Hàn laser và hàn điểm: Hướng dẫn cơ bản về kết nối pin

Tác giả: Dany Huang, Ph.D.

CEO & Trưởng nhóm R&D, TOB New Energy

Kết nối với Tiến sĩ Huang trên LinkedIn

Tóm tắt điều hành & bài học chính

Việc hàn kết nối pin có hai nguồn năng lượng cơ bản khác nhau. Hàn điểm điện trở phụ thuộc vào điện trở tiếp xúc và gia nhiệt khối; nó hoạt động trên các kim loại mỏng, có điện trở như niken. Hàn laze sợi quang tạo ra một lỗ khóa bỏ qua màng dẫn điện và màng oxit, khiến đây trở thành quy trình khả thi về mặt công nghiệp duy nhất dành cho thanh cái đồng{2}}đến{3}}nhôm.

• Khả năng xử lý: Các mối nối bằng đồng-nhôm được hàn bằng laze luôn đạt 85–90% độ bền kéo của kim loại cơ bản, trong khi các mối nối tương đương được hàn điểm hiếm khi vượt quá 65% do sự xuống cấp của điện cực và các tạp chất oxit.
• Dấu chân nhiệt: Vùng chịu ảnh hưởng nhiệt của tia laser nằm trong phạm vi 300 µm; thợ hàn điểm làm ướt toàn bộ thiết bị đầu cuối, có nguy cơ làm hỏng bộ tách bên trong trên pin công suất cao.
• Ổn định sản xuất: Điện cực hàn điểm trên đồng bị thoái hóa sau 150–300 mối nối, buộc phải thay lớp và phế liệu thường xuyên. Quang học laser yêu cầu bảo trì tối thiểu sau mỗi vài nghìn mối hàn.
• Tự do thiết kế: Chùm tia laze được quét Galvo tiếp cận không gian chật hẹp mà không cần lực vật lý; hàn điểm yêu cầu khả năng tiếp cận kẹp hai mặt mà nhiều cách bố trí mô-đun không thể cung cấp.

Cuối cùng, mọi kỹ sư kết nối pin đều học được cùng một bài học vật lý: độ dẫn điện và khả năng hàn có mối tương quan nghịch đảo.

Đồng và nhôm là ví dụ hoàn hảo. Chúng mang dòng điện với tổn thất tối thiểu-chính là lý do tại sao chúng tạo thành thanh cái và thiết bị đầu cuối. Nhưng chính độ dẫn điện cao đó lại khiến chúng trở nên tàn nhẫn khi hàn điểm điện trở. Đặt một điện cực đồng tựa vào một tab đồng, bơm vào hàng nghìn ampe và đường dẫn điện ưu tiên hợp kim điện cực hơn phôi. Nhiệt tích tụ ở những nơi không nên có. Các điện cực bị ăn mòn, cốm co lại và lực kéo bị suy giảm.

Laser bỏ qua điều này hoàn toàn. Chùm tia tập trung không quan tâm đến điện trở tiếp xúc. Năng lượng kết hợp trực tiếp vào bề mặt, làm nóng chảy một cột kim loại chính xác và kết hợp hai phần. Đó không phải là ngôn ngữ tiếp thị. Đó là sự khác biệt giữa một quy trình bị suy giảm sau mỗi lần chụp và một quy trình duy trì sản lượng không đổi trong hàng chục nghìn chu kỳ.

Vấn đề về nhiệt: Tại sao hàn điểm lại đe dọa tính toàn vẹn của tế bào

Khi thợ hàn điểm điện trở kẹp vào đầu cực tế bào hình lăng trụ và bắn ra, nhiệt sẽ không được tập trung vào điểm hàn mong muốn. Dòng điện lan truyền qua toàn bộ cực, làm nóng nó giống như một thanh điện trở. Các phép đo cặp nhiệt điện trong phòng thí nghiệm cho thấy nhiệt độ cơ thể thiết bị đầu cuối có thể vượt quá 200 độ trong vòng 30 mili giây kể từ xung dòng điện cao trên đồng.

Đối với một tế bào hình trụ nhỏ có nắp thông hơi, khối nhiệt rất nhỏ và các lớp hoạt động ở xa chốt đầu cuối. Thiệt hại là rất hiếm. Tuy nhiên, trên ô dạng hình lăng trụ hoặc dạng túi có định dạng lớn, chốt đầu cuối được hàn trực tiếp-hoặc thậm chí được tạo thành dưới dạng phần mở rộng-của lá thu bên trong. Áp dụng nhiệt kháng tương tự đó và năng lượng sẽ truyền thẳng vào cuộn thạch. Thiết bị phân tách, thường là màng polyetylen hoặc polypropylen, bắt đầu co lại và đóng các lỗ chân lông ở khoảng 130 độ. Hàn điểm không chỉ có nguy cơ gây ra mối nối yếu; nó có nguy cơ tạo ra tình trạng bán khống nội bộ cục bộ mà không chu kỳ hình thành nào có thể phát hiện được.

Hàn laser áp dụng tổng liều năng lượng nhỏ hơn nhiều, lắng đọng trong một phần triệu giây vào một khu vực cực nhỏ. Vật liệu đầu cuối xung quanh hầu như không ấm lên. Một cặp nhiệt điện đặt cách bể hàn 2 mm thường ghi lại mức tăng dưới 20 độ. Các vật liệu hoạt động vẫn an toàn. Đó là lý do tại sao các tiêu chuẩn an toàn quốc tế như UN 38.3 bắt buộc một cách hiệu quả các quy trình đầu vào nhiệt độ thấp đối với pin năng lượng cao. Không phải vì hàn điểm bị cấm theo tên mà vì nó không đáp ứng được giới hạn nhiệt ngầm định.

Rào cản vật chất: Đồng, nhôm và lớp oxit

Hai đặc tính khiến cho việc hàn điểm điện trở trở nên cực kỳ khó khăn trên các kim loại pin thông thường.

Đầu tiên, điện trở khối của đồng quá thấp. Để làm tan chảy một cục vàng, thợ hàn phải tạo ra đủ nhiệt cục bộ ở bề mặt bị bong ra. Bởi vì tấm đồng dẫn dòng điện dễ dàng hơn so với bề mặt tiếp xúc điện cực, nên phần nhiệt lượng điện trở tăng không cân xứng xảy ra ngay bên trong đầu điện cực. Điều này làm tăng tốc quá trình di chuyển điện, trong đó các nguyên tử đồng hợp kim vào mặt điện cực và tăng điện trở của nó hơn nữa. Quá trình này trở nên tự hủy hoại. Dữ liệu kiểm tra độ bong tróc từ mối hàn điểm đồng-đồng điển hình cho thấy hệ số biến đổi độ bền vượt quá 30 % chỉ sau 100 lần bắn.

Thứ hai, nhôm luôn mang một lớp oxit nhôm cứng bằng gốm. Điểm nóng chảy của nó là khoảng 2070 độ, cao hơn nhiều so với điểm nóng chảy 660 độ của kim loại cơ bản. Hàn điểm có thể đẩy nhôm đến nhiệt độ nóng chảy, nhưng màng oxit thường vẫn còn nguyên một phần, bị mắc kẹt bên trong nugget. Kết quả là một mối hàn chứa đầy tạp chất oxit hoạt động như các vết nứt có sẵn. Khi mô-đun trải qua quá trình rung hoặc chu kỳ nhiệt, những vết nứt đó sẽ lan truyền dọc theo ranh giới của mắt điểm hàn. Mối nối bị hỏng ở mức tải thấp hơn nhiều so với định mức kim loại gốc.

Ngược lại, tia laser sợi quang làm bay hơi lớp oxit ngay lập tức. Chế độ lỗ khóa giữ chùm tia bên trong kênh hơi và bể tan chảy lưu thông xung quanh mao quản. Với việc bổ sung thêm sự dao động của chùm tia-một dao động tròn nhỏ của điểm hội tụ-hợp kim nóng chảy sẽ được khuấy trộn một cách cơ học. Các mảnh oxit được vỡ ra và pha loãng khắp đường nối, tạo ra mối nối dày đặc, đồng đều, không có vết nứt. Đây không phải là một sự cải thiện cận biên. Đó là sự khác biệt giữa Cpk 0,6 và Cpk trên 1,5.

Nơi hàn điểm vẫn giữ vững lập trường

Rõ ràng về những hạn chế không có nghĩa là phương pháp hàn điểm đã lỗi thời. Có một phạm vi được xác định rõ ràng và đó vẫn là sự lựa chọn tối ưu, tiết kiệm chi phí nhất.

Ba điều kiện xác định đường bao hàn điểm:

• Cả hai phôi đều là niken, thép mạ niken hoặc hợp kim thép đơn giản.
• Độ dày tab dưới 0,2 mm.
• Khối lượng sản xuất không yêu cầu hệ thống thay điện cực tự động.

Trong những tình huống này, máy hàn điểm dựa trên biến tần chính xác sẽ cung cấp các hạt cốm ổn định và chạy hàng nghìn chu kỳ trước khi xuất hiện bất kỳ độ mòn điện cực nào có thể đo lường được. Độ dẫn nhiệt thấp của niken và thép giữ nhiệt chính xác ở nơi cần thiết và sự hình thành oxit là không đáng kể. Tất cả cụm cụm tế bào hình trụ dành cho dụng cụ điện, xe đạp điện và nguyên mẫu ESS quy mô nhỏ đều vừa vặn trong hộp vận hành này.

Ranh giới trở nên sắc nét ngay khi đồng hoặc nhôm đi vào danh mục vật liệu. Không một dây chuyền sản xuất nào mà chúng tôi phân tích trong nhiều năm có thể duy trì được các chỉ số chất lượng chấp nhận được trên thanh cái bằng đồng hàn điểm ngoài việc tạo nguyên mẫu tốc độ thấp. Điểm giao nhau về mặt kinh tế, hoàn toàn dựa trên chi phí tiêu hao và phế liệu, đạt được khối lượng khiêm tốn đáng ngạc nhiên-thường là vài nghìn tế bào mỗi tuần.

Khoảng cách tự động hóa và cố định

Hàn kết nối pin không chỉ là tạo mối nối; đó là việc tạo mối nối đó có thể lặp lại bên trong một mô-đun nơi quyền truy cập bị hạn chế và thời gian chu kỳ được đo bằng giây.

Máy hàn điểm điện trở yêu cầu cả hai điện cực để ép phôi về mặt vật lý với lực từ 50 N đến trên 500 N. Đầu hàn phải được đưa vào trên một cánh tay cứng, định vị đến một phần mười milimet rồi rút ra. Dụng cụ trở nên phức tạp nhanh chóng. Nếu thiết kế mô-đun thay đổi hoặc nếu định dạng pin mới được đưa vào thì toàn bộ bộ điện cực và thường là cấu trúc cơ học phải được thiết kế lại và gia công lại. Đó là một chi phí kỹ thuật không định kỳ đáng kể.

Máy hàn laser dùng pin có đầu quét galvo hoạt động hoàn toàn khác. Chùm tia được điều khiển bởi những tấm gương nhỏ chuyển động nhanh. Nó có thể chuyển từ mối hàn này sang mối hàn khác trong một phần nghìn giây, không tác dụng lực cơ học và tiếp cận các khu vực lõm mà giá đỡ điện cực cồng kềnh không bao giờ có thể tiếp cận được. Thay đổi mẫu hàn là một chỉnh sửa phần mềm. Điều này làm cho hệ thống laser vốn đã linh hoạt hơn trong sản xuất mô hình hỗn hợp và giảm đáng kể thời gian cần thiết để vận hành thiết kế mô-đun mới.

Bản chất không có lực của hàn laser cũng có nghĩa là thiết bị cố định không còn phải phản ứng với áp suất hàng trăm newton. Việc kẹp chỉ cần giữ thanh cái cách bề mặt đầu cuối trong phạm vi 0,2 mm để duy trì vị trí tiêu điểm chính xác. Thiết bị cố định trở nên nhẹ hơn, rẻ hơn và dễ tích hợp hơn với băng tải tự động.

Khoa học thông số: Ngăn ngừa vết nứt và độ xốp trong mối hàn cấp pin

Năng lượng thô của tia laser không tự động tạo ra các mối hàn pin đáng tin cậy. Cửa sổ quá trình phải được quay số cẩn thận. Ba dạng lỗi phổ biến nhất mà chúng tôi gặp phải khi khắc phục sự cố cho đường dây của khách hàng là nứt đường tâm, văng tung tóe và độ xốp dưới bề mặt.

Vết nứt đường tâmtrong bể hàn giàu nhôm có hiện tượng phân tách. Khi bể đông đặc lại từ các cạnh vào trong, các eutectic có điểm nóng chảy thấp được đẩy vào trung tâm. Chúng tạo thành một ranh giới yếu bị nứt dưới ứng suất co nhiệt. Giải pháp phổ biến là sự rung lắc của chùm tia. Bằng cách dao động điểm laser trong một vòng tròn nhỏ ở tần số 200–300 Hz, mặt trước hóa rắn bị phá vỡ và các tạp chất bị phân tán. Kết quả dưới kính hiển vi là cấu trúc hạt mịn, cân bằng không có đường tâm liên tục.

bắn tung tóephát sinh khi lỗ khóa trở nên không ổn định. Độ ẩm, ô nhiễm bề mặt hoặc lượng khí bảo vệ che chắn không đúng cách có thể khiến lỗ khóa sập mạnh và bắn ra các giọt nước. Quá trình khắc phục bắt đầu với độ tinh khiết và lưu lượng khí: argon, 15–25 L/phút, được cung cấp qua vòi phun nghiêng một góc 30–40 độ so với bình thường. Bề mặt thiết bị đầu cuối phải khô. Trong môi trường ẩm ướt, nướng trước ở nhiệt độ 80 độ trong 30 phút sẽ loại bỏ độ ẩm hấp thụ.

Độ xốp dưới bề mặtthường có dấu hiệu quay trở lại hydro hòa tan trong nhôm. Trong quá trình đông đặc nhanh, hydro thoát ra khỏi dung dịch và tạo thành các bong bóng cực nhỏ hoạt động như chất tập trung ứng suất. Việc chuyển sang hỗn hợp che chắn argon-helium (thường là 70/30) sẽ làm giảm độ xốp vì tính dẫn nhiệt cao hơn của helium giúp thoát khí ra khỏi bể trước khi nó đóng băng.

Đây không phải là những quan sát mang tính học thuật. Chúng là những bản sửa lỗi kỹ thuật trực tiếp được áp dụng hàng tuần trên thiết bị sản xuất thực tế.

Câu hỏi thường gặp: Quyết định hàn kết nối pin

Câu hỏi 1: Thợ hàn điểm có thể hàn những gì trong bộ pin một cách đáng tin cậy?
Dải niken đến lon thép mạ niken. Đối với bất kỳ mối nối nào có đồng hoặc nhôm dày hơn 0,15 mm, hàn điểm gây ra rủi ro quá trình cao và không được khuyến khích cho dây chuyền sản xuất.

Câu 2: Hàn laser có cần vật liệu phụ không?
Đối với các mối nối thanh cái đến đầu cuối, hàn tự sinh (không có chất độn) là tiêu chuẩn. Chỉ khi khe hở vượt quá khoảng 15 % đường kính điểm laser thì chất độn mới trở nên cần thiết, điều này thường là dấu hiệu báo động đỏ của thiết kế dành cho sản xuất.

Câu 3: Quá trình hàn laser pin thông thường diễn ra nhanh như thế nào?
Một mối hàn từ thanh cái đến đầu cuối bằng tia laser sợi quang 2 kW mất khoảng 0,3–0,6 giây. Với quét galvo, chùm tia định vị lại trong thời gian dưới 0,1 giây, dẫn đến thời gian chu kỳ là 20–35 mối hàn mỗi phút.

Câu 4: Hệ thống hàn laser sợi quang cần bảo trì những gì?
Chủ yếu là vệ sinh hoặc thay kính bảo vệ sau mỗi vài nghìn mối hàn. Thay đổi chất làm mát và bộ lọc theo lịch trình laser sợi quang tiêu chuẩn. Không có điện cực để chỉnh sửa, không có bộ phận cơ khí nhạy cảm với lực để hiệu chỉnh lại.

Câu hỏi 5: Máy hàn laser dùng pin có thể tích hợp với MES hiện có không?
Đúng. Bộ điều khiển laser công nghiệp hiện đại hỗ trợ các giao thức bus trường tiêu chuẩn (Profinet, EtherCAT, v.v.) và có thể ghi lại các thông số mối hàn trong thời gian thực để dễ điều khiển và kiểm soát quy trình thống kê.