Valymas ir pjovimas lazeriu: didelio suvirinimo stiprumo paslaptis

Autorius: Dany Huang, Ph.D.

„TOB New Energy“ generalinis direktorius ir tyrimų ir plėtros vadovas

Susisiekite su Dr. Huang „LinkedIn“.

Santrauka ir pagrindiniai dalykai

Stulpelio suvirinimas paviršiuje sugenda gerokai anksčiau, nei sugenda ties suvirinimo siūle. Aliuminio skirtukai turi 2–10 nm storio natūralų oksidą, kurio juostos tarpas yra netoli 8,8 eV – elektros izoliatorius, esantis tarp dviejų metalų, kurie turėtų būti metalurgiškai sujungti. Jį nuėmus prieš pat suvirinimą, pasikeičia abu svarbūs skaičiai: traukos stiprumas ir jungties pasipriešinimas.

• Tipiškas traukos jėgos pokytis po valymo:25–40 N prieš, 45–65 N po, ant 0,2 mm aliuminio ąselės, privirintos prie šynos, kai sklaida sumažėja nuo 25–40% CV iki mažiau nei 10%.
• Tipiškas sąnario pasipriešinimo poslinkis:0,8–1,5 mΩ prieš, 0,2–0,4 mΩ po to, kad būtų svarbu 100 A nuolatinio iškrovimo kelyje.
• Oksidas atauga:1–2 nm per kelias minutes ore. Valymas turi būti atliekamas tiesiai prieš suvirinimo siūlę, o ne atskiras partijos etapas.
• Pjovimas lazeriu išlaiko mažesnius nei 10–15 µm atskilusius įrankius, pakeičiant ašmenis, kurių briaunos kokybė prastėja su kiekvienu smūgiu.

Skirtuko suvirinimas praeina vizualinį patikrinimą. Jokių purslų, jokios spalvos pakitimo, jokio akivaizdaus tarpo. Tada traukimo testas rodo 32 N, palyginti su 45 N specifikacija, o jungties pasipriešinimas matuoja keturis kartus didesnę vertę, kuri buvo modeliuojama. Suvirinimo recepte nebuvo nieko blogo. Paviršius, kurį buvo prašoma sujungti, niekada nebuvo metalinis.

Tai vienas tyliausių gedimo režimų elementų surinkime, nes defektas yra nematomas kiekvienam optiniam patikrinimui ir atsiranda tik tada, kai kažkas matuoja jėgą ar pasipriešinimą. Inžinerinis atsakymas nėra stipresnis suvirinimo grafikas. Tai yra paviršiaus paruošimas, kuris vyksta sekundėmis prieš suvirinimą, ant linijos, kiekvieną ciklą.

Kodėl ąselės paviršius nustato suvirinimo stiprumą anksčiau nei suvirinimas

Aliuminis nelieka plikas. Šviežias paviršius aplinkos ore oksiduojasi per kelias sekundes, iš karto pasiekdamas 2–4 nm ir toliau didėdamas iki 5–10 nm per kelias valandas. Ta plėvelė nėra plonas nemalonus sluoksnis. Tai Al₂O3, kurio juostos tarpas yra netoli 8,8 eV-a dielektriko. Ultragarsinio suvirinimo atveju oksidas apsaugo nuo atominio masto kontakto, kuris leidžia kietojo kūno sujungimą. Suvirinant lazeriu, jis padidina slenkstinę energiją, reikalingą rakto skylutei inicijuoti, ir įveda kintamą sugertį, nes plėvelės storis svyruoja per skirtuką.

Nikelio ir vario skirtukai elgiasi skirtingai, bet ne geriau. Nikelio oksidas ir vario oksidas yra plonesni, bet vis dar atsparūs, o vario oksido augimas paspartėja esant drėgmei ir temperatūrai. Valcuotoje vario folijoje, laikomoje be atmosferos kontrolės, gali būti pakankamai storas oksido sluoksnis, kad suvirinimo elgsena tarp pirmos ir paskutinės partijos ritės akivaizdžiai pasikeistų.

Pridėkite dangos likučių ir vaizdas pablogės. Dengimo metu katodo suspensijos perpurškimas migruoja į skirtukų zonas; anglies ir rišiklio likučiai nusėda ant anodo skirtukų po pjaustymo. Mechaniniu šepečiu šie likučiai ištepami, o ne pašalinami, o išteptas sluoksnis tampa nežinomos sudėties barjeru po suvirinimo siūle.

Trys paviršiaus sąlygos, lemiančios jungties kokybę:

• Oksido storis- nustato, ar iš viso galimas metalo kontaktas su metalu.
• Likučiai ir užteršimas- nustato, ar suvirinimo grynuolis susidaro metale, ar metalo ir organinių šiukšlių mišinyje.
• Paviršiaus topografija- nustato kontakto plotą ir ultragarsinio suvirinimo būdu, kaip energija susijungia į sąsają.

Nė vienas iš jų nėra sprendžiamas reguliuojant suvirinimo galią. Visi trys sprendžiami valant.

Ką pašalina valymas lazeriu ir kodėl jis savaime ribojasi

1064 nm impulsinis skaidulinis lazeris tiekia energiją 10–200 ns impulsais, kurių srautas yra maždaug 1–10 J/cm². Oksido sluoksnis sugeria impulsą daug stipriau nei apatinis metalas ir išgaruoja. Kai paviršius yra metalinis, atspindėjimas smarkiai padidėja, o likusi impulso energija daugiausia atsispindi, o ne sugeria. Todėl procesas yra savaime ribojamas: jis pašalina oksidą ir sustoja ties metalu, todėl tinkamai parametrizuota sistema neplonina 8 µm folijos.

Šis savaime ribojantis elgesys yra priežastis, dėl kurios greitųjų linijų valymas lazeriu pakeičia cheminį ėsdinimą. Procesas yra sausas, nereikalauja skalavimo ar džiovinimo, nesusidaro rūgščių atliekų ir gali veikti tinklelio arba skirtuko perdavimo greičiu.

Pašalinimo tikslai:

Abliacijos metu susidaręs plunksnas turi būti ištrauktas iš valymo galvutės. Metalo ir anglies dalelių pakartotinis kondensavimas ant ką tik išvalyto skirtuko pažeidžia žingsnio tikslą, o palaidos laidžios dalelės ant ląstelės paviršiaus kelia trumpojo jungimo riziką. Ištraukimas yra valymo stoties specifikacijos dalis, o ne priedas.

A prieš B: mechaninis, cheminis ir lazerinis paviršiaus paruošimas

Skirtukų paviršiams paruošti prieš suvirinimą naudojami keturi metodai. Jie nėra keičiami, o palyginimas paaiškina, kodėl lazeris išstūmė kitus didelės apimties linijose.

Mechaninis šepetys išlieka tinkamas atliekant mažos apimties darbus ir skirtus, kur reikia pašalinti tik palaidas šiukšles. Cheminis ėsdinimas sukuria geriausią paviršių, tačiau netinka sausam, įterptam procesui ir reikalauja atliekų apdorojimo išlaidų. Plazma gerai susidoroja su organiniu užteršimu, bet lėtai pašalina aliuminio oksidą. Valymas lazeriu yra vienintelis metodas, kuris apjungia visišką oksidų pašalinimą, sausą inline veikimą ir jokio eksploatacinių medžiagų sukelto dreifo per pamainą.

Traukimo testo skaičiai: prieš ir po

Aiškiausias būdas nurodyti atvejį yra nurodyti matavimą. Toliau pateiktoje lentelėje pateikiamos tipinės 0,2 mm aliuminio skirtuko, suvirinto prie aliuminio šynos, ir nikelio skirtuko, suvirinto prie plieninės skardinės, kvalifikacinės vertės, skirtos valymo būsenoms. Tai yra proceso tikslai, stebimi kvalifikacijos eigoje, o ne universalios konstantos – kiekvienas medžiagų rietuvės ir suvirinimo būdas turi savo langą.

Du skaičiai nusipelno dėmesio, neskaitant jėgos padidėjimo. Pirmasis yra sklaida: variacijos koeficientas didesnis nei 25 % reiškia, kad procesas nekontroliuojamas, o specifikacija, parašyta prieš vidurkį, atmes reikšmingą gerų dalių dalį ir praleis reikšmingą blogų dalių dalį. CV sumažinimas žemiau 10 % dažnai yra vertingesnis už vidutinį stiprumą, nes tai suteikia specifikacijai prasmės.

Antrasis – sąnarių pasipriešinimas. 50 Ah elemente, traukiančiame 100 A nuolatinį, papildomas 1 mΩ ties ąselės jungtimi išsklaido 10 W nedideliu tūriu ir nukrenta 100 mV nuo gnybtų įtampos. Ši šiluma yra dabartiniame surinkimo taške, blogiausioje įmanomoje karštosios vietos vietoje.

Pjovimas lazeriu: atplaišos, nuodegos ir niekada nenusidėvintis įrankis

Skirtuko geometrija sukuriama pjaunant, o nupjautas kraštas yra suvirinimo paviršius skirtuko pusėje ir į separatorių nukreiptas paviršius ląstelės viduje. Pjovimas mechaniniu būdu sukuria galandimo intervalą išaugančią šlaunį; apytiksliai virš 10–15 µm atskilimas gali prasiskverbti į separatorių ir sukuria nenuoseklią suvirinimo sąsają.

Impulsinis pluošto lazerinis pjovimas išlaiko šerdelės aukštį žemiau tos slenksčio per visą įrankio naudojimo laiką, nes nėra nusidėvėjusio krašto. Proceso parametrai, lemiantys kokybę, yra tos pačios šeimos kaip ir valymas: impulso trukmė, pasikartojimo dažnis, židinio padėtis, pagalbinės dujos ir pjūvio greitis. Apatinės pjūvio pusės apnašas kontroliuoja židinio padėtis ir dujų slėgis; šilumos paveiktos zonos plotis ant plonų folijų paprastai būna 20–50 µm.

Praktinis elementų surinkimo pranašumas yra ne tik krašto kokybė. Lazerinio pjovimo galvutė keičia geometriją įkeldama naują kelio failą. Kabelio keitimas trunka valandas, o naujas kauliukas. Cilindrinėse ląstelėse, kuriose skirtuko forma yra integruota su vyniojimo procesu, sujungus pjovimą, valymą ir vyniojimą vienoje mašinoje pašalinami du tvarkymo etapai, o kiekvienas apdorojimo etapas tarp valymo ir suvirinimo yra oksido ataugimo intervalas.

A Cilindrinių elementų lazerinio pjovimo ir vyniojimo staklės, skirtos integruotam skirtukų formavimui ir elektrodų apvijimuiatlieka pjūvį ir vėją vienu nenutrūkstamu srautu. Dėl šios priežasties skirtuko kraštas yra švarus, nuoseklus esant gamybos, o ne tikrinimo greičiui, ir pašalinamas rankinis perkėlimas ten, kur šviežiai nupjautas skirtukas kitu atveju būtų atviras.

Valymo integravimas į liniją, o ne šalia jos

Valymo mašina, sumontuota kaip atskira partijų stotis, išsprendžia paviršiaus problemą ir sukuria planavimo problemą. Nauda mažėja kiekvieną minutę nuo valymo iki suvirinimo, dėl papildomo tvarkymo atsiranda naujų užteršimų, o stotis prideda darbo jėgos, kurią automatika turėjo pašalinti.

Integravimo logika yra paprasta:

• Išvalykite paskutinėje stotyje prieš suvirinimą, tame pačiame perdavimo kelyje, nurodant ir stebint intervalą.
• Ištraukite plunksną prie galvos, su filtravimo dydžiu, pritaikytu abliacijos apkrovai, o ne bendrajai ventiliacijai.
• Stebėkite rezultatą, because a cleaning system that silently loses power or drifts in focus produces a surface that looks clean and welds like an oxide-covered one. Reflectance or plasma-emission feedback from the process provides that check without stopping the line.
• Suderinkite valymo galvutę su suvirinimo būdu: ultragarsinis stulpelių suvirinimas ir lazerinis lazerinis suvirinimas reikalauja skirtingų paviršiaus specifikacijų, o vienam nurodyta sistema automatiškai neaptarnauja kito.

Čia proceso seka yra svarbesnė nei bet kurios atskiros mašinos. Valymas, pjovimas ir suvirinimas yra viena nuolatinė paviršiaus istorija, o įranga, kuri atlieka šiuos veiksmus, turėtų būti nurodyta kaip viena sritis. TOB New Energy tiekiabaterijų ąselių suvirinimo aparatų stotys, skirtos elektrodų ąselių ir srovės rinktuvų sujungimui ultragarsu ir lazeriupjovimo ir valymo padėtis prieš srovę apibrėžta kaip tos pačios linijos išdėstymo dalis, todėl intervalas tarp paruošimo ir sujungimo yra suplanuotas, o ne aptiktas paleidimo metu.

Elektrodų profiliams, kurie keičiasi tobulinimo metu, ta pati logika galioja ir įpjovimo žingsnyje:Lazerinis elektrodų štampavimas su profilio keitimu be įrankių ir briaunomis be įbrėžimųsumažina štampo sąnaudas ir štampų keitimo prastovos trukmę, kurios kitu atveju nutraukia paviršiaus istoriją tarp dengimo ir suvirinimo.

DUK: Valymas lazeriu ir suvirinimo stiprumas

Ar valymas lazeriu iš tikrųjų padidina suvirinimo siūlės traukos stiprumą?
Taip. Įprasti 0,2 mm aliuminio skirtuko kvalifikaciniai duomenys rodo, kad po valymo traukos stiprumas keičiasi nuo 25–40 N iki 45–65 N, kai sklaida nukrenta žemiau 10 % CV.

Kaip greitai aliuminio oksidas atauga po valymo?
Apytiksliai 1–2 nm per kelias minutes aplinkos ore, o per kelias valandas tęsiasi link 5–10 nm. Štai kodėl valymas yra atliekamas tiesiai prieš suvirinimą, o ne atskiru etapu.

Ar valymas lazeriu gali pažeisti ploną ąselės foliją?
Ne, kai parametrai yra teisingai. Procesas yra savaime ribojamas: pašalinus oksidą, metalo atspindėjimas padidėja, o impulsų sugertis smarkiai sumažėja. Neteisingas takumas arba fokusavimas vis tiek gali pažymėti paviršių, todėl reikia patikrinti faktinio folijos storio parametrus.

Kodėl verta naudoti lazerinį pjovimą, o ne štampavimą skirtukams?
Pjovimas lazeriu išlaiko mažesnius nei 10–15 µm atšakos, nesusidėvėdamas įrankyje ir keičia geometriją įkeldamas naują kelio failą. Pjovimo štampas auga per galandimo intervalą ir kiekvienai naujai skirtuko formai reikia naujo štampavimo.

Ar valymo etapas pakeičia suvirinimo stebėjimo poreikį?
Ne. Valymas pašalina vieną kintamąjį; tai netikrina suvirinimo. Koaksialinio suvirinimo stebėjimas ir traukimo bandymo mėginių ėmimas išlieka būtini, o valymo proceso grįžtamasis ryšys – atspindys arba plazmos emisija – patvirtina, kad pats valymo veiksmas vis dar veikia.

Techninė nuoroda, sudaryta TOB New Energy procesų inžinerijos grupės iš skirtukų paruošimo ir suvirinimo integravimo darbų cilindrinėse, prizminėse ir maišelių surinkimo linijose. Jei norite įvertinti savo specifinių skirtukų krūvos stiprumą ir atsparumą, susisiekite su Dr. Dany Huang „LinkedIn“ arba pateikite suvirinimo kuponus Siameno taikymo laboratorijai.