Дослідження процесу лазерного зварювання міді в роз’ємі батареї Україна

Анотація: Для зварювання міді в роз’ємі батареї для тестування лазерного зварювання використовували імпульсний лазер і безперервний волоконний лазер. Для імпульсного лазера параметри процесу пікової потужності, ширини імпульсу та фокусних відстаней були перенесені в ортогональні експерименти, і отримано максимальну силу зсуву 28 Н. Для безперервного волоконного лазера технологічні параметри потужності, швидкості зварювання та фокусних відстаней були перенесені в ортогональні експерименти, і отримано максимальне зусилля зсуву 58 Н. Поява плям свідчила про наявність пор у зварних швах, зварених імпульсним способом. Навпаки, зварні шви, зварені безперервним волоконним лазером, не мали пор, що було корисно для покращення сили зсуву.

Ключові слова: мідь;  зварювання лазером; ортогональні досліди ; параметр процесу

Вступ 0

Фіолетова мідь має такі переваги, як хороша теплопровідність, чудова електропровідність, а також легкість обробки та формування. Його широко використовують у виробництві електричних проводів і кабелів, обладнання та електроніки. Для роботи кожного блоку мобільного телефону, наприклад модуля камери, екрана, динаміка, пам’яті, плати тощо, потрібна електрика. у певній зоні та потребує роз’єму, щоб з’єднати його з цими компонентами для формування провідного шляху для джерела живлення. Фіолетова мідь є найбільш часто використовуваним матеріалом для роз’ємів акумулятора мобільного телефону. Поточний спосіб зварювання фіолетових мідних пластин роз’єму – це переважно контактне зварювання. Великі струми від позитивних і негативних електродів розплавляють мідну пластину з’єднувача. Коли електроди відокремлюються, матеріал охолоджується, утворюючи зварний шов. Незважаючи на те, що структура цього зварювального пристрою проста, а його експлуатація практична та зручна, позитивні та негативні електроди, які використовуються для контактного зварювання, мають тенденцію до зношування та поломки, що вимагає зупинки виробничої лінії для заміни, таким чином знижуючи ефективність виробництва.

Лазерне зварювання, яка використовує лазери як джерело тепла для обробки, має такі переваги, як невелика площа теплового впливу, висока міцність зварювання, відсутність контакту з деталлю та висока ефективність виробництва. Його широко застосовують для зварювання таких матеріалів, як нержавіюча сталь, алюмінієвий сплав, нікелевий сплав тощо. Фіолетова мідь має високу відбивну здатність 97% або більше для лазерів, що вимагає збільшення потужності лазера, щоб компенсувати втрачається лазерна енергія через відображення, що призводить до значної втрати лазерної енергії. Одночасно зміни стану поверхні фіолетової міді можуть вплинути на зміни відбивної здатності міді до лазера, значно підвищуючи нестабільність процесу зварювання. Щоб покращити Лазерне зварювання міді, вчені провели широкі дослідження поверхні міді, наприклад, лазерне травлення на поверхні міді або покриття графітом, щоб збільшити швидкість поглинання лазера міддю. Хоча цей метод покращив зварюваність міді, він також збільшив виробничий процес і збільшив витрати на виробництво.

У статті використовується використання як імпульсних лазерів, так і волоконних лазерів безперервної дії для проведення експериментів з оптимізації процесу на полюсних наконечниках батареї з фіолетовою міддю, надаючи еталон для фактичного виробництва.

1 Зварювальний дослід

1.1 Експериментальні матеріали

Верхній шар дослідного матеріалу – мідь фіолетового кольору, товщиною 0.2 мм. Матеріал нижнього шару - нікельована фіолетова мідь товщиною 0.2 мм. Хімічний склад двох шарів матеріалу наведено в таблиці 1. Матеріали розрізані на довжину та ширину 20 мм x 6 мм, як показано на малюнку 1(a). Проводяться експерименти зі зварюванням внахлест, вимагаючи площі зварювання 4 мм x 0.5 мм, як показано на малюнку 1(b). Після завершення зварювання проводиться випробування сили зсуву. Матеріал нижнього шару згинають на 180 градусів вздовж зварного шва, і проводять випробування на силу зсуву, як показано на малюнку 1(c). Випробування на силу зсуву використовує керовану мікрокомп’ютером електронну універсальну випробувальну машину моделі WDW-200E. Верхній і нижній кінці виробу затискаються пристосуванням, швидкість розтягування становить 50 мм/с.

Таб.1 Хімічний склад досліджуваних матеріалів (масова частка/%)

1.2 Устаткування та методи зварювання

Команда зварювальний експеримент використовує квазібезперервний імпульсний волоконний лазер потужністю 150 Вт і безперервний волоконний лазер потужністю 1000 Вт виробництва Wuhan Raycus Company. Середня потужність квазібезперервного імпульсного волоконного лазера становить 150 Вт, пікова потужність — 1500 Вт, а ширина імпульсу — 0.2 мм ~ 25 мс. Ефективність електрооптичного перетворення волоконного лазера досягає понад 30%, що може отримати вищу вихідну потужність лазера, також волоконний лазер має хорошу якість променя, діаметр лазерного волокна становить 0.05 мм, фокусна відстань зовнішнього ділянка колімаційного дзеркала становить 100 мм, а фокусна відстань фокусуючої лінзи становить 200 мм. Лазерна фокусна пляма невелика, а теоретична мінімальна пляма може досягати 0.1 мм. Вплив лазера з високою щільністю потужності на поверхню мідного матеріалу може швидко підвищити температуру мідного матеріалу. З підвищенням температури швидкість поглинання лазера матеріалом також швидко зростає. Таким чином, використання волоконного лазера для зварювання мідних матеріалів може певною мірою подолати проблему високого відбиття міді від лазера. Платформа експерименту зі зварювання показана на малюнку 2 вище.

Рис.2 Зварювальний експериментальний майданчик

Кожен імпульс від квазібезперервного імпульсного волоконного лазера утворює зварювальну точку, придатну для точкового імпульсного зварювання. Схематична діаграма точки зварювання показана на малюнку 3(a) вище. Середня потужність безперервного волоконного лазера потужністю 1000 Вт становить 1000 Вт без пікової потужності, що робить його дуже придатним для безперервного зварювання швів. Плями зварювання можна сформувати, працюючи по спіралі, як показано на малюнку 3 (b) вище.

(a) Імпульсне паяне з’єднання, утворене квазібезперервним імпульсним волоконним лазером (b) Паяне з’єднання, утворене лазерною спіраллю безперервного волокна Рис.3 Принципова схема точкового зварювання

2 Експериментальні результати та аналіз

2.1 Оптимізація процесу імпульсного лазерного зварювання

Основними параметрами зварювального процесу для квазібезперервного імпульсного лазерного зварювання є пікова потужність лазера, ширина імпульсу та величина розфокусування. Трифакторний трирівневий ортогональний експеримент проводиться на цих трьох параметрах процесу, і результати ортогонального експерименту та випробування на розтяг наведені в таблиці 2. Пікова потужність лазера в першу чергу впливає на глибину плавлення точки зварювання. Зі збільшенням пікової потужності збільшується і глибина плавлення. Однак, коли пікова потужність занадто висока, матеріал схильний до випаровування, що спричиняє розбризкування матеріалу та залишає пори всередині зварного шва. Ширина імпульсу в першу чергу впливає на розмір плями зварювання, причому розмір плями зварювання збільшується в міру імпульсу. ширина збільшується. Величина розфокусування — це відстань між лазерним фокусом і поверхнею заготовки. Якщо лазерний фокус знаходиться під поверхнею деталі, це вважається негативною дефокусацією. У цій ситуації легко отримати зварний шов із більшою глибиною плавлення，Оскільки матеріал досить тонкий (0.2 мм), якщо глибина плавлення занадто велика, це може легко призвести до проникнення нижнього матеріалу, що, у свою чергу, може зменшити силу зсуву місця зварювання，У тексті для зварювання використовується позитивне розфокусування (тобто фокус лазера знаходиться над поверхнею заготовки). Розмір величини розфокусування визначає розмір світлової плями; зі збільшенням величини розфокусування світлова пляма збільшується, зменшуючи щільність потужності, що діє на поверхню матеріалу, і, отже, зменшує глибину зварювального розплаву. Коли пікова потужність становить 1400 Вт, пікова потужність є занадто високою, що полегшує генерування бризки. Ця втрата матеріалу призводить до зменшення сили зсуву в місці зварювання. Коли пікова потужність лазера становить 1200 Вт, сила зсуву в місці зварювання зазвичай висока. Коли пікова потужність лазера становить 1200 Вт, ширина імпульсу становить 8 мс, а величина розфокусування становить 1 мм, максимальна сила зсуву може досягати 28 Н.

Таб.2 Ортогональний експеримент і результат імпульсного лазера

2.2 Оптимізація процесу безперервного волоконного лазерного зварювання

Основні параметри безперервного процесу лазерне зварювання волокна це середня потужність лазера, швидкість зварювання (швидкість лазера, що рухається по спіральній лінії), і величина розфокусування (як у випадку з квазібезперервним імпульсним лазерним зварюванням, для експерименту використовується позитивний розфокус). Ортогональні експерименти та результати випробування на розтяг із цими трьома параметрами на трьох рівнях наведено в таблиці 3. Середня потужність лазера впливає на глибину плавлення та зону теплового впливу зварного шва. У міру збільшення потужності глибина плавлення збільшуватиметься, а зона теплового впливу також збільшуватиметься, що полегшуватиме перегорання, що призведе до зменшення напруги. Швидкість зварювання впливатиме на глибину плавлення та зону теплового впливу зварного шва. Зі збільшенням швидкості зварювання глибина плавлення точки зварювання зменшується, а також зменшується зона теплового впливу. Розмір розфокусування визначає розмір світлової плями. У міру збільшення розфокусування світлова пляма стає більшою, а щільність потужності, що діє на поверхню матеріалу, зменшується, що зменшить як глибину плавлення зварювання, так і зону теплового впливу. Коли середня потужність становить 500 Вт, сила зсуву становить загалом невеликий. Це тому, що середня потужність лазера низька, глибина плавлення точки зварювання низька, що призводить до низької сили зсуву. Коли середня потужність становить 700 Вт, середня потужність лазера зависока, це призводить до надто великої зони теплового впливу. Під час тестування сили зсуву він спочатку відривається від зони термічного впливу, що спричиняє низьку силу зсуву точки зварювання. Коли середня потужність лазера становить 600 Вт, сила зсуву точки зварювання, як правило, вища. Коли середня потужність лазера становить 600 Вт, а швидкість зварювання 150 мм/с, з розфокусуванням 0 мм, сила зсуву досягає максимуму 58 Н.

Таб.3 Ортогональний експеримент і результат волоконного лазера

2.3 Порівняльний аналіз зовнішності

Для того, щоб проаналізувати різницю сили зсуву між імпульсним і безперервним лазером лазерне зварювання волокна міді аналізується зовнішній вигляд місця зварювання. При спостереженні місця зварювання за допомогою електронного мікроскопа, коли пікова потужність імпульсного лазера становить 1200 Вт, ширина імпульсу становить 8 мс, а розфокусування становить 1 мм, на поверхні плями зварювання є часткове розбризкування, що залишає ямки. на поверхні, як показано на малюнку 4(a). На зворотному боці точки зварювання в деяких частинах можна побачити явні отвори, як показано на малюнку 4(b). Після розрізання зварного шва, полірування, шліфування та корозії використовується збільшувальне скло для перевірки поперечного перерізу зварного шва, як показано на малюнку 4(c), всередині зварного шва є пори, що пов’язано з високою відбивна здатність міді, що вимагає високої пікової потужності для зварювання. Однак висока пікова потужність призводить до того, що деякі елементи легко випаровуються, утворюючи пори, що зменшує силу зсуву в точці зварювання. Під час зварювання безперервним волоконним лазером, коли середня потужність лазера становить 600 Вт, швидкість зварювання становить 150 мм/с. , а розфокусування становить 0 мм, поверхня точки зварювання однорідна та однорідна, без ямок або бризок, як показано на малюнку 4(d). На задній частині точки зварювання немає отворів чи явних дефектів, оскільки показано на малюнку 4(e). Використовуючи збільшувальне скло для перевірки поперечного перерізу зварного шва від безперервного волоконного лазерного зварювання, як показано на малюнку 4(f), зварний шов вільний від пор і складається з пучків зварних швів, що пов’язано з використанням певна потужність лазера для виконання спірального зварювання при безперервному лазерному зварюванні. Використовується менша потужність лазера, а за рахунок накопичення тепла верхній і нижній матеріали плавляться. Консистенція зварного шва хороша, без утворення пор чи інших дефектів, що призводить до більшої сили зсуву порівняно з імпульсним зварювання лазером.

Імпульсний лазер і безперервний волоконний лазер використовуються окремо для зварювання роз’ємів телефонної батареї, а також виконується випробування на опір. Після імпульсного лазерного зварювання випробуваний питомий опір становить 0.120 Ом·мм2/м, що вище початкового питомого опору міді, який становить 0.018 Ом·мм2. /м. Це пов’язано зі збільшенням питомого опору, викликаного наявністю пор всередині точки зварювання. Після безперервного волоконного лазерного зварювання випробуваний питомий опір становить 0.0220 Ом·мм2/м, близький до питомого опору основного матеріалу, міді, що відповідає практичному виробничі вимоги.

Висновок 3

Квазібезперервний імпульсний волоконний лазер потужністю 150 Вт і безперервний волоконний лазер потужністю 1000 Вт використовуються окремо для експериментів зі зварюванням міді з метою проведення експериментів з оптимізації процесу. Коли пікова потужність імпульсного лазера становить 1200 Вт, ширина імпульсу становить 8 мс, а величина розфокусування становить 1 мм, досягнута максимальна сила зсуву становить 28 Н. Коли середня потужність безперервного волоконного лазера становить 600 Вт, швидкість зварювання становить 150 мм/с, а величина розфокусування становить 0 мм, максимальна досягнута сила зсуву становить 58 Н.

Аналіз зовнішнього вигляду точки зварювання та поперечного перерізу показує, що точкове зварювання імпульсним лазером має бризки на поверхні, а зварний шов має пори всередині. Точкове лазерне зварювання з безперервним волокном має постійну та однорідну поверхню без пор усередині плями, що покращує силу зсуву точки зварювання. Це є цінною довідкою для вибору джерела лазерного світла, необхідного для практичного виробництва.