych trzech parametrów na trzech poziomach przedstawiono w tabeli 3. Średnia moc lasera wpływa na głębokość wtopienia i strefę wpływu ciepła spoiny. Wraz ze wzrostem mocy wzrasta głębokość wtapiania, a także powiększa się strefa wpływu ciepła, co ułatwia wytworzenie nadpalenia, co skutkuje spadkiem naprężenia. Prędkość spawania będzie miała wpływ na głębokość wtopienia i strefę wpływu ciepła spoiny. Wraz ze wzrostem prędkości spawania zmniejsza się głębokość wtopienia punktu spoiny, a także zmniejsza się strefa wpływu ciepła. Wielkość rozogniskowania określa wielkość plamki świetlnej. W miarę wzrostu rozogniskowania plamka świetlna staje się większa, a gęstość mocy działająca na powierzchnię materiału maleje, co powoduje zmniejszenie zarówno głębokości wtopienia spoiny, jak i strefy wpływu ciepła. Gdy średnia moc wynosi 500 W, siła ścinająca jest ogólnie mały. Dzieje się tak dlatego, że średnia moc lasera jest niska, głębokość topnienia punktu spawania jest niska, co prowadzi do małej siły ścinającej. Gdy średnia moc wynosi 700 W, średnia moc lasera jest zbyt wysoka, co skutkuje zbyt dużą strefą wpływu ciepła. Podczas badania siły ścinającej najpierw odrywa się od strefy wpływu ciepła, co powoduje, że siła ścinająca punktu zgrzewania jest mała. Gdy średnia moc lasera wynosi 600 W, siła ścinania punktu zgrzewania jest z reguły większa. Gdy średnia moc lasera wynosi 600 W, a prędkość spawania wynosi 150 mm/s, przy rozogniskowaniu 0 mm, siła ścinająca osiąga maksymalnie 58N.

Tab.3 Doświadczenie ortogonalne i wyniki działania lasera światłowodowego

Numer	Średnia moc/W	Prędkość spawania/(mm/s)	Stopień rozogniskowania/mm	Siła ścinająca/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 Analiza porównawcza wyglądu

W celu analizy różnicy rozciągania w sile ścinającej pomiędzy laserem impulsowym i ciągłym spawanie laserem światłowodowym miedzi analizowany jest wygląd miejsca zgrzewania. Obserwując miejsce zgrzewania pod mikroskopem elektronowym, gdy moc szczytowa lasera impulsowego wynosi 1200 W, szerokość impulsu wynosi 8 ms, a rozogniskowanie wynosi 1 mm, na powierzchni miejsca zgrzewania powstają częściowe rozpryski, pozostawiając wżery. na powierzchni, jak pokazano na rysunku 4(a). Z tyłu miejsca spawania w niektórych częściach widać widoczne otwory, jak pokazano na rysunku 4(b). Po rozcięciu spoiny, wypolerowaniu, szlifowaniu i skorodowaniu stosuje się szkło powiększające do sprawdzenia przekroju spoiny, jak pokazano na rysunku 4 (c), wewnątrz spoiny znajdują się pory, co jest spowodowane dużą współczynnik odbicia miedzi, wymagający dużej mocy szczytowej do spawania. Jednakże wysoka moc szczytowa powoduje, że niektóre elementy łatwo odparowują, tworząc pory, które zmniejszają siłę ścinającą punktu zgrzewania. Podczas spawania laserem światłowodowym ciągłym, gdy średnia moc lasera wynosi 600 W, prędkość spawania wynosi 150 mm/s , a rozogniskowanie wynosi 0 mm, powierzchnia punktu spawania jest jednolita i spójna, bez wżerów i odprysków, jak pokazano na rysunku 4(d). Z tyłu punktu spawania nie ma żadnych dziur ani oczywistych defektów, jak pokazano na rysunku 4(e). Za pomocą szkła powiększającego zbadano przekrój spoiny powstałej podczas spawania laserem światłowodowym ciągłym, jak pokazano na rysunku 4(f), spoina jest pozbawiona porów i składa się z wiązek szwów spawalniczych, co wynika z zastosowania określoną moc lasera do wykonywania spawania spiralnego w ciągłym spawaniu laserowym. Wykorzystywana jest mniejsza moc lasera, a w wyniku akumulacji ciepła topi się górny i dolny materiał. Konsystencja spoiny jest dobra, nie tworzą się pory ani inne defekty, co skutkuje większą siłą ścinającą w porównaniu z pulsacją spawanie laserowe.

(A)	(B)	(C)
(B)	(E)	(F)
(a) Powierzchnia spawania laserem impulsowym (b) Tylna powierzchnia spawana laserem impulsowym (c) Przekrój poprzeczny spawu pulsacyjnego laserem (d) Ciągła powierzchnia spawania laserem światłowodowym (e) Tylna strona ciągłego spawania laserem światłowodowym (f) Przekrój poprzeczny ciągłego spawania laserem światłowodowym Ryc.4 Wygląd plam

Do zgrzewania złącz baterii telefonu oddzielnie używa się lasera impulsowego i lasera światłowodowego, po czym przeprowadza się badanie rezystancji. Po spawaniu laserem impulsowym badana rezystywność wynosi 0.120 Ω·mm2/m, czyli jest wyższa od pierwotnej rezystywności miedzi, która wynosi 0.018 Ω·mm2 /M. Wynika to ze wzrostu rezystywności spowodowanego obecnością porów w miejscu zgrzewania. Po ciągłym spawaniu laserem światłowodowym badana rezystywność wynosi 0.0220 Ω·mm2/m, jest bliska rezystywności materiału rodzimego, czyli miedzi, spełniając tym samym praktyczne wymagania produkcyjne.

Wnioski 3

Quasi-ciągły laser impulsowy o mocy 150 W i ciągły laser światłowodowy o mocy 1000 W są używane oddzielnie do eksperymentów spawania miedzi w celu przeprowadzenia eksperymentów optymalizacji procesu. Gdy moc szczytowa lasera impulsowego wynosi 1200 W, szerokość impulsu wynosi 8 ms, a stopień rozogniskowania wynosi 1 mm, maksymalna osiągnięta siła ścinająca wynosi 28 N. Gdy średnia moc ciągłego lasera światłowodowego wynosi 600 W, prędkość spawania wynosi 150 mm/s, a stopień rozogniskowania wynosi 0 mm, maksymalna osiągnięta siła ścinająca wynosi 58 N.

Z analizy wyglądu miejsca spoiny i przekroju wynika, że ​​w miejscu spoiny laserem impulsowym występują rozpryski, a w spoinie znajdują się pory. Punktowy zgrzew laserowy z ciągłym włóknem ma spójną i jednolitą powierzchnię bez porów wewnątrz plamki, co poprawia siłę ścinającą punktu zgrzeiny. Stanowi to cenne odniesienie przy wyborze źródła światła laserowego wymaganego w praktycznej produkcji.