Pesquisa sobre processo de soldagem a laser de cobre em conector de bateria

Resumo: Para a soldagem de cobre em conectores de bateria, laser pulsado e laser de fibra contínua foram utilizados para testes de soldagem a laser. Para o laser de pulso, os parâmetros do processo de potência de pico, largura de pulso e distâncias focais foram transportados para experimentos ortogonais e obtiveram força de cisalhamento máxima de 28N. Para laser de fibra contínua, os parâmetros de processo de potência, velocidade de soldagem e distâncias focais foram transportados para experimentos ortogonais e obtiveram força de cisalhamento máxima de 58N. O aparecimento de manchas mostrou que nas soldas internas as soldadas por pulso existiam poros. Por outro lado, as soldas internas soldadas por laser de fibra contínua não apresentam poros, o que foi útil para melhorar a força de cisalhamento.

Palavras-chave:cobre;  soldagem a laser; experimentos ortogonais; parâmetro de processo

Introdução ao 0

O cobre roxo possui vantagens como boa condução de calor, excelente condutividade elétrica e facilidade de processamento e modelagem. É amplamente utilizado na fabricação de fios e cabos elétricos, hardware e eletrônicos. Cada unidade dentro de um telefone celular requer energia elétrica para funcionar, como módulo de câmera, tela, alto-falante, memória, placa de circuito, etc. em uma área específica e precisa de um conector para conectá-lo a esses componentes para formar um caminho condutor para fonte de alimentação. O cobre roxo é o material mais comumente usado para conectores de bateria de telefones celulares. O modo atual de soldagem de placas de conectores de cobre roxo é principalmente soldagem por resistência. Grandes correntes de eletrodos positivos e negativos derretem a placa conectora de cobre. À medida que os eletrodos se separam, o material esfria para formar uma costura de solda. Embora a estrutura deste dispositivo de soldagem seja simples e sua operação prática e conveniente, os eletrodos positivos e negativos utilizados na soldagem por resistência tendem a se desgastar e quebrar, necessitando de uma parada na linha de produção para substituição, reduzindo assim a eficiência da produção.

Soldagem a laser, que usa lasers como fonte de calor para processamento, tem as vantagens de pequena área afetada pelo calor, alta resistência de soldagem, sem contato com a peça e alta eficiência de produção. Tem sido amplamente aplicado na soldagem de materiais como aço inoxidável, liga de alumínio, liga de níquel e assim por diante. O cobre roxo tem uma alta refletividade de 97% ou mais para lasers, o que requer um aumento na potência do laser para compensar o perda de energia do laser devido à reflexão, resultando em um desperdício significativo de energia do laser. Simultaneamente, mudanças na condição da superfície do cobre roxo podem afetar as mudanças na refletividade do cobre para o laser, aumentando muito a instabilidade do processo de soldagem. soldabilidade do cobre a laser, os estudiosos conduziram extensas pesquisas na superfície do cobre, como gravação a laser na superfície do cobre ou revestimento com grafite, para aumentar a taxa de absorção do laser do cobre. Embora este método tenha melhorado a soldabilidade do cobre, ele também contribuiu para o processo de produção e aumentou os custos de produção.

O artigo emprega o uso de lasers pulsados ​​e lasers de fibra contínua para conduzir experimentos de otimização de processos em peças polares de baterias de cobre roxo, fornecendo uma referência para a produção real.

1 Experimento de soldagem

1.1 Materiais experimentais

A camada superior do material experimental é cobre roxo, com espessura de 0.2 mm. O material da camada inferior é cobre roxo niquelado, com espessura de 0.2 mm. A composição química das duas camadas de material é mostrada na Tabela 1. Os materiais são cortados em comprimentos e larguras de 20 mm x 6 mm, conforme mostrado na Figura 1 (a). São realizados experimentos de soldagem por sobreposição, exigindo uma área de soldagem de 4 mm x 0.5 mm, conforme mostrado na Figura 1 (b). Após a soldagem ser concluída, um teste de força de cisalhamento é realizado. O material da camada inferior é dobrado 180 graus ao longo da solda e um teste de força de cisalhamento é conduzido, conforme mostrado na Figura 1(c). O teste de força de cisalhamento usa uma máquina de teste universal eletrônica controlada por microcomputador, modelo WDW-200E. As extremidades superior e inferior do produto são fixadas com um acessório e a velocidade de alongamento é de 50 mm/s.

Tab.1 Composição química dos materiais de teste (fração de massa/%)

1.2 Equipamentos e métodos de soldagem

O experimento de soldagem usa um laser de fibra pulsada quase contínua de 150 W e um laser de fibra contínua de 1000 W produzido pela Wuhan Raycus Company. A potência média do laser de fibra pulsado quase contínuo é de 150 W, a potência de pico é de 1500 W e a largura do pulso é de 0.2 mm ~ 25 ms. A eficiência de conversão eletro-óptica do laser de fibra atinge mais de 30%, o que pode obter maior potência de saída do laser, além disso, o laser de fibra tem boa qualidade de feixe, o diâmetro da fibra do laser é de 0.05 mm, a distância de foco do externo A porção do espelho de colimação é de 100 mm e a distância de foco da lente de foco é de 200 mm. O ponto de foco do laser é pequeno e o ponto mínimo teórico pode chegar a 0.1 mm, o impacto de um laser com alta densidade de potência na superfície do material de cobre pode aumentar rapidamente a temperatura do material de cobre. À medida que a temperatura aumenta, a taxa de absorção do material pelo laser também aumenta rapidamente. Portanto, o uso de um laser de fibra para soldar materiais de cobre pode, até certo ponto, superar o problema da alta reflexão do cobre no laser. A plataforma experimental de soldagem é mostrada na Figura 2 acima.

Fig.2 Plataforma experimental de soldagem

Cada pulso do laser de fibra pulsado quase contínuo forma um ponto de soldagem, adequado para soldagem por ponto pulsado. O diagrama esquemático do ponto de soldagem é mostrado na Figura 3 (a) acima. A potência média do laser de fibra contínua de 1000 W é de 1000 W, sem potência de pico, o que o torna muito adequado para soldagem de costura contínua. Os pontos de soldagem podem ser formados operando em espiral, conforme mostrado na Figura 3 (b) acima.

(a) Junta de solda de pulso formada por laser de fibra de pulso quase contínuo (b) Junta de solda formada por espiral de laser de fibra contínua Fig.3 Diagrama esquemático dos pontos de soldagem

2 Resultados experimentais e análises

2.1 Otimização do processo de soldagem a laser pulsado

Os principais parâmetros do processo de soldagem para soldagem a laser de pulso quase contínuo são potência de pico do laser, largura de pulso e quantidade de desfocagem. Um experimento ortogonal de três níveis e três fatores é conduzido nesses três parâmetros do processo, e os resultados do experimento ortogonal e do teste de tração são mostrados na Tabela 2. A potência de pico do laser afeta principalmente a profundidade de fusão do ponto de solda. À medida que a potência de pico aumenta, a profundidade de fusão também aumentará. No entanto, quando a potência de pico é muito alta, o material fica propenso à vaporização, causando respingos de material e deixando poros dentro da costura de solda. A largura do pulso afeta principalmente o tamanho do ponto de solda, com o tamanho do ponto de solda aumentando conforme o pulso a largura aumenta. A quantidade de desfocagem é a distância entre o foco do laser e a superfície da peça de trabalho. Se o foco do laser estiver abaixo da superfície da peça de trabalho, será considerado desfocagem negativa. Nesta situação, é fácil obter uma costura de solda com uma profundidade de fusão mais profunda. Como o material é bastante fino, com 0.2 mm, se a profundidade de fusão for muito grande, pode facilmente levar à penetração do material inferior, o que por sua vez poderia reduzir a força de cisalhamento do ponto de solda. No texto, a desfocagem positiva é usada para soldagem (ou seja, o foco do laser está acima da superfície da peça de trabalho). O tamanho da quantidade de desfocagem determina o tamanho do ponto de luz; à medida que a quantidade de desfocagem aumenta, o ponto de luz aumenta, reduzindo a densidade de potência que atua na superfície do material e, conseqüentemente, diminuindo a profundidade do derretimento da soldagem. Quando a potência de pico é de 1400W, a potência de pico é muito alta, facilitando a geração respingos. Essa perda de material leva a uma diminuição na força de cisalhamento do ponto de solda. Quando a potência de pico do laser é de 1200W, a força de cisalhamento do ponto de solda é geralmente alta. Quando a potência de pico do laser é de 1200 W, a largura do pulso é de 8 ms e a quantidade de desfocagem é de 1 mm, a força de cisalhamento máxima pode chegar a 28N.

Tab.2 Experimento ortogonal e resultado do laser pulsado

2.2 Otimização do processo de soldagem a laser de fibra contínua

Os principais parâmetros do processo de contínuo soldagem a laser de fibra são a potência média do laser, a velocidade de soldagem (a velocidade do laser que percorre a linha espiral) e a quantidade de desfocagem (como na soldagem a laser de pulso quase contínuo, a desfocagem positiva é usada para o experimento). Experimentos ortogonais e resultados de testes de tração com esses três parâmetros em três níveis são mostrados na Tabela 3. A potência média do laser afeta a profundidade de fusão e a zona afetada pelo calor da costura de solda. À medida que a potência aumenta, a profundidade de fusão aumentará e a zona afetada pelo calor também aumentará, facilitando a produção de queima excessiva, resultando em uma diminuição da tensão. A velocidade de soldagem terá um impacto na profundidade de fusão e na zona afetada pelo calor da costura de solda. À medida que a velocidade de soldagem aumenta, a profundidade de fusão do ponto de solda diminui e a zona afetada pelo calor também diminui. O tamanho da desfocagem determina o tamanho do ponto de luz. À medida que a desfocagem aumenta, o ponto de luz torna-se maior e a densidade de potência que atua na superfície do material diminui, o que reduzirá tanto a profundidade de fusão da soldagem quanto a zona afetada pelo calor. Quando a potência média é de 500 W, a força de cisalhamento é geralmente pequeno. Isso ocorre porque a potência média do laser é baixa, a profundidade de fusão do ponto de soldagem é baixa, levando a uma baixa força de cisalhamento. Quando a potência média é de 700 W, a potência média do laser é muito alta, o que resulta em uma zona afetada pelo calor muito grande. Ao testar a força de cisalhamento, ele primeiro rompe a zona afetada pelo calor, o que faz com que a força de cisalhamento do ponto de soldagem seja baixa. Quando a potência média do laser é de 600 W, a força de cisalhamento do ponto de soldagem é geralmente maior. Quando a potência média do laser é de 600 W e a velocidade de soldagem é de 150 mm/s, com desfocagem de 0 mm, a força de cisalhamento atinge no máximo 58N.

Tab.3 Experimento ortogonal e resultado do laser de fibra

2.3 Análise comparativa da aparência

A fim de analisar a diferença de tração na força de cisalhamento entre o laser pulsado e o contínuo soldagem a laser de fibra de cobre, analisa-se o aspecto do ponto de soldagem. Ao observar o ponto de soldagem com um microscópio eletrônico, quando a potência de pico do laser pulsado é de 1200 W, a largura do pulso é de 8 ms e a desfocagem é de 1 mm, há respingos parciais na superfície do ponto de soldagem, deixando buracos na superfície, conforme mostrado na figura 4 (a). Na parte traseira do ponto de soldagem, furos evidentes podem ser vistos em algumas peças, conforme mostrado na Figura 4 (b). Depois de abrir a solda, polir, lixar e corroer, uma lupa é usada para testar a seção transversal da solda, conforme mostrado na Figura 4 (c), existem poros dentro da solda, o que é devido ao alto refletividade do cobre, exigindo alta potência de pico para soldar. Porém, a alta potência de pico faz com que alguns elementos vaporizem facilmente, gerando poros que reduzirão a força de cisalhamento do ponto de soldagem. Na soldagem com laser de fibra contínua, quando a potência média do laser é de 600 W, a velocidade de soldagem é de 150 mm/s , e a desfocagem é de 0 mm, a superfície do ponto de soldagem é uniforme e consistente, sem formação de buracos ou respingos, conforme mostrado na Figura 4 (d). Não há furos ou defeitos óbvios na parte traseira do ponto de soldagem, conforme mostrado na Figura 4 (e). Utilizando uma lupa para testar a seção transversal da solda da soldagem a laser de fibra contínua, conforme mostrado na Figura 4 (f), a solda é livre de poros e é composta por feixes de cordões de solda, o que se deve ao uso de uma certa potência do laser para realizar soldagem em espiral na soldagem a laser contínua. É utilizada uma potência de laser mais baixa e, por acumulação de calor, os materiais superiores e inferiores são derretidos. A consistência da solda é boa, sem formação de poros ou outros defeitos, resultando em maior força de cisalhamento em comparação ao pulso soldagem a laser.

Laser de pulso e laser de fibra contínua são usados ​​separadamente para soldar conectores de bateria de telefone, e testes de resistência são realizados. Após a soldagem a laser de pulso, a resistividade testada é de 0.120Ω·mm2/m, superior à resistividade original do cobre que é 0.018 Ω·mm2 /m. Isto se deve ao aumento da resistividade causado pela presença de poros dentro do ponto de soldagem. Após a soldagem a laser de fibra contínua, a resistividade testada é de 0.0220 Ω·mm2/m, próxima à resistividade do material original, o cobre, atendendo assim à prática requisitos de produção.

Conclusão 3

Um laser de fibra de pulso quase contínuo de 150 W e um laser de fibra contínuo de 1000 W são usados ​​separadamente para experimentos de soldagem em cobre, a fim de conduzir experimentos de otimização de processo. Quando a potência de pico do laser de pulso é de 1200 W, a largura do pulso é de 8 ms, e a quantidade de desfocagem é de 1 mm, a força de cisalhamento máxima alcançada é de 28N. Quando a potência média do laser de fibra contínua é de 600 W, a velocidade de soldagem é de 150 mm/s e a quantidade de desfocagem é de 0 mm, a força de cisalhamento máxima alcançada é de 58N.

Uma análise da aparência e da seção transversal do ponto de solda mostra que o ponto de solda do laser pulsado apresenta respingos na superfície e a costura de solda possui poros em seu interior. O ponto de solda a laser de fibra contínua possui uma superfície consistente e uniforme, sem poros dentro do ponto, o que melhora a força de cisalhamento do ponto de solda. Isto fornece uma referência valiosa para a escolha da fonte de luz laser necessária na produção prática.