Автор: Dany Huang, Ph.D.
Изпълнителен директор и ръководител на научноизследователска и развойна дейност, TOB New Energy
Свържете се с д-р Хуанг в LinkedIn
Резюме и ключови изводи
Заваръчният шев се проваля на повърхността много преди да се провали при заваръчния шев. Алуминиевите пластини носят естествен оксид с дебелина 2–10 nm със забранена лента близо 8,8 eV - електрически изолатор, разположен между два метала, за които се предполага, че са металургично свързани. Премахването му непосредствено преди заваряване променя и двете показатели, които имат значение: якостта на издърпване и устойчивостта на съединението.
- Типична промяна на силата на издърпване след почистване:25–40 N преди, 45–65 N след това върху 0,2 mm алуминиева пластина, заварена към шина, с разсейване, падащо от 25–40% CV до под 10%.
- Типична промяна на съпротивлението на ставата:0,8–1,5 mΩ преди, 0,2–0,4 mΩ след това, достатъчно, за да има значение при 100 A непрекъснат път на разреждане.
- Оксидът расте отново:1–2 nm в рамките на минути във въздуха. Почистването трябва да е в линия и непосредствено преди заваръчния шев, а не като отделна партидна стъпка.
- Лазерното рязане поддържа грапавина под 10–15 µm без износване на инструмента, заменяйки острие, чието качество на ръба се влошава с всеки удар.
Заваръчният шев преминава визуална проверка. Без пръски, без обезцветяване, без очевидна празнина. След това тестът за издърпване отчита 32 N срещу спецификация от 45 N и съпротивлението на ставата измерва четири пъти стойността, която е моделирана. Нищо в рецептата за заваряване не беше наред. Повърхността, която заваръчният шев трябваше да съедини, никога не е била метална на първо място.
Това е един от най-тихите режими на повреда при сглобяването на клетката, тъй като дефектът е невидим за всяка оптична проверка и се появява само когато нещо измерва сила или съпротивление. Инженерният отговор не е по-силен график за заваряване. Това е подготовка на повърхността, която се случва в секундите преди заваряването, на линията, всеки цикъл.
Защо разделителната повърхност определя якостта на заварката преди заварката
Алуминият не остава гол. Свежата повърхност се окислява за секунди в околния въздух, достигайки незабавно 2–4 nm и продължавайки да расте до 5–10 nm за часове. Този филм не е тънък неудобен слой. Това е Al₂O₃ със забранена лента близо до 8,8 eV-a диелектрик. За ултразвуково заваряване оксидът предотвратява контакта с атомен мащаб, който позволява свързване в твърдо състояние. За лазерно заваряване той повишава прага на енергията, необходим за иницииране на ключалка и въвежда променлива абсорбция, тъй като дебелината на филма варира в раздела.
Никелови и медни пластини се държат по различен начин, но не по-добре. Никеловият оксид и медният оксид са по-тънки, но все още устойчиви, а растежът на медния оксид се ускорява с влажност и температура. Навито медно фолио, съхранявано без контрол на атмосферата, може да носи достатъчно дебел оксиден слой, за да промени видимо поведението на заваръчния шев между първата и последната макара от партидата.
Добавете остатъци от покритието и картината ще се влоши. Разпръскването на катодна суспензия мигрира върху разделителните зони по време на нанасяне на покритие; остатъците от въглерод и свързващо вещество седят върху анодни пластини след нарязване. Механичното четкане размазва тези остатъци, вместо да ги премахва, и размазаният слой се превръща в бариера с неизвестен състав под заваръчния шев.
Трите условия на повърхността, които определят качеството на фугата:
- Дебелина на оксида- определя дали изобщо е възможен контакт метал с метал.
- Остатъци и замърсяване- определя дали заваръчният къс се образува в метал или в композит от метал и органични остатъци.
- Топография на повърхността- определя контактната площ и, при ултразвуково заваряване, как енергията преминава в интерфейса.
Нито едно от тях не се решава чрез регулиране на мощността на заваряване. И трите се адресират чрез почистване.
Какво премахва лазерното почистване и защо се самоограничава
Импулсен влакнест лазер при 1064 nm доставя енергия в импулси от 10–200 ns при флуенси от приблизително 1–10 J/cm². Оксидният слой абсорбира импулса много по-силно от долния метал и се изпарява. След като повърхността стане метална, отразяващата способност се повишава рязко и оставащата импулсна енергия се отразява до голяма степен, а не се абсорбира. Следователно процесът е самоограничаващ се: той премахва оксида и спира до метала, поради което правилно параметризираната система не изтънява 8 µm фолио.
Това самоограничаващо се поведение е причината лазерното почистване да замени химическото ецване на високоскоростни линии. Процесът е сух, не изисква изплакване или изсушаване, не произвежда киселинни отпадъци и може да работи в линия при скорост на ролка или разделяне.
Целите за премахване:
| Замърсител | Типична дебелина | Механизъм за отстраняване |
|---|---|---|
| Алуминиев оксид (Al₂O₃) | 2–10 nm | Аблационно изпаряване, самоограничаващо се при метал |
| Никелов / меден оксид | 1–5 nm | Аблативна вапоризация |
| Свръхспрей за катодно покритие | 1–20 µm | аблация; по-висок флуенс от оксида |
| Остатъци от въглерод/свързващо вещество върху анодна пластина | 0.5–5 µm | Аблация |
| Смазка за търкаляне / масла за обработка | Молекулярен филм | Изпаряване и изместване |
Шлейфът, получен от аблацията, трябва да се извлече от почистващата глава. Повторното кондензиране на метални и въглеродни частици върху току-що почистен лист проваля целта на стъпката, а разхлабените проводими частици върху повърхността на клетката са риск от късо съединение. Екстракцията е част от спецификацията на почистващата станция, а не аксесоар.
A срещу B: Механична, химическа и лазерна подготовка на повърхността
Използват се четири метода за подготовка на повърхностите на пластините преди заваряване. Те не са взаимозаменяеми и сравнението обяснява защо лазерът е изместил останалите при линии с голям обем.
| Фактор | Механично четкане | Химическо ецване | Плазмено почистване | Лазерно почистване |
|---|---|---|---|---|
| Отстраняване на оксиди | Частичен, неравномерен | Завършен | Частично на Al₂O₃ | Пълен, селективен |
| Консумативи | Четки, абразивни | Киселини, вода за изплакване | Процесен газ | Няма (само покривно стъкло) |
| Вградена съвместимост | Умерен | Лош мокър процес | Умерен | Високо сухо, скорост на линията |
| Риск от повреда на субстрата | Работно втвърдяване, изтъняване на фолио | Etch атака, ако химията се отклони | ниско | Ниска, самоограничаваща се |
| Остатъчни остатъци | Вграден абразив, размазано покритие | Остатъчна киселина, ако изплакването е неуспешно | Няма | Аблиран и екстрахиран |
| Поток от отпадъци | Отломки от четка | Киселинни отпадъци, вода за изплакване | Минимална | Филтърна среда |
| Повторяемост през една смяна | Разгражда се с износване на четката | Дрейфове с възрастта на банята | Стабилен | Стабилен |
Механичното изчеткване остава подходящо за работа с малък обем и за раздели, където се нуждаят от отстраняване само на разхлабени остатъци. Химическото ецване създава най-добрата повърхност, но не се вписва в сух, вграден процес и носи разходи за третиране на отпадъци. Плазмата се справя добре с органичните замърсявания, но премахва бавно алуминиевия оксид. Лазерното почистване е единственият метод, който съчетава пълно премахване на оксиди, сухо вградено функциониране и без дрейф, задвижван от консумативи, през смяната.
Инженерна информация:
Интервалът от почистване до заваряване е параметър на процеса, а не детайл от графика. Алуминиевият оксид нараства отново до приблизително 1–2 nm в рамките на минути след излагане на въздух и силата на съединението, измерена десет минути след почистване, не е силата на съединението, измерена четири часа след почистване. На производствена линия почистващата глава трябва да стои преди заварчика в рамките на същата станция или съседна, като времето за прехвърляне е определено и контролирано. Етап на почистване, отделен от заваръчния шев чрез буферен пълнител, е етап на почистване, чиято полза намалява в пълнителя.
Числата на теста за издърпване: преди и след
Най-ясният начин да се посочи случаят е да се посочи измерването. Таблицата по-долу дава типични квалификационни стойности за 0,2 mm алуминиева пластина, заварена към алуминиева шина, и за никелова пластина, заварена към стоманена кутия, през различни състояния на почистване. Това са цели на процеса, наблюдавани при квалификационни прогони, а не универсални константи - всяка група материали и метод на заваряване имат свой собствен прозорец.
| Съвместно | Състояние на повърхността | Сила на издърпване (N) | Скатер (CV) | Ставно съпротивление (mΩ) |
|---|---|---|---|---|
| Al раздел към шина Al | Както е получено, изложено на въздух | 25–40 | 25–40% | 0.8–1.5 |
| Al раздел към шина Al | Механично четкано | 35–50 | 15–25% | 0.4–0.8 |
| Al раздел към шина Al | Лазерно почистени, заварени за 60 s | 45–65 | <10% | 0.2–0.4 |
| Ni tab към стоманена кутия | Както е получено | 45–60 | 15–25% | 0.3–0.6 |
| Ni tab към стоманена кутия | Лазерно почистени, заварени за 60 s | 55–70 | <10% | 0.15–0.3 |
Две числа заслужават внимание извън силата. Първият е разсейване: коефициент на вариация над 25% означава, че процесът не е под контрол и спецификация, написана спрямо средната стойност, ще отхвърли значима част от добрите части и ще премине значима част от лошите. Понижаването на CV под 10% често струва повече за линията от увеличението на средната сила, защото прави спецификацията значима.
Второто е съпротивлението на ставите. При клетка от 50 Ah, която консумира 100 A непрекъснато, допълнителен 1 mΩ при свързването на пластинката разсейва 10 W в малък обем и пада 100 mV от напрежението на терминала. Тази топлина се намира в текущата събирателна точка, най-лошото възможно място за гореща точка.
Лазерно рязане: Бур, шлака и инструментът, който никога не се износва
Геометрията на пластината се създава чрез рязане, а изрязаният ръб е заваръчна повърхност от страната на пластината и обърната към разделителя повърхност вътре в клетката. Механичното щанцоване води до образуване на грапавица, която расте през интервала на заточване; резец над приблизително 10–15 µm рискува пробиване на сепаратора и създава непостоянен заваръчен интерфейс.
Импулсното лазерно рязане с влакна поддържа височината на резеца под този праг през целия живот на инструмента, тъй като няма ръб за износване. Параметрите на процеса, които управляват качеството, са от същата група като почистването: продължителност на импулса, честота на повторение, фокусна позиция, помощен газ и скорост на пътя на рязане. Утайката от долната страна на среза се контролира от позицията на фокуса и налягането на газа; ширината на засегнатата от топлината зона обикновено остава в диапазона 20–50 µm върху тънки фолиа.
Практическото предимство при сглобяването на клетка е не само качеството на ръбовете. Лазерна режеща глава променя геометрията чрез зареждане на нов пътен файл. Смяната на матрицата отнема часове и нова матрица. За цилиндрични клетки, където формата на езиче е интегрирана с процеса на навиване, комбинирането на рязане, почистване и навиване в една машина премахва две стъпки на манипулиране – и всяка стъпка на манипулиране между почистване и заваряване е интервал на повторно израстване на оксид.
A цилиндрична клетъчна лазерна машина за рязане и навиване за интегрирано формоване на пластини и навиване на електродиизпълнява разреза и вятъра в един непрекъснат поток. Това е, което прави чист, постоянен ръб на раздела при скорост на производство, а не при скорост на инспекция, и премахва ръчното прехвърляне, където прясно изрязаният етикет иначе би останал открит.
Интегриране на почистването в линията, а не до нея
Почистваща машина, инсталирана като отделна партидна станция, решава повърхностния проблем и създава проблем с графика. Ползата намалява с всяка минута между почистването и заваряването, допълнителната обработка въвежда ново замърсяване, а станцията добавя труд, който автоматизацията трябваше да премахне.
Логиката на интеграцията е проста:
- Почистете на последната станция преди заваръчния шев, по същия път на прехвърляне, с определен и наблюдаван интервал.
- Извадете шлейфа в главата, с размер на филтрацията за аблационното натоварване, а не за обща вентилация.
- Следете резултата, защото почистваща система, която безшумно губи мощност или се движи във фокуса, създава повърхност, която изглежда чиста и заварена като покрита с оксид. Отражението или обратната връзка с плазмените емисии от процеса осигуряват тази проверка без спиране на линията.
- Съпоставете почистващата глава с метода на заваряване: ултразвуковото заваряване на пластини и лазерното заваряване на пластини изискват различни повърхностни спецификации и система, определена за едното, не обслужва автоматично другото.
Тук последователността на процеса е по-важна от която и да е отделна машина. Почистването, рязането и заваряването са една непрекъсната история на повърхността и оборудването, което носи раздел през тези стъпки, трябва да бъде посочено като един обхват. TOB New Energy доставяМашинни станции за заваряване на акумулаторни пластини за ултразвуково и лазерно свързване на електродни пластини и токоотводис горната позиция за рязане и почистване, дефинирана като част от едно и също оформление на линията, така че интервалът между подготовката и съединяването е проектиран, а не открит по време на пускане в експлоатация.
За профилите на електродите, които се променят по време на разработването, същата логика се прилага при стъпката на нарязване:щанцоване с лазерен електрод със смяна на профила без инструменти и ръбове без грапавинипремахва цената на матрицата и времето за престой при смяна на матрицата, които иначе прекъсват историята на повърхността между покритието и заваряването.
ЧЗВ: Лазерно почистване на раздела и якост на заваръчния шев
Действително ли лазерното почистване увеличава якостта на издърпване на заваръчния шев?
да Типичните квалификационни данни за 0,2 mm алуминиева пластина показват сила на издърпване, движеща се от 25–40 N, получена до 45–65 N след почистване, с разсейване, падащо под 10% CV.
Колко бързо се възстановява алуминиевият оксид след почистване?
Приблизително 1–2 nm в рамките на минути в околния въздух, продължавайки към 5–10 nm в продължение на часове. Ето защо почистването принадлежи на линия, непосредствено преди заваряване, а не в отделна партидна стъпка.
Може ли лазерното почистване да повреди тънко фолио?
Не и когато е правилно параметризиран. Процесът е самоограничаващ се: след като оксидът бъде отстранен, отразяващата способност на метала се повишава и поглъщането на импулса рязко спада. Неправилният флуенс или фокус все още могат да маркират повърхността, така че е необходимо валидиране на параметър за действителната дебелина на фолиото.
Защо да използвате лазерно рязане вместо щанцоване за раздели?
Лазерното рязане задържа гранатите под 10–15 µm без износване на инструмента и променя геометрията чрез зареждане на нов пътен файл. Резецът при щанцоване расте през интервала на заточване и всяка нова форма на щанцо изисква нова матрица.
Стъпката на почистване замества ли нуждата от наблюдение на заваръчния шев?
Не. Почистването премахва една променлива; не проверява заваръчния шев. Мониторингът на коаксиалните заварки и вземането на проби от теста за издърпване остават необходими, а обратната връзка от процеса на почистване - отражение или плазмено излъчване - е това, което потвърждава, че самата стъпка на почистване все още работи.
Готови ли сте да затворите повърхностната променлива?
Слабите заварки обикновено са повърхностен проблем при носене на заваръчен костюм. Почистването, рязането и заваряването, проектирани като една вградена последователност, премахва интервала на повторно израстване на оксида, допълнителната обработка и предположенията на параметрите между тях. TOB New Energy, като директен производител до ключ, доставя станции за заваряване на пластини, машини за лазерно рязане и навиване и оборудване за лазерно щанцоване за линии за сглобяване на цилиндрични, призматични и торбички. Изпратете стека с раздели, дебелината на фолиото и метода на заваряване презЗаявка за преглед на процеса на заваряване и почистване на разделиза да получите план на станцията и директна фабрична оферта.
Техническа справка, съставена от групата за инженеринг на процесите на TOB New Energy от работата по подготовка на пластини и интегриране на заваряване в цилиндрични, призматични и пликови монтажни линии. За квалификация за якост на издърпване и съпротивление на вашия конкретен набор от раздели, свържете се с д-р Дани Хуанг в LinkedIn или изпратете купони за заваряване в лабораторията за приложение на Xiamen.
