בשנים האחרונות, הודות להתפתחות המהירה של תעשיית האנרגיה החדשה, ריתוך בלייזר חדר במהירות לכל תעשיית האנרגיה החדשה הודות ליתרונותיו המהירים והיציבים. ביניהם, ציוד ריתוך בלייזר מהווה את החלק הגבוה ביותר של היישומים בכל תעשיית האנרגיה החדשה.
ריתוך בלייזרהפך במהרה לבחירה הראשונה בכל תחומי החיים בזכות המהירות הגבוהה שלו, העומק הגדול והעיוות הקטן שלו. מריתוכי נקודתיים ועד ריתוכי קת, ריתוכי בנייה ואיטום,ריתוך לייזרמספק דיוק ובקרה שאין שני להם. הוא ממלא תפקיד חשוב בייצור תעשייתי, כולל תעשייה צבאית, טיפול רפואי, תעופה וחלל, חלקי רכב תלת-ממדיים, יריעות מתכת מכניות, אנרגיה חדשה ותעשיות אחרות.
בהשוואה לטכנולוגיות ריתוך אחרות, לריתוך בלייזר יתרונות וחסרונות ייחודיים.
יִתרוֹן:
1. מהירות גבוהה, עומק גדול ועיוות קטן.
2. ריתוך יכול להתבצע בטמפרטורה רגילה או בתנאים מיוחדים, וציוד הריתוך פשוט. לדוגמה, קרן לייזר אינה נסחפת בשדה אלקטרומגנטי. לייזרים יכולים לרתך בוואקום, באוויר או בסביבות גז מסוימות, ויכולים לרתך חומרים שהם דרך זכוכית או שקופים לקרן הלייזר.
3. ניתן לרתך חומרים עקשן כגון טיטניום וקוורץ, וגם חומרים שונים זה מזה עם תוצאות טובות.
4. לאחר מיקוד הלייזר, צפיפות ההספק גבוהה. יחס הממדים יכול להגיע ל-5:1, ויכול להגיע עד ל-10:1 בעת ריתוך התקנים בעלי הספק גבוה.
5. ניתן לבצע ריתוך מיקרו. לאחר מיקוד קרן הלייזר, ניתן להשיג נקודה קטנה ולמקם אותה במדויק. ניתן ליישם אותה בהרכבה וריתוך של חלקי עבודה מיקרו וקטנים כדי להשיג ייצור המוני אוטומטי.
6. ניתן לרתך אזורים שקשה להגיע אליהם ולבצע ריתוך למרחקים ארוכים ללא מגע, עם גמישות רבה. במיוחד בשנים האחרונות, טכנולוגיית עיבוד לייזר YAG אימצה טכנולוגיית העברת סיבים אופטיים, מה שאפשר את קידום ויישום נרחבים יותר של טכנולוגיית ריתוך לייזר.
7. קל לפצל את קרן הלייזר בזמן ובמרחב, וניתן לעבד מספר קרניים במספר מיקומים בו זמנית, מה שמספק תנאים לריתוך מדויק יותר.
פְּגָם:
1. נדרש דיוק הרכבה גבוה של חומר העבודה, ומיקום הקרן על חומר העבודה אינו יכול להשתנות באופן משמעותי. הסיבה לכך היא שגודל נקודת הלייזר לאחר המיקוד קטן ותפר הריתוך צר, מה שמקשה על הוספת חומרי מתכת מילוי. אם דיוק ההרכבה של חומר העבודה או דיוק המיקום של הקרן אינם עומדים בדרישות, מועדים לפגמי ריתוך.
2. עלות הלייזרים והמערכות הנלוות גבוהה, וההשקעה החד-פעמית גדולה.
פגמים נפוצים בריתוך לייזרבייצור סוללות ליתיום
1. נקבוביות ריתוך
פגמים נפוצים בריתוך לייזרנקבוביות. בריכת המותכת של הריתוך עמוקה וצרה. במהלך תהליך ריתוך הלייזר, חנקן פולש לבריכת המותכת מבחוץ. במהלך תהליך הקירור וההתמצקות של המתכת, מסיסות החנקן יורדת עם ירידת הטמפרטורה. כאשר המתכת של בריכת המותכת מתקררת ומתחילה להתגבש, המסיסות תרד בחדות ובפתאומיות. בשלב זה, כמות גדולה של גז תשקע ויוצר בועות. אם מהירות הציפה של הבועות נמוכה ממהירות התגבשות המתכת, ייווצרו נקבוביות.
ביישומים בתעשיית סוללות הליתיום, אנו מגלים לעתים קרובות כי נקבוביות נוטות במיוחד להיווצר במהלך ריתוך האלקטרודה החיובית, אך לעיתים רחוקות מתרחשות במהלך ריתוך האלקטרודה השלילית. הסיבה לכך היא שהאלקטרודה החיובית עשויה מאלומיניום והאלקטרודה השלילית עשויה נחושת. במהלך הריתוך, האלומיניום הנוזלי על פני השטח מתעבה לפני שהגז הפנימי גולש לחלוטין, מה שמונע מהגז לגלוש וליצור חורים גדולים וקטנים. פיוניות קטנות.
בנוסף לגורמים להיווצרות נקבוביות שהוזכרו לעיל, נקבוביות כוללות גם אוויר חיצוני, לחות, שמן פני השטח וכו'. בנוסף, כיוון וזווית נשיפת החנקן ישפיעו גם הם על היווצרות הנקבוביות.
כיצד ניתן להפחית את הופעת נקבוביות הריתוך?
ראשית, לפניהַלחָמָה, יש לנקות בזמן את כתמי השמן והזיהומים על פני החומרים הנכנסים; בייצור סוללות ליתיום, בדיקת חומרים נכנסים היא תהליך חיוני.
שנית, יש להתאים את זרימת גז המגן בהתאם לגורמים כמו מהירות ריתוך, עוצמה, מיקום וכו', ולא צריכה להיות גדולה מדי ולא קטנה מדי. יש להתאים את לחץ גלימת המגן בהתאם לגורמים כמו עוצמת הלייזר ומיקום המיקוד, ולא צריכה להיות גבוהה מדי ולא נמוכה מדי. יש להתאים את צורת זרבובית גלימת המגן בהתאם לצורה, לכיוון ולגורמים אחרים של הריתוך, כך שגלימת המגן תוכל לכסות באופן שווה את אזור הריתוך.
שלישית, יש לשלוט בטמפרטורה, בלחות ובאבק באוויר בסדנה. טמפרטורת הסביבה והלחות ישפיעו על תכולת הלחות על פני המצע ועל גז המגן, מה שישפיע בתורו על יצירת ושחרור אדי מים בבריכת המים המותכת. אם טמפרטורת הסביבה והלחות גבוהות מדי, תהיה יותר מדי לחות על פני המצע ועל גז המגן, מה שייצור כמות גדולה של אדי מים, וכתוצאה מכך נוצרים נקבוביות. אם טמפרטורת הסביבה והלחות נמוכות מדי, תהיה מעט מדי לחות על פני המצע ובגז המגן, מה שיפחית את יצירת אדי המים ובכך יפחית את הנקבוביות; יש לאפשר לאנשי האיכות לזהות את ערך היעד של טמפרטורה, לחות ואבק בתחנת הריתוך.
רביעית, שיטת תנועת הקרן משמשת להפחתה או ביטול נקבוביות בריתוך חדירה עמוקה בלייזר. עקב הוספת התנופה במהלך הריתוך, התנודה ההדדית של הקרן לתפר הריתוך גורמת להתכה חוזרת ונשנית של חלק מתפר הריתוך, מה שמאריך את זמן השהייה של המתכת הנוזלית בבריכת הריתוך. במקביל, סטיית הקרן גם מגדילה את קלט החום ליחידת שטח. יחס העומק לרוחב של הריתוך מצטמצם, מה שתורם להופעת בועות, ובכך מסלק נקבוביות. מצד שני, תנועת הקרן גורמת לחור הקטן להתנדנד בהתאם, מה שיכול גם לספק כוח ערבוב לבריכת הריתוך, להגביר את ההסעה והערבוב של בריכת הריתוך, ולהשפיע לטובה על סילוק הנקבוביות.
חמישית, תדר הפולס, תדר הפולס מתייחס למספר הפולסים הנפלטים מקרן הלייזר ליחידת זמן, דבר שישפיע על כניסת החום וצבירת החום בבריכת המותך, ולאחר מכן על שדה הטמפרטורה ושדה הזרימה בבריכת המותך. אם תדר הפולס גבוה מדי, הדבר יוביל לכניסת חום מוגזמת לבריכת המותך, מה שיגרום לטמפרטורת הבריכת המותך להיות גבוהה מדי, ולייצר אדי מתכת או יסודות אחרים הנדיפים בטמפרטורות גבוהות, וכתוצאה מכך נוצרים נקבוביות. אם תדר הפולס נמוך מדי, הדבר יוביל לצבירת חום לא מספקת בבריכת המותך, מה שיגרום לטמפרטורת הבריכת המותך להיות נמוכה מדי, מה שמפחית את המסת הגזים ובריחתם, וכתוצאה מכך נוצרים נקבוביות. באופן כללי, יש לבחור את תדר הפולס בטווח סביר בהתבסס על עובי המצע ועוצמת הלייזר, ולהימנע מלהיות גבוה מדי או נמוך מדי.
ריתוך חורים (ריתוך לייזר)
2. התזות ריתוך
התזות הנוצרות במהלך תהליך הריתוך, ריתוך בלייזר, ישפיעו קשות על איכות פני השטח של הריתוך, ויגרום לזהם ולפגוע בעדשה. הביצועים הכלליים הם כדלקמן: לאחר השלמת ריתוך הלייזר, חלקיקי מתכת רבים מופיעים על פני החומר או חומר העבודה ונצמדים לפני השטח של החומר או חומר העבודה. הביצועים האינטואיטיביים ביותר הם שכאשר מרותכים במצב גלוונומטר, לאחר תקופת שימוש בעדשת המגן של הגלוונומטר, יהיו בורות צפופים על פני השטח, ובורות אלה נגרמים על ידי התזות ריתוך. לאחר זמן רב, קל לחסום את האור, ויהיו בעיות עם אור הריתוך, וכתוצאה מכך סדרה של בעיות כגון ריתוך שבור וריתוך וירטואלי.
מהן הסיבות להתזות?
ראשית, צפיפות ההספק, ככל שצפיפות ההספק גדולה יותר, כך קל יותר לייצר התזות, וההתזות קשורות ישירות לצפיפות ההספק. זוהי בעיה בת מאה שנה. לפחות עד כה, התעשייה לא הצליחה לפתור את בעיית ההתזות, ויכולה רק לומר שהיא פחתה מעט. בתעשיית סוללות הליתיום, התזות הן הגורם הגדול ביותר לקצר חשמלי בסוללות, אך היא לא הצליחה לפתור את שורש הבעיה. ניתן להפחית את השפעת ההתזות על הסוללה רק מנקודת מבט של הגנה. לדוגמה, מעגל של פתחי הסרת אבק וכיסויי מגן מתווספים סביב חלק הריתוך, ושורות של סכיני אוויר מתווספות במעגלים כדי למנוע את השפעת ההתזות או אפילו נזק לסוללה. ניתן לומר שהרס הסביבה, המוצרים והרכיבים סביב תחנת הריתוך מיצה את האמצעים.
באשר לפתרון בעיית ההתזות, ניתן לומר רק שהפחתת אנרגיית הריתוך מסייעת בהפחתת ההתזות. הפחתת מהירות הריתוך יכולה לעזור גם אם החדירה אינה מספקת. אך בדרישות תהליך מיוחדות מסוימות, יש לכך השפעה מועטה. זהו אותו תהליך, מכונות שונות ואצוות חומרים שונות בעלות אפקטי ריתוך שונים לחלוטין. לכן, יש כלל לא כתוב בתעשיית האנרגיה החדשה, סט אחד של פרמטרי ריתוך עבור פריט ציוד אחד.
שנית, אם לא מנוקים את פני השטח של החומר המעובד או חומר העבודה, כתמי שמן או מזהמים יגרמו גם הם להתזות חמורות. בשלב זה, הדבר הקל ביותר הוא לנקות את פני השטח של החומר המעובד.
3. רפלקטיביות גבוהה של ריתוך לייזר
באופן כללי, השתקפות גבוהה מתייחסת לעובדה שלחומר העיבוד יש התנגדות קטנה, משטח חלק יחסית וקצב ספיגה נמוך עבור לייזרים קרובים לאינפרא אדום, מה שמוביל לכמות גדולה של פליטת לייזר, ומכיוון שרוב הלייזרים משמשים אנכית. עקב החומר או כמות קטנה של נטייה, אור הלייזר החוזר נכנס שוב לראש הפלט, ואפילו חלק מהאור החוזר מצומד לסיב המעביר אנרגיה, ומועבר חזרה לאורך הסיב לחלק הפנימי של הלייזר, מה שגורם לרכיבי הליבה בתוך הלייזר להמשיך להיות בטמפרטורה גבוהה.
כאשר ההחזרה גבוהה מדי במהלך ריתוך בלייזר, ניתן לנקוט בפתרונות הבאים:
3.1 השתמשו בציפוי נגד השתקפות או טפלו בפני השטח של החומר: ציפוי פני השטח של חומר הריתוך בציפוי נגד השתקפות יכול להפחית ביעילות את החזרת הלייזר. ציפוי זה הוא בדרך כלל חומר אופטי מיוחד בעל החזרה נמוכה הסופג אנרגיית לייזר במקום להחזיר אותה בחזרה. בתהליכים מסוימים, כגון ריתוך עם קולט זרם, חיבור רך וכו', ניתן גם להטביע את פני השטח.
3.2 כוונון זווית הריתוך: על ידי כוונון זווית הריתוך, קרן הלייזר יכולה לפגוע בחומר הריתוך בזווית מתאימה יותר ולהפחית את הופעת ההשתקפויות. בדרך כלל, קרן הלייזר הפוגעת בניצב לפני השטח של החומר המיועד לריתוך היא דרך טובה להפחית השתקפויות.
3.3 הוספת חומר סופג עזר: במהלך תהליך הריתוך, מוסיפים לריתוך כמות מסוימת של חומר סופג עזר, כגון אבקה או נוזל. חומרים סופגים אלה סופגים אנרגיית לייזר ומפחיתים את החזרת האנרגיה. יש לבחור את חומר הסופג המתאים בהתבסס על חומרי הריתוך הספציפיים ותרחישי היישום. בתעשיית סוללות הליתיום, זה לא סביר.
3.4 שימוש בסיב אופטי להעברת לייזר: במידת האפשר, ניתן להשתמש בסיב אופטי להעברת לייזר לנקודת הריתוך כדי להפחית את ההשתקפות. סיבים אופטיים יכולים לכוון את קרן הלייזר לאזור הריתוך כדי למנוע חשיפה ישירה לפני השטח של חומר הריתוך ולהפחית את התרחשות ההשתקפויות.
3.5 התאמת פרמטרי לייזר: על ידי התאמת פרמטרים כגון עוצמת לייזר, אורך מוקד וקוטר מוקד, ניתן לשלוט על פיזור אנרגיית הלייזר ולהפחית את ההשתקפויות. עבור חומרים מחזירי אור מסוימים, הפחתת עוצמת הלייזר עשויה להיות דרך יעילה להפחתת השתקפויות.
3.6 שימוש במפצל קרן: מפצל קרן יכול להוביל חלק מאנרגיית הלייזר אל תוך התקן הקליטה, ובכך להפחית את התרחשות ההשתקפויות. התקני פיצול קרן מורכבים בדרך כלל מרכיבים אופטיים ובולמי קרן, ועל ידי בחירת רכיבים מתאימים והתאמת סידור המכשיר, ניתן להשיג רפלקטיביות נמוכה יותר.
4. ריתוך תחתון
בתהליך ייצור סוללות ליתיום, אילו תהליכים נוטים יותר לגרום לחיסכון נמוך יותר? מדוע מתרחשת חסכון נמוך יותר? בואו ננתח זאת.
חתך נמוך, בדרך כלל חומרי הגלם לריתוך אינם משולבים היטב זה עם זה, הפער גדול מדי או שנוצר חריץ, העומק והרוחב גדולים מ-0.5 מ"מ, האורך הכולל גדול מ-10% מאורך הריתוך, או גדול מהאורך המבוקש בתקן תהליך המוצר.
בתהליך ייצור סוללות ליתיום כולו, קיים סיכוי גבוה יותר לחתכים מתחת לחתך, והוא מתפרץ בדרך כלל בריתוך טרום-ריתוך וריתוך של לוחית הכיסוי הגלילית, ובריתוך טרום-ריתוך וריתוך של לוחית הכיסוי המרובעת מאלומיניום. הסיבה העיקרית לכך היא שלוחית הכיסוי צריכה לשתף פעולה עם המעטפת לצורך ריתוך, ותהליך ההתאמה בין לוחית הכיסוי למעטפת נוטה לפערים, חריצים, קריסה וכו' בריתוך מוגזמים, ולכן הוא נוטה במיוחד לחיתוכים מתחת לחתך.
אז מה גורם לחיסכון נמוך?
אם מהירות הריתוך מהירה מדי, המתכת הנוזלית שמאחורי החור הקטן שמצביע למרכז הריתוך לא יספיק להתפזר מחדש, מה שיוביל להתמצקות וחיתוך מתחת לשני צידי הריתוך. לאור המצב הנ"ל, עלינו לבצע אופטימיזציה של פרמטרי הריתוך. במילים פשוטות, יש לבצע ניסויים חוזרים כדי לאמת פרמטרים שונים, ולהמשיך לבצע DOE עד למציאת הפרמטרים המתאימים.
2. פערים, חריצים, קריסות וכו' מוגזמים של חומרי ריתוך בריתוך יפחיתו את כמות המתכת המותכת הממלאת את הפערים, מה שיגרום לסיכוי גבוה יותר להתרחשות חיתוכים. זוהי שאלה של ציוד וחומרי גלם. האם חומרי הגלם לריתוך עומדים בדרישות החומר הנכנס של התהליך שלנו, האם דיוק הציוד עומד בדרישות וכו'. הנוהג הרגיל הוא לענות ולהכות ללא הרף את הספקים ואת האנשים האחראים על הציוד.
3. אם האנרגיה יורדת מהר מדי בסוף ריתוך הלייזר, החור הקטן עלול לקרוס, וכתוצאה מכך חיתוך מקומי. התאמה נכונה של עוצמה ומהירות יכולה למנוע ביעילות היווצרות של חיתוכים. כפי שאומר הפתגם הישן, חזרו על ניסויים, ודאו פרמטרים שונים והמשיכו ב-DOE עד שתמצאו את הפרמטרים הנכונים.
5. קריסת מרכז הריתוך
אם מהירות הריתוך איטית, בריכת ההיתוך תהיה גדולה ורחבה יותר, מה שיגדיל את כמות המתכת המותכת. דבר זה עלול להקשות על שמירת מתח הפנים. כאשר המתכת המותכת הופכת כבדה מדי, מרכז הריתוך עלול לשקוע וליצור שקעים ובורות. במקרה זה, יש להפחית את צפיפות האנרגיה בצורה מתאימה כדי למנוע קריסה של בריכת ההיתוך.
במצב אחר, פער הריתוך פשוט יוצר קריסה מבלי לגרום לניקוב. זוהי ללא ספק בעיה של התאמת הציוד ללחץ.
הבנה נכונה של הפגמים שעלולים להתרחש במהלך ריתוך בלייזר והגורמים לפגמים שונים מאפשרת גישה ממוקדת יותר לפתרון כל בעיית ריתוך חריגה.
6. סדקי ריתוך
הסדקים המופיעים במהלך ריתוך לייזר רציף הם בעיקר סדקים תרמיים, כגון סדקי גביש וסדקי התנזלות. הסיבה העיקרית לסדקים אלו היא כוחות הצטמקות גדולים הנוצרים על ידי הריתוך לפני שהוא מתמצק לחלוטין.
ישנן גם הסיבות הבאות לסדקים בריתוך לייזר:
1. תכנון ריתוך לא סביר: תכנון לא נכון של הגיאומטריה וגודל הריתוך עלול לגרום לריכוז מאמץ בריתוך, ובכך לגרום לסדקים. הפתרון הוא לייעל את תכנון הריתוך כדי למנוע ריכוז מאמץ בריתוך. ניתן להשתמש בריתוכים אופסטים מתאימים, לשנות את צורת הריתוך וכו'.
2. אי התאמה של פרמטרי ריתוך: בחירה שגויה של פרמטרי ריתוך, כגון מהירות ריתוך גבוהה מדי, הספק גבוה מדי וכו', עלולה להוביל לשינויי טמפרטורה לא אחידים באזור הריתוך, וכתוצאה מכך למאמצי ריתוך גדולים וסדקים. הפתרון הוא להתאים את פרמטרי הריתוך לחומר ולתנאי הריתוך הספציפיים.
3. הכנה לקויה של משטח הריתוך: אי ניקוי וטיפול מקדים כראוי של משטח הריתוך לפני הריתוך, כגון הסרת תחמוצות, גריז וכו', ישפיעו על איכות וחוזק הריתוך ויוביל בקלות לסדקים. הפתרון הוא ניקוי וטיפול מקדים כראוי של משטח הריתוך כדי להבטיח טיפול יעיל בזיהומים ובזיהומים באזור הריתוך.
4. שליטה לקויה בכניסת חום הריתוך: שליטה לקויה בכניסת חום במהלך הריתוך, כגון טמפרטורה מוגזמת במהלך הריתוך, קצב קירור לא תקין של שכבת הריתוך וכו', יובילו לשינויים במבנה אזור הריתוך, וכתוצאה מכך סדקים. הפתרון הוא לשלוט בטמפרטורה ובקצב הקירור במהלך הריתוך כדי למנוע התחממות יתר וקירור מהיר.
5. הפגת מתחים לא מספקת: טיפול להפגת מתחים לא מספקת לאחר הריתוך יגרום להפגת מתחים לא מספקת באזור הריתוך, מה שיוביל בקלות לסדקים. הפתרון הוא לבצע טיפול מתאים להפגת מתחים לאחר הריתוך, כגון טיפול בחום או טיפול ברטט (הסיבה העיקרית).
באשר לתהליך הייצור של סוללות ליתיום, אילו תהליכים נוטים יותר לגרום לסדקים?
באופן כללי, סדקים נוטים להיווצר במהלך ריתוך איטום, כגון ריתוך איטום של קליפות פלדה גליליות או קליפות אלומיניום, ריתוך איטום של קליפות אלומיניום מרובעות וכו'. בנוסף, במהלך תהליך אריזת המודול, ריתוך קולט הזרם נוטה גם הוא לסדקים.
כמובן, נוכל גם להשתמש בחוט מילוי, חימום מוקדם או שיטות אחרות כדי להפחית או לבטל סדקים אלה.
זמן פרסום: 1 בספטמבר 2023
