ריתוך בלייזר
בשנים האחרונות, הודות להתפתחות המהירה של תעשיית האנרגיה החדשה, ריתוך הלייזר חדר במהירות לכל תעשיית האנרגיה החדשה בשל יתרונותיו המהירים והיציבים.ביניהם, ציוד ריתוך לייזר מהווה את השיעור הגבוה ביותר של יישומים בכל תעשיית האנרגיה החדשה.
ריתוך בלייזר הפך במהירות לבחירה הראשונה בכל תחומי החיים בשל מהירותו המהירה, העומק הגדול והעיוות הקטן שלו.מריתוך נקודתי ועד לריתוך קת, ריתוך הצטברות ואיטום, ריתוך לייזר מספק דיוק ושליטה שאין שני להם.הוא ממלא תפקיד חשוב בייצור וייצור תעשייתי, כולל תעשייה צבאית, טיפול רפואי, תעופה וחלל, חלקי רכב 3C, מתכת מכנית, אנרגיה חדשה ותעשיות אחרות.
בהשוואה לטכנולוגיות ריתוך אחרות, לריתוך בלייזר יש יתרונות וחסרונות ייחודיים.
יתרון:
1. מהירות מהירה, עומק גדול ועיוות קטן.
2. ניתן לבצע ריתוך בטמפרטורה רגילה או בתנאים מיוחדים, וציוד הריתוך פשוט.לדוגמה, קרן לייזר אינה נסחפת בשדה אלקטרומגנטי.לייזרים יכולים לרתך בוואקום, אוויר או סביבות גז מסוימות, ויכולים לרתך חומרים שהם דרך זכוכית או שקופים לקרן הלייזר.
3. הוא יכול לרתך חומרים עקשנים כגון טיטניום וקוורץ, ויכול גם לרתך חומרים לא דומים עם תוצאות טובות.
4. לאחר מיקוד הלייזר, צפיפות ההספק גבוהה.יחס הגובה-רוחב יכול להגיע ל-5:1, ויכול להגיע עד 10:1 בעת ריתוך מכשירים בעלי הספק גבוה.
5. ניתן לבצע ריתוך מיקרו.לאחר מיקוד קרן הלייזר, ניתן לקבל נקודה קטנה וניתן למקם אותה בצורה מדויקת.זה יכול להיות מיושם על הרכבה וריתוך של חלקי עבודה מיקרו וקטנים כדי להשיג ייצור המוני אוטומטי.
6. הוא יכול לרתך אזורים שקשה להגיע אליהם ולבצע ריתוך למרחקים ארוכים ללא מגע, בגמישות רבה.במיוחד בשנים האחרונות, טכנולוגיית עיבוד הלייזר של YAG אימצה טכנולוגיית שידור סיבים אופטיים, שאפשרה לקדם וליישם באופן נרחב יותר את טכנולוגיית ריתוך הלייזר.
7. קל לפצל את קרן הלייזר בזמן ובמרחב, וניתן לעבד קרנות מרובות במספר מקומות בו זמנית, מה שמספק תנאים לריתוך מדויק יותר.
פְּגָם:
1. דיוק ההרכבה של חומר העבודה נדרש להיות גבוה, ולא ניתן לסטות משמעותית ממיקום הקורה על חומר העבודה.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 הקורה אינו עומד בדרישות, פגמי ריתוך נוטים להתרחש.
2. עלות לייזרים ומערכות נלוות גבוהה, וההשקעה החד פעמית גדולה.
פגמים נפוצים בריתוך בלייזר בייצור סוללות ליתיום
1. נקבוביות ריתוך
פגמים נפוצים בריתוך בלייזר הם נקבוביות.בריכת הריתוך המותכת היא עמוקה וצרה.במהלך תהליך ריתוך הלייזר, חנקן פולש לבריכה המותכת מבחוץ.במהלך תהליך הקירור וההתמצקות של המתכת, מסיסות החנקן פוחתת עם ירידת הטמפרטורה.כאשר מתכת הבריכה המותכת מתקררת כדי להתחיל להתגבש, המסיסות תרד בחדות ובפתאומיות.בשלב זה, כמות גדולה של גז תשקע ליצירת בועות.אם מהירות הצפה של הבועות נמוכה ממהירות התגבשות המתכת, ייווצרו נקבוביות.
ביישומים בתעשיית סוללות הליתיום, אנו מוצאים לעתים קרובות שנקבוביות נוטות להתרחש במהלך ריתוך האלקטרודה החיובית, אך לעיתים רחוקות מתרחשות במהלך ריתוך האלקטרודה השלילית.הסיבה לכך היא שהאלקטרודה החיובית עשויה מאלומיניום והאלקטרודה השלילית עשויה מנחושת.במהלך הריתוך, האלומיניום הנוזלי על פני השטח התעבה לפני שהגז הפנימי עולה לחלוטין על גדותיו, מה שמונע מהגז לעלות על גדותיו וליצור חורים גדולים וקטנים.סטמאטה קטנה.
בנוסף לגורמים לנקבוביות שהוזכרו לעיל, נקבוביות כוללות גם אוויר חיצוני, לחות, שמן משטח וכו'. בנוסף, כיוון וזווית נפיחת החנקן ישפיעו גם על היווצרות הנקבוביות.
לגבי איך להפחית את המופע של נקבוביות ריתוך?
ראשית, לפני הריתוך, יש לנקות את כתמי השמן והזיהומים על פני החומרים הנכנסים בזמן;בייצור סוללות ליתיום, בדיקת חומר נכנס היא תהליך חיוני.
שנית, יש להתאים את זרימת גז המגן לפי גורמים כמו מהירות ריתוך, כוח, מיקום וכו', ולא להיות גדולה מדי ולא קטנה מדי.יש להתאים את לחץ גלימת ההגנה לפי גורמים כמו כוח לייזר ומיקום מיקוד, ולא להיות גבוה מדי ולא נמוך מדי.יש להתאים את צורת פיית גלימת ההגנה בהתאם לצורה, לכיוון ולגורמים נוספים של הריתוך כך שגלימת ההגנה תוכל לכסות באופן שווה את אזור הריתוך.
שלישית, לשלוט בטמפרטורה, הלחות והאבק באוויר בבית המלאכה.טמפרטורת הסביבה והלחות ישפיעו על תכולת הלחות על פני המצע ועל גז המגן, אשר בתורו ישפיעו על היווצרות ובריחה של אדי מים בבריכה המותכת.אם טמפרטורת הסביבה והלחות גבוהים מדי, תהיה לחות רבה מדי על פני המצע והגז המגן, וייצור כמות גדולה של אדי מים, וכתוצאה מכך נקבוביות.אם טמפרטורת הסביבה והלחות נמוכים מדי, תהיה מעט מדי לחות על פני המצע ובגז המגן, מה שמפחית את יצירת אדי המים, ובכך מפחית את הנקבוביות;תן לצוות האיכותי לזהות את ערך היעד של טמפרטורה, לחות ואבק בתחנת הריתוך.
רביעית, שיטת נדנדת קרן משמשת להפחתת או ביטול נקבוביות בריתוך חדירה עמוקה בלייזר.עקב תוספת התנופה במהלך הריתוך, התנופה ההדדית של הקורה לתפר הריתוך גורמת להתכה חוזרת ונשנית של חלק מתפר הריתוך, מה שמאריך את זמן השהייה של המתכת הנוזלית בבריכת הריתוך.במקביל, הסטת הקורה מגבירה גם את כניסת החום ליחידת שטח.יחס העומק לרוחב של הריתוך מופחת, מה שמסייע להופעת בועות, ובכך מבטל נקבוביות.מצד שני, תנודת הקורה גורמת להתנדנדות החור הקטן בהתאם, מה שיכול גם לספק כוח עירוב לבריכת הריתוך, להגביר את ההסעה והערבול של בריכת הריתוך ולהשפיע לטובה על סילוק הנקבוביות.
חמישית, תדר הפולס, תדר הפולס מתייחס למספר הפולסים הנפלטים מקרן הלייזר ליחידת זמן, אשר ישפיעו על כניסת החום והצטברות החום בבריכה המותכת, ולאחר מכן ישפיעו על שדה הטמפרטורה ושדה הזרימה במותך. בריכה.אם תדירות הפולסים גבוהה מדי, זה יוביל לכניסת חום מוגזמת בבריכה המותכת, מה שיגרום לטמפרטורה של הבריכה המותכת להיות גבוהה מדי, לייצור אדי מתכת או אלמנטים אחרים שהם נדיפים בטמפרטורות גבוהות, וכתוצאה מכך נקבוביות.אם תדירות הפולסים נמוכה מדי, הדבר יוביל להצטברות לא מספקת של חום בבריכה המותכת, מה שיגרום לטמפרטורת הבריכה המותכת להיות נמוכה מדי, ותפחית את ההתמוססות והבריחה של גז, וכתוצאה מכך נקבוביות.באופן כללי, יש לבחור את תדר הפולס בטווח סביר המבוסס על עובי המצע ועוצמת הלייזר, ולהימנע מלהיות גבוה מדי או נמוך מדי.
ריתוך חורים (ריתוך בלייזר)
2. נתזי ריתוך
הנתזים שנוצרים במהלך תהליך הריתוך, ריתוך בלייזר ישפיע קשות על איכות פני השטח של הריתוך, ותזהם ויפגע בעדשה.הביצועים הכלליים הם כדלקמן: לאחר השלמת ריתוך הלייזר, חלקיקי מתכת רבים מופיעים על פני החומר או חומר העבודה ונצמדים למשטח החומר או חומר העבודה.הביצועים האינטואיטיביים ביותר הם שכאשר ריתוכים במצב של הגלוונומטר, לאחר פרק זמן של שימוש בעדשת המגן של הגלוונומטר, יהיו בורות צפופים על פני השטח, ובורות אלו נגרמים על ידי ניתזי ריתוך.לאחר זמן רב קל לחסום את האור, ויהיו בעיות באור הריתוך, שיגרמו לשורה של בעיות כמו ריתוך שבור וריתוך וירטואלי.
מהם הגורמים להתזות?
ראשית, צפיפות ההספק, ככל שצפיפות ההספק גדולה יותר, כך קל יותר ליצור ניתזים, והנתזים קשורים ישירות לצפיפות ההספק.זו בעיה בת מאה שנה.לפחות עד כה התעשייה לא הצליחה לפתור את בעיית ההתזה, ורק יכולה לומר שהיא צומצמה מעט.בתעשיית סוללות הליתיום, התזה היא הגורם הגדול ביותר לקצר בסוללה, אך היא לא הצליחה לפתור את שורש הבעיה.ניתן להפחית את השפעת הנתזים על הסוללה רק מנקודת מבט של הגנה.לדוגמה, מעגל של יציאות להסרת אבק וכיסויי הגנה מתווספים סביב חלק הריתוך, ושורות של סכיני אוויר מתווספות במעגלים כדי למנוע פגיעת ניתזים או אפילו נזק לסוללה.ניתן לומר שהרס הסביבה, מוצרים ורכיבים סביב עמדת הריתוך מיצו את האמצעים.
באשר לפתרון בעיית הנתזים, ניתן רק לומר שהפחתת אנרגיית הריתוך עוזרת להפחית ניתזים.הפחתת מהירות הריתוך יכולה לעזור גם אם החדירה אינה מספקת.אבל בכמה דרישות תהליך מיוחדות, זה משפיע מעט.זה אותו תהליך, למכונות שונות ולקבוצות שונות של חומרים יש השפעות ריתוך שונות לחלוטין.לכן, יש כלל לא כתוב בתעשיית האנרגיה החדשה, סט אחד של פרמטרי ריתוך עבור ציוד אחד.
שנית, אם לא מנקים את פני השטח של החומר המעובד או חומר העבודה, גם כתמי שמן או מזהמים יגרמו 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 קרוב לאינפרא אדום, מה שמוביל לכמות גדולה של פליטת לייזר, ומכיוון שרוב הלייזרים משמשים באנכי בגלל החומר או כמות קטנה של נטייה, אור הלייזר החוזר נכנס שוב לראש הפלט, ואפילו חלק מהאור החוזר מחובר לסיב המעביר אנרגיה, ומועבר בחזרה לאורך הסיב פנימה של הלייזר, מה שגורם לרכיבי הליבה בתוך הלייזר להמשיך להיות בטמפרטורה גבוהה.
כאשר רפלקטיביות גבוהה מדי במהלך ריתוך לייזר, ניתן לקחת את הפתרונות הבאים:
3.1 השתמש בציפוי אנטי השתקפות או טפל במשטח החומר: ציפוי פני חומר הריתוך בציפוי אנטי השתקפות יכול להפחית ביעילות את יכולת ההשתקפות של הלייזר.ציפוי זה הוא בדרך כלל חומר אופטי מיוחד עם רפלקטיביות נמוכה הסופג אנרגיית לייזר במקום להחזיר אותה בחזרה.בתהליכים מסוימים, כגון ריתוך קולט זרם, חיבור רך וכו', ניתן גם להטביע את פני השטח.
3.2 כוונן את זווית הריתוך: על ידי התאמת זווית הריתוך, קרן הלייזר יכולה להיפגע על חומר הריתוך בזווית מתאימה יותר ולהפחית את התרחשות השתקפות.בדרך כלל, כניסת קרן הלייזר בניצב לפני השטח של החומר לריתוך היא דרך טובה להפחית השתקפויות.
3.3 הוספת סופג עזר: בתהליך הריתוך מוסיפים לריתוך כמות מסוימת של סופג עזר כמו אבקה או נוזל.בולמים אלו סופגים אנרגיית לייזר ומפחיתים את ההשתקפות.יש לבחור את הסופג המתאים בהתבסס על חומרי הריתוך הספציפיים ותרחישי היישום.בתעשיית סוללות הליתיום, זה לא סביר.
3.4 השתמש בסיבים אופטיים להעברת לייזר: במידת האפשר, ניתן להשתמש בסיבים אופטיים להעברת לייזר לעמדת הריתוך כדי להפחית את ההשתקפות.סיבים אופטיים יכולים להוביל את קרן הלייזר לאזור הריתוך כדי למנוע חשיפה ישירה לפני השטח של חומר הריתוך ולהפחית את התרחשות השתקפויות.
3.5 התאמת פרמטרים של לייזר: על ידי התאמת פרמטרים כגון כוח לייזר, אורך מוקד, קוטר מוקד, ניתן לשלוט בחלוקת אנרגיית הלייזר ולהפחית השתקפויות.עבור כמה חומרים מחזירי אור, הפחתת כוח הלייזר עשויה להיות דרך יעילה להפחתת השתקפויות.
3.6 השתמש במפצל קרן: מפצל קרן יכול להוביל חלק מאנרגיית הלייזר לתוך מכשיר הקליטה, ובכך להפחית את התרחשות השתקפויות.התקני פיצול אלומה מורכבים בדרך כלל מרכיבים אופטיים ובולמים, ועל ידי בחירת רכיבים מתאימים והתאמת פריסת המכשיר, ניתן להשיג רפלקטיביות נמוכה יותר.
4. חתך ריתוך
בתהליך ייצור סוללות ליתיום, אילו תהליכים נוטים יותר לגרום לחתירה?מדוע מתרחשת חתך?בואו ננתח את זה.
חתך, בדרך כלל חומרי הגלם לריתוך אינם משולבים היטב אחד עם השני, הפער גדול מדי או החריץ מופיע, העומק והרוחב בעצם גדולים מ-0.5 מ"מ, האורך הכולל גדול מ-10% מאורך הריתוך, או גדול מסטנדרט תהליך המוצר באורך המבוקש.
בכל תהליך ייצור סוללת הליתיום, יש סיכוי גבוה יותר להתרחש חתך, והוא מופץ בדרך כלל באיטום הריתוך והריתוך מראש של לוחית הכיסוי הגלילית ובריתוך מראש והריתוך של לוחית הכיסוי של מעטפת האלומיניום המרובעת.הסיבה העיקרית היא שפלטת הכיסוי האיטום צריכה לשתף פעולה עם המעטפת לריתוך, תהליך ההתאמה בין לוחית הכיסוי למעטפת נוטה למרווחי ריתוך מוגזמים, חריצים, קריסה וכו', ולכן הוא נוטה במיוחד לחתכים. .
אז מה גורם לחתירה?
אם מהירות הריתוך מהירה מדי, למתכת הנוזלית שמאחורי החור הקטן המצביע על מרכז הריתוך לא יהיה זמן להתפזר מחדש, וכתוצאה מכך להתמצקות וחיתוך משני צידי הריתוך.לאור המצב לעיל, עלינו לייעל את פרמטרי הריתוך.במילים פשוטות, מדובר בניסויים חוזרים על מנת לאמת פרמטרים שונים, ולהמשיך לעשות DOE עד שימצאו את הפרמטרים המתאימים.
2. פערי ריתוך מוגזמים, חריצים, קריסות וכו' של חומרי ריתוך יפחיתו את כמות המתכת המותכת הממלאת את הרווחים, מה שיגדיל את הסיכוי להתרחש חתכים.זו 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 כל הזמן ולהכות את הספקים והאחראים על הציוד.
3. אם האנרגיה יורדת מהר מדי בסוף ריתוך הלייזר, החור הקטן עלול לקרוס, וכתוצאה מכך לחתוך מקומי.התאמה נכונה של כוח ומהירות יכולה למנוע ביעילות היווצרות של חתכים.כפי שאומר הפתגם הישן, חזור על ניסויים, אמת פרמטרים שונים והמשך ב-DOE עד שתמצא את הפרמטרים הנכונים.
5. קריסת מרכז ריתוך
אם מהירות הריתוך איטית, הבריכה המותכת תהיה גדולה ורחבה יותר, מה שמגדיל את כמות המתכת המותכת.זה יכול להקשות על שמירה על מתח פני השטח.כאשר המתכת המותכת הופכת כבדה מדי, מרכז הריתוך עלול לשקוע וליצור שקעים ובורות.במקרה זה, יש להפחית כראוי את צפיפות האנרגיה כדי למנוע קריסת בריכת ההיתוך.
במצב אחר, פער הריתוך פשוט יוצר קריסה מבלי לגרום לנקב.זו ללא ספק בעיה של התאמת ציוד לחיצה.
הבנה נכונה של הליקויים שעלולים להתרחש במהלך ריתוך בלייזר והגורמים לליקויים שונים מאפשרת גישה ממוקדת יותר לפתרון בעיות ריתוך חריגות.
6. סדקי ריתוך
הסדקים המופיעים במהלך ריתוך לייזר מתמשך הם בעיקר סדקים תרמיים, כגון סדקי גביש וסדקי התנזלות.הגורם העיקרי לסדקים אלו הוא כוחות הכיווץ הגדולים שנוצרים על ידי הריתוך לפני שהוא מתמצק לחלוטין.
יש גם את הסיבות הבאות לסדקים בריתוך לייזר:
1. תכנון ריתוך בלתי סביר: תכנון לא נכון של הגיאומטריה והגודל של הריתוך עלול לגרום לריכוז מתח ריתוך, ובכך לגרום לסדקים.הפתרון הוא לייעל את עיצוב הריתוך כדי למנוע ריכוז מתח ריתוך.ניתן להשתמש בריתכות אופסט מתאימות, לשנות את צורת הריתוך וכו'.
2. אי התאמה של פרמטרי ריתוך: בחירה לא נכונה של פרמטרי ריתוך, כמו מהירות ריתוך מהירה מדי, הספק גבוה מדי וכו', עלולה להוביל לשינויי טמפרטורה לא אחידים באזור הריתוך, וכתוצאה מכך ללחץ ריתוך גדול ולסדקים.הפתרון הוא להתאים את פרמטרי הריתוך כך שיתאימו לחומר ולתנאי הריתוך הספציפיים.
3. הכנה לקויה של משטח הריתוך: אי ניקוי וטיפול מקדים במשטח הריתוך לפני הריתוך, כגון הסרת תחמוצות, שומן וכדומה, ישפיע על איכות וחוזק הריתוך ויוביל בקלות לסדקים.הפתרון הוא ניקוי נאות וטיפול מקדים במשטח הריתוך כדי להבטיח טיפול יעיל בזיהומים ומזהמים באזור הריתוך.
4. שליטה לא נכונה בכניסת חום הריתוך: שליטה לקויה בכניסת החום בזמן הריתוך, כמו טמפרטורה מוגזמת בזמן הריתוך, קצב קירור לא תקין של שכבת הריתוך וכדומה, תוביל לשינויים במבנה אזור הריתוך, שיגרמו לסדקים. .הפתרון הוא לשלוט בטמפרטורה ובקצב הקירור במהלך הריתוך כדי למנוע התחממות יתר וקירור מהיר.
5. הפגת מתחים לא מספקת: טיפול לא מספיק של הפגת מתחים לאחר ריתוך יגרום להורדת מתח לא מספקת באזור המרותך, מה שיוביל בקלות לסדקים.הפתרון הוא ביצוע טיפול מתאים להורדת מתחים לאחר ריתוך, כגון טיפול בחום או טיפול ברטט (הסיבה העיקרית).
באשר לתהליך הייצור של סוללות ליתיום, אילו תהליכים נוטים יותר לגרום לסדקים?
בדרך כלל, סדקים נוטים להתרחש במהלך ריתוך איטום, כגון ריתוך איטום של קונכיות פלדה גליליות או קונכיות אלומיניום, ריתוך איטום של קונכיות אלומיניום מרובעות וכו'. בנוסף, במהלך תהליך אריזת המודול, הריתוך של קולט הזרם נוטה גם הוא. לסדקים.
כמובן, אנו יכולים גם להשתמש בחוט מילוי, חימום מוקדם או שיטות אחרות כדי להפחית או להעלים סדקים אלו.
זמן פרסום: 01-01-2023
