Pengantar metode dan proses pengelasan untuk memberi daya pada baterai lithium-ion

Pemilihan metode dan proses pengelasan yang wajar dalam proses pembuatan baterai litium daya akan secara langsung mempengaruhi biaya, kualitas, keamanan, dan konsistensi baterai. Selanjutnya, mari kita atur konten tentang pengelasan baterai lithium daya.

1. Prinsip Pengelasan Laser

Pengelasan laser memanfaatkan arah yang sangat baik dan kepadatan daya tinggi dari sinar laser untuk bekerja. Melalui sistem optik, sinar laser difokuskan pada area yang sangat kecil, membentuk area sumber panas yang sangat terkonsentrasi pada sambungan las dalam waktu yang sangat singkat, sehingga melelehkan benda yang dilas dan membentuk sambungan solder dan lapisan las yang kokoh.

2. Jenis pengelasan laser

Pengelasan konduksi panas dan pengelasan penetrasi dalam

Pengelasan konduksi panas laser dibentuk dengan kepadatan daya laser sebesar 105-106w/cm2, dan pengelasan penetrasi dalam laser dibentuk dengan kepadatan daya laser sebesar 105-106w/cm2

Pengelasan penetrasi dan pengelasan jahitan

Pengelasan penetrasi, potongan sambungan tidak memerlukan pelubangan, dan pemrosesannya relatif sederhana. Pengelasan penetrasi membutuhkan mesin las laser berdaya tinggi. Kedalaman penetrasi pengelasan penetrasi lebih rendah dibandingkan pengelasan jahitan, dan keandalannya relatif buruk.

Dibandingkan dengan pengelasan penetrasi, pengelasan jahitan hanya membutuhkan mesin las laser dengan daya yang lebih kecil. Kedalaman penetrasi pengelasan jahitan lebih tinggi dibandingkan pengelasan penetrasi, dan keandalannya relatif baik. Namun bagian penghubungnya perlu dilubangi, sehingga pemrosesan menjadi relatif sulit.

Sampel pengelasan laser pulsa

Pengelasan sampel dengan laser secara terus menerus

Dalam pengelasan baterai litium daya, teknisi proses pengelasan akan memilih laser yang sesuai dan parameter proses pengelasan berdasarkan bahan baterai pelanggan, bentuk, ketebalan, persyaratan tarik, dll., termasuk kecepatan pengelasan, bentuk gelombang, nilai puncak, dan sudut kemiringan baterai. kepala pengelasan, untuk menetapkan parameter proses pengelasan yang wajar untuk memastikan bahwa efek pengelasan akhir memenuhi persyaratan produsen baterai lithium daya.

Energi terkonsentrasi, efisiensi pengelasan tinggi, akurasi pemrosesan tinggi, dan rasio kedalaman dan lebar las yang besar. Sinar laser mudah untuk difokuskan, disejajarkan, dan dipandu oleh instrumen optik. Itu dapat ditempatkan pada jarak yang sesuai dari benda kerja dan dapat dipandu di antara perlengkapan atau penghalang di sekitar benda kerja. Metode pengelasan lainnya tidak dapat dimanfaatkan sepenuhnya karena keterbatasan spasial yang disebutkan di atas.

Masukan panas kecil, zona terkena panas kecil, dan tegangan sisa kecil serta deformasi benda kerja; Energi pengelasan dapat dikontrol secara tepat, efek pengelasan stabil, dan tampilan pengelasan bagus;

Pengelasan non kontak, transmisi serat optik, aksesibilitas yang baik, dan otomatisasi tingkat tinggi. Saat mengelas kawat tipis atau halus, tidak ada masalah reflow seperti pengelasan busur. Sel baterai yang digunakan untuk memberi daya pada baterai litium, karena prinsipnya yang ringan, biasanya terbuat dari bahan aluminium yang lebih ringan dan tipis. Umumnya, cangkang, penutup, dan bagian bawah harus berukuran kurang dari 1.0mm, dan produsen utama saat ini memiliki ketebalan bahan dasar sekitar 0.8mm.

Kesulitan dalam proses pengelasan laser

Saat ini, cangkang baterai paduan aluminium menyumbang lebih dari 90% dari seluruh daya baterai lithium. Kesulitan pengelasannya terletak pada reflektifitas paduan aluminium terhadap laser yang sangat tinggi, sensitivitas pori-pori gas yang tinggi selama proses pengelasan, dan terjadinya beberapa masalah dan cacat yang tidak dapat dihindari selama pengelasan, di antaranya yang paling penting adalah pori-pori gas, retakan panas, dan ledakan.

Selama proses pengelasan laser pada paduan aluminium, ada dua jenis pori penting yang rawan terjadi: pori hidrogen dan pori akibat pecahnya gelembung. Karena laju pendinginan pengelasan laser yang cepat, masalah pori-pori hidrogen menjadi lebih serius, dan terdapat juga jenis lubang tambahan yang disebabkan oleh runtuhnya lubang-lubang kecil pada pengelasan laser.

Masalah retak panas. Paduan aluminium merupakan paduan tipe eutektik yang rentan terhadap retak panas selama pengelasan, termasuk retakan kristalisasi las dan retakan pencairan HAZ. Akibat segregasi komponen pada zona las, terjadi segregasi eutektik dan terjadi pelelehan batas butir. Dalam kondisi tegangan, retakan likuifaksi terbentuk pada batas butir, sehingga mengurangi kinerja sambungan las.

Masalah ledakan (juga dikenal sebagai percikan). Banyak faktor yang dapat menyebabkan terjadinya ledakan, seperti kebersihan material, kemurnian material itu sendiri, dan karakteristik material itu sendiri. Penggunaan yang menentukan adalah stabilitas laser. Tonjolan permukaan, pori-pori, dan gelembung internal pada cangkang. Alasan utamanya adalah diameter inti serat terlalu kecil atau energi laser disetel terlalu tinggi. Beberapa pemasok peralatan laser tidak menyatakan bahwa semakin baik kualitas sinarnya, semakin baik pula efek pengelasannya. Kualitas sinar yang baik cocok untuk pengelasan overlay dengan kedalaman penetrasi lebih besar. Menemukan parameter proses yang sesuai adalah kunci untuk memecahkan masalah.

Kesulitan lainnya

Pengelasan telinga tiang paket lunak memerlukan persyaratan perlengkapan pengelasan yang tinggi, dan telinga tiang harus ditekan dengan kuat untuk memastikan jarak pengelasan. Hal ini dapat mencapai pengelasan berkecepatan tinggi pada lintasan kompleks seperti berbentuk S dan spiral, meningkatkan luas sambungan las dan memperkuat kekuatan pengelasan.

Pengelasan sel baterai silinder penting untuk pengelasan elektroda positif. Karena cangkang elektroda negatif yang tipis, sangat mudah untuk mengelasnya. Saat ini, beberapa produsen menggunakan proses bebas pengelasan elektroda negatif, sedangkan elektroda positif menggunakan pengelasan laser.

Saat mengelas kombinasi baterai persegi, tiang atau bagian penghubungnya terkontaminasi dan tebal. Saat mengelas bagian penghubung, polutan terurai, yang dapat dengan mudah membentuk titik ledakan pengelasan dan menyebabkan lubang; Baterai dengan tiang tipis dan komponen struktur plastik atau keramik di bawahnya rentan terhadap pengelasan. Jika tiangnya kecil, pengelasan juga mudah menyimpang dan menyebabkan kerusakan plastik sehingga membentuk titik-titik ledakan. Jangan gunakan konektor multi-lapis karena terdapat pori-pori di antara lapisan sehingga menyulitkan penyolderan dengan kuat.

Proses terpenting dalam proses pengelasan baterai persegi adalah pengemasan penutup cangkang, yang dibagi menjadi pengelasan penutup atas dan penutup bawah sesuai dengan posisi yang berbeda. Beberapa produsen baterai menggunakan teknologi deep drawing untuk memproduksi casing baterai karena volume baterai yang mereka produksi kecil, sehingga hanya memerlukan pengelasan pada penutup atas.

Sampel pengelasan sisi baterai lithium daya persegi

Metode pengelasan baterai persegi terutama dibagi menjadi pengelasan samping dan pengelasan atas. Keuntungan penting dari pengelasan samping adalah dampaknya lebih kecil pada bagian dalam sel baterai, dan percikan tidak akan mudah masuk ke bagian dalam penutup cangkang. Karena kemungkinan tonjolan setelah pengelasan, yang mungkin berdampak kecil pada proses perakitan selanjutnya, proses pengelasan samping memerlukan stabilitas laser yang sangat tinggi dan kebersihan material. Proses pengelasan atas, karena pengelasan pada satu permukaan, memiliki persyaratan yang relatif rendah untuk integrasi peralatan las dan produksi massal yang sederhana. Namun, ada juga dua kelemahan. Pertama, mungkin ada sedikit percikan yang masuk ke sel baterai selama pengelasan, dan kedua, persyaratan pemrosesan yang tinggi untuk bagian depan cangkang dapat menyebabkan masalah biaya.

5. Faktor-faktor yang mempengaruhi kualitas pengelasan

Pengelasan laser saat ini merupakan metode penting yang sangat direkomendasikan untuk pengelasan baterai kelas atas. Pengelasan laser adalah proses penyinaran laser berenergi tinggi pada suatu benda kerja sehingga menyebabkan peningkatan suhu kerja yang tajam, melelehkan dan menyambung kembali benda kerja tersebut hingga membentuk sambungan permanen. Pengelasan laser memiliki kekuatan geser dan ketahanan sobek yang baik. Kriteria evaluasi kualitas pengelasan baterai meliputi konduktivitas, kekuatan, kedap udara, kelelahan logam, dan ketahanan terhadap korosi.

Ada banyak faktor yang mempengaruhi kualitas pengelasan laser. Beberapa di antaranya sangat fluktuatif dan mempunyai ketidakstabilan yang cukup besar. Cara mengatur dan mengontrol parameter ini dengan benar, sehingga dapat dikontrol dalam rentang yang sesuai selama proses pengelasan laser berkecepatan tinggi dan berkelanjutan, untuk memastikan kualitas pengelasan. Keandalan dan stabilitas pembentukan las merupakan isu penting terkait kepraktisan dan industrialisasi teknologi pengelasan laser. Faktor penting yang mempengaruhi kualitas pengelasan laser meliputi peralatan las, kondisi benda kerja, dan parameter proses.

1) Peralatan las

Persyaratan kualitas yang paling penting untuk laser adalah mode pancaran, daya keluaran, dan stabilitas. Mode pancaran merupakan indikator penting kualitas pancaran. Semakin rendah urutan mode sinar, semakin baik kinerja pemfokusan sinar, semakin kecil titiknya, semakin tinggi kepadatan daya di bawah daya laser yang sama, dan semakin besar kedalaman dan lebar lapisan las. Umumnya, mode dasar (TEM00) atau mode tingkat rendah diperlukan, jika tidak maka akan sulit untuk memenuhi persyaratan pengelasan laser berkualitas tinggi. Saat ini, laser domestik masih menghadapi kesulitan tertentu dalam hal kualitas sinar dan stabilitas keluaran daya untuk pengelasan laser. Dari perspektif situasi luar negeri, kualitas pancaran dan stabilitas daya keluaran laser sudah cukup tinggi dan tidak akan menjadi masalah dalam pengelasan laser. Faktor paling signifikan yang mempengaruhi kualitas pengelasan dalam sistem optik adalah lensa pemfokusan, yang biasanya menggunakan panjang fokus antara 127 mm (5 inci) dan 200 mm (7,9 inci). Panjang fokus yang kecil bermanfaat untuk mengurangi diameter titik pinggang dari sinar fokus, namun terlalu kecil dapat dengan mudah menyebabkan kontaminasi dan kerusakan akibat percikan selama proses pengelasan.

Semakin pendek panjang gelombangnya, semakin tinggi laju penyerapannya; Umumnya bahan dengan konduktivitas yang baik memiliki reflektifitas yang tinggi. Untuk laser YAG, reflektifitas perak 96%, aluminium 92%, tembaga 90%, dan besi 60%. Semakin tinggi suhunya, semakin tinggi pula laju penyerapannya, menunjukkan hubungan linier; Umumnya pelapisan permukaan dengan fosfat, karbon hitam, grafit, dll. dapat meningkatkan laju penyerapan.

2) Kondisi benda kerja

Pengelasan laser memerlukan pemrosesan tepi benda kerja, dengan akurasi perakitan yang tinggi, keselarasan yang ketat antara titik dan lapisan las, dan akurasi perakitan asli serta keselarasan titik benda kerja tidak dapat berubah karena deformasi termal pengelasan selama proses pengelasan. Hal ini karena titik lasernya kecil dan lapisan lasnya sempit. Umumnya, tidak ada logam pengisi yang ditambahkan. Jika rakitan tidak rapat dan celahnya terlalu besar, balok dapat melewati celah tersebut dan tidak dapat melelehkan bahan dasar, atau menyebabkan pemotongan atau depresi yang nyata. Jika penyimpangan antara titik dan jahitan sedikit besar, hal ini dapat menyebabkan fusi tidak sempurna atau pengelasan tidak sempurna. Oleh karena itu, jarak antara docking dan perakitan papan umum serta deviasi penyelarasan titik tidak boleh melebihi {{0}}.1mm, dan ketidaksejajaran tidak boleh melebihi 0.2mm. Dalam produksi sebenarnya, terkadang teknologi pengelasan laser tidak dapat digunakan karena ketidakmampuan memenuhi persyaratan tersebut. Untuk mencapai hasil pengelasan yang baik, jarak yang diperbolehkan untuk penyambungan dan tumpang tindih harus dikontrol dalam 10% dari ketebalan pelat tipis.

Pengelasan laser yang berhasil memerlukan kontak yang erat antara substrat yang dilas. Hal ini memerlukan pengencangan bagian-bagian yang hati-hati untuk mencapai hasil yang optimal. Dan hal ini sulit dilakukan dengan baik pada substrat telinga kutub yang tipis karena rentan terhadap ketidaksejajaran tekukan, terutama bila telinga kutub tertanam dalam modul atau komponen baterai berukuran besar.

3) Parameter pengelasan

1) Faktor terpenting yang mempengaruhi parameter pengelasan mode pengelasan laser dan pembentukan las yang stabil adalah kepadatan daya titik laser. Dampaknya terhadap mode pengelasan dan stabilitas pembentukan las adalah sebagai berikut: seiring dengan peningkatan kepadatan daya titik laser, pengelasan konduktivitas termal menjadi stabil, pengelasan mode tidak stabil, dan pengelasan penetrasi dalam yang stabil.

Kepadatan daya titik laser ditentukan oleh kekuatan laser dan posisi fokus sinar, dengan mempertimbangkan mode sinar tertentu dan panjang fokus cermin pemfokusan. Kepadatan daya laser berbanding lurus dengan kekuatan laser. Pengaruh posisi fokus mempunyai nilai optimal; Ketika fokus balok berada pada posisi tertentu di bawah permukaan benda kerja (dalam kisaran 1-2mm, bergantung pada ketebalan pelat dan parameter), lapisan las yang paling ideal dapat diperoleh. Menyimpang dari posisi fokus optimal ini akan meningkatkan titik permukaan benda kerja, sehingga menyebabkan penurunan kepadatan daya. Dalam rentang tertentu akan menyebabkan terjadinya perubahan bentuk pada proses pengelasan.

Pengaruh kecepatan pengelasan terhadap bentuk dan kestabilan proses pengelasan tidak sebesar pengaruh kekuatan laser dan posisi fokus. Hanya ketika kecepatan pengelasan terlalu tinggi, terjadi ketidakmampuan untuk mempertahankan proses pengelasan penetrasi dalam yang stabil karena masukan panas yang rendah. Selama pengelasan sebenarnya, pengelasan penetrasi dalam yang stabil atau pengelasan konduktivitas termal yang stabil harus dipilih berdasarkan persyaratan las untuk kedalaman penetrasi, dan pengelasan mode tidak stabil harus benar-benar dicegah.

(2) Dalam rentang pengelasan penetrasi dalam, pengaruh parameter pengelasan terhadap kedalaman penetrasi: dalam rentang pengelasan penetrasi dalam yang stabil, semakin tinggi daya laser, semakin besar kedalaman penetrasi, dengan hubungan kira-kira 0 0,7 kekuatan; Semakin tinggi kecepatan pengelasan, semakin dangkal kedalaman penetrasinya. Ketika fokus berada pada posisi optimal dalam kondisi kekuatan laser dan kecepatan pengelasan tertentu, kedalaman penetrasi maksimum terjadi. Jika menyimpang dari posisi ini, kedalaman penetrasi berkurang dan bahkan konduktivitas termal pengelasan menjadi tidak stabil atau stabil.

(3) Dampak gas pelindung, yang kegunaan pentingnya adalah untuk melindungi benda kerja dari oksidasi selama proses pengelasan; Lindungi lensa fokus dari polusi uap logam dan percikan tetesan cairan; Membubarkan plasma yang dihasilkan oleh pengelasan laser berdaya tinggi; Dinginkan benda kerja dan kurangi zona yang terkena panas.

Gas pelindung biasanya argon atau helium, dan nitrogen juga dapat digunakan untuk gas yang persyaratan kualitasnya rendah. Kecenderungannya untuk menghasilkan plasma sangat berbeda: gas helium, karena muatan ionisasinya yang tinggi dan konduktivitas termal yang cepat, memiliki kecenderungan yang lebih kecil untuk menghasilkan plasma dibandingkan gas argon pada kondisi yang sama, sehingga memperoleh kedalaman leleh yang lebih besar. Dalam kisaran tertentu, seiring dengan meningkatnya laju aliran gas pelindung, kecenderungan untuk menekan plasma meningkat, sehingga mengakibatkan peningkatan kedalaman leleh. Namun ketika mencapai rentang tertentu cenderung stabil.

(4) Analisis pemantauan setiap parameter: Di antara empat parameter pengelasan, kecepatan pengelasan dan laju aliran gas pelindung mudah untuk dipantau dan dijaga stabilitasnya, sedangkan daya laser dan posisi fokus merupakan parameter yang dapat berfluktuasi selama proses pengelasan dan sulit untuk dipantau. . Meskipun keluaran daya laser dari laser memiliki stabilitas tinggi dan mudah dipantau, namun daya laser yang mencapai benda kerja akan berubah karena hilangnya sistem pemandu dan pemfokusan. Kerugian ini terkait dengan kualitas, waktu servis, dan polusi permukaan benda kerja optik, sehingga sulit untuk dipantau dan menjadi faktor ketidakpastian dalam kualitas pengelasan. Posisi fokus sinar merupakan salah satu parameter pengelasan yang mempunyai dampak signifikan terhadap kualitas pengelasan dan paling sulit untuk dipantau dan dikendalikan. Saat ini, dalam produksi, perlu mengandalkan penyesuaian manual dan eksperimen proses berulang untuk menentukan posisi titik fokus yang tepat guna mencapai kedalaman penetrasi yang diinginkan. Namun, selama proses pengelasan, karena deformasi benda kerja, efek lensa termal, atau pengelasan kurva spasial multidimensi, posisi fokus dapat berubah dan melampaui rentang yang diizinkan.

Mengenai dua situasi di atas, di satu sisi, komponen optik yang berkualitas tinggi dan stabil harus digunakan dan dirawat secara teratur untuk mencegah polusi dan menjaga kebersihan; Di sisi lain, diperlukan pengembangan metode pemantauan dan kontrol waktu nyata untuk proses pengelasan laser, untuk mengoptimalkan parameter, memantau perubahan daya laser dan posisi fokus mencapai benda kerja, mencapai kontrol loop tertutup, dan meningkatkan keandalan. dan stabilitas kualitas pengelasan laser.

Terakhir, perlu diperhatikan bahwa pengelasan laser adalah proses peleburan. Artinya kedua substrat tersebut akan meleleh selama proses pengelasan laser. Proses ini cepat, sehingga masukan panas secara keseluruhan rendah. Namun karena ini adalah proses peleburan, senyawa intermetalik dengan resistansi tinggi yang rapuh dapat terbentuk saat mengelas bahan yang berbeda. Kombinasi aluminium-tembaga sangat rentan membentuk senyawa intermetalik. Senyawa ini telah terbukti mempunyai efek negatif pada sifat listrik jangka pendek dan sifat mekanik jangka panjang sambungan perangkat mikroelektronik. Dampak senyawa intermetalik ini terhadap kinerja jangka panjang baterai lithium-ion masih belum pasti.