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

Die angemessene Auswahl von Schweißmethoden und -prozessen im Herstellungsprozess von Lithium-Leistungsbatterien wirkt sich direkt auf die Kosten, Qualität, Sicherheit und Konsistenz der Batterie aus. Als Nächstes organisieren wir den Inhalt zum Schweißen von Lithium-Leistungsbatterien.

1. Prinzipien des Laserschweißens

Beim Laserschweißen wird die hervorragende Richtwirkung und hohe Leistungsdichte der Laserstrahlen genutzt. Durch ein optisches System wird der Laserstrahl auf einen sehr kleinen Bereich fokussiert, wodurch in kürzester Zeit ein hochkonzentrierter Wärmequellenbereich an der Schweißverbindung entsteht, wodurch das Schweißobjekt geschmolzen wird und eine feste Lötverbindung und Schweißnaht entsteht.

2. Laserschweißtyp

Wärmeleitungsschweißen und Tiefschweißen

Das Laserwärmeleitungsschweißen erfolgt mit einer Laserleistungsdichte von 105-106w/cm2 und das Lasertiefschweißen erfolgt mit einer Laserleistungsdichte von 105-106w/cm2

Durchdringschweißen und Nahtschweißen

Durchdringschweißen, Verbindungsstücke müssen nicht gestanzt werden und die Verarbeitung ist relativ einfach. Für das Durchdringschweißen ist eine leistungsstarke Laserschweißmaschine erforderlich. Die Eindringtiefe des Durchdringschweißens ist geringer als die des Nahtschweißens und die Zuverlässigkeit ist relativ gering.

Im Vergleich zum Durchdringschweißen ist beim Nahtschweißen nur eine Laserschweißmaschine mit geringerer Leistung erforderlich. Die Eindringtiefe beim Nahtschweißen ist höher als beim Durchdringschweißen und die Zuverlässigkeit ist relativ gut. Allerdings muss das Verbindungsstück gestanzt werden, was die Verarbeitung relativ schwierig macht.

Proben zum Pulslaserschweißen

Kontinuierliches Laserschweißen von Proben

Beim Schweißen von Hochleistungs-Lithiumbatterien wählen Schweißprozesstechniker geeignete Laser- und Schweißprozessparameter basierend auf dem Batteriematerial, der Form, der Dicke, den Zuganforderungen usw. des Kunden aus, einschließlich Schweißgeschwindigkeit, Wellenform, Spitzenwert und Neigungswinkel der Batterie Schweißkopf, um angemessene Schweißprozessparameter einzustellen, um sicherzustellen, dass der endgültige Schweißeffekt den Anforderungen des Herstellers von Lithium-Leistungsbatterien entspricht.

Konzentrierte Energie, hohe Schweißeffizienz, hohe Verarbeitungsgenauigkeit und großes Verhältnis von Schweißtiefe zu Breite. Der Laserstrahl lässt sich leicht fokussieren, ausrichten und durch optische Instrumente leiten. Es kann in entsprechendem Abstand zum Werkstück platziert und zwischen Vorrichtungen oder Hindernissen um das Werkstück herumgeführt werden. Andere Schweißverfahren können aufgrund der oben genannten räumlichen Einschränkungen nicht vollständig genutzt werden.

Geringer Wärmeeintrag, kleine Wärmeeinflusszone und geringe Eigenspannung und Verformung des Werkstücks; Die Schweißenergie kann präzise gesteuert werden, der Schweißeffekt ist stabil und das Aussehen des Schweißvorgangs ist gut.

Berührungsloses Schweißen, Glasfaserübertragung, gute Zugänglichkeit und hoher Automatisierungsgrad. Beim Schweißen dünner oder feiner Drähte gibt es im Gegensatz zum Lichtbogenschweißen kein Reflow-Problem. Die für Power-Lithiumbatterien verwendeten Batteriezellen bestehen aufgrund ihres Leichtbauprinzips meist aus leichterem Aluminiummaterial und sind dünner. Im Allgemeinen müssen Schale, Deckel und Boden weniger als 1,0mm dick sein, und gängige Hersteller haben derzeit eine Grundmaterialdicke von etwa 0,8mm.

Schwierigkeiten beim Laserschweißprozess

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, der hohen Empfindlichkeit der Gasporen während des Schweißprozesses und dem unvermeidlichen Auftreten einiger Probleme und Defekte während des Schweißens, von denen die wichtigsten Gasporen, Heißrisse, und Explosion.

Beim Laserschweißen von Aluminiumlegierungen treten zwei wichtige Arten von Poren auf: Wasserstoffporen und Poren, die durch das Platzen von Blasen entstehen. Aufgrund der schnellen Abkühlgeschwindigkeit beim Laserschweißen ist das Problem der Wasserstoffporen schwerwiegender, und es gibt auch eine zusätzliche Art von Löchern, die durch das Kollabieren kleiner Löcher beim Laserschweißen entstehen.

Hot-Crack-Problem. Aluminiumlegierungen sind typische Legierungen vom eutektischen Typ, die beim Schweißen zu Heißrissen neigen, einschließlich Kristallisationsrissen in der Schweißnaht und Rissen infolge von HAZ-Verflüssigung. Aufgrund der Komponentenseigerung in der Schweißzone kommt es zu einer eutektischen Entmischung und zum Schmelzen der Korngrenzen. Unter Belastungsbedingungen bilden sich an den Korngrenzen Verflüssigungsrisse, die die Leistungsfähigkeit der Schweißverbindung beeinträchtigen.

Explosionsproblem (auch bekannt als Spritzer). Es gibt viele Faktoren, die Explosionen verursachen können, wie zum Beispiel die Sauberkeit des Materials, die Reinheit des Materials selbst und die Eigenschaften des Materials selbst. Der entscheidende Nutzen ist die Stabilität des Lasers. Oberflächenvorsprünge, Poren und innere Blasen auf der Schale. Der Hauptgrund liegt darin, dass der Faserkerndurchmesser zu klein ist oder die Laserenergie zu hoch eingestellt ist. Es ist nicht so, dass einige Lieferanten von Lasergeräten behaupten, dass der Schweißeffekt umso besser ist, je besser die Strahlqualität ist. Eine gute Strahlqualität eignet sich für Auftragsschweißungen mit größerer Eindringtiefe. Das Finden geeigneter Prozessparameter ist der Schlüssel zur Problemlösung.

Andere Schwierigkeiten

Das Schweißen von weichen Polohren erfordert hohe Anforderungen an die Schweißvorrichtung und das Polohr muss fest angedrückt werden, um den Schweißabstand sicherzustellen. Es kann das Hochgeschwindigkeitsschweißen komplexer Flugbahnen wie S-förmiger und spiralförmiger Bahnen ermöglichen, wodurch die Verbindungsfläche der Schweißnaht vergrößert und die Schweißfestigkeit gestärkt wird.

Das Schweißen zylindrischer Batteriezellen ist wichtig für das Schweißen der positiven Elektrode. Aufgrund der dünnen Hülle der negativen Elektrode ist ein Durchschweißen äußerst einfach. Derzeit verwenden einige Hersteller das schweißfreie Verfahren der negativen Elektrode, während die positive Elektrode das Laserschweißen verwendet.

Beim Schweißen von quadratischen Batteriekombinationen ist der Pol bzw. das Verbindungsstück verschmutzt und dick. Beim Schweißen des Verbindungsstücks kommt es zur Zersetzung der Schadstoffe, wodurch sich leicht Schweißexplosionsstellen bilden und Löcher entstehen können; Batterien mit dünnen Polen und darunter liegenden Strukturbauteilen aus Kunststoff oder Keramik neigen zum Durchschweißen. Wenn der Stab klein ist, kann es auch leicht zu Abweichungen beim Schweißen kommen, was zu Kunststoffschäden und der Bildung von Explosionsstellen führen kann. Verwenden Sie keine mehrschichtigen Steckverbinder, da zwischen den Schichten Poren entstehen, die ein festes Löten erschweren.

Der wichtigste Prozess beim Schweißen von quadratischen Batterien ist das Verpacken des Gehäusedeckels, der je nach Position in das Schweißen des oberen Deckels und des unteren Deckels unterteilt wird. Einige Batteriehersteller nutzen die Tiefziehtechnologie zur Herstellung von Batteriegehäusen, da die von ihnen hergestellten Batterien nur ein geringes Volumen haben und nur die obere Abdeckung geschweißt werden müssen.

Probe zum seitlichen Schweißen einer Lithiumbatterie mit quadratischer Leistung

Die Schweißverfahren für quadratische Batterien werden hauptsächlich in Seitenschweißen und Oberkopfschweißen unterteilt. Der wichtige Vorteil des Seitenschweißens besteht darin, dass es weniger Auswirkungen auf das Innere der Batteriezelle hat und Spritzer nicht so leicht in die Innenseite der Gehäuseabdeckung eindringen können. Aufgrund der Möglichkeit von Überständen nach dem Schweißen, die den späteren Montageprozess geringfügig beeinträchtigen können, erfordert der Seitenschweißprozess eine äußerst hohe Stabilität des Lasers und Sauberkeit des Materials. Der Spitzenschweißprozess stellt aufgrund des Schweißens auf einer Oberfläche relativ geringe Anforderungen an die Integration von Schweißgeräten und eine einfache Massenproduktion. Allerdings gibt es auch zwei Nachteile. Erstens kann es beim Schweißen zu geringfügigen Spritzern in die Batteriezelle kommen, und zweitens können hohe Bearbeitungsanforderungen an den vorderen Teil der Hülle zu Kostenproblemen führen.

5. Faktoren, die die Schweißqualität beeinflussen

Das Laserschweißen ist derzeit eine wichtige Methode, die für das Schweißen von Hochleistungsbatterien dringend empfohlen wird. Beim Laserschweißen wird ein Werkstück mit hochenergetischer Laserstrahlung bestrahlt, wodurch die Arbeitstemperatur stark ansteigt, das Werkstück schmilzt und sich wieder zu einer dauerhaften Verbindung verbindet. Laserschweißen weist eine gute Scherfestigkeit und Reißfestigkeit auf. Zu den Qualitätsbewertungskriterien für das Batterieschweißen gehören Leitfähigkeit, Festigkeit, Luftdichtheit, Metallermüdung und Korrosionsbeständigkeit.

Es gibt viele Faktoren, die die Qualität des Laserschweißens beeinflussen. Einige von ihnen sind sehr volatil und weisen eine erhebliche Instabilität auf. Wie diese Parameter richtig eingestellt und gesteuert werden, damit sie während des Hochgeschwindigkeits- und kontinuierlichen Laserschweißprozesses innerhalb eines geeigneten Bereichs gesteuert werden können, um die Schweißqualität sicherzustellen. Die Zuverlässigkeit und Stabilität der Schweißnahtbildung sind wichtige Aspekte im Zusammenhang mit der Praktikabilität und Industrialisierung der Laserschweißtechnologie. Zu den wichtigen Faktoren, die die Qualität des Laserschweißens beeinflussen, gehören Schweißausrüstung, Werkstückzustand und Prozessparameter.

1) Schweißausrüstung

Die wichtigsten Qualitätsanforderungen an Laser sind Strahlmodus, Ausgangsleistung und Stabilität. Der Strahlmodus ist ein wichtiger Indikator für die Strahlqualität. Je niedriger die Ordnung des Strahlmodus ist, desto besser ist die Strahlfokussierungsleistung, desto kleiner ist der Punkt, desto höher ist die Leistungsdichte bei gleicher Laserleistung und desto größer sind Tiefe und Breite der Schweißnaht. Im Allgemeinen ist ein Basismodus (TEM00) oder ein Modus niedrigerer Ordnung erforderlich, da es sonst schwierig ist, die Anforderungen an ein qualitativ hochwertiges Laserschweißen zu erfüllen. Derzeit haben heimische Laser noch gewisse Schwierigkeiten hinsichtlich der Strahlqualität und der Leistungsstabilität beim Laserschweißen. Aus der Sicht ausländischer Situationen sind die Strahlqualität und die Ausgangsleistungsstabilität von Lasern bereits recht hoch und werden beim Laserschweißen kein Problem darstellen. Der wichtigste Faktor, der die Schweißqualität in optischen Systemen beeinflusst, ist die Fokussierlinse, die typischerweise eine Brennweite zwischen 127 mm (5 Zoll) und 200 mm (7,9 Zoll) verwendet. Eine kleine Brennweite ist vorteilhaft für die Reduzierung des Taillenfleckdurchmessers des fokussierten Strahls, eine zu kleine Brennweite kann jedoch leicht zu Verunreinigungen und Schäden durch Spritzer während des Schweißprozesses führen.

Je kürzer die Wellenlänge, desto höher die Absorptionsrate; Im Allgemeinen weisen Materialien mit guter Leitfähigkeit ein hohes Reflexionsvermögen auf. Bei YAG-Lasern beträgt das Reflexionsvermögen von Silber 96 %, von Aluminium 92 %, von Kupfer 90 % und von Eisen 60 %. Je höher die Temperatur, desto höher die Absorptionsrate, was einen linearen Zusammenhang zeigt; Im Allgemeinen kann eine Oberflächenbeschichtung mit Phosphat, Ruß, Graphit usw. die Absorptionsrate verbessern.

2) Werkstückzustand

Das Laserschweißen erfordert die Bearbeitung der Kanten des Werkstücks mit hoher Montagegenauigkeit und strikter Ausrichtung zwischen Punkt und Schweißnaht. Die ursprüngliche Montagegenauigkeit und Punktausrichtung des Werkstücks können sich aufgrund der thermischen Schweißverformung während des Schweißvorgangs nicht ändern. Dies liegt daran, dass der Laserpunkt klein und die Schweißnaht schmal ist. Im Allgemeinen wird kein Zusatzmetall hinzugefügt. Wenn die Baugruppe nicht fest sitzt und der Spalt zu groß ist, kann der Strahl durch den Spalt dringen und das Grundmaterial nicht schmelzen oder eine deutliche Unterschneidung oder Vertiefung verursachen. Wenn die Abweichung zwischen Punkt und Naht etwas groß ist, kann es zu einer unvollständigen Verschmelzung oder unvollständigen Schweißung kommen. Daher sollte der Spalt zwischen dem Andocken und Zusammenbau der Hauptplatine und die Abweichung der Punktausrichtung {{0}},1 mm nicht überschreiten und die Fehlausrichtung sollte 0,2 mm nicht überschreiten. In der tatsächlichen Produktion kann die Laserschweißtechnologie manchmal nicht eingesetzt werden, da diese Anforderungen nicht erfüllt werden können. Um gute Schweißergebnisse zu erzielen, sollte der zulässige Spalt zum Andocken und Überlappen innerhalb von 10 % der Dicke des dünnen Blechs liegen.

Erfolgreiches Laserschweißen erfordert einen engen Kontakt zwischen dem geschweißten Substrat. Um optimale Ergebnisse zu erzielen, ist ein sorgfältiges Anziehen der Teile erforderlich. Und dies ist auf dünnen Polarohr-Substraten nur schwer zu bewerkstelligen, da es zu Biegefehlern kommt, insbesondere wenn das Polarohr in große Batteriemodule oder -komponenten eingebettet ist.

3) Schweißparameter

1) Der wichtigste Faktor, der die Schweißparameter des Laserschweißmodus und die stabile Schweißnahtbildung beeinflusst, ist die Leistungsdichte des Laserpunkts. Die Auswirkungen auf den Schweißmodus und die Stabilität der Schweißnahtbildung sind wie folgt: Mit zunehmender Leistungsdichte des Laserpunkts kommt es zu einem stabilen Wärmeleitfähigkeitsschweißen, einem modusinstabilen Schweißen und einem stabilen Tiefschweißen.

Die Leistungsdichte des Laserspots wird durch die Laserleistung und die Position des Strahlfokus bei gegebenem Strahlmodus und Brennweite des Fokussierspiegels bestimmt. Die Laserleistungsdichte ist direkt proportional zur Laserleistung. Der Einfluss der Fokusposition hat einen optimalen Wert; Wenn der Fokus des Strahls an einer bestimmten Position unter der Oberfläche des Werkstücks liegt (im Bereich von 1-2mm, abhängig von der Blechdicke und den Parametern), kann die idealste Schweißnaht erzielt werden. Eine Abweichung von dieser optimalen Fokusposition führt zu einer Vergrößerung des Oberflächenflecks des Werkstücks und damit zu einer Verringerung der Leistungsdichte. Innerhalb eines bestimmten Bereichs kommt es zu einer Änderung der Form des Schweißprozesses.

Der Einfluss der Schweißgeschwindigkeit auf die Form und Stabilität des Schweißprozesses ist nicht so groß wie der der Laserleistung und der Fokuslage. Erst wenn die Schweißgeschwindigkeit zu hoch ist, kann aufgrund der geringen Wärmeeinbringung kein stabiler Tiefschweißprozess aufrechterhalten werden. Während des eigentlichen Schweißens sollte basierend auf den Anforderungen der Schweißnaht an die Eindringtiefe ein stabiles Tiefschweißen oder ein stabiles Wärmeleitfähigkeitsschweißen ausgewählt werden, und ein instabiles Schweißen sollte unbedingt verhindert werden.

(2) Im Bereich des Tiefschweißens der Einfluss von Schweißparametern auf die Eindringtiefe: Innerhalb eines stabilen Tiefschweißbereichs gilt: Je höher die Laserleistung, desto größer die Eindringtiefe, mit einem Verhältnis von ungefähr 0 .7 Leistung; Je höher die Schweißgeschwindigkeit, desto geringer die Eindringtiefe. Wenn sich der Fokus unter bestimmten Laserleistungs- und Schweißgeschwindigkeitsbedingungen an der optimalen Position befindet, wird die maximale Eindringtiefe erreicht. Weicht man von dieser Position ab, nimmt die Eindringtiefe ab und es kommt sogar zu einer instabilen oder stabilen Wärmeleitfähigkeit des Schweißens.

(3) Die Wirkung von Schutzgas, dessen wichtige Funktion darin besteht, das Werkstück während des Schweißprozesses vor Oxidation zu schützen; Schützen Sie die Fokussierlinse vor Metalldampfverschmutzung und Spritzern von Flüssigkeitströpfchen. Zerstreuen Sie das durch Hochleistungslaserschweißen erzeugte Plasma. Kühlen Sie das Werkstück ab und reduzieren Sie die Wärmeeinflusszone.

Das Schutzgas ist in der Regel Argon oder Helium, bei geringen Anforderungen an die scheinbare Qualität kann auch Stickstoff verwendet werden. Ihre Tendenz, Plasma zu erzeugen, unterscheidet sich deutlich: Heliumgas hat aufgrund seiner hohen Ionisierungsladung und schnellen Wärmeleitfähigkeit unter gleichen Bedingungen eine geringere Tendenz zur Plasmabildung als Argongas und erreicht dadurch eine größere Schmelztiefe. In einem bestimmten Bereich nimmt mit zunehmender Schutzgasströmungsgeschwindigkeit die Tendenz zur Plasmaunterdrückung zu, was zu einer Vergrößerung der Schmelztiefe führt. Wenn es jedoch einen bestimmten Bereich erreicht, tendiert es dazu, sich zu stabilisieren.

(4) Überwachungsanalyse jedes Parameters: Unter den vier Schweißparametern sind Schweißgeschwindigkeit und Schutzgasdurchfluss einfach zu überwachen und stabil zu halten, während Laserleistung und Fokusposition Parameter sind, die während des Schweißprozesses schwanken können und schwer zu überwachen sind . Obwohl die vom Laser abgegebene Laserleistung eine hohe Stabilität aufweist und leicht zu überwachen ist, ändert sich die das Werkstück erreichende Laserleistung aufgrund des Verlusts von Führungs- und Fokussierungssystemen. Dieser Verlust hängt mit der Qualität, der Betriebszeit und der Oberflächenverschmutzung des optischen Werkstücks zusammen, was die Überwachung erschwert und zu einem unsicheren Faktor für die Schweißqualität wird. Die Fokusposition des Strahls ist einer der Schweißparameter, der einen erheblichen Einfluss auf die Schweißqualität hat und am schwierigsten zu überwachen und zu steuern ist. Derzeit ist es in der Produktion notwendig, sich auf manuelle Anpassungen und wiederholte Prozessexperimente zu verlassen, um die geeignete Fokuspunktposition zu bestimmen, um die gewünschte Eindringtiefe zu erreichen. Während des Schweißprozesses kann sich die Fokusposition jedoch aufgrund von Werkstückverformung, thermischem Linseneffekt oder mehrdimensionalem Schweißen räumlicher Kurven ändern und den zulässigen Bereich überschreiten.

In Bezug auf die beiden oben genannten Situationen sollten einerseits hochwertige und stabile optische Komponenten verwendet und regelmäßig gewartet werden, um Verschmutzungen vorzubeugen und die Sauberkeit aufrechtzuerhalten. Andererseits ist es erforderlich, Echtzeit-Überwachungs- und Steuerungsmethoden für Laserschweißprozesse zu entwickeln, um Parameter zu optimieren, Änderungen der Laserleistung und der Fokusposition beim Erreichen des Werkstücks zu überwachen, eine Regelung im geschlossenen Regelkreis zu erreichen und die Zuverlässigkeit zu verbessern und Stabilität der Laserschweißqualität.

Abschließend ist zu beachten, dass es sich beim Laserschweißen um einen Schmelzprozess handelt. Dies bedeutet, dass die beiden Substrate während des Laserschweißvorgangs verschmelzen. Dieser Prozess ist schnell, sodass der gesamte Wärmeeintrag gering ist. Da es sich jedoch um einen Schmelzprozess handelt, können beim Schweißen verschiedener Materialien spröde intermetallische Verbindungen mit hohem Widerstand entstehen. Aluminium-Kupfer-Verbindungen neigen besonders zur Bildung intermetallischer Verbindungen. Es hat sich gezeigt, dass diese Verbindungen kurzfristig negative Auswirkungen auf die elektrischen und langfristigen mechanischen Eigenschaften von Spleißen mikroelektronischer Geräte haben. Der Einfluss dieser intermetallischen Verbindungen auf die Langzeitleistung von Lithium-Ionen-Batterien ist noch ungewiss.