Исследование процесса лазерной сварки меди в разъеме батареи

Аннотация: Для сварки меди в аккумуляторном разъеме для испытаний лазерной сварки использовались импульсный лазер и непрерывный волоконный лазер. Для импульсного лазера параметры процесса пиковой мощности, ширины импульса и фокусного расстояния были перенесены в ортогональные эксперименты и получена максимальная сила сдвига 28 Н. Для непрерывного волоконного лазера параметры процесса, такие как мощность, скорость сварки и фокусное расстояние, были перенесены в ортогональные эксперименты и получена максимальная сила сдвига 58 Н. Появление пятен свидетельствовало о том, что внутри швов, сваренных импульсом, имеются поры. И наоборот, внутренние сварные швы, сваренные непрерывным волоконным лазером, не имеют пор, что полезно для улучшения силы сдвига.

Ключевые слова: медь;  лазерная сварка; ортогональные эксперименты; параметр процесса

0 введение

Фиолетовая медь обладает такими преимуществами, как хорошая теплопроводность, отличная электропроводность и простота обработки и формования. Он широко используется в производстве электрических проводов и кабелей, аппаратного обеспечения и электроники. Для работы каждого узла мобильного телефона, такого как модуль камеры, экран, динамик, память, монтажная плата и т. д., требуется электроэнергия. Аккумулятор обычно является фиксированным. в определенной области и нуждается в разъеме для соединения его с этими компонентами для формирования проводящего пути для подачи питания. Фиолетовая медь является наиболее часто используемым материалом для разъемов аккумуляторов мобильных телефонов. Текущий способ сварки пластин разъемов из фиолетовой меди - это, в основном, контактная сварка. Большие токи от положительных и отрицательных электродов плавят медную соединительную пластину. По мере разделения электродов материал охлаждается, образуя сварной шов. Хотя конструкция этого сварочного устройства проста, а его работа практична и удобна, положительные и отрицательные электроды, используемые при контактной сварке, имеют тенденцию изнашиваться и выходить из строя, что приводит к необходимости остановки производственной линии для замены, что снижает эффективность производства.

Лазерная сварка, который использует лазеры в качестве источника тепла для обработки, имеет такие преимущества, как небольшая площадь термического воздействия, высокая прочность сварки, отсутствие контакта с заготовкой и высокая эффективность производства. Она широко применяется при сварке таких материалов, как нержавеющая сталь, алюминиевые сплавы, никелевые сплавы и т. д. Фиолетовая медь имеет высокую отражательную способность 97% и более для лазеров, что требует увеличения мощности лазера для компенсации потеря энергии лазера из-за отражения, что приводит к значительной потере энергии лазера. Одновременно изменения состояния поверхности фиолетовой меди могут повлиять на изменения отражательной способности меди по отношению к лазеру, что значительно увеличивает нестабильность процесса сварки. Возможность лазерной сварки меди, ученые провели обширные исследования поверхности меди, такие как лазерное травление на поверхности меди или покрытие графитом, чтобы увеличить скорость лазерного поглощения меди. Хотя этот метод улучшил свариваемость меди, он также усложнил производственный процесс и увеличил производственные затраты.

В статье используется использование как импульсных лазеров, так и волоконных лазеров непрерывного действия для проведения экспериментов по оптимизации процесса изготовления полюсных наконечников батарей из фиолетовой меди, что дает представление о реальном производстве.

1 Сварочный эксперимент

1.1 Экспериментальные материалы

Верхний слой экспериментального материала — медь фиолетового цвета толщиной 0.2 мм. Материал нижнего слоя — никелированная медь фиолетового цвета толщиной 0.2 мм. Химический состав двух слоев материала показан в Таблице 1. Материалы разрезаются на кусочки длиной и шириной 20 x 6 мм, как показано на рисунке 1 (a). Проводятся эксперименты по сварке внахлест, для которых требуется площадь сварки размером 4 x 0.5 мм, как показано на рисунке 1 (b). После завершения сварки проводится испытание на сдвиговую силу. Материал нижнего слоя изгибается на 180 градусов вдоль сварного шва и проводится испытание на сдвиговую силу, как показано на рисунке 1(c). Для испытания на поперечную силу используется электронная универсальная испытательная машина с микрокомпьютерным управлением, модель WDW-200E. Верхний и нижний концы изделия зажимаются приспособлением, скорость растяжения составляет 50 мм/с.

Табл.1 Химический состав исследуемых материалов (массовая доля/%)

Материалы	Cu	P	Ni	Fe	Zn	S
Фиолетовая медь	99.96	0.000 7	0.000 2	0.000 8	0.000 9	0.000 9
Никелированная фиолетовая медь	99.760	0.000 5	0.200 0	0.000 6	0.000 9	0.000 8

(A)	(B)	(c)
(а) Сварочные материалы (b) Метод точки сварки (c) Метод испытания на поперечную силу Рис.1 Метод сварки и испытание на сдвиговую силу

1.2 Сварочное оборудование и методы

Команда сварочный эксперимент использует квазинепрерывный импульсный волоконный лазер мощностью 150 Вт и непрерывный волоконный лазер мощностью 1000 Вт производства Wuhan Raycus Company. Средняя мощность квазинепрерывного импульсного волоконного лазера составляет 150 Вт, пиковая мощность — 1500 Вт, ширина импульса — 0.2 мм ~ 25 мс. Эффективность электрооптического преобразования волоконного лазера достигает более 30%, что позволяет получить более высокую выходную мощность лазера. Кроме того, волоконный лазер имеет хорошее качество луча, диаметр лазерного волокна составляет 0.05 мм, фокусное расстояние внешнего часть коллимирующего зеркала составляет 100 мм, а расстояние фокусировки фокусирующей линзы составляет 200 мм. Пятно фокусировки лазера маленькое, а теоретическое минимальное пятно может достигать 0.1 мм, воздействие лазера с высокой плотностью мощности на поверхность медного материала может быстро поднять температуру медного материала. По мере повышения температуры скорость поглощения лазера материалом также быстро увеличивается. Таким образом, использование волоконного лазера для сварки медных материалов может в некоторой степени решить проблему высокого отражения меди от лазера. Платформа для сварочных экспериментов показана на рисунке 2 выше.

Рис.2 Сварочная экспериментальная платформа

Каждый импульс квазинепрерывного импульсного волоконного лазера образует сварочное пятно, подходящее для импульсной точечной сварки. Схематическая диаграмма точки сварки показана на рисунке 3(а) выше. Средняя мощность непрерывного волоконного лазера мощностью 1000 Вт составляет 1000 Вт без пиковой мощности, что делает его очень подходящим для непрерывной шовной сварки. Сварные точки можно сформировать, работая по спирали, как показано на рисунке 3 (b) выше.

(а) Импульсное паяное соединение, образованное квазинепрерывным импульсным волоконным лазером. (б) Паяное соединение, образованное спиралью непрерывного волоконного лазера. Рис.3 Принципиальная схема точек сварки

2 Результаты экспериментов и анализ

2.1 Оптимизация процесса импульсной лазерной сварки

Основными параметрами сварочного процесса при квазинепрерывной импульсной лазерной сварке являются пиковая мощность лазера, длительность импульса и величина дефокусировки. На этих трех параметрах процесса проводится трехфакторный трехуровневый ортогональный эксперимент, а результаты ортогонального эксперимента и испытания на растяжение показаны в таблице 2. Пиковая мощность лазера в первую очередь влияет на глубину плавления пятна сварного шва. По мере увеличения пиковой мощности глубина плавления также будет увеличиваться. Однако, когда пиковая мощность слишком высока, материал склонен к испарению, вызывая разбрызгивание материала и образование пор внутри сварного шва. Ширина импульса в первую очередь влияет на размер сварочного пятна, при этом размер сварочного пятна увеличивается по мере увеличения импульса. ширина увеличивается. Величина дефокусировки — это расстояние между фокусом лазера и поверхностью заготовки. Если фокус лазера находится под поверхностью заготовки, это считается отрицательной дефокусировкой. В этой ситуации легко получить сварной шов с большей глубиной плавления. Поскольку материал довольно тонкий (0.2 мм), если глубина плавления слишком велика, это может легко привести к проплавлению нижнего материала, что, в свою очередь, может привести к проплавлению материала. может уменьшить силу сдвига в месте сварки，В тексте для сварки используется положительная дефокусировка (т.е. фокус лазера находится над поверхностью заготовки). Размер величины дефокусировки определяет размер светового пятна; по мере увеличения степени расфокусировки световое пятно увеличивается, уменьшая плотность мощности, действующую на поверхность материала, и, следовательно, уменьшая глубину сварочного расплава. Когда пиковая мощность составляет 1400 Вт, пиковая мощность слишком высока, что позволяет легко генерировать брызги. Эта потеря материала приводит к уменьшению силы сдвига в месте сварки. Когда пиковая мощность лазера составляет 1200 Вт, сила сдвига в точке сварки обычно высока. Когда пиковая мощность лазера составляет 1200 Вт, ширина импульса — 8 мс, а величина дефокусировки — 1 мм, максимальная сила сдвига может достигать 28 Н.

Табл.2 Ортогональный эксперимент и результат импульсного лазера

Номер регистрации	Пиковая мощность/Вт	Ширина импульса/мс	Величина расфокусировки/мм	Сила сдвига/Н
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 Оптимизация процесса сварки непрерывным волоконным лазером

Основные параметры процесса непрерывного волоконная лазерная сварка — средняя мощность лазера, скорость сварки (скорость лазера, движущегося по спиральной линии) и величина дефокусировки (как и при квазинепрерывной импульсной лазерной сварке, в эксперименте используется положительная дефокусировка). Ортогональные эксперименты и результаты испытаний на растяжение с этими тремя параметрами на трех уровнях показаны в таблице 3. Средняя мощность лазера влияет на глубину плавления и зону термического влияния сварного шва. По мере увеличения мощности глубина плавления будет увеличиваться, а зона термического влияния также будет увеличиваться, что позволяет легко получить пережог, что приводит к уменьшению напряжения. Скорость сварки будет влиять на глубину плавления и зону термического влияния. сварочного шва. С увеличением скорости сварки глубина проплавления места сварки уменьшается, а также уменьшается зона термического влияния. Размер дефокусировки определяет размер светового пятна. По мере увеличения расфокусировки световое пятно становится больше, а плотность мощности, действующей на поверхность материала, уменьшается, что приводит к уменьшению как глубины плавления сварного шва, так и зоны термического влияния. При средней мощности 500 Вт сдвиговая сила равна вообще небольшой. Это связано с тем, что средняя мощность лазера мала, глубина плавления точки сварки мала, что приводит к низкой силе сдвига. Когда средняя мощность составляет 700 Вт, средняя мощность лазера слишком высока, что приводит к слишком большой зоне термического воздействия. При испытании силы сдвига он сначала отрывается от зоны термического воздействия, в результате чего сила сдвига в точке сварки становится низкой. Когда средняя мощность лазера составляет 600 Вт, сила сдвига в точке сварки обычно выше. При средней мощности лазера 600 Вт и скорости сварки 150 мм/с при расфокусировке 0 мм сдвиговая сила достигает максимума 58 Н.

Табл.3 Ортогональный эксперимент и результат волоконного лазера

Номер регистрации	Средняя мощность/Вт	Скорость сварки/(мм/с)	Величина расфокусировки/мм	Сила сдвига/Н
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 Сравнительный анализ внешнего вида

Чтобы проанализировать разницу в растягивающей силе сдвига между импульсным лазером и непрерывным волоконная лазерная сварка меди анализируют внешний вид сварочного пятна. При наблюдении сварочного пятна с помощью электронного микроскопа при пиковой мощности импульсного лазера 1200 Вт, длительности импульса 8 мс и дефокусировке 1 мм на поверхности сварочного пятна наблюдаются частичные разбрызгивания с образованием ямок. на поверхности, как показано на рисунке 4(a). На задней стороне точки сварки в некоторых частях можно увидеть явные отверстия, как показано на рисунке 4(b). После разрезания сварного шва, полировки, шлифовки и коррозии для проверки поперечного сечения сварного шва используется увеличительное стекло, как показано на рисунке 4 (в), внутри сварного шва имеются поры, что связано с высокой отражательная способность меди, требующая высокой пиковой мощности для сварки. Однако высокая пиковая мощность приводит к легкому испарению некоторых элементов, образуя поры, которые уменьшают силу сдвига в точке сварки. При сварке непрерывным волоконным лазером, когда средняя мощность лазера составляет 600 Вт, скорость сварки составляет 150 мм/с. и расфокусировка составляет 0 мм, поверхность точки сварки однородная и однородная, без ямок и брызг, как показано на рисунке 4(d). На задней стороне точки сварки нет отверстий или явных дефектов, как показано на рисунке 4(e). Используя увеличительное стекло, проверьте поперечное сечение сварного шва, полученного при сварке непрерывным волоконным лазером, как показано на рисунке 4 (f). Сварной шов не содержит пор и состоит из пучков сварных швов, что связано с использованием определенная мощность лазера для выполнения спиральной сварки при непрерывной лазерной сварке. Используется меньшая мощность лазера, и за счет накопления тепла верхний и нижний материалы плавятся. Консистенция сварного шва хорошая, без образования пор и других дефектов, что приводит к большей силе сдвига по сравнению с импульсной. лазерная сварка.

(A)	(B)	(c)
(B)	(Е)	（е)
(а) Поверхность импульсной лазерной сварки (б) Импульсная лазерная сварка задней поверхности (в) Поперечное сечение шва импульсной лазерной сварки. (d) Поверхность сварки непрерывным волоконным лазером (e) Обратная сторона сварки непрерывным волоконным лазером (f) Поперечное сечение процесса непрерывной волоконной лазерной сварки. Рис.4 Внешний вид пятен

Импульсный лазер и непрерывный волоконный лазер используются отдельно для сварки разъемов аккумуляторной батареи телефона и проводятся испытания на сопротивление. После импульсной лазерной сварки измеренное удельное сопротивление составляет 0.120 Ом·мм2/м, что выше исходного удельного сопротивления меди, которое составляет 0.018 Ом·мм2. /м. Это связано с увеличением удельного сопротивления, вызванным наличием пор внутри точки сварки. После сварки непрерывным волоконным лазером измеренное удельное сопротивление составляет 0.0220 Ом·мм2/м, что близко к удельному сопротивлению основного материала, меди, что соответствует практическим требованиям. производственные требования.

Заключение 3

Квазинепрерывный импульсный волоконный лазер мощностью 150 Вт и непрерывный волоконный лазер мощностью 1000 Вт используются отдельно для экспериментов по сварке меди с целью проведения экспериментов по оптимизации процесса. При пиковой мощности импульсного лазера 1200 Вт ширина импульса составляет 8 мс, а величина дефокусировки составляет 1 мм, максимальная достигаемая сила сдвига составляет 28 Н. Когда средняя мощность непрерывного волоконного лазера составляет 600 Вт, скорость сварки — 150 мм/с, а величина дефокусировки — 0 мм, максимальное достигаемое усилие сдвига составляет 58 Н.

Анализ внешнего вида и сечения сварных точек показал, что в месте сварки импульсным лазером на поверхности имеются брызги, а внутри сварного шва имеются поры. Точка сварки непрерывным волоконным лазером имеет однородную поверхность без пор внутри пятна, что улучшает силу сдвига в точке сварки. Это дает ценную информацию для выбора источника лазерного света, необходимого в практическом производстве.