การวิจัยกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์ของทองแดงในขั้วต่อแบตเตอรี่ ประเทศไทย

บทคัดย่อ: สำหรับการเชื่อมทองแดงในขั้วต่อแบตเตอรี่ มีการใช้เลเซอร์พัลส์และเลเซอร์ไฟเบอร์ต่อเนื่องในการทดสอบการเชื่อมด้วยเลเซอร์ สำหรับพัลส์เลเซอร์ พารามิเตอร์กระบวนการของกำลังสูงสุด ความกว้างของพัลส์ และระยะโฟกัสถูกนำไปทดลองในมุมฉาก และได้รับแรงเฉือนสูงสุดที่ 28N สำหรับไฟเบอร์เลเซอร์ต่อเนื่อง พารามิเตอร์กระบวนการของกำลัง ความเร็วการเชื่อม และระยะโฟกัสถูกนำไปทดลองในมุมฉาก และได้รับแรงเฉือนสูงสุดที่ 58N การปรากฏตัวของจุดแสดงให้เห็นว่ารอยเชื่อมด้านในของรอยเชื่อมด้วยพัลส์นั้นมีรูพรุน ตรงกันข้าม รอยเชื่อมด้านในของรอยเชื่อมด้วยไฟเบอร์เลเซอร์แบบต่อเนื่องไม่มีรูพรุน ซึ่งมีประโยชน์ในการปรับปรุงแรงเฉือน

คำสำคัญ : ทองแดง ;  การเชื่อมด้วยเลเซอร์; การทดลองเชิงมุมฉาก ; พารามิเตอร์กระบวนการ

แนะนำ 0

ทองแดงสีม่วงมีข้อดีต่างๆ เช่น การนำความร้อนได้ดี การนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม และง่ายต่อการแปรรูปและขึ้นรูป มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตสายไฟและสายเคเบิล ฮาร์ดแวร์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ทุกหน่วยในโทรศัพท์มือถือต้องใช้พลังงานไฟฟ้าในการทำงาน เช่น โมดูลกล้อง หน้าจอ ลำโพง หน่วยความจำ แผงวงจร ฯลฯ โดยทั่วไปแบตเตอรี่จะอยู่กับที่ ในพื้นที่เฉพาะและจำเป็นต้องมีขั้วต่อเพื่อเชื่อมต่อกับส่วนประกอบเหล่านี้เพื่อสร้างเส้นทางนำไฟฟ้าสำหรับแหล่งจ่ายไฟ ทองแดงสีม่วงเป็นวัสดุที่ใช้กันมากที่สุดสำหรับขั้วต่อแบตเตอรี่โทรศัพท์มือถือ โหมดการเชื่อมแผ่นขั้วต่อทองแดงสีม่วงในปัจจุบันส่วนใหญ่เป็นการเชื่อมด้วยความต้านทาน กระแสขนาดใหญ่จากขั้วบวกและขั้วลบทำให้แผ่นขั้วต่อทองแดงละลาย เมื่ออิเล็กโทรดแยกออกจากกัน วัสดุจะเย็นลงเพื่อสร้างรอยเชื่อม แม้ว่าโครงสร้างของอุปกรณ์เชื่อมนี้จะเรียบง่ายและใช้งานได้จริงและสะดวก แต่อิเล็กโทรดขั้วบวกและขั้วลบที่ใช้ในการเชื่อมด้วยความต้านทานมักจะเสื่อมสภาพและพัง ทำให้ต้องหยุดสายการผลิตเพื่อทดแทน ส่งผลให้ประสิทธิภาพการผลิตลดลง

การเชื่อมด้วยเลเซอร์ซึ่งใช้เลเซอร์เป็นแหล่งความร้อนในการประมวลผล มีข้อดีคือ พื้นที่รับความร้อนขนาดเล็ก มีความแข็งแรงในการเชื่อมสูง ไม่สัมผัสกับชิ้นงาน และประสิทธิภาพการผลิตสูง มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการเชื่อมวัสดุต่างๆ เช่น สแตนเลส อลูมิเนียมอัลลอยด์ โลหะผสมนิกเกิล และอื่นๆ ทองแดงสีม่วงมีค่าการสะท้อนแสงเลเซอร์สูงถึง 97% หรือมากกว่า ซึ่งจำเป็นต้องเพิ่มพลังงานเลเซอร์เพื่อชดเชย สูญเสียพลังงานเลเซอร์เนื่องจากการสะท้อน ส่งผลให้สูญเสียพลังงานเลเซอร์อย่างมีนัยสำคัญ การเปลี่ยนแปลงสภาพพื้นผิวของทองแดงสีม่วงอาจส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงการสะท้อนแสงของทองแดงต่อเลเซอร์ ซึ่งช่วยเพิ่มความไม่แน่นอนของกระบวนการเชื่อมอย่างมาก เพื่อปรับปรุง ความสามารถในการเชื่อมด้วยเลเซอร์ของทองแดง นักวิชาการได้ทำการวิจัยอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับพื้นผิวทองแดง เช่น การแกะสลักด้วยเลเซอร์บนพื้นผิวทองแดง หรือการเคลือบด้วยกราไฟท์ เพื่อเพิ่มอัตราการดูดซับด้วยเลเซอร์ของทองแดง แม้ว่าวิธีการนี้จะปรับปรุงความสามารถในการเชื่อมของทองแดง แต่ก็ยังเพิ่มกระบวนการผลิตและเพิ่มต้นทุนการผลิตด้วย

บทความนี้ใช้ทั้งเลเซอร์แบบพัลซิ่งและไฟเบอร์เลเซอร์แบบต่อเนื่องเพื่อทำการทดลองเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการกับชิ้นส่วนขั้วแบตเตอรี่ทองแดงสีม่วง ซึ่งเป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับการผลิตจริง

1 การทดลองเชื่อม

1.1 วัสดุทดลอง

ชั้นบนของวัสดุทดลองเป็นทองแดงสีม่วง มีความหนา 0.2 มม. วัสดุชั้นล่างเป็นทองแดงชุบนิกเกิลสีม่วง หนา 0.2 มม. องค์ประกอบทางเคมีของวัสดุสองชั้นแสดงอยู่ในตารางที่ 1 วัสดุถูกตัดเป็นความยาวและความกว้าง 20 มม. x 6 มม. ดังแสดงในรูปที่ 1 (a) มีการทดลองการเชื่อมแบบซ้อนทับกัน โดยต้องใช้พื้นที่การเชื่อมขนาด 4 มม. x 0.5 มม. ดังแสดงในรูปที่ 1 (b) หลังจากการเชื่อมเสร็จสิ้น จะทำการทดสอบแรงเฉือน วัสดุชั้นล่างจะงอ 180 องศาตามแนวเชื่อม และทำการทดสอบแรงเฉือน ดังแสดงในรูปที่ 1(c) การทดสอบแรงเฉือนใช้เครื่องทดสอบอเนกประสงค์อิเล็กทรอนิกส์ที่ควบคุมด้วยไมโครคอมพิวเตอร์ รุ่น WDW-200E ปลายด้านบนและล่างของผลิตภัณฑ์ถูกยึดด้วยฟิกซ์เจอร์ และความเร็วในการยืดคือ 50 มม./วินาที

ตารางที่ 1 องค์ประกอบทางเคมีของวัสดุทดสอบ (เศษส่วนมวล/%)

1.2 อุปกรณ์และวิธีการเชื่อม

รางวัล การทดลองการเชื่อม ใช้เลเซอร์ไฟเบอร์แบบพัลซิ่งกึ่งต่อเนื่อง 150W และไฟเบอร์เลเซอร์ต่อเนื่อง 1000W ที่ผลิตโดย Wuhan Raycus Company กำลังเฉลี่ยของเลเซอร์ไฟเบอร์พัลส์กึ่งต่อเนื่องคือ 150W กำลังสูงสุดคือ 1500W และความกว้างพัลส์คือ 0.2 มม. ~ 25 ms ประสิทธิภาพการแปลงแสงด้วยไฟฟ้าของไฟเบอร์เลเซอร์สูงถึงมากกว่า 30% ซึ่งสามารถรับกำลังเอาต์พุตเลเซอร์ที่สูงขึ้น นอกจากนี้ไฟเบอร์เลเซอร์ยังมีคุณภาพลำแสงที่ดี เส้นผ่านศูนย์กลางของไฟเบอร์เลเซอร์คือ 0.05 มม. ระยะโฟกัสของภายนอก ส่วนกระจกปรับแสงคือ 100 มม. และระยะโฟกัสของเลนส์โฟกัสคือ 200 มม. จุดโฟกัสเลเซอร์มีขนาดเล็กและจุดต่ำสุดทางทฤษฎีสามารถเข้าถึง 0.1 มม. ผลกระทบของเลเซอร์ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงบนพื้นผิวของวัสดุทองแดงสามารถ เพิ่มอุณหภูมิของวัสดุทองแดงอย่างรวดเร็ว เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น อัตราการดูดซึมของวัสดุของเลเซอร์ก็จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเช่นกัน ดังนั้น การใช้ไฟเบอร์เลเซอร์ในการเชื่อมวัสดุทองแดงสามารถเอาชนะปัญหาการสะท้อนของทองแดงไปยังเลเซอร์ได้ในระดับหนึ่ง แท่นทดลองการเชื่อมแสดงในรูปที่ 2 ด้านบน

รูปที่ 2 แท่นทดลองการเชื่อม

แต่ละพัลส์จากเลเซอร์ไฟเบอร์พัลส์กึ่งต่อเนื่องจะสร้างจุดเชื่อม เหมาะสำหรับการเชื่อมจุดแบบพัลส์ แผนผังของจุดเชื่อมแสดงในรูปที่ 3(a) ด้านบน กำลังเฉลี่ยของไฟเบอร์เลเซอร์ต่อเนื่อง 1000 W คือ 1000 W โดยไม่มีกำลังสูงสุด ทำให้เหมาะมากสำหรับการเชื่อมตะเข็บต่อเนื่อง จุดเชื่อมสามารถเกิดขึ้นได้โดยการทำงานในลักษณะเกลียวดังแสดงในรูปที่ 3 (b) ด้านบน

(a) ข้อต่อประสานแบบพัลส์ที่เกิดขึ้นจากเลเซอร์ไฟเบอร์พัลส์กึ่งต่อเนื่อง (b) ข้อต่อประสานที่เกิดขึ้นจากเกลียวไฟเบอร์เลเซอร์แบบต่อเนื่อง รูปที่ 3 แผนผังของจุดเชื่อม

2 ผลการทดลองและการวิเคราะห์

2.1 การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์พัลส์

พารามิเตอร์กระบวนการเชื่อมหลักสำหรับการเชื่อมด้วยพัลส์เลเซอร์แบบกึ่งต่อเนื่องคือ กำลังเลเซอร์สูงสุด ความกว้างของพัลส์ และปริมาณการพร่ามัว การทดลองมุมฉากสามระดับแบบสามปัจจัยดำเนินการกับพารามิเตอร์กระบวนการทั้งสามนี้ และผลลัพธ์ของการทดสอบมุมฉากและการทดสอบแรงดึงจะแสดงในตารางที่ 2 กำลังสูงสุดของเลเซอร์ส่งผลต่อความลึกของการหลอมละลายของจุดเชื่อมเป็นหลัก เมื่อกำลังสูงสุดเพิ่มขึ้น ความลึกของการหลอมเหลวก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน อย่างไรก็ตาม เมื่อกำลังไฟฟ้าสูงสุดสูงเกินไป วัสดุมีแนวโน้มที่จะเกิดการระเหย ส่งผลให้วัสดุกระเด็นและทิ้งรูพรุนไว้ภายในตะเข็บเชื่อม ความกว้างของพัลส์ส่งผลต่อขนาดของจุดเชื่อมเป็นหลัก โดยขนาดของจุดเชื่อมจะเพิ่มขึ้นตามพัลส์ ความกว้างเพิ่มขึ้น ปริมาณการพร่ามัวคือระยะห่างระหว่างโฟกัสเลเซอร์และพื้นผิวชิ้นงาน หากเลเซอร์โฟกัสอยู่ใต้พื้นผิวของชิ้นงาน จะถือว่าเกิดการพร่ามัวในเชิงลบ ในสถานการณ์เช่นนี้ มันเป็นเรื่องง่ายที่จะได้รอยเชื่อมที่มีความลึกของการหลอมละลายที่ลึกกว่า เนื่องจากวัสดุค่อนข้างบางที่ 0.2 มม. หากความลึกของการหลอมเหลวสูงเกินไป ก็อาจทำให้วัสดุที่อยู่ด้านล่างถูกเจาะเข้าไปได้อย่างง่ายดาย ซึ่งในทางกลับกัน สามารถลดแรงเฉือนของจุดเชื่อมได้ ในข้อความจะใช้การพร่ามัวเชิงบวกสำหรับการเชื่อม (เช่น เลเซอร์โฟกัสอยู่เหนือพื้นผิวของชิ้นงาน) ขนาดของระยะพร่ามัวจะกำหนดขนาดของจุดแสง เมื่อปริมาณการพร่ามัวเพิ่มขึ้น จุดไฟจะขยายใหญ่ขึ้น ลดความหนาแน่นของพลังงานที่กระทำบนพื้นผิวของวัสดุ และทำให้ความลึกของการเชื่อมละลายลดลง เมื่อกำลังสูงสุดคือ 1400W กำลังสูงสุดจะสูงเกินไป ทำให้ง่ายต่อการสร้าง โปรยลงมา การสูญเสียวัสดุนี้ส่งผลให้แรงเฉือนของจุดเชื่อมลดลง เมื่อกำลังสูงสุดของเลเซอร์อยู่ที่ 1200W แรงเฉือนของจุดเชื่อมโดยทั่วไปจะสูง เมื่อกำลังสูงสุดของเลเซอร์คือ 1200W ความกว้างของพัลส์คือ 8ms และจำนวนการพร่ามัวคือ 1 มม. แรงเฉือนสูงสุดสามารถเข้าถึง 28N

ตารางที่ 2 การทดลองมุมฉากและผลลัพธ์ของพัลส์เลเซอร์

2.2 การเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการเชื่อมด้วยเลเซอร์ไฟเบอร์แบบต่อเนื่อง

พารามิเตอร์กระบวนการหลักของความต่อเนื่อง การเชื่อมด้วยเลเซอร์ไฟเบอร์ ได้แก่ กำลังเฉลี่ยของเลเซอร์ ความเร็วในการเชื่อม (ความเร็วของเลเซอร์ที่วิ่งบนเส้นเกลียว) และปริมาณการพร่ามัว (เช่นเดียวกับการเชื่อมด้วยพัลส์เลเซอร์แบบกึ่งต่อเนื่อง การทดลองจะใช้การพร่าพร่าเชิงบวกสำหรับการทดลอง) การทดลองมุมฉากและผลการทดสอบแรงดึงด้วยพารามิเตอร์ทั้งสามนี้ในสามระดับจะแสดงไว้ในตารางที่ 3 กำลังเฉลี่ยของเลเซอร์ส่งผลต่อความลึกของการหลอมเหลวและโซนที่ได้รับความร้อนจากตะเข็บเชื่อม เมื่อกำลังเพิ่มขึ้น ความลึกของการหลอมเหลวจะเพิ่มขึ้น และโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนก็จะขยายใหญ่ขึ้นด้วย ทำให้ง่ายต่อการเกิดการเผาไหม้มากเกินไป ส่งผลให้ความตึงเครียดลดลง ความเร็วในการเชื่อมจะส่งผลต่อความลึกของการหลอมเหลวและโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน ของรอยเชื่อม เมื่อความเร็วในการเชื่อมเพิ่มขึ้น ความลึกของการหลอมเหลวของจุดเชื่อมจะลดลง และโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนก็ลดลงเช่นกัน ขนาดของจุดพร่ามัวจะกำหนดขนาดของจุดไฟ เมื่อความพร่ามัวเพิ่มขึ้น จุดไฟจะมีขนาดใหญ่ขึ้น และความหนาแน่นของพลังงานที่ทำบนพื้นผิวของวัสดุจะลดลง ซึ่งจะลดทั้งความลึกของการหลอมละลายในการเชื่อมและโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน เมื่อกำลังเฉลี่ยอยู่ที่ 500 วัตต์ แรงเฉือนจะเท่ากับ โดยทั่วไปมีขนาดเล็ก เนื่องจากกำลังเฉลี่ยของเลเซอร์ต่ำ ความลึกของการหลอมเหลวของจุดเชื่อมต่ำ ทำให้เกิดแรงเฉือนต่ำ เมื่อกำลังเฉลี่ยอยู่ที่ 700 W แสดงว่ากำลังเฉลี่ยของเลเซอร์สูงเกินไป ส่งผลให้เกิดโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนมากเกินไป เมื่อทดสอบแรงเฉือน อันดับแรกจะฉีกขาดออกจากโซนที่ได้รับความร้อน ซึ่งทำให้แรงเฉือนของจุดเชื่อมต่ำ เมื่อกำลังเฉลี่ยของเลเซอร์อยู่ที่ 600 W แรงเฉือนของจุดเชื่อมโดยทั่วไปจะสูงกว่า เมื่อกำลังเฉลี่ยของเลเซอร์คือ 600 W และความเร็วในการเชื่อมคือ 150 มม./วินาที โดยมีค่าเบี่ยงเบนอยู่ที่ 0 มม. แรงเฉือนจะสูงถึง 58N

ตารางที่ 3 การทดลองมุมฉากและผลลัพธ์ของไฟเบอร์เลเซอร์

2.3 การวิเคราะห์เปรียบเทียบลักษณะที่ปรากฏ

เพื่อวิเคราะห์ความแตกต่างของแรงดึงในแรงเฉือนระหว่างเลเซอร์พัลซิ่งและต่อเนื่อง การเชื่อมด้วยเลเซอร์ไฟเบอร์ ทองแดงจะมีการวิเคราะห์ลักษณะของจุดเชื่อม โดยการสังเกตจุดเชื่อมด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน เมื่อกำลังพีคของพัลซ์เลเซอร์คือ 1200 W ความกว้างของพัลส์คือ 8 ms และระยะพร่ามัวคือ 1 มม. มีการกระเด็นบางส่วนบนพื้นผิวของจุดเชื่อมทำให้เกิดหลุม บนพื้นผิวดังแสดงในรูปที่ 4(a) ที่ด้านหลังของจุดเชื่อมจะมองเห็นรูที่ชัดเจนในบางส่วน ดังแสดงในรูปที่ 4(b) หลังจากตัดเปิดรอยเชื่อม ขัด เจียร และกัดกร่อนแล้ว จะใช้แว่นขยายเพื่อทดสอบหน้าตัดของรอยเชื่อม ดังแสดงในรูปที่ 4(c) มีรูพรุนอยู่ภายในรอยเชื่อมซึ่งมีสาเหตุมาจากความสูง การสะท้อนของทองแดงต้องใช้กำลังสูงสุดในการเชื่อม อย่างไรก็ตาม กำลังสูงสุดที่สูงทำให้องค์ประกอบบางอย่างระเหยง่าย ทำให้เกิดรู ซึ่งจะลดแรงเฉือนของจุดเชื่อม เมื่อเชื่อมด้วยไฟเบอร์เลเซอร์ต่อเนื่อง เมื่อกำลังเลเซอร์เฉลี่ย 600 W ความเร็วในการเชื่อมคือ 150 มม./วินาที และความพร่ามัวคือ 0 มม. พื้นผิวของจุดเชื่อมมีความสม่ำเสมอและสม่ำเสมอ โดยไม่มีหลุมหรือสะเก็ดเกิดขึ้น ดังแสดงในรูปที่ 4(d) ไม่มีรูหรือข้อบกพร่องที่ชัดเจนที่ด้านหลังของจุดเชื่อม เนื่องจาก แสดงในรูปที่ 4(e) การใช้แว่นขยายเพื่อทดสอบหน้าตัดของการเชื่อมจากการเชื่อมด้วยไฟเบอร์เลเซอร์แบบต่อเนื่อง ดังแสดงในรูปที่ 4(f) การเชื่อมไม่มีรูพรุนและประกอบด้วยมัดของตะเข็บเชื่อมซึ่งเกิดจากการใช้ กำลังเลเซอร์บางอย่างเพื่อทำการเชื่อมแบบเกลียวในการเชื่อมด้วยเลเซอร์อย่างต่อเนื่อง พลังงานเลเซอร์ถูกใช้น้อยลง และโดยการสะสมความร้อน วัสดุด้านบนและด้านล่างก็ละลาย ความสม่ำเสมอในการเชื่อมเป็นสิ่งที่ดี โดยไม่มีการก่อตัวของรูพรุนหรือข้อบกพร่องอื่นๆ ส่งผลให้มีแรงเฉือนมากขึ้นเมื่อเทียบกับพัลส์ การเชื่อมด้วยเลเซอร์.

พัลส์เลเซอร์และเลเซอร์ไฟเบอร์แบบต่อเนื่องถูกใช้แยกต่างหากในการเชื่อมขั้วต่อแบตเตอรี่โทรศัพท์ และทำการทดสอบความต้านทาน หลังจากการเชื่อมด้วยพัลส์เลเซอร์ ความต้านทานที่ทดสอบคือ 0.120Ω·mm2/m ซึ่งสูงกว่าความต้านทานดั้งเดิมของทองแดงซึ่งอยู่ที่ 0.018 Ω·mm2 /ม. นี่เป็นเพราะการเพิ่มขึ้นของความต้านทานที่เกิดจากการมีอยู่ของรูพรุนภายในจุดเชื่อม หลังจากการเชื่อมด้วยเลเซอร์ไฟเบอร์อย่างต่อเนื่อง ความต้านทานที่ทดสอบคือ 0.0220 Ω·mm2/m ซึ่งใกล้เคียงกับความต้านทานของวัสดุหลักคือทองแดง จึงใช้งานได้จริง ข้อกำหนดการผลิต

ข้อสรุป 3

เลเซอร์ไฟเบอร์แบบพัลส์ต่อเนื่องเสมือน 150 W และไฟเบอร์เลเซอร์ต่อเนื่อง 1000 W ถูกใช้แยกกันสำหรับการทดลองการเชื่อมบนทองแดง เพื่อทำการทดลองการปรับกระบวนการให้เหมาะสมที่สุด เมื่อกำลังสูงสุดของพัลส์เลเซอร์คือ 1200 W ความกว้างของพัลส์คือ 8 ms และปริมาณการพร่ามัวคือ 1 มม. แรงเฉือนสูงสุดที่ได้รับคือ 28N เมื่อกำลังเฉลี่ยของไฟเบอร์เลเซอร์ต่อเนื่องคือ 600 W ความเร็วในการเชื่อมคือ 150 มม./วินาที และปริมาณการพร่ามัวคือ 0 มม. แรงเฉือนสูงสุดที่ได้รับคือ 58N

การวิเคราะห์ลักษณะจุดเชื่อมและหน้าตัดแสดงให้เห็นว่าจุดเชื่อมเลเซอร์พัลส์มีรอยกระเซ็นบนพื้นผิว และตะเข็บเชื่อมมีรูพรุนอยู่ข้างใน จุดเชื่อมเลเซอร์ไฟเบอร์แบบต่อเนื่องมีพื้นผิวที่สม่ำเสมอและสม่ำเสมอโดยไม่มีรูพรุนภายในจุด ซึ่งช่วยเพิ่มแรงเฉือนของจุดเชื่อม ข้อมูลนี้ให้การอ้างอิงที่มีคุณค่าสำหรับการเลือกแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ที่จำเป็นในการผลิตจริง