Einführung in Schweißmethoden und -prozesse für Lithium-Ionen-Batterien

Die angemessene Auswahl von Schweißmethoden und -prozessen während des Herstellungsprozesses von Lithium-Leistungsbatterien wirkt sich direkt auf die Kosten, Qualität, Sicherheit und Konsistenz der Batterie aus.

1. Prinzip des Laserschweißens

Faserlaser-Schweißgeräte nutzen die hervorragende Richtwirkung und hohe Leistungsdichte des Laserstrahls. Der Laserstrahl wird durch das optische System auf einen kleinen Bereich fokussiert und bildet so in kürzester Zeit eine hochkonzentrierte Wärmequelle im geschweißten Bereich. Bereich, so dass das zu verschweißende Objekt aufschmilzt und eine stabile Schweißstelle und Schweißnaht entsteht.

2. Laserschweißtyp

Wärmeleitungsschweißen und Tiefschweißen

Die Laserleistungsdichte beträgt 105~106 W/㎝² für das Laser-Wärmeleitungsschweißen und die Laserleistungsdichte beträgt 105~106 W/ ㎝² für das Laser-Tiefschweißen.

Durchdringungs- und Nahtschweißen

Durch das Durchdringungsschweißen muss das Verbindungsstück nicht gestanzt werden und die Verarbeitung ist relativ einfach. Das Durchdringschweißen erfordert ein leistungsstärkeres Laserschweißgerät. Die Eindringtiefe des Durchdringschweißens ist geringer als die des Nahtschweißens und die Zuverlässigkeit ist relativ gering.

Im Vergleich zum Durchdringschweißen erfordert das Nahtschweißen einen Laserschweißer mit geringerer Leistung. Die Eindringtiefe beim Nahtschweißen ist höher als beim Durchdringschweißen und die Zuverlässigkeit ist relativ gut. Allerdings muss das Verbindungsstück gestanzt werden, was relativ aufwendig zu verarbeiten ist.

Impulsschweißen und Dauerschweißen

1) Schweißen im Pulsmodus

Beim Laserschweißen sollten geeignete Schweißwellenformen ausgewählt werden. Zu den häufig verwendeten Impulswellenformen gehören Rechteckwellen, Spitzenwellen, Doppelspitzenwellen usw. Das Reflexionsvermögen der Aluminiumlegierungsoberfläche gegenüber Licht ist zu hoch. Wenn ein hochintensiver Laserstrahl auf die Materialoberfläche trifft, gehen auf der Metalloberfläche 60–98 % der Laserenergie durch Reflexion verloren, und das Reflexionsvermögen ändert sich mit der Oberflächentemperatur. Im Allgemeinen ist es beim Schweißen von Aluminiumlegierungen am besten, spitze Wellen und Doppelspitzenwellen zu wählen. Die Impulsbreite des Verlangsamungsteils hinter dieser Art von Schweißwellenform ist länger, wodurch das Auftreten von Poren und Rissen wirksam reduziert werden kann.

Proben zum Pulslaserschweißen

Aufgrund des hohen Reflexionsvermögens der Aluminiumlegierung gegenüber dem Laser wird der Schweißkopf während des Schweißvorgangs normalerweise in einem bestimmten Winkel abgelenkt, um zu verhindern, dass der Laserstrahl vertikal einfällt und eine vertikale Reflexion verursacht und den Laserfokussierungsspiegel beschädigt. Der Durchmesser der Lötstelle und der Durchmesser der wirksamen Verbindungsfläche nehmen mit zunehmendem Neigungswinkel des Lasers zu. Bei einem Neigungswinkel des Lasers von 40° erhält man die größte Lötstelle und wirksame Verbindungsfläche. Die Schweißpunktdurchdringung und die effektive Eindringtiefe nehmen mit dem Neigungswinkel des Lasers ab. Bei einem Wert über 60 sinkt die effektive Einschweißtiefe auf Null. Daher kann durch Kippen der Schweißverbindung in einem bestimmten Winkel die Eindringtiefe und -breite der Schweißnaht entsprechend erhöht werden.

Darüber hinaus müssen beim Schweißen mit der Schweißnaht als Grenze 65 % der Laserschweißpunkt-Teilabdeckungsplatte und 35 % der Hülle verschweißt werden, wodurch Explosionen, die durch Probleme beim Schließen der Abdeckung verursacht werden, wirksam reduziert werden können.

2) Kontinuierliches Schweißen

Da der Erwärmungsprozess beim kontinuierlichen Laserschweißen nicht mit dem plötzlichen Abkühlen und Erhitzen von Impulsmaschinen vergleichbar ist, ist die Tendenz zu Rissen beim Schweißen nicht sehr offensichtlich. Um die Qualität der Schweißnaht zu verbessern, wird kontinuierliches Laserschweißen eingesetzt. Die Oberfläche der Schweißnaht ist glatt und gleichmäßig, ohne Spritzer, ohne Mängel und ohne Mängel innerhalb der Schweißnaht. Keine Risse gefunden. Beim Schweißen von Aluminiumlegierungen liegen die Vorteile des kontinuierlichen Lasers auf der Hand. Im Vergleich zu herkömmlichen Schweißmethoden ist die Produktionseffizienz hoch und es ist keine Drahtfüllung erforderlich. Im Vergleich zum Pulslaserschweißen können damit die nach dem Schweißen auftretenden Mängel wie Risse, Porosität, Spritzer usw. behoben werden. Dadurch wird sichergestellt, dass die Aluminiumlegierung nach dem Schweißen gute mechanische Eigenschaften aufweist. Nach dem Schweißen entstehen keine Dellen und der Polier- und Polieraufwand nach dem Schweißen wird reduziert, was Produktionskosten spart. Da der Punkt des kontinuierlichen Lasers jedoch relativ klein ist, sind die Anforderungen an die Montagegenauigkeit des Werkstücks nicht höher.

3. Vorteile des Laserschweißens

• Die automatische CNC-Laserschweißmaschine mit Faserlasergenerator verfügt über konzentrierte Energie, hohe Schweißeffizienz, hohe Bearbeitungspräzision und ein großes Verhältnis von Schweißtiefe zu Breite. Der Laserstrahl lässt sich mit optischen Instrumenten leicht fokussieren, ausrichten und führen. Es kann in einem angemessenen Abstand zum Werkstück platziert und zwischen Vorrichtungen oder Hindernissen um das Werkstück herum umgelenkt werden. Andere Schweißverfahren können aufgrund der oben genannten Platzbeschränkungen nicht eingesetzt werden.
• Der Wärmeeintrag ist gering, die Wärmeeinflusszone ist klein und die Eigenspannung und Verformung des Werkstücks sind gering; Die Schweißenergie kann präzise gesteuert werden, der Schweißeffekt ist stabil und das Schweißbild ist gut.
• Berührungsloses Schweißen, Lichtwellenleiterübertragung, gute Zugänglichkeit und hoher Automatisierungsgrad. Beim Schweißen von dünnen Materialien oder Drähten mit kleinem Durchmesser gibt es kein Rückschmelzproblem wie beim Lichtbogenschweißen. Da die in Power-Lithiumbatterien verwendeten Zellen dem Leichtbauprinzip folgen, bestehen sie meist aus leichterem Aluminium und sind dünner. Im Allgemeinen müssen Schale, Deckel und Boden grundsätzlich weniger als 1,0 mm dick sein. Die aktuellen Grundmaterialien der Mainstream-Hersteller haben eine Dicke von rund 0,8 mm.
• Es kann hochfestes Schweißen für verschiedene Materialkombinationen ermöglichen, insbesondere beim Schweißen von Kupfermaterialien und Aluminiummaterialien. Dies ist auch die einzige Technik, mit der galvanisiertes Nickel auf Kupfermaterialien gelötet werden kann.

4. Schwierigkeiten beim Laserschweißprozess

1. Derzeit machen Batteriegehäuse aus Aluminiumlegierung mehr als 90 % der gesamten Lithiumbatterie aus. Die Schwierigkeit beim Schweißen liegt im extrem hohen Reflexionsvermögen der Aluminiumlegierung gegenüber dem Laser und der hohen Empfindlichkeit der Poren während des Schweißprozesses. Beim Schweißen treten zwangsläufig einige Probleme und Mängel auf. Die wichtigsten davon sind Poren, Heißrisse und Explosionen.
2. Beim Laserschweißen von Aluminiumlegierungen kann es zur Bildung von Poren kommen. Es gibt zwei Haupttypen: Wasserstoffporen und Poren, die durch das Platzen von Blasen entstehen. Da die Abkühlgeschwindigkeit beim Laserschweißen zu schnell ist, ist das Problem der Wasserstofflöcher schwerwiegender, und es gibt eine zusätzliche Art von Löchern, die durch das Kollabieren kleiner Löcher beim Laserschweißen entstehen.
3. Problem der thermischen Rissbildung. Aluminiumlegierung ist eine typische eutektische Legierung. Es ist anfällig für Heißrisse beim Schweißen, einschließlich Schweißkristallrissen und HAZ-Verflüssigungsrissen. Aufgrund der Komponentenseigerung im Schweißbereich kommt es zu einer eutektischen Entmischung und zum Schmelzen der Korngrenzen. Unter Belastung bilden sich an den Korngrenzen Verflüssigungsrisse, die die Leistungsfähigkeit der Schweißverbindungen beeinträchtigen.
4. Explosionsproblem (auch bekannt als Spritzer). Es gibt viele Faktoren, die Explosionen verursachen, wie zum Beispiel die Sauberkeit des Materials, die Reinheit des Materials selbst, die Eigenschaften des Materials selbst usw. Der entscheidende Faktor ist die Stabilität des Lasers. Ausbuchtungen der Schalenoberfläche, Poren, innere Blasen. Der Hauptgrund ist, dass der Faserkerndurchmesser zu klein ist oder die Laserenergie zu hoch eingestellt ist. Es ist nicht so, dass je besser die Strahlqualität, desto besser der Schweißeffekt ist, wie von einigen Laserausrüstungslieferanten propagiert wird. Eine gute Strahlqualität eignet sich für Überlagerungsschweißungen mit größerer Eindringtiefe. Das Finden der richtigen Prozessparameter ist der Schlüssel zur Lösung des Problems.

Andere Schwierigkeiten

1. Das Schweißen weichgepackter Laschen erfordert umfangreiche Schweißwerkzeuge. Die Laschen müssen fest angedrückt werden, um den Schweißspalt sicherzustellen. Es kann Hochgeschwindigkeitsschweißen komplexer Flugbahnen wie S-förmiger und spiralförmiger Formen realisieren, wodurch die Verbindungsfläche der Schweißnaht vergrößert und die Schweißfestigkeit gestärkt wird.
2. Das Schweißen von zylindrischen Batteriekernen wird hauptsächlich zum Schweißen der positiven Elektrode eingesetzt. Da die Hülle der negativen Elektrode dünn ist, lässt sie sich sehr leicht durchschweißen. Beispielsweise verwenden einige Hersteller derzeit für die negative Elektrode ein schweißfreies Verfahren, während für die positive Elektrode Laserschweißen zum Einsatz kommt.
3. Beim Verschweißen der quadratischen Batteriekombination sind die Pole bzw. Verbindungsstücke stark verschmutzt. Beim Verschweißen der Verbindungsstücke zersetzen sich die Schadstoffe und bilden leicht Schweißexplosionsstellen und Löcher. Batterien mit dünnen Polen und darunter liegenden Strukturteilen aus Kunststoff oder Keramik lassen sich gut schweißen. tragen. Wenn die Stange klein ist, kann sie leicht so weit geschweißt werden, dass der Kunststoff verbrannt wird und eine Explosionsstelle entsteht. Keine mehrlagigen Verbindungsbahnen verwenden. Es gibt Löcher zwischen den Schichten und es ist schwierig, sie fest zu verschweißen.
4. Der wichtigste Prozess beim Schweißen von quadratischen Batterien ist das Verpacken der Gehäuseabdeckung, das entsprechend den verschiedenen Positionen in das Schweißen der oberen Abdeckung und der unteren Abdeckung unterteilt wird. Da die von ihnen hergestellten Batterien klein sind, verwenden einige Batteriehersteller ein Tiefziehverfahren zur Herstellung des Batteriegehäuses und müssen nur die obere Abdeckung schweißen.

5. Faktoren, die die Schweißqualität beeinflussen

Das Laserschweißen ist derzeit eine wichtige Methode, die für das Schweißen von Hochleistungsbatterien empfohlen wird. Beim Laserschweißen handelt es sich um einen Prozess, bei dem ein hochenergetischer Laserstrahl das Werkstück bestrahlt, wodurch die Arbeitstemperatur stark ansteigt, das Werkstück schmilzt und sich wieder zu einer dauerhaften Verbindung verbindet. Die Scherfestigkeit und Reißfestigkeit des Laserschweißens sind relativ gut. Leitfähigkeit, Festigkeit, Luftdichtheit, Metallermüdung und Korrosionsbeständigkeit beim Batterieschweißen sind typische Bewertungskriterien für die Schweißqualität.

Es gibt viele Faktoren, die die Qualität des Laserschweißens beeinflussen. Einige von ihnen sind äußerst volatil und weisen eine erhebliche Instabilität auf. So stellen Sie diese Parameter richtig ein und steuern sie, damit sie beim Hochgeschwindigkeits- und kontinuierlichen Laserschweißen in einem geeigneten Bereich bleiben, um die Schweißqualität sicherzustellen. Die Zuverlässigkeit und Stabilität der Schweißnahtbildung sind wichtige Themen im Zusammenhang mit der Praxistauglichkeit und Industrialisierung der Laserschweißtechnik. Die wichtigen Faktoren, die die Qualität des Laserschweißens beeinflussen, werden in drei Aspekte unterteilt: Schweißausrüstung, Werkstückzustand und Prozessparameter.

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