En los últimos años, gracias al rápido desarrollo de la industria de las energías renovables, la soldadura láser se ha extendido rápidamente por todo el sector debido a sus ventajas en cuanto a rapidez y estabilidad. De hecho, los equipos de soldadura láser representan la mayor proporción de aplicaciones en toda la industria de las energías renovables.
Soldadura láserSe ha convertido rápidamente en la primera opción en todos los ámbitos de la vida debido a su rápida velocidad, gran profundidad y pequeña deformación. Desde soldaduras por puntos hasta soldaduras a tope, soldaduras de acumulación y sellado,soldadura láserOfrece una precisión y un control sin igual. Desempeña un papel importante en la producción y fabricación industrial, incluyendo la industria militar, la atención médica, la industria aeroespacial, las autopartes 3C, la metalurgia mecánica, las energías renovables y otros sectores.
En comparación con otras tecnologías de soldadura, la soldadura láser tiene sus propias ventajas y desventajas.
Ventaja:
1. Alta velocidad, gran profundidad y pequeña deformación.
2. La soldadura puede realizarse a temperatura ambiente o en condiciones especiales, y el equipo es sencillo. Por ejemplo, un rayo láser no se desvía en un campo electromagnético. Los láseres pueden soldar en vacío, aire o ciertos gases, y pueden soldar materiales que son transparentes al rayo láser, como el vidrio.
3. Puede soldar materiales refractarios como titanio y cuarzo, y también puede soldar materiales diferentes con buenos resultados.
4. Una vez enfocado el láser, la densidad de potencia es alta. La relación de aspecto puede alcanzar 5:1, e incluso hasta 10:1 al soldar dispositivos de alta potencia.
5. Se puede realizar microsoldadura. Tras enfocar el haz láser, se obtiene un punto pequeño que se puede posicionar con precisión. Esto permite el ensamblaje y la soldadura de piezas pequeñas y microestructuradas para lograr la producción en masa automatizada.
6. Permite soldar zonas de difícil acceso y realizar soldaduras a larga distancia sin contacto, con gran flexibilidad. En particular, en los últimos años, la tecnología de procesamiento láser YAG ha adoptado la tecnología de transmisión por fibra óptica, lo que ha permitido una mayor difusión y aplicación de la soldadura láser.
7. El rayo láser se puede dividir fácilmente en el tiempo y el espacio, y se pueden procesar varios haces en múltiples ubicaciones simultáneamente, lo que proporciona las condiciones para una soldadura más precisa.
Defecto:
1. Se requiere una alta precisión en el ensamblaje de la pieza, y la posición del haz sobre la misma no puede desviarse significativamente. Esto se debe a que el tamaño del punto láser tras el enfoque es pequeño y la costura de soldadura es estrecha, lo que dificulta la adición de material de aporte. Si la precisión de ensamblaje de la pieza o la precisión de posicionamiento del haz no cumplen con los requisitos, es probable que se produzcan defectos de soldadura.
2. El coste de los láseres y los sistemas relacionados es elevado, y la inversión inicial es considerable.
Defectos comunes en la soldadura láseren la fabricación de baterías de litio
1. Porosidad de soldadura
Defectos comunes ensoldadura láserson poros. El baño de fusión de la soldadura es profundo y estrecho. Durante el proceso de soldadura láser, el nitrógeno invade el baño de fusión desde el exterior. Durante el proceso de enfriamiento y solidificación del metal, la solubilidad del nitrógeno disminuye con la disminución de la temperatura. Cuando el metal del baño de fusión se enfría y comienza a cristalizar, la solubilidad caerá de forma brusca y repentina. En ese momento, una gran cantidad de gas precipitará formando burbujas. Si la velocidad de flotación de las burbujas es menor que la velocidad de cristalización del metal, se generarán poros.
En las aplicaciones de la industria de las baterías de litio, a menudo observamos que la formación de poros es particularmente probable durante la soldadura del electrodo positivo, pero rara vez ocurre durante la soldadura del electrodo negativo. Esto se debe a que el electrodo positivo está hecho de aluminio y el negativo de cobre. Durante la soldadura, el aluminio líquido en la superficie se condensa antes de que el gas interno se desborde por completo, lo que impide que este se extienda y forme orificios de diferentes tamaños. Estomas pequeños.
Además de las causas de poros mencionadas anteriormente, también pueden formarse poros debido al aire exterior, la humedad, el aceite superficial, etc. Asimismo, la dirección y el ángulo de soplado de nitrógeno también influyen en la formación de poros.
¿Y cómo reducir la aparición de poros de soldadura?
Primero, antessoldaduraLas manchas de aceite y las impurezas en la superficie de los materiales entrantes deben limpiarse a tiempo; en la producción de baterías de litio, la inspección de los materiales entrantes es un proceso esencial.
En segundo lugar, el flujo de gas de protección debe ajustarse según factores como la velocidad de soldadura, la potencia, la posición, etc., evitando que sea demasiado alto o demasiado bajo. La presión de la capa protectora debe ajustarse según factores como la potencia del láser y la posición del foco, evitando que sea demasiado alta o demasiado baja. La forma de la boquilla de la capa protectora debe ajustarse según la forma, la dirección y otros factores de la soldadura para que la capa protectora cubra uniformemente el área de soldadura.
En tercer lugar, controle la temperatura, la humedad y el polvo en el aire del taller. La temperatura y la humedad ambiente afectarán el contenido de humedad en la superficie del sustrato y del gas protector, lo que a su vez afectará la generación y la liberación de vapor de agua en el baño de fusión. Si la temperatura y la humedad ambiente son demasiado altas, habrá un exceso de humedad en la superficie del sustrato y del gas protector, generando una gran cantidad de vapor de agua y provocando poros. Si la temperatura y la humedad ambiente son demasiado bajas, habrá muy poca humedad en la superficie del sustrato y en el gas protector, reduciendo la generación de vapor de agua y, por lo tanto, la formación de poros. El personal de control de calidad deberá verificar los valores objetivo de temperatura, humedad y polvo en la estación de soldadura.
En cuarto lugar, el método de oscilación del haz se utiliza para reducir o eliminar los poros en la soldadura láser de penetración profunda. Debido a la oscilación durante la soldadura, el movimiento alternativo del haz sobre la costura de soldadura provoca la refundición repetida de parte de la misma, lo que prolonga el tiempo de permanencia del metal líquido en el baño de soldadura. Al mismo tiempo, la desviación del haz también aumenta el aporte térmico por unidad de área. La relación profundidad-anchura de la soldadura se reduce, lo que favorece la aparición de burbujas y, por lo tanto, elimina los poros. Por otro lado, la oscilación del haz provoca que el orificio pequeño oscile en consecuencia, lo que también proporciona una fuerza de agitación al baño de soldadura, aumenta la convección y la agitación del mismo, y tiene un efecto beneficioso en la eliminación de los poros.
En quinto lugar, la frecuencia de pulso. Esta se refiere al número de pulsos emitidos por el haz láser por unidad de tiempo, lo que afecta la entrada y acumulación de calor en el baño de fusión, y por consiguiente, el campo de temperatura y el campo de flujo en dicho baño. Si la frecuencia de pulso es demasiado alta, se producirá una entrada excesiva de calor en el baño de fusión, elevando su temperatura y generando vapor de metal u otros elementos volátiles a altas temperaturas, lo que dará lugar a la formación de poros. Si la frecuencia de pulso es demasiado baja, se producirá una acumulación insuficiente de calor en el baño de fusión, lo que provocará una temperatura demasiado baja, reduciendo la disolución y la liberación de gases, lo que también dará lugar a la formación de poros. En general, la frecuencia de pulso debe elegirse dentro de un rango razonable en función del espesor del sustrato y la potencia del láser, evitando valores demasiado altos o demasiado bajos.
Agujeros de soldadura (soldadura láser)
2. Salpicaduras de soldadura
Las salpicaduras generadas durante el proceso de soldadura láser afectan gravemente la calidad de la superficie de la soldadura, contaminando y dañando la lente. El comportamiento general es el siguiente: tras finalizar la soldadura láser, aparecen numerosas partículas metálicas en la superficie del material o pieza de trabajo, adhiriéndose a ella. El comportamiento más evidente se observa al soldar con galvanómetro: tras un tiempo de uso de la lente protectora, aparecen porosidades densas en la superficie, causadas por las salpicaduras de soldadura. Con el tiempo, estas porosidades pueden obstruir la luz, lo que provoca problemas con la iluminación de soldadura y, en consecuencia, una serie de problemas como soldaduras defectuosas o incompletas.
¿Cuáles son las causas de las salpicaduras?
Primero, la densidad de potencia: cuanto mayor sea la densidad de potencia, más fácil será generar salpicaduras, y estas están directamente relacionadas con la densidad de potencia. Este es un problema que lleva siglos presente. Hasta ahora, la industria no ha logrado resolver el problema de las salpicaduras, y solo se ha reducido ligeramente. En la industria de las baterías de litio, las salpicaduras son la principal causa de cortocircuitos, pero aún no se ha podido solucionar la causa raíz. El impacto de las salpicaduras en la batería solo puede reducirse desde el punto de vista de la protección. Por ejemplo, se añade un círculo de puertos de extracción de polvo y cubiertas protectoras alrededor de la zona de soldadura, y filas de boquillas de aire en círculos para evitar el impacto de las salpicaduras o incluso daños a la batería. Se puede decir que se han agotado todos los recursos disponibles para destruir el medio ambiente, los productos y los componentes alrededor de la estación de soldadura.
En cuanto a la solución del problema de las salpicaduras, se puede afirmar que reducir la energía de soldadura ayuda a disminuirlas. Disminuir la velocidad de soldadura también puede ser útil si la penetración es insuficiente. Sin embargo, en algunos procesos específicos, esto tiene poco efecto. Si bien el proceso es el mismo, diferentes máquinas y lotes de materiales producen resultados de soldadura completamente distintos. Por lo tanto, en la industria de las energías renovables existe una regla no escrita: un conjunto de parámetros de soldadura para cada equipo.
En segundo lugar, si la superficie del material o pieza procesada no se limpia, las manchas de aceite o los contaminantes provocarán salpicaduras importantes. En este caso, lo más sencillo es limpiar la superficie del material.
3. Alta reflectividad de la soldadura láser
En términos generales, la alta reflexión se refiere al hecho de que el material de procesamiento tiene una resistividad baja, una superficie relativamente lisa y una tasa de absorción baja para los láseres de infrarrojo cercano, lo que conduce a una gran cantidad de emisión láser, y debido a que la mayoría de los láseres se utilizan en vertical. Debido al material o a una pequeña cantidad de inclinación, la luz láser reflejada vuelve a entrar en el cabezal de salida, e incluso parte de la luz reflejada se acopla a la fibra de transmisión de energía y se transmite de vuelta a lo largo de la fibra al interior del láser, lo que hace que los componentes centrales dentro del láser continúen a alta temperatura.
Cuando la reflectividad es demasiado alta durante la soldadura láser, se pueden tomar las siguientes soluciones:
3.1 Aplicar un recubrimiento antirreflectante o tratar la superficie del material: Recubrir la superficie del material de soldadura con un recubrimiento antirreflectante reduce eficazmente la reflectividad del láser. Este recubrimiento suele ser un material óptico especial de baja reflectividad que absorbe la energía del láser en lugar de reflejarla. En algunos procesos, como la soldadura por colector de corriente, la conexión flexible, etc., también se puede grabar la superficie.
3.2 Ajuste del ángulo de soldadura: Al ajustar el ángulo de soldadura, el haz láser puede incidir sobre el material a soldar con un ángulo más adecuado y reducir la aparición de reflexiones. Normalmente, hacer que el haz láser incida perpendicularmente sobre la superficie del material a soldar es una buena manera de reducir las reflexiones.
3.3 Adición de absorbente auxiliar: Durante el proceso de soldadura, se añade a la soldadura una cierta cantidad de absorbente auxiliar, como polvo o líquido. Estos absorbentes absorben la energía del láser y reducen la reflectividad. Es necesario seleccionar el absorbente adecuado en función de los materiales de soldadura específicos y los escenarios de aplicación. En la industria de las baterías de litio, esto es poco probable.
3.4 Utilizar fibra óptica para la transmisión del láser: Si es posible, se puede utilizar fibra óptica para transmitir el láser a la zona de soldadura y reducir la reflectividad. Las fibras ópticas guían el haz láser hacia la zona de soldadura, evitando la exposición directa a la superficie del material y minimizando los reflejos.
3.5 Ajuste de parámetros del láser: Ajustando parámetros como la potencia, la distancia focal y el diámetro focal del láser, se puede controlar la distribución de la energía láser y reducir los reflejos. Para algunos materiales reflectantes, reducir la potencia del láser puede ser una forma eficaz de disminuir los reflejos.
3.6 Uso de un divisor de haz: Un divisor de haz puede dirigir parte de la energía del láser hacia el dispositivo de absorción, reduciendo así la aparición de reflexiones. Los divisores de haz suelen constar de componentes ópticos y absorbentes, y mediante la selección de componentes adecuados y el ajuste de la disposición del dispositivo, se puede lograr una menor reflectividad.
4. Socavado de soldadura
En el proceso de fabricación de baterías de litio, ¿qué procesos tienen más probabilidades de provocar socavación? ¿Por qué se produce la socavación? Analicémoslo.
En el caso de socavación, generalmente las materias primas de soldadura no se combinan bien entre sí, el espacio es demasiado grande o aparece una ranura, la profundidad y el ancho son básicamente mayores de 0,5 mm, la longitud total es mayor del 10 % de la longitud de soldadura, o mayor que la longitud requerida por el estándar del proceso del producto.
En todo el proceso de fabricación de baterías de litio, es más probable que se produzcan socavaduras, las cuales generalmente se localizan en la soldadura previa y posterior del sellado de la placa de cubierta cilíndrica y de la placa de cubierta cuadrada de aluminio. La razón principal es que la placa de cubierta de sellado debe soldarse junto con la carcasa, y el proceso de unión entre ambas es propenso a generar huecos de soldadura excesivos, ranuras, colapsos, etc., lo que las hace particularmente propensas a sufrir socavaduras.
¿Qué provoca entonces la socavación?
Si la velocidad de soldadura es demasiado rápida, el metal líquido detrás del pequeño orificio que apunta al centro de la soldadura no tendrá tiempo de redistribuirse, lo que provocará solidificación y socavación en ambos lados de la soldadura. Ante esta situación, es necesario optimizar los parámetros de soldadura. En resumen, se trata de realizar experimentos repetidos para verificar diversos parámetros y continuar con el diseño de experimentos (DOE) hasta encontrar los parámetros adecuados.
2. Las excesivas holguras, ranuras, colapsos, etc., de los materiales de soldadura reducirán la cantidad de metal fundido que llena las holguras, lo que aumenta la probabilidad de que se produzcan socavaduras. Esto es una cuestión de equipos y materias primas. Si las materias primas de soldadura cumplen con los requisitos de entrada de nuestro proceso, si la precisión del equipo cumple con los requisitos, etc. La práctica habitual es presionar constantemente a los proveedores y a los responsables del equipo.
3. Si la energía disminuye demasiado rápido al final de la soldadura láser, el pequeño orificio puede colapsar, provocando socavaduras locales. La correcta combinación de potencia y velocidad puede prevenir eficazmente la formación de socavaduras. Como dice el dicho, repita los experimentos, verifique los distintos parámetros y continúe con el diseño de experimentos (DOE) hasta encontrar los parámetros adecuados.
5. Colapso del centro de soldadura
Si la velocidad de soldadura es lenta, el baño de fusión será más grande y ancho, aumentando la cantidad de metal fundido. Esto puede dificultar el mantenimiento de la tensión superficial. Cuando el metal fundido se vuelve demasiado denso, el centro de la soldadura puede hundirse y formar cavidades y poros. En este caso, es necesario reducir adecuadamente la densidad de energía para evitar el colapso del baño de fusión.
En otro caso, la junta de soldadura simplemente colapsa sin perforar. Esto es, sin duda, un problema de ajuste a presión del equipo.
Una comprensión adecuada de los defectos que pueden producirse durante la soldadura láser y de las causas de los diferentes defectos permite un enfoque más específico para resolver cualquier problema de soldadura anormal.
6. Grietas de soldadura
Las fisuras que aparecen durante la soldadura láser continua son principalmente fisuras térmicas, como fisuras cristalinas y fisuras por licuefacción. La causa principal de estas fisuras son las grandes fuerzas de contracción generadas por la soldadura antes de su completa solidificación.
También existen las siguientes razones para la aparición de grietas en la soldadura láser:
1. Diseño de soldadura inadecuado: Un diseño incorrecto de la geometría y el tamaño de la soldadura puede provocar concentración de tensiones y, por consiguiente, grietas. La solución consiste en optimizar el diseño de la soldadura para evitar dicha concentración. Para ello, se pueden utilizar soldaduras desplazadas adecuadas, modificar la forma de la soldadura, etc.
2. Desajuste de los parámetros de soldadura: Una selección inadecuada de los parámetros de soldadura, como una velocidad de soldadura demasiado rápida o una potencia excesiva, puede provocar variaciones de temperatura desiguales en la zona de soldadura, lo que resulta en grandes tensiones y grietas. La solución consiste en ajustar los parámetros de soldadura según el material y las condiciones específicas de soldadura.
3. Preparación deficiente de la superficie de soldadura: Si no se limpia y pretrata adecuadamente la superficie de soldadura antes de soldar, eliminando óxidos, grasa, etc., la calidad y la resistencia de la soldadura se verán afectadas y se producirán fácilmente grietas. La solución consiste en limpiar y pretratar adecuadamente la superficie de soldadura para garantizar la eliminación eficaz de impurezas y contaminantes en la zona de soldadura.
4. Control inadecuado del aporte térmico durante la soldadura: Un control deficiente del aporte térmico durante la soldadura, como una temperatura excesiva o una velocidad de enfriamiento inadecuada de la capa soldada, puede provocar cambios en la estructura de la zona soldada y, en consecuencia, grietas. La solución consiste en controlar la temperatura y la velocidad de enfriamiento durante la soldadura para evitar el sobrecalentamiento y el enfriamiento rápido.
5. Alivio de tensiones insuficiente: Un tratamiento de alivio de tensiones insuficiente después de la soldadura provocará una reducción significativa de las tensiones en la zona soldada, lo que fácilmente dará lugar a grietas. La solución consiste en realizar un tratamiento de alivio de tensiones adecuado después de la soldadura, como un tratamiento térmico o un tratamiento por vibración (causa principal).
En cuanto al proceso de fabricación de las baterías de litio, ¿qué procesos tienen más probabilidades de provocar grietas?
Por lo general, las grietas son propensas a aparecer durante la soldadura de sellado, como la soldadura de sellado de carcasas cilíndricas de acero o aluminio, la soldadura de sellado de carcasas cuadradas de aluminio, etc. Además, durante el proceso de empaquetado del módulo, la soldadura del colector de corriente también es propensa a agrietarse.
Por supuesto, también podemos utilizar alambre de relleno, precalentamiento u otros métodos para reducir o eliminar estas grietas.
Fecha de publicación: 1 de septiembre de 2023
