Tab-laserpuhdistus ja -leikkaus: suuren hitsauslujuuden salaisuus

Kirjoittaja: Dany Huang, Ph.D.

Toimitusjohtaja ja T&K-johtaja, TOB New Energy

Ota yhteyttä Dr. Huangiin LinkedInissä

Tiivistelmä ja tärkeimmät takeawayt

Kielekkeen hitsi katkeaa pinnalla kauan ennen kuin se katkeaa hitsauksessa. Alumiiniliuskoissa on 2–10 nm paksu natiivioksidi, jonka kaistaväli on lähellä 8,8 eV - sähköeriste, joka sijaitsee kahden metallin välissä, jotka on tarkoitus yhdistää metallurgisesti. Sen poistaminen välittömästi ennen hitsausta muuttaa molemmat tärkeät luvut: vetolujuus ja liitosvastus.

• Tyypillinen vetovoiman muutos puhdistuksen jälkeen:25–40 N ennen, 45–65 N jälkeen, virtakiskoon hitsatulla 0,2 mm alumiinikielekkeellä, jonka sironta laskee 25–40 % CV:stä alle 10 %:iin.
• Tyypillinen nivelvastuksen muutos:0,8–1,5 mΩ ennen, 0,2–0,4 mΩ jälkeen tarpeeksi merkitystä 100 A:n jatkuvalla purkaustiellä.
• Oksidi kasvaa uudelleen:1–2 nm minuuteissa ilmassa. Puhdistuksen tulee tapahtua linjassa ja välittömästi ennen hitsausta, ei erillistä erävaihetta.
• Laserleikkaus pitää purseen alle 10–15 µm ilman työkalun kulumista, joka korvaa terän, jonka reunan laatu heikkenee joka vedolla.

Kielekkeen hitsi läpäisee silmämääräisen tarkastuksen. Ei roiskeita, ei värimuutoksia, ei ilmeistä aukkoa. Sitten vetotesti lukee 32 N 45 N:n spesifikaatiota vastaan, ja nivelvastus mittaa neljä kertaa mallinnetun arvon. Mikään hitsausohjeessa ei ollut pielessä. Pinta, johon hitsi pyydettiin liittämään, ei koskaan ollut metallia.

Tämä on yksi hiljaisimmista kennokokoonpanon vikatiloista, koska vika on näkymätön jokaiselle optiselle tarkistukselle ja ilmenee vain, kun jokin mittaa voimaa tai vastusta. Tekninen vastaus ei ole vahvempi hitsausaikataulu. Pinnan esikäsittely tapahtuu sekunneissa ennen hitsausta, linjalla, joka sykli.

Miksi kielekkeen pinta määrittää hitsin lujuuden ennen kuin hitsi tekee

Alumiini ei pysy paljaana. Tuore pinta hapettuu sekunneissa ympäröivässä ilmassa, saavuttaen välittömästi 2–4 nm ja kasvaa edelleen 5–10 nm:iin tuntien kuluessa. Se kalvo ei ole ohut haittakerros. Se on Al2O3, jonka kaistaväli on lähellä 8,8 eV-a dielektristä. Ultraäänihitsauksessa oksidi estää atomimittakaavan kosketuksen, joka mahdollistaa solid-state-sidoksen. Laserhitsauksessa se nostaa kynnysenergiaa, joka tarvitaan avaimenreiän käynnistämiseen, ja ottaa käyttöön vaihtelevan absorption, kun kalvon paksuus vaihtelee kielekkeen yli.

Nikkeli- ja kupariliuskat käyttäytyvät eri tavalla, mutta eivät paremmin. Nikkelioksidi ja kuparioksidi ovat ohuempia, mutta silti vastustuskykyisiä, ja kuparioksidin kasvu kiihtyy kosteuden ja lämpötilan myötä. Valssattu kuparifolio, jota säilytetään ilman ilmakehän säätöä, voi sisältää riittävän paksua oksidikerrosta muuttaakseen näkyvästi hitsauskäyttäytymistä erän ensimmäisen ja viimeisen kelan välillä.

Lisää pinnoitteen jäännös ja kuva huononee. Katodilietteen ylisumutus kulkeutuu ulokkeille pinnoituksen aikana; hiilen ja sideaineen jäännös asettuu anodin kielekkeille halkaisun jälkeen. Mekaaninen harjaus tahraa nämä jäännökset sen sijaan, että poistaisi niitä, ja tahriintunut kerros muodostaa tuntemattoman koostumuksen esteen hitsin alle.

Kolme pintaehtoa, jotka määräävät liitoksen laadun:

• Oksidin paksuus- määrittää, onko metalli-metalli kosketus ylipäänsä mahdollista.
• Jäämät ja saastuminen- määrittää, muodostuuko hitsauskimpale metalliin vai metallin ja orgaanisen jätteen yhdistelmään.
• Pintatopografia- määrittää kosketuspinnan ja ultraäänihitsauksessa energian kytkeytymisen rajapintaan.

Mitään näistä ei puututa hitsaustehoa säätämällä. Kaikki kolme käsitellään siivouksella.

Mitä laserpuhdistus poistaa ja miksi se rajoittuu itsestään

Pulssikuitulaser aallonpituudella 1064 nm tuottaa energiaa 10–200 ns:n pulsseina noin 1–10 J/cm²:n virtauksilla. Oksidikerros imee pulssin paljon voimakkaammin kuin alla oleva metalli ja höyrystyy. Kun pinta on metallinen, heijastavuus kasvaa jyrkästi ja jäljellä oleva pulssienergia heijastuu suurelta osin sen sijaan, että se absorboituu. Prosessi on siis itserajoittava: se poistaa oksidin ja pysähtyy metalliin, minkä vuoksi oikein parametroitu järjestelmä ei ohenna 8 µm:n kalvoa.

Tämä itserajoittuva käyttäytyminen on syy, miksi laserpuhdistus korvaa kemiallisen peittauksen suurnopeuksilla linjoilla. Prosessi on kuiva, ei vaadi huuhtelua tai kuivaamista, ei tuota happojätettä ja voi toimia rivissä rainan tai välilehden siirtonopeudella.

Poistokohteet:

Ablaation tuottama pillu on poistettava puhdistuspäästä. Metalli- ja hiilihiukkasten tiivistyminen vasta puhdistetulle kielekkeelle kumoaa vaiheen tarkoituksen, ja irtonaiset johtavat hiukkaset solun pinnalla ovat oikosulkuriski. Imu on osa puhdistusaseman teknisiä tietoja, ei lisävaruste.

A vs B: Mekaaninen, kemiallinen ja laserpinnan esikäsittely

Kielekkeen pinnat valmistetaan ennen hitsausta neljällä menetelmällä. Ne eivät ole keskenään vaihdettavissa, ja vertailu selittää, miksi laser on syrjäyttänyt muut suuren volyymin linjoilla.

Mekaaninen harjaus soveltuu edelleen pienimääräisiin töihin ja kielekkeisiin, joissa vain irtonainen roskat on poistettava. Kemiallinen peittaus tuottaa parhaan pinnan, mutta ei sovi kuivaan, inline-prosessiin ja aiheuttaa jätteenkäsittelykustannuksia. Plasma käsittelee hyvin orgaanista kontaminaatiota, mutta poistaa alumiinioksidin hitaasti. Laserpuhdistus on ainoa menetelmä, joka yhdistää täydellisen oksidinpoiston, kuivan linjan käytön ja ilman kulutustarvikkeiden aiheuttamaa ajautumista työvuoron aikana.

Vetotestin numerot: Ennen ja jälkeen

Selkein tapa ilmaista tapaus on ilmoittaa mittaus. Alla olevassa taulukossa on tyypilliset kelpoisuusarvot alumiinikiskoon hitsatun 0,2 mm:n alumiinikielekkeen ja teräspurkkiin hitsatun nikkeliliuskan tyypilliset kelpoisuusarvot eri puhdistustiloissa. Nämä ovat pätevöintiajoissa havaittuja prosessitavoitteita, eivät yleisvakioita - jokaisella materiaalipinolla ja hitsausmenetelmällä on oma ikkunansa.

Kaksi numeroa ansaitsevat huomion voimanlisäyksen lisäksi. Ensimmäinen on hajonta: yli 25 %:n variaatiokerroin tarkoittaa, että prosessi ei ole hallinnassa, ja keskiarvoa vastaan ​​kirjoitettu määrittely hylkää merkityksellisen osan hyvistä osista ja ohittaa merkityksellisen osan huonoista. CV:n saaminen alle 10 % on usein arvokkaampaa kuin keskimääräisen lujuuden lisääminen, koska se tekee määrittelystä merkityksellisen.

Toinen on nivelvastus. 50 Ah:n kennossa, joka käyttää 100 A jatkuvaa, ylimääräinen 1 mΩ kielekkeen liitoksessa haihduttaa 10 W pienessä tilavuudessa ja pudottaa 100 mV päätejännitteestä. Se lämpö on nykyisessä keräyspisteessä, pahimmassa mahdollisessa paikassa kuumalle pisteelle.

Laserleikkaus: purse, kuona ja työkalu, joka ei koskaan kulu

Kielekkeen geometria syntyy leikkaamalla, ja leikkausreuna on kielekkeen puolella hitsauspinta ja solun sisällä erottimeen päin oleva pinta. Mekaaninen stanssaus tuottaa jäysteen, joka kasvaa teroitusvälin poikki; noin 10–15 µm ylittävä purse vaarantaa erottimen puhkeamisen ja luo epäjohdonmukaisen hitsausrajapinnan.

Pulssikuitulaserleikkaus pitää purseen korkeuden kynnyksen alapuolella koko työkalun käyttöiän, koska siinä ei ole kuluvaa reunaa. Laatua säätelevät prosessiparametrit ovat samaa perhettä kuin puhdistus: pulssin kesto, toistotaajuus, polttopiste, apukaasu ja leikkausreitin nopeus. Leikkauksen alapuolella olevaa kuonaa säätelee polttopiste ja kaasunpaine; lämpövaikutusten vyöhykkeen leveys pysyy ohuilla kalvoilla tyypillisesti välillä 20–50 µm.

Kennokokoonpanon käytännön etu ei ole vain reunan laatu. Laserleikkauspää muuttaa geometriaa lataamalla uuden polkutiedoston. Muotin vaihto kestää tunteja ja uusi kuoppa. Sylinterimäisissä kennoissa, joissa kielekkeen muoto on integroitu rullausprosessiin, leikkaamisen, puhdistuksen ja kelauksen yhdistäminen yhdessä koneessa poistaa kaksi käsittelyvaihetta – ja jokainen käsittelyvaihe puhdistuksen ja hitsauksen välillä on oksidin uudelleenkasvuväli.

A lieriömäinen kenno laserleikkaus- ja käämityskone integroituun kielekkeen muotoiluun ja elektrodin käämitykseensuorittaa leikkauksen ja tuulen yhdessä jatkuvassa virtauksessa. Tämä tekee puhtaasta, yhtenäisestä kaistalereunasta tuotantonopeudella tarkastusnopeuden sijasta, ja se poistaa manuaalisen siirron paikoista, joissa juuri leikattu kieleke muuten jäisi näkyviin.

Siivouksen integrointi linjaan, ei sen viereen

Erillisenä eräasemana asennettu puhdistuskone ratkaisee pintaongelman ja luo aikatauluongelman. Hyöty heikkenee joka minuutti puhdistuksen ja hitsauksen välillä, ylimääräinen käsittely tuo uutta epäpuhtautta ja asema lisää työvoimaa, joka automaation piti poistaa.

Integrointilogiikka on suoraviivainen:

• Puhdista viimeisellä asemalla ennen hitsausta, samalla siirtopolulla, määritetyn ja valvotun aikavälin kanssa.
• Irrota pilkku päästä, jossa suodatin on mitoitettu ablaatiokuormitukseen yleisen ilmanvaihdon sijaan.
• Seuraa tulosta, koska äänettömästi tehonsa menettävä tai tarkennus ajautuva puhdistusjärjestelmä tuottaa puhtaalta ja hitsaantuvan pinnan kuin oksidipinnoitettu pinta. Prosessin heijastus- tai plasmaemissiopalaute mahdollistaa tarkastuksen pysäyttämättä linjaa.
• Yhdistä puhdistuspää hitsausmenetelmään: ultraääniliuskahitsaus ja laserkielekkeen hitsaus vaativat erilaisia ​​pintamäärityksiä, eikä yhdelle määritetty järjestelmä automaattisesti palvele toista.

Tässä prosessisekvenssillä on enemmän merkitystä kuin millään yksittäisellä koneella. Puhdistus, leikkaus ja hitsaus ovat yhtä jatkuvaa pintahistoriaa, ja laitteet, jotka kuljettavat kielekkeen näiden vaiheiden läpi, on määriteltävä yhdeksi laajuudeksi. TOB New Energy toimittaaakkukielekkeiden hitsauskoneasemat elektrodiliuskojen ja virrankeräinten ultraääni- ja laserliittämiseenylävirran leikkaus- ja puhdistusasento on määritetty osaksi samaa linja-asetelmaa, joten valmistelun ja liittämisen välinen aika on suunniteltu eikä havaittu käyttöönoton aikana.

Kehityksen aikana muuttuville elektrodiprofiileille sama logiikka pätee loveusvaiheessa:laserelektrodien stanssaus työkaluttomilla profiilinvaihdoilla ja jäysteettömillä reunoillapoistaa meistikustannukset ja muotinvaihtoseisokit, jotka muuten keskeyttävät pintahistorian pinnoituksen ja hitsauksen välillä.

Usein kysytyt kysymykset: Tab Laser -puhdistus ja hitsin lujuus

Lisääkö laserpuhdistus todella kielekkeen hitsin vetolujuutta?
Kyllä. Tyypilliset pätevyystiedot 0,2 mm:n alumiiniliuskasta osoittavat vetovoiman siirtyvän 25–40 N:stä puhdistuksen jälkeen arvoon 45–65 N, kun sironta on alle 10 % CV.

Kuinka nopeasti alumiinioksidi kasvaa uudelleen puhdistuksen jälkeen?
Noin 1–2 nm minuuteissa ympäröivässä ilmassa, jatkuen kohti 5–10 nm tuntien kuluessa. Siksi puhdistus kuuluu linjaan, välittömästi ennen hitsausta, ei erillisenä erävaiheena.

Voiko laserpuhdistus vahingoittaa ohutta kalvokalvoa?
Ei oikein parametroituna. Prosessi on itsestään rajoittuva: kun oksidi on poistettu, metallin heijastuskyky kasvaa ja pulssin absorptio laskee jyrkästi. Virheellinen sujuvuus tai tarkennus voi silti merkitä pintaa, joten kalvon todellisen paksuuden parametrien validointi on tarpeen.

Miksi käyttää laserleikkausta stanssauksen sijaan?
Laserleikkaus pitää purseen alle 10–15 µm ilman työkalun kulumista ja muuttaa geometriaa lataamalla uuden polkutiedoston. Teroituspurse kasvaa teroitusvälin yli ja jokainen uusi kielekkeen muoto vaatii uuden meistin.

Korvaako puhdistusvaihe hitsin seurannan tarpeen?
Ei. Puhdistus poistaa yhden muuttujan; se ei vahvista hitsausta. Koaksiaalinen hitsausseuranta ja vetotestinäytteenotto ovat edelleen tarpeellisia, ja puhdistusprosessin palaute-heijastus tai plasmaemissio-on se, mikä vahvistaa, että itse puhdistusvaihe toimii edelleen.

TOB New Energy -prosessisuunnitteluryhmän kokoama tekninen referenssi liuskojen valmistelusta ja hitsausintegraatiosta sylinterimäisillä, prisma- ja pussikokoonpanolinjoilla. Ota yhteyttä Dr. Dany Huangiin LinkedInissä tai lähetä hitsauskuponkeja Xiamenin sovelluslaboratorioon saadaksesi vetolujuuden ja kestävyyden pätevyyden omassa välilehtipinossasi.