Trong những năm gần đây, nhờ sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp năng lượng mới, hàn laser đã nhanh chóng thâm nhập vào toàn bộ ngành công nghiệp năng lượng mới nhờ những ưu điểm về tốc độ và độ ổn định. Trong đó, thiết bị hàn laser chiếm tỷ lệ ứng dụng cao nhất trong toàn bộ ngành công nghiệp năng lượng mới.
Hàn laserNhờ tốc độ nhanh, độ sâu lớn và độ biến dạng nhỏ, nó đã nhanh chóng trở thành sự lựa chọn hàng đầu trong mọi lĩnh vực. Từ các mối hàn điểm đến các mối hàn giáp mí, hàn đắp và hàn kín,hàn laserCung cấp độ chính xác và khả năng kiểm soát vượt trội. Nó đóng vai trò quan trọng trong sản xuất và chế tạo công nghiệp, bao gồm công nghiệp quân sự, chăm sóc y tế, hàng không vũ trụ, phụ tùng ô tô 3C, gia công cơ khí tấm, năng lượng mới và các ngành công nghiệp khác.
So với các công nghệ hàn khác, hàn laser có những ưu điểm và nhược điểm riêng.
Lợi thế:
1. Tốc độ nhanh, độ sâu lớn và độ biến dạng nhỏ.
2. Hàn có thể được thực hiện ở nhiệt độ bình thường hoặc trong điều kiện đặc biệt, và thiết bị hàn khá đơn giản. Ví dụ, tia laser không bị lệch hướng trong trường điện từ. Laser có thể hàn trong môi trường chân không, không khí hoặc một số loại khí nhất định, và có thể hàn các vật liệu trong suốt như thủy tinh hoặc trong suốt đối với tia laser.
3. Máy có thể hàn các vật liệu chịu nhiệt như titan và thạch anh, đồng thời cũng có thể hàn các vật liệu khác nhau với kết quả tốt.
4. Sau khi tia laser được hội tụ, mật độ công suất cao. Tỷ lệ khung hình có thể đạt 5:1, và có thể lên đến 10:1 khi hàn các thiết bị công suất cao.
5. Có thể thực hiện hàn vi mô. Sau khi chùm tia laser được hội tụ, có thể thu được một điểm nhỏ và định vị chính xác. Nó có thể được ứng dụng vào việc lắp ráp và hàn các chi tiết siêu nhỏ và nhỏ để đạt được sản xuất hàng loạt tự động.
6. Nó có thể hàn các khu vực khó tiếp cận và thực hiện hàn không tiếp xúc ở khoảng cách xa, với tính linh hoạt cao. Đặc biệt trong những năm gần đây, công nghệ gia công laser YAG đã áp dụng công nghệ truyền dẫn sợi quang, cho phép công nghệ hàn laser được phổ biến và ứng dụng rộng rãi hơn.
7. Tia laser dễ dàng tách rời theo thời gian và không gian, và nhiều tia có thể được xử lý đồng thời tại nhiều vị trí, tạo điều kiện cho việc hàn chính xác hơn.
Khuyết điểm:
1. Yêu cầu độ chính xác lắp ráp phôi cao, và vị trí chùm tia laser trên phôi không được sai lệch đáng kể. Điều này là do kích thước điểm laser sau khi hội tụ nhỏ và đường hàn hẹp, gây khó khăn cho việc thêm vật liệu phụ. Nếu độ chính xác lắp ráp phôi hoặc độ chính xác định vị của chùm tia không đáp ứng yêu cầu, dễ xảy ra các khuyết tật hàn.
2. Chi phí của laser và các hệ thống liên quan rất cao, và khoản đầu tư ban đầu lớn.
Các khuyết tật thường gặp khi hàn lasertrong sản xuất pin lithium
1. Rỗ khí trong mối hàn
Các khuyết tật thường gặp tronghàn laserĐó là các lỗ rỗng. Vũng hàn sâu và hẹp. Trong quá trình hàn laser, nitơ xâm nhập vào vũng hàn từ bên ngoài. Trong quá trình làm nguội và đông đặc của kim loại, độ hòa tan của nitơ giảm khi nhiệt độ giảm. Khi kim loại trong vũng hàn nguội đi và bắt đầu kết tinh, độ hòa tan sẽ giảm mạnh và đột ngột. Lúc này, một lượng lớn khí sẽ kết tủa tạo thành bọt khí. Nếu tốc độ nổi của bọt khí nhỏ hơn tốc độ kết tinh của kim loại, sẽ tạo ra các lỗ rỗng.
Trong các ứng dụng của ngành công nghiệp pin lithium, chúng ta thường thấy rằng các lỗ rỗ đặc biệt dễ xuất hiện trong quá trình hàn điện cực dương, nhưng hiếm khi xảy ra trong quá trình hàn điện cực âm. Điều này là do điện cực dương được làm bằng nhôm và điện cực âm được làm bằng đồng. Trong quá trình hàn, nhôm lỏng trên bề mặt ngưng tụ trước khi khí bên trong thoát ra hoàn toàn, ngăn cản khí thoát ra và tạo thành các lỗ lớn nhỏ li ti.
Ngoài các nguyên nhân gây ra lỗ rỗ đã đề cập ở trên, lỗ rỗ còn do không khí bên ngoài, hơi ẩm, dầu trên bề mặt, v.v. Thêm vào đó, hướng và góc thổi khí nitơ cũng ảnh hưởng đến sự hình thành lỗ rỗ.
Vậy làm thế nào để giảm thiểu sự xuất hiện của các lỗ rỗ khi hàn?
Đầu tiên, trướchànCác vết dầu mỡ và tạp chất trên bề mặt nguyên liệu đầu vào cần được làm sạch kịp thời; trong sản xuất pin lithium, kiểm tra nguyên liệu đầu vào là một quy trình thiết yếu.
Thứ hai, lưu lượng khí bảo vệ cần được điều chỉnh theo các yếu tố như tốc độ hàn, công suất, vị trí, v.v., và không được quá lớn cũng không được quá nhỏ. Áp suất lớp phủ bảo vệ cần được điều chỉnh theo các yếu tố như công suất laser và vị trí tiêu điểm, và không được quá cao cũng không được quá thấp. Hình dạng của vòi phun lớp phủ bảo vệ cần được điều chỉnh theo hình dạng, hướng và các yếu tố khác của mối hàn để lớp phủ bảo vệ có thể bao phủ đều khu vực hàn.
Thứ ba, kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm và bụi trong không khí tại xưởng. Nhiệt độ và độ ẩm môi trường sẽ ảnh hưởng đến hàm lượng hơi ẩm trên bề mặt vật liệu nền và khí bảo vệ, từ đó ảnh hưởng đến sự hình thành và thoát hơi nước trong vũng hàn. Nếu nhiệt độ và độ ẩm môi trường quá cao, sẽ có quá nhiều hơi ẩm trên bề mặt vật liệu nền và khí bảo vệ, tạo ra lượng hơi nước lớn, dẫn đến hình thành lỗ rỗ. Nếu nhiệt độ và độ ẩm môi trường quá thấp, sẽ có quá ít hơi ẩm trên bề mặt vật liệu nền và trong khí bảo vệ, làm giảm sự hình thành hơi nước, từ đó giảm thiểu lỗ rỗ; cần có nhân viên kiểm tra chất lượng để xác định giá trị mục tiêu của nhiệt độ, độ ẩm và bụi tại vị trí hàn.
Thứ tư, phương pháp lắc chùm tia được sử dụng để giảm hoặc loại bỏ lỗ rỗ trong hàn xuyên sâu bằng laser. Do việc thêm chuyển động lắc trong quá trình hàn, chuyển động lắc qua lại của chùm tia so với đường hàn gây ra hiện tượng nóng chảy lại nhiều lần một phần đường hàn, kéo dài thời gian lưu trú của kim loại lỏng trong vũng hàn. Đồng thời, sự lệch hướng của chùm tia cũng làm tăng lượng nhiệt đầu vào trên mỗi đơn vị diện tích. Tỷ lệ chiều sâu trên chiều rộng của mối hàn giảm, tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành bọt khí, từ đó loại bỏ lỗ rỗ. Mặt khác, chuyển động lắc của chùm tia làm cho các lỗ nhỏ cũng lắc theo, có thể tạo ra lực khuấy cho vũng hàn, tăng cường sự đối lưu và khuấy trộn của vũng hàn, và có tác dụng có lợi trong việc loại bỏ lỗ rỗ.
Thứ năm là tần số xung. Tần số xung đề cập đến số lượng xung được phát ra bởi chùm tia laser trên một đơn vị thời gian, ảnh hưởng đến lượng nhiệt đầu vào và tích lũy nhiệt trong vũng nóng chảy, từ đó ảnh hưởng đến trường nhiệt độ và trường dòng chảy trong vũng nóng chảy. Nếu tần số xung quá cao, sẽ dẫn đến lượng nhiệt đầu vào quá mức trong vũng nóng chảy, làm cho nhiệt độ của vũng nóng chảy quá cao, tạo ra hơi kim loại hoặc các nguyên tố dễ bay hơi ở nhiệt độ cao, dẫn đến hình thành lỗ rỗng. Nếu tần số xung quá thấp, sẽ dẫn đến lượng nhiệt tích lũy không đủ trong vũng nóng chảy, làm cho nhiệt độ của vũng nóng chảy quá thấp, làm giảm sự hòa tan và thoát khí, dẫn đến hình thành lỗ rỗng. Nói chung, tần số xung nên được lựa chọn trong một phạm vi hợp lý dựa trên độ dày chất nền và công suất laser, tránh quá cao hoặc quá thấp.
Hàn lỗ (hàn laser)
2. Tia lửa hàn
Các hạt bắn tóe sinh ra trong quá trình hàn laser sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng bề mặt mối hàn, đồng thời gây ô nhiễm và làm hỏng thấu kính. Biểu hiện chung như sau: sau khi hàn laser hoàn tất, nhiều hạt kim loại xuất hiện trên bề mặt vật liệu hoặc phôi và bám dính vào bề mặt vật liệu hoặc phôi. Biểu hiện dễ nhận thấy nhất là khi hàn ở chế độ điện kế, sau một thời gian sử dụng thấu kính bảo vệ của điện kế, sẽ xuất hiện nhiều vết rỗ dày đặc trên bề mặt, và những vết rỗ này là do các hạt bắn tóe khi hàn gây ra. Sau một thời gian dài, chúng dễ làm tắc nghẽn ánh sáng, dẫn đến các vấn đề như đứt mối hàn và mối hàn ảo.
Nguyên nhân nào gây ra hiện tượng bắn tóe?
Thứ nhất, mật độ công suất, mật độ công suất càng lớn thì càng dễ tạo ra tia lửa bắn ra, và tia lửa bắn ra tỷ lệ thuận với mật độ công suất. Đây là một vấn đề đã tồn tại hàng thế kỷ. Ít nhất cho đến nay, ngành công nghiệp vẫn chưa thể giải quyết được vấn đề tia lửa bắn ra, và chỉ có thể nói là đã giảm thiểu được phần nào. Trong ngành công nghiệp pin lithium, tia lửa bắn ra là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng ngắn mạch pin, nhưng vẫn chưa thể giải quyết được nguyên nhân gốc rễ. Tác động của tia lửa bắn ra lên pin chỉ có thể được giảm thiểu từ góc độ bảo vệ. Ví dụ, người ta thêm một vòng các cổng hút bụi và các tấm che bảo vệ xung quanh khu vực hàn, và thêm các hàng dao khí theo vòng tròn để ngăn chặn tác động của tia lửa bắn ra hoặc thậm chí làm hỏng pin. Việc phá hủy môi trường, sản phẩm và các linh kiện xung quanh trạm hàn có thể nói là đã cạn kiệt các biện pháp.
Đối với việc giải quyết vấn đề bắn tóe, chỉ có thể nói rằng giảm năng lượng hàn sẽ giúp giảm bắn tóe. Giảm tốc độ hàn cũng có thể giúp ích nếu độ xuyên thấu không đủ. Nhưng trong một số yêu cầu quy trình đặc biệt, nó lại ít có tác dụng. Cùng một quy trình, nhưng các máy móc khác nhau và các lô vật liệu khác nhau sẽ cho ra hiệu quả hàn hoàn toàn khác nhau. Do đó, có một quy tắc bất thành văn trong ngành công nghiệp năng lượng mới, đó là một bộ thông số hàn duy nhất cho một thiết bị.
Thứ hai, nếu bề mặt vật liệu hoặc phôi gia công không được làm sạch, các vết dầu mỡ hoặc chất gây ô nhiễm cũng sẽ gây ra hiện tượng bắn tóe nghiêm trọng. Lúc này, cách dễ nhất là làm sạch bề mặt vật liệu cần gia công.
3. Độ phản xạ cao của hàn laser
Nhìn chung, độ phản xạ cao đề cập đến việc vật liệu xử lý có điện trở suất nhỏ, bề mặt tương đối nhẵn và tỷ lệ hấp thụ thấp đối với laser cận hồng ngoại, dẫn đến lượng phát xạ laser lớn. Và vì hầu hết các laser được sử dụng theo phương thẳng đứng hoặc với độ nghiêng nhỏ, ánh sáng laser phản xạ trở lại đầu ra, thậm chí một phần ánh sáng phản xạ còn được truyền vào sợi quang dẫn năng lượng và truyền ngược trở lại bên trong laser, khiến các thành phần lõi bên trong laser tiếp tục ở nhiệt độ cao.
Khi độ phản xạ quá cao trong quá trình hàn laser, có thể thực hiện các giải pháp sau:
3.1 Sử dụng lớp phủ chống phản xạ hoặc xử lý bề mặt vật liệu: Phủ một lớp chống phản xạ lên bề mặt vật liệu hàn có thể làm giảm hiệu quả độ phản xạ của tia laser. Lớp phủ này thường là một loại vật liệu quang học đặc biệt có độ phản xạ thấp, hấp thụ năng lượng laser thay vì phản xạ trở lại. Trong một số quy trình, chẳng hạn như hàn thu dòng, kết nối mềm, v.v., bề mặt cũng có thể được dập nổi.
3.2 Điều chỉnh góc hàn: Bằng cách điều chỉnh góc hàn, chùm tia laser có thể chiếu vào vật liệu hàn ở một góc thích hợp hơn và giảm hiện tượng phản xạ. Thông thường, việc chiếu chùm tia laser vuông góc với bề mặt vật liệu cần hàn là một cách tốt để giảm phản xạ.
3.3 Thêm chất hấp thụ phụ trợ: Trong quá trình hàn, một lượng chất hấp thụ phụ trợ nhất định, chẳng hạn như dạng bột hoặc lỏng, được thêm vào mối hàn. Các chất hấp thụ này hấp thụ năng lượng laser và giảm độ phản xạ. Cần lựa chọn chất hấp thụ phù hợp dựa trên vật liệu hàn cụ thể và các tình huống ứng dụng. Trong ngành công nghiệp pin lithium, điều này ít xảy ra.
3.4 Sử dụng sợi quang để truyền tia laser: Nếu có thể, nên sử dụng sợi quang để truyền tia laser đến vị trí hàn nhằm giảm độ phản xạ. Sợi quang có thể dẫn hướng chùm tia laser đến khu vực hàn để tránh chiếu trực tiếp vào bề mặt vật liệu hàn và giảm hiện tượng phản xạ.
3.5 Điều chỉnh thông số laser: Bằng cách điều chỉnh các thông số như công suất laser, tiêu cự và đường kính tiêu điểm, có thể kiểm soát sự phân bố năng lượng laser và giảm thiểu phản xạ. Đối với một số vật liệu phản xạ, giảm công suất laser có thể là một cách hiệu quả để giảm phản xạ.
3.6 Sử dụng bộ tách chùm tia: Bộ tách chùm tia có thể dẫn một phần năng lượng laser vào thiết bị hấp thụ, nhờ đó giảm thiểu hiện tượng phản xạ. Các thiết bị tách chùm tia thường bao gồm các thành phần quang học và vật liệu hấp thụ, và bằng cách lựa chọn các thành phần phù hợp và điều chỉnh bố cục của thiết bị, có thể đạt được độ phản xạ thấp hơn.
4. Mối hàn lõm
Trong quy trình sản xuất pin lithium, những công đoạn nào dễ gây ra hiện tượng ăn mòn dưới đáy pin? Tại sao hiện tượng ăn mòn dưới đáy pin lại xảy ra? Chúng ta hãy cùng phân tích điều này.
Hiện tượng lõm mối hàn thường xảy ra khi các vật liệu hàn không được kết hợp tốt với nhau, khe hở quá lớn hoặc xuất hiện rãnh, độ sâu và chiều rộng về cơ bản lớn hơn 0,5mm, tổng chiều dài lớn hơn 10% chiều dài mối hàn, hoặc lớn hơn chiều dài yêu cầu theo tiêu chuẩn gia công sản phẩm.
Trong toàn bộ quy trình sản xuất pin lithium, hiện tượng lõm dưới đáy pin rất dễ xảy ra, và thường tập trung ở các mối hàn sơ bộ và hàn tấm che hình trụ cũng như các mối hàn sơ bộ và hàn tấm che vỏ nhôm hình vuông. Nguyên nhân chính là do tấm che cần phải phối hợp với vỏ để hàn, quá trình khớp nối giữa tấm che và vỏ dễ dẫn đến các khe hở hàn quá lớn, các rãnh, sự sụp đổ, v.v., do đó đặc biệt dễ xảy ra hiện tượng lõm dưới đáy pin.
Vậy nguyên nhân nào gây ra tình trạng hạ giá thành?
Nếu tốc độ hàn quá nhanh, kim loại lỏng phía sau lỗ nhỏ hướng vào tâm mối hàn sẽ không có đủ thời gian để phân bố lại, dẫn đến hiện tượng đông đặc và tạo vết lõm ở cả hai phía của mối hàn. Trước tình hình trên, chúng ta cần tối ưu hóa các thông số hàn. Nói một cách đơn giản, đó là việc lặp đi lặp lại các thí nghiệm để kiểm chứng các thông số khác nhau, và tiếp tục thực hiện thiết kế thí nghiệm (DOE) cho đến khi tìm ra các thông số phù hợp.
2. Khe hở mối hàn quá lớn, rãnh, sự sụp đổ, v.v. của vật liệu hàn sẽ làm giảm lượng kim loại nóng chảy lấp đầy các khe hở, làm tăng khả năng xảy ra hiện tượng lõm. Đây là vấn đề về thiết bị và nguyên vật liệu. Liệu nguyên vật liệu hàn có đáp ứng yêu cầu vật liệu đầu vào của quy trình hay không, liệu độ chính xác của thiết bị có đáp ứng yêu cầu hay không, v.v. Thông thường, người ta sẽ liên tục gây áp lực và chỉ trích các nhà cung cấp và những người phụ trách thiết bị.
3. Nếu năng lượng giảm quá nhanh ở cuối quá trình hàn laser, lỗ nhỏ có thể bị sụp đổ, dẫn đến hiện tượng ăn mòn cục bộ. Việc kết hợp đúng công suất và tốc độ có thể ngăn chặn hiệu quả sự hình thành các vết ăn mòn. Như câu nói xưa, hãy lặp lại thí nghiệm, kiểm tra các thông số khác nhau và tiếp tục thiết kế thí nghiệm cho đến khi tìm ra các thông số phù hợp.
5. Hỏng mối hàn trung tâm
Nếu tốc độ hàn chậm, vũng chảy sẽ lớn hơn và rộng hơn, làm tăng lượng kim loại nóng chảy. Điều này có thể gây khó khăn trong việc duy trì sức căng bề mặt. Khi kim loại nóng chảy trở nên quá nặng, phần giữa mối hàn có thể bị lõm và tạo thành các vết lõm và rỗ. Trong trường hợp này, cần giảm mật độ năng lượng một cách thích hợp để ngăn chặn sự sụp đổ của vũng chảy.
Trong một trường hợp khác, khe hàn chỉ tạo thành một chỗ lõm mà không gây thủng. Đây chắc chắn là một vấn đề của việc lắp ghép thiết bị bằng phương pháp ép chặt.
Hiểu rõ các khuyết tật có thể xảy ra trong quá trình hàn laser và nguyên nhân của các khuyết tật khác nhau sẽ cho phép tiếp cận vấn đề hàn bất thường một cách hiệu quả hơn.
6. Vết nứt mối hàn
Các vết nứt xuất hiện trong quá trình hàn laser liên tục chủ yếu là các vết nứt nhiệt, chẳng hạn như vết nứt tinh thể và vết nứt hóa lỏng. Nguyên nhân chính của những vết nứt này là do lực co ngót lớn sinh ra bởi mối hàn trước khi nó đông đặc hoàn toàn.
Ngoài ra, còn có những nguyên nhân sau gây ra vết nứt trong mối hàn laser:
1. Thiết kế mối hàn không hợp lý: Thiết kế hình dạng và kích thước mối hàn không phù hợp có thể gây ra hiện tượng tập trung ứng suất hàn, dẫn đến nứt. Giải pháp là tối ưu hóa thiết kế mối hàn để tránh hiện tượng tập trung ứng suất hàn. Có thể sử dụng các mối hàn lệch phù hợp, thay đổi hình dạng mối hàn, v.v.
2. Sai lệch thông số hàn: Việc lựa chọn thông số hàn không phù hợp, chẳng hạn như tốc độ hàn quá nhanh, công suất quá cao, v.v., có thể dẫn đến sự thay đổi nhiệt độ không đồng đều trong khu vực hàn, gây ra ứng suất hàn lớn và nứt vỡ. Giải pháp là điều chỉnh các thông số hàn cho phù hợp với vật liệu và điều kiện hàn cụ thể.
3. Chuẩn bị bề mặt hàn kém: Việc không làm sạch và xử lý sơ bộ bề mặt hàn đúng cách trước khi hàn, chẳng hạn như loại bỏ oxit, dầu mỡ, v.v., sẽ ảnh hưởng đến chất lượng và độ bền của mối hàn và dễ dẫn đến nứt. Giải pháp là làm sạch và xử lý sơ bộ bề mặt hàn một cách đầy đủ để đảm bảo các tạp chất và chất gây ô nhiễm trong khu vực hàn được xử lý hiệu quả.
4. Kiểm soát nhiệt lượng hàn không đúng cách: Việc kiểm soát nhiệt lượng trong quá trình hàn không tốt, chẳng hạn như nhiệt độ quá cao trong khi hàn, tốc độ làm nguội lớp hàn không phù hợp, v.v., sẽ dẫn đến những thay đổi trong cấu trúc vùng hàn, gây ra nứt. Giải pháp là kiểm soát nhiệt độ và tốc độ làm nguội trong quá trình hàn để tránh quá nhiệt và làm nguội quá nhanh.
5. Xử lý giảm ứng suất không đầy đủ: Xử lý giảm ứng suất không đầy đủ sau khi hàn sẽ dẫn đến việc giảm ứng suất không đủ ở vùng hàn, dễ gây ra nứt. Giải pháp là thực hiện xử lý giảm ứng suất thích hợp sau khi hàn, chẳng hạn như xử lý nhiệt hoặc xử lý rung (nguyên nhân chính).
Còn về quy trình sản xuất pin lithium, những công đoạn nào dễ gây ra nứt vỡ hơn?
Nhìn chung, các vết nứt dễ xảy ra trong quá trình hàn kín, chẳng hạn như hàn kín vỏ thép hình trụ hoặc vỏ nhôm, hàn kín vỏ nhôm hình vuông, v.v. Ngoài ra, trong quá trình đóng gói mô-đun, mối hàn của bộ thu dòng cũng dễ bị nứt.
Dĩ nhiên, chúng ta cũng có thể sử dụng dây hàn phụ, gia nhiệt trước hoặc các phương pháp khác để giảm thiểu hoặc loại bỏ các vết nứt này.
Thời gian đăng bài: 01/09/2023
