Dank der rasanten Entwicklung der neuen Energiewirtschaft hat sich das Laserschweißen in den letzten Jahren aufgrund seiner schnellen und stabilen Eigenschaften schnell in diesem gesamten Sektor etabliert. Laserschweißanlagen stellen den größten Anteil der Anwendungen in der neuen Energiewirtschaft dar.
Laserschweißenhat sich aufgrund seiner hohen Geschwindigkeit, großen Schweißtiefe und geringen Verformung schnell zur ersten Wahl in allen Lebensbereichen entwickelt. Von Punktschweißungen über Stumpfschweißungen bis hin zu Aufbau- und Dichtungsschweißungen,LaserschweißenEs bietet unübertroffene Präzision und Kontrolle. Es spielt eine wichtige Rolle in der industriellen Produktion und Fertigung, einschließlich der Rüstungsindustrie, des Gesundheitswesens, der Luft- und Raumfahrt, der 3C-Automobilteile, der mechanischen Blechbearbeitung, der neuen Energien und anderer Branchen.
Im Vergleich zu anderen Schweißtechnologien weist das Laserschweißen sowohl spezifische Vor- als auch Nachteile auf.
Vorteil:
1. Hohe Geschwindigkeit, große Eindringtiefe und geringe Verformung.
2. Schweißen kann bei normaler Temperatur oder unter speziellen Bedingungen erfolgen, und die Schweißausrüstung ist einfach. Beispielsweise driftet ein Laserstrahl in einem elektromagnetischen Feld nicht ab. Laser können im Vakuum, in Luft oder in bestimmten Gasatmosphären schweißen und sogar Materialien verschweißen, die für den Laserstrahl durch Glas oder andere Materialien transparent sind.
3. Es kann hochschmelzende Werkstoffe wie Titan und Quarz verschweißen und auch ungleiche Werkstoffe mit guten Ergebnissen verschweißen.
4. Nach der Fokussierung des Lasers ist die Leistungsdichte hoch. Das Aspektverhältnis kann 5:1 erreichen und beim Schweißen von Hochleistungsbauteilen sogar bis zu 10:1.
5. Mikroschweißen ist möglich. Nach der Fokussierung des Laserstrahls entsteht ein kleiner, präzise positionierbarer Punkt. Das Verfahren eignet sich für die Montage und das Schweißen von Mikro- und Kleinteilen und ermöglicht so die automatisierte Massenproduktion.
6. Es ermöglicht das Schweißen schwer zugänglicher Stellen und das berührungslose Schweißen über große Entfernungen und bietet dabei eine hohe Flexibilität. Insbesondere in den letzten Jahren hat die YAG-Laserbearbeitungstechnologie die Glasfaserübertragungstechnologie integriert, wodurch die Laserschweißtechnologie weiter verbreitet und angewendet werden konnte.
7. Der Laserstrahl lässt sich leicht zeitlich und räumlich aufteilen, und mehrere Strahlen können gleichzeitig an mehreren Stellen bearbeitet werden, wodurch die Voraussetzungen für ein präziseres Schweißen geschaffen werden.
Defekt:
1. Die Montagegenauigkeit des Werkstücks muss hoch sein, und die Position des Laserstrahls auf dem Werkstück darf nicht wesentlich abweichen. Dies liegt daran, dass der Laserfleck nach der Fokussierung klein und die Schweißnaht schmal ist, was das Auftragen von Zusatzwerkstoffen erschwert. Werden die Anforderungen an die Montagegenauigkeit des Werkstücks oder die Positionierungsgenauigkeit des Laserstrahls nicht erfüllt, treten mit hoher Wahrscheinlichkeit Schweißfehler auf.
2. Die Kosten für Laser und zugehörige Systeme sind hoch, und die einmalige Investition ist beträchtlich.
Häufige Fehler beim Laserschweißenin der Lithiumbatterieherstellung
1. Schweißporosität
Häufige Defekte beiLaserschweißenEs handelt sich um Poren. Das Schmelzbad beim Schweißen ist tief und schmal. Während des Laserschweißprozesses dringt Stickstoff von außen in das Schmelzbad ein. Beim Abkühlen und Erstarren des Metalls nimmt die Stickstofflöslichkeit mit sinkender Temperatur ab. Beim Abkühlen und der beginnenden Kristallisation des Metalls fällt die Löslichkeit abrupt ab. Dabei kondensiert eine große Menge Gas und bildet Blasen. Ist die Aufstiegsgeschwindigkeit der Blasen geringer als die Kristallisationsgeschwindigkeit des Metalls, entstehen Poren.
In Anwendungen der Lithiumbatterieindustrie beobachten wir häufig, dass Poren besonders beim Schweißen der positiven Elektrode auftreten, während sie beim Schweißen der negativen Elektrode selten vorkommen. Dies liegt daran, dass die positive Elektrode aus Aluminium und die negative Elektrode aus Kupfer besteht. Beim Schweißen kondensiert das flüssige Aluminium an der Oberfläche, bevor das innere Gas vollständig entweicht. Dadurch wird ein Überlaufen des Gases und die Bildung von großen und kleinen Poren (kleinen Spaltöffnungen) verhindert.
Neben den oben genannten Ursachen für Poren zählen auch Außenluft, Feuchtigkeit, Oberflächenöl usw. zu den Faktoren, die Poren begünstigen. Darüber hinaus beeinflussen Richtung und Winkel des Stickstoffblasvorgangs die Porenbildung.
Und wie lässt sich das Auftreten von Schweißporen reduzieren?
Zunächst, bevorSchweißenÖlflecken und Verunreinigungen auf der Oberfläche der eingehenden Materialien müssen rechtzeitig entfernt werden; bei der Herstellung von Lithiumbatterien ist die Wareneingangskontrolle ein unerlässlicher Prozess.
Zweitens sollte der Schutzgasfluss entsprechend Faktoren wie Schweißgeschwindigkeit, Leistung, Position usw. angepasst werden und weder zu hoch noch zu niedrig sein. Der Schutzmanteldruck sollte entsprechend Faktoren wie Laserleistung und Fokusposition angepasst werden und ebenfalls weder zu hoch noch zu niedrig sein. Die Form der Schutzmanteldüse sollte entsprechend Form, Richtung und anderen Faktoren der Schweißnaht so angepasst werden, dass der Schutzmantel die Schweißfläche gleichmäßig abdeckt.
Drittens müssen Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Staubbelastung in der Werkstatt kontrolliert werden. Die Umgebungstemperatur und -feuchtigkeit beeinflussen den Feuchtigkeitsgehalt auf der Oberfläche des Substrats und des Schutzgases, was wiederum die Bildung und den Austritt von Wasserdampf im Schmelzbad beeinflusst. Bei zu hoher Umgebungstemperatur und -feuchtigkeit befindet sich zu viel Feuchtigkeit auf der Oberfläche des Substrats und im Schutzgas, wodurch große Mengen an Wasserdampf entstehen und Poren verursacht werden. Bei zu niedriger Umgebungstemperatur und -feuchtigkeit befindet sich zu wenig Feuchtigkeit auf der Oberfläche des Substrats und im Schutzgas, wodurch die Wasserdampfbildung und somit die Porenbildung reduziert wird. Das Qualitätspersonal sollte die Sollwerte für Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Staubbelastung an der Schweißstation überwachen.
Viertens wird die Strahlschwenkmethode eingesetzt, um Poren beim Lasertiefschweißen zu reduzieren oder zu eliminieren. Durch die Strahlschwenkung während des Schweißvorgangs wird ein wiederholtes Aufschmelzen von Teilen der Schweißnaht bewirkt, wodurch die Verweilzeit des flüssigen Metalls im Schmelzbad verlängert wird. Gleichzeitig erhöht die Strahlablenkung die Wärmeeinbringung pro Flächeneinheit. Das Verhältnis von Schweißtiefe zu -breite wird verringert, was die Blasenbildung begünstigt und somit Poren reduziert. Darüber hinaus bewirkt die Strahlschwenkung eine entsprechende Bewegung der kleinen Öffnungen, wodurch eine Rührkraft im Schmelzbad erzeugt, die Konvektion und Durchmischung erhöht und ebenfalls zur Porenreduzierung beiträgt.
Fünftens ist die Pulsfrequenz entscheidend. Sie bezeichnet die Anzahl der vom Laserstrahl pro Zeiteinheit ausgesendeten Pulse und beeinflusst die Wärmezufuhr und -speicherung im Schmelzbad, wodurch wiederum das Temperatur- und Strömungsfeld im Schmelzbad beeinflusst werden. Eine zu hohe Pulsfrequenz führt zu einer übermäßigen Wärmezufuhr in das Schmelzbad, was dessen Temperatur zu hoch ansteigen lässt und die Bildung von Metalldampf oder anderen bei hohen Temperaturen flüchtigen Elementen sowie die Entstehung von Poren zur Folge hat. Eine zu niedrige Pulsfrequenz hingegen führt zu einer unzureichenden Wärmespeicherung im Schmelzbad, wodurch dessen Temperatur zu niedrig wird. Dies beeinträchtigt die Auflösung und den Gasaustritt und führt ebenfalls zu Poren. Generell sollte die Pulsfrequenz in einem angemessenen Bereich in Abhängigkeit von der Substratdicke und der Laserleistung gewählt werden, um zu hohe oder zu niedrige Werte zu vermeiden.
Schweißlöcher (Laserschweißen)
2. Schweißspritzer
Die beim Laserschweißen entstehenden Schweißspritzer beeinträchtigen die Oberflächenqualität der Schweißnaht erheblich und können die Schutzlinse verschmutzen und beschädigen. Im Allgemeinen zeigt sich nach dem Laserschweißen Folgendes: Zahlreiche Metallpartikel befinden sich auf der Oberfläche des Materials oder Werkstücks und haften daran. Besonders deutlich wird dies beim Schweißen im Galvanometermodus: Nach einer gewissen Nutzungsdauer bilden sich auf der Schutzlinse des Galvanometers dichte Vertiefungen, die durch Schweißspritzer verursacht werden. Mit der Zeit kann dies die Lichtdurchlässigkeit beeinträchtigen und zu Problemen wie Schweißnahtfehlern und unvollständigen Schweißnähten führen.
Was sind die Ursachen für Spritzer?
Erstens: Je höher die Leistungsdichte, desto leichter entstehen Schweißspritzer, und die Spritzermenge steht in direktem Zusammenhang mit der Leistungsdichte. Dies ist ein seit Jahrhunderten bestehendes Problem. Bislang konnte die Industrie das Problem der Schweißspritzer nicht vollständig lösen, sondern lediglich geringfügig reduzieren. In der Lithiumbatterieindustrie sind Schweißspritzer die Hauptursache für Kurzschlüsse, doch die eigentliche Ursache ist nach wie vor unbekannt. Die Auswirkungen von Schweißspritzern auf die Batterie lassen sich nur durch Schutzmaßnahmen verringern. Beispielsweise werden um den Schweißbereich herum Staubabsaugöffnungen und Schutzabdeckungen angebracht sowie Luftdüsen kreisförmig angeordnet, um das Auftreffen von Schweißspritzern oder gar Beschädigungen der Batterie zu verhindern. Die Zerstörung der Umgebung, der Produkte und der Komponenten im Bereich der Schweißstation hat jedoch alle Möglichkeiten ausgeschöpft.
Zur Lösung des Spritzerproblems lässt sich lediglich sagen, dass eine Reduzierung der Schweißenergie die Spritzerbildung verringert. Auch eine Verringerung der Schweißgeschwindigkeit kann bei unzureichendem Einbrand hilfreich sein. Bei bestimmten Prozessanforderungen ist der Effekt jedoch gering. Selbst bei gleichem Prozess führen unterschiedliche Maschinen und Materialchargen zu völlig unterschiedlichen Schweißergebnissen. Daher gilt in der neuen Energiewirtschaft die ungeschriebene Regel: Für jede Anlage gelten eigene Schweißparameter.
Zweitens können Ölflecken oder Verunreinigungen zu starken Spritzern führen, wenn die Oberfläche des bearbeiteten Materials oder Werkstücks nicht gereinigt wird. In diesem Fall ist es am einfachsten, die Oberfläche des bearbeiteten Materials zu reinigen.
3. Hohes Reflexionsvermögen beim Laserschweißen
Im Allgemeinen bedeutet hohe Reflexion, dass das Bearbeitungsmaterial einen geringen spezifischen Widerstand, eine relativ glatte Oberfläche und eine geringe Absorptionsrate für Nahinfrarotlaser aufweist, was zu einer hohen Laseremission führt. Da die meisten Laser vertikal oder nur geringfügig geneigt eingesetzt werden, gelangt das reflektierte Laserlicht aufgrund des Materials wieder in den Ausgabekopf. Ein Teil des reflektierten Lichts wird sogar in die Energieübertragungsfaser eingekoppelt und entlang dieser zurück ins Innere des Lasers geleitet, wodurch die Kernkomponenten im Inneren des Lasers weiterhin auf hoher Temperatur bleiben.
Wenn die Reflektivität beim Laserschweißen zu hoch ist, können folgende Lösungen ergriffen werden:
3.1 Antireflexbeschichtung verwenden oder die Materialoberfläche behandeln: Durch das Aufbringen einer Antireflexbeschichtung auf die Oberfläche des Schweißmaterials lässt sich die Laserreflexion effektiv reduzieren. Diese Beschichtung besteht üblicherweise aus einem speziellen optischen Material mit geringer Reflexion, das die Laserenergie absorbiert, anstatt sie zu reflektieren. Bei manchen Verfahren, wie z. B. Stromkollektorschweißen oder flexiblen Verbindungen, kann die Oberfläche auch geprägt werden.
3.2 Schweißwinkel anpassen: Durch Anpassen des Schweißwinkels kann der Laserstrahl in einem geeigneteren Winkel auf das Schweißgut treffen und Reflexionen reduziert werden. Normalerweise ist es ratsam, den Laserstrahl senkrecht auf die Oberfläche des zu schweißenden Materials auftreffen zu lassen, um Reflexionen zu minimieren.
3.3 Zugabe von Hilfsabsorber: Während des Schweißprozesses wird dem Schweißgut eine bestimmte Menge Hilfsabsorber, beispielsweise in Pulver- oder flüssiger Form, zugegeben. Diese Absorber absorbieren Laserenergie und reduzieren die Reflexion. Der geeignete Absorber muss anhand der spezifischen Schweißmaterialien und Anwendungsszenarien ausgewählt werden. In der Lithiumbatterieindustrie ist dies unwahrscheinlich.
3.4 Laserübertragung über Glasfaser: Um Reflexionen zu reduzieren, kann, wenn möglich, eine Glasfaser zur Übertragung des Laserstrahls an die Schweißposition verwendet werden. Glasfasern können den Laserstrahl gezielt auf den Schweißbereich lenken, um eine direkte Bestrahlung der Schweißgutoberfläche zu vermeiden und Reflexionen zu minimieren.
3.5 Anpassen der Laserparameter: Durch die Anpassung von Parametern wie Laserleistung, Brennweite und Brennweitendurchmesser lässt sich die Verteilung der Laserenergie steuern und Reflexionen reduzieren. Bei manchen reflektierenden Materialien kann die Reduzierung der Laserleistung ein wirksames Mittel zur Verringerung von Reflexionen sein.
3.6 Verwendung eines Strahlteilers: Ein Strahlteiler lenkt einen Teil der Laserenergie in die Absorptionsvorrichtung und reduziert so Reflexionen. Strahlteiler bestehen üblicherweise aus optischen Komponenten und Absorbern. Durch die Auswahl geeigneter Komponenten und die Anpassung des Geräteaufbaus lässt sich eine geringere Reflektivität erzielen.
4. Schweißhinterschneidung
Welche Prozesse im Herstellungsprozess von Lithiumbatterien führen am ehesten zu Unterbohrungen? Warum treten Unterbohrungen auf? Lassen Sie uns das analysieren.
Bei Hinterschneidungen sind die Schweißrohstoffe in der Regel nicht gut miteinander verbunden, der Spalt ist zu groß oder es entsteht eine Nut, deren Tiefe und Breite im Wesentlichen größer als 0,5 mm sind, die Gesamtlänge beträgt mehr als 10 % der Schweißnahtlänge oder ist größer als die im Produktprozessstandard geforderte Länge.
Im gesamten Herstellungsprozess von Lithiumbatterien tritt Hinterschneidung besonders häufig auf, vor allem beim Vorschweißen und Verschweißen der zylindrischen und quadratischen Aluminium-Gehäusedeckelplatte. Hauptgrund dafür ist, dass die Abdeckplatte mit dem Gehäuse verschweißt werden muss. Der Verbindungsprozess zwischen Abdeckplatte und Gehäuse ist anfällig für übermäßige Schweißspalten, Rillen, Verformungen usw., wodurch Hinterschneidungen besonders häufig entstehen.
Was verursacht also das Unterbieten von Preisen?
Ist die Schweißgeschwindigkeit zu hoch, hat das flüssige Metall hinter dem kleinen, zur Schweißnahtmitte weisenden Loch keine Zeit, sich neu zu verteilen. Dies führt zu Erstarrung und Hinterschneidungen an beiden Seiten der Schweißnaht. Daher müssen die Schweißparameter optimiert werden. Vereinfacht gesagt, sind wiederholte Versuche erforderlich, um verschiedene Parameter zu überprüfen und die Versuchsplanung (DOE) so lange fortzusetzen, bis die geeigneten Parameter gefunden sind.
2. Zu große Schweißspalten, -rillen, -einbrüche usw. im Schweißmaterial verringern die Menge an geschmolzenem Metall, die die Spalten füllt, und erhöhen so die Wahrscheinlichkeit von Hinterschneidungen. Dies ist eine Frage der Ausrüstung und der Rohmaterialien. Entsprechen die Schweißrohstoffe den Anforderungen unseres Prozesses? Erfüllt die Ausrüstung die erforderlichen Genauigkeitsvorgaben? Üblicherweise werden Lieferanten und Anlagenbediener ständig unter Druck gesetzt.
3. Fällt die Energie am Ende des Laserschweißens zu schnell ab, kann das kleine Loch zusammenfallen und zu lokalen Hinterschneidungen führen. Durch die korrekte Abstimmung von Leistung und Geschwindigkeit lässt sich die Bildung von Hinterschneidungen wirksam verhindern. Wie es so schön heißt: Versuche wiederholen, verschiedene Parameter überprüfen und die Versuchsplanung fortsetzen, bis die richtigen Parameter gefunden sind.
5. Einsturz der Schweißnahtmitte
Bei zu geringer Schweißgeschwindigkeit wird das Schmelzbad größer und breiter, wodurch die Menge an geschmolzenem Metall zunimmt. Dies kann die Aufrechterhaltung der Oberflächenspannung erschweren. Wird das geschmolzene Metall zu schwer, kann die Schweißnahtmitte absinken und Vertiefungen und Poren bilden. In diesem Fall muss die Energiedichte entsprechend reduziert werden, um ein Zusammenfallen des Schmelzbades zu verhindern.
In einem anderen Fall kommt es beim Schweißen lediglich zu einem Einsturz, ohne dass eine Perforation entsteht. Dies ist zweifellos ein Problem der Presspassung der Bauteile.
Ein genaues Verständnis der Fehler, die beim Laserschweißen auftreten können, und der Ursachen der verschiedenen Fehler ermöglicht ein gezielteres Vorgehen zur Behebung von Schweißproblemen.
6. Schweißnahtrisse
Die beim kontinuierlichen Laserschweißen auftretenden Risse sind hauptsächlich thermische Risse, wie Kristall- und Verflüssigungsrisse. Hauptursache dieser Risse sind die hohen Schrumpfungskräfte, die beim Schweißen vor der vollständigen Erstarrung entstehen.
Folgende Gründe können ebenfalls zu Rissen beim Laserschweißen führen:
1. Unangemessene Schweißnahtgestaltung: Eine ungeeignete Geometrie und Größe der Schweißnaht kann zu Spannungskonzentrationen und damit zu Rissen führen. Die Lösung besteht darin, die Schweißnahtgestaltung zu optimieren, um Spannungskonzentrationen zu vermeiden. Dies kann beispielsweise durch versetzte Schweißnähte oder eine veränderte Schweißnahtform erreicht werden.
2. Fehlende Schweißparameter: Eine falsche Wahl der Schweißparameter, wie z. B. eine zu hohe Schweißgeschwindigkeit oder zu hohe Leistung, kann zu ungleichmäßigen Temperaturänderungen im Schweißbereich führen. Dies kann hohe Schweißspannungen und Risse zur Folge haben. Abhilfe schafft die Anpassung der Schweißparameter an das jeweilige Material und die Schweißbedingungen.
3. Unzureichende Schweißnahtvorbereitung: Wird die Schweißnaht vor dem Schweißen nicht ordnungsgemäß gereinigt und vorbehandelt (z. B. durch Entfernen von Oxiden, Fett usw.), beeinträchtigt dies die Qualität und Festigkeit der Schweißnaht und führt leicht zu Rissen. Abhilfe schafft eine gründliche Reinigung und Vorbehandlung der Schweißnaht, um Verunreinigungen und Schadstoffe im Schweißbereich effektiv zu entfernen.
4. Unzureichende Wärmeeinbringung beim Schweißen: Eine mangelhafte Wärmeeinbringung während des Schweißens, wie z. B. zu hohe Temperaturen oder eine unzureichende Abkühlgeschwindigkeit der Schweißnaht, führt zu Veränderungen der Schweißnahtstruktur und damit zu Rissen. Abhilfe schafft die Kontrolle von Temperatur und Abkühlgeschwindigkeit während des Schweißens, um Überhitzung und zu schnelles Abkühlen zu vermeiden.
5. Unzureichende Spannungsarmglühung: Eine unzureichende Spannungsarmglühung nach dem Schweißen führt zu einer unzureichenden Spannungsarmglühung im Schweißbereich, was leicht zu Rissen führen kann. Abhilfe schafft eine geeignete Spannungsarmglühung nach dem Schweißen, beispielsweise durch Wärmebehandlung oder Vibrationsbehandlung (Hauptgrund).
Welche Herstellungsprozesse von Lithiumbatterien führen am ehesten zu Rissen?
Im Allgemeinen treten Risse häufig beim Schweißen von Dichtungsteilen auf, beispielsweise beim Schweißen von zylindrischen Stahl- oder Aluminiumgehäusen, beim Schweißen von quadratischen Aluminiumgehäusen usw. Darüber hinaus ist beim Modulverpackungsprozess auch das Schweißen des Stromabnehmers anfällig für Risse.
Selbstverständlich können wir auch Fülldraht, Vorwärmen oder andere Methoden einsetzen, um diese Risse zu reduzieren oder zu beseitigen.
Veröffentlichungsdatum: 01.09.2023
