Ces dernières années, grâce au développement rapide du secteur des énergies nouvelles, le soudage laser s'est rapidement imposé dans l'ensemble de ce secteur, grâce à sa rapidité et sa fiabilité. Les équipements de soudage laser représentent aujourd'hui la plus grande part des applications dans le secteur des énergies nouvelles.
Soudage laserElle est rapidement devenue la méthode de soudage de prédilection dans tous les secteurs d'activité grâce à sa rapidité, sa grande profondeur et sa faible déformation. Du soudage par points au soudage bout à bout, en passant par le rechargement et le soudage d'étanchéité,soudage laserElle offre une précision et un contrôle inégalés. Elle joue un rôle important dans la production et la fabrication industrielles, notamment dans les secteurs militaire, médical, aérospatial, des pièces automobiles, de la tôlerie mécanique, des énergies nouvelles et autres.
Comparée aux autres technologies de soudage, la soudure laser présente des avantages et des inconvénients uniques.
Avantage:
1. Vitesse élevée, grande profondeur et faible déformation.
2. Le soudage peut être réalisé à température ambiante ou dans des conditions particulières, et l'équipement nécessaire est simple. Par exemple, le faisceau laser est stable dans un champ électromagnétique. Les lasers peuvent souder sous vide, dans l'air ou sous certains atmosphères gazeuses, et permettent de souder des matériaux transparents au faisceau, même à travers le verre.
3. Il peut souder des matériaux réfractaires tels que le titane et le quartz, et peut également souder des matériaux dissemblables avec de bons résultats.
4. Une fois le laser focalisé, la densité de puissance est élevée. Le rapport d'aspect peut atteindre 5:1, et jusqu'à 10:1 lors du soudage de dispositifs de forte puissance.
5. Le micro-soudage est possible. Après focalisation du faisceau laser, un point de petite taille est obtenu et positionné avec précision. Cette technique permet l'assemblage et le soudage de pièces micrométriques et de petite taille, contribuant ainsi à une production de masse automatisée.
6. Elle permet de souder des zones difficiles d'accès et d'effectuer des soudures sans contact à longue distance, avec une grande flexibilité. Ces dernières années, la technologie de traitement laser YAG a notamment adopté la transmission par fibre optique, ce qui a permis une diffusion et une application plus larges du soudage laser.
7. Le faisceau laser est facile à diviser dans le temps et l'espace, et plusieurs faisceaux peuvent être traités simultanément à plusieurs endroits, offrant des conditions pour un soudage plus précis.
Défaut:
1. La précision d'assemblage de la pièce doit être élevée et la position du faisceau sur celle-ci ne doit pas présenter d'écart significatif. En effet, la taille du point laser après focalisation est réduite et le cordon de soudure est étroit, ce qui rend difficile l'apport de métal d'apport. Si la précision d'assemblage de la pièce ou la précision de positionnement du faisceau ne sont pas conformes aux exigences, des défauts de soudure sont susceptibles d'apparaître.
2. Le coût des lasers et des systèmes associés est élevé, et l'investissement initial est important.
défauts courants de soudage laserdans la fabrication de batteries au lithium
1. Porosité de soudure
Défauts courants danssoudage laserCe sont des pores. Le bain de fusion est profond et étroit. Lors du soudage laser, l'azote pénètre dans le bain de fusion depuis l'extérieur. Pendant le refroidissement et la solidification du métal, la solubilité de l'azote diminue avec la température. Lorsque le métal en fusion refroidit et commence à cristalliser, la solubilité chute brutalement. À ce moment-là, une grande quantité de gaz précipite et forme des bulles. Si la vitesse de remontée de ces bulles est inférieure à la vitesse de cristallisation du métal, des pores se forment.
Dans les applications de l'industrie des batteries au lithium, on constate fréquemment que des pores se forment lors du soudage de l'électrode positive, mais rarement lors du soudage de l'électrode négative. Ceci s'explique par le fait que l'électrode positive est en aluminium et l'électrode négative en cuivre. Lors du soudage, l'aluminium liquide en surface se condense avant que le gaz interne ne s'échappe complètement, empêchant ainsi la formation de pores de toutes tailles.
Outre les causes de porosité mentionnées ci-dessus, la porosité peut également être due à l'air extérieur, à l'humidité, aux huiles de surface, etc. De plus, la direction et l'angle de soufflage de l'azote influencent également la formation des pores.
Quant à savoir comment réduire l'apparition de porosités de soudure ?
Premièrement, avantsoudageLes taches d'huile et les impuretés présentes à la surface des matières premières doivent être nettoyées à temps ; dans la production de batteries au lithium, le contrôle des matières premières est un processus essentiel.
Deuxièmement, le débit de gaz de protection doit être ajusté en fonction de facteurs tels que la vitesse de soudage, la puissance et la position, et ne doit être ni trop élevé ni trop faible. La pression du gaz de protection doit être ajustée en fonction de facteurs tels que la puissance du laser et la position du foyer, et ne doit être ni trop élevée ni trop faible. La forme de la buse du gaz de protection doit être adaptée à la forme, à la direction et aux autres caractéristiques de la soudure afin que le gaz de protection recouvre uniformément la zone de soudage.
Troisièmement, il est essentiel de contrôler la température, l'humidité et la poussière dans l'atelier. La température et l'humidité ambiantes influent sur le taux d'humidité à la surface du substrat et dans le gaz de protection, ce qui affecte la formation et l'évacuation de la vapeur d'eau dans le bain de fusion. Si ces paramètres sont trop élevés, l'humidité à la surface du substrat et dans le gaz de protection sera excessive, générant une grande quantité de vapeur d'eau et créant des porosités. À l'inverse, si la température et l'humidité ambiantes sont trop basses, l'humidité à la surface du substrat et dans le gaz de protection sera insuffisante, réduisant ainsi la formation de vapeur d'eau et, par conséquent, la porosité. Il est donc impératif que le personnel chargé du contrôle qualité vérifie les valeurs cibles de température, d'humidité et de poussière au poste de soudage.
Quatrièmement, la méthode d'oscillation du faisceau est utilisée pour réduire ou éliminer les porosités lors du soudage laser à pénétration profonde. L'oscillation du faisceau pendant le soudage provoque une refusion répétée d'une partie du cordon de soudure, prolongeant ainsi le temps de séjour du métal liquide dans le bain de fusion. Simultanément, la déviation du faisceau augmente l'apport de chaleur par unité de surface. Le rapport profondeur/largeur de la soudure est réduit, ce qui favorise l'apparition de bulles et, par conséquent, l'élimination des porosités. Par ailleurs, l'oscillation du faisceau entraîne le mouvement des petits orifices, ce qui crée une force de brassage du bain de fusion, améliorant la convection et le brassage et contribuant à l'élimination des porosités.
Cinquièmement, la fréquence d'impulsion, c'est-à-dire le nombre d'impulsions émises par le faisceau laser par unité de temps, influe sur l'apport et l'accumulation de chaleur dans le bain de fusion, et par conséquent sur le champ de température et le champ d'écoulement au sein de ce bain. Une fréquence d'impulsion trop élevée provoque un apport de chaleur excessif dans le bain de fusion, entraînant une surchauffe et la formation de vapeurs métalliques ou d'autres éléments volatils à haute température, ce qui peut engendrer des porosités. À l'inverse, une fréquence d'impulsion trop faible ne permet pas une accumulation de chaleur suffisante, ce qui abaisse la température du bain de fusion et réduit la dissolution et l'évacuation des gaz, provoquant également la formation de porosités. De manière générale, la fréquence d'impulsion doit être choisie dans une plage raisonnable en fonction de l'épaisseur du substrat et de la puissance du laser, en évitant les valeurs trop élevées et trop faibles.
trous de soudage (soudage laser)
2. Projections de soudure
Les projections générées lors du soudage laser affectent considérablement la qualité de surface de la soudure et endommagent la lentille. Concrètement, après le soudage laser, de nombreuses particules métalliques apparaissent et adhèrent à la surface du matériau ou de la pièce. L'exemple le plus frappant est celui du soudage galvanométrique : après une période d'utilisation de la lentille de protection, de nombreuses piqûres se forment à la surface, dues aux projections de soudage. À terme, ces piqûres peuvent obstruer la lumière et perturber l'éclairage, entraînant des problèmes tels que des soudures défectueuses ou des défauts de soudure.
Quelles sont les causes des éclaboussures ?
Premièrement, la densité de puissance est un facteur important : plus elle est élevée, plus les projections sont faciles à générer, et ces projections sont directement liées à la densité de puissance. Ce problème est vieux d'un siècle. À ce jour, l'industrie n'a pas réussi à le résoudre complètement, et l'on peut seulement constater une légère réduction des projections. Dans l'industrie des batteries au lithium, les projections sont la principale cause de courts-circuits, mais la cause profonde n'a pas été identifiée. L'impact des projections sur la batterie ne peut être réduit que par des mesures de protection. Par exemple, un cercle de buses d'aspiration et de protections est installé autour de la zone de soudage, et des rangées de lames d'air sont disposées en cercle pour empêcher les projections d'atteindre la batterie, voire de l'endommager. Cependant, les solutions alternatives, qui consistent à détruire l'environnement, les produits et les composants autour du poste de soudage, sont insuffisantes.
Pour résoudre le problème des projections, on peut seulement dire que réduire l'énergie de soudage contribue à les diminuer. Diminuer la vitesse de soudage peut également aider en cas de pénétration insuffisante. Cependant, dans certains cas particuliers, son effet est limité. Un même procédé, mais différentes machines et différents lots de matériaux, produisent des résultats de soudage très différents. C'est pourquoi, dans l'industrie des énergies nouvelles, il existe une règle tacite : un ensemble de paramètres de soudage par équipement.
Deuxièmement, si la surface du matériau ou de la pièce à usiner n'est pas nettoyée, les taches d'huile ou les polluants risquent de provoquer d'importantes projections. Dans ce cas, la solution la plus simple consiste à nettoyer la surface du matériau.
3. Haute réflectivité du soudage laser
De manière générale, une réflexion élevée fait référence au fait que le matériau de traitement présente une faible résistivité, une surface relativement lisse et un faible taux d'absorption pour les lasers proche infrarouge, ce qui conduit à une grande quantité d'émission laser. Comme la plupart des lasers sont utilisés verticalement, en raison du matériau ou d'une légère inclinaison, la lumière laser réfléchie pénètre à nouveau dans la tête de sortie, et une partie de cette lumière est même couplée à la fibre de transmission d'énergie et est renvoyée le long de la fibre à l'intérieur du laser, maintenant ainsi les composants principaux à une température élevée.
Lorsque la réflectivité est trop élevée lors du soudage laser, les solutions suivantes peuvent être envisagées :
3.1 Utiliser un revêtement antireflet ou traiter la surface du matériau : l’application d’un revêtement antireflet sur la surface du matériau à souder permet de réduire efficacement la réflectivité du laser. Ce revêtement est généralement constitué d’un matériau optique spécial à faible réflectivité qui absorbe l’énergie laser au lieu de la réfléchir. Dans certains procédés, tels que le soudage de collecteurs de courant ou les connexions souples, la surface peut également être texturée.
3.2 Réglage de l'angle de soudage : En ajustant l'angle de soudage, le faisceau laser peut être incident sur le matériau à souder selon un angle plus approprié, réduisant ainsi les réflexions. Généralement, une incidence perpendiculaire du faisceau laser sur la surface du matériau à souder permet de minimiser les réflexions.
3.3 Ajout d'un absorbant auxiliaire : Lors du soudage, une certaine quantité d'absorbant auxiliaire, sous forme de poudre ou de liquide, est ajoutée à la soudure. Ces absorbants absorbent l'énergie laser et réduisent la réflectivité. Le choix de l'absorbant approprié dépend des matériaux de soudage et des applications spécifiques. Dans l'industrie des batteries au lithium, cela est peu probable.
3.4 Utilisation de la fibre optique pour la transmission du laser : Si possible, la fibre optique peut être utilisée pour transmettre le laser jusqu’à la zone de soudage afin de réduire la réflectivité. Les fibres optiques permettent de guider le faisceau laser vers la zone de soudage, évitant ainsi l’exposition directe à la surface du matériau à souder et réduisant les réflexions.
3.5 Réglage des paramètres laser : En ajustant des paramètres tels que la puissance du laser, la distance focale et le diamètre focal, il est possible de contrôler la distribution de l’énergie laser et de réduire les réflexions. Pour certains matériaux réfléchissants, la réduction de la puissance du laser peut constituer une méthode efficace pour diminuer les réflexions.
3.6 Utilisation d'un séparateur de faisceau : Un séparateur de faisceau permet de diriger une partie de l'énergie laser vers le dispositif d'absorption, réduisant ainsi les réflexions. Les séparateurs de faisceau sont généralement composés de composants optiques et d'absorbeurs ; en choisissant les composants appropriés et en ajustant la disposition du dispositif, on peut obtenir une réflectivité plus faible.
4. Soudure en contre-dépouille
Dans le processus de fabrication des batteries au lithium, quelles sont les étapes les plus susceptibles de provoquer un sous-découpage ? Pourquoi ce phénomène se produit-il ? Analysons-le.
En cas de sous-coupe, les matières premières de soudage ne sont généralement pas bien combinées, l'écart est trop important ou une rainure apparaît, la profondeur et la largeur sont généralement supérieures à 0,5 mm, la longueur totale est supérieure à 10 % de la longueur de soudure, ou supérieure à la longueur requise par la norme de processus du produit.
Tout au long du processus de fabrication des batteries au lithium, le risque de sous-dépouilles est élevé, notamment lors des opérations de pré-soudage et de soudage des plaques de recouvrement cylindriques et carrées en aluminium. Ceci s'explique principalement par le fait que la plaque de recouvrement doit être soudée à la coque. L'assemblage de ces deux éléments est sujet à des jeux de soudure excessifs, des rainures, voire des déformations, ce qui favorise l'apparition de sous-dépouilles.
Qu’est-ce qui provoque donc le sous-dénigrement ?
Si la vitesse de soudage est trop élevée, le métal liquide situé derrière le petit trou pointant vers le centre de la soudure n'aura pas le temps de se redistribuer, ce qui entraînera une solidification et un sous-dépouillement de part et d'autre de la soudure. Face à ce problème, il est nécessaire d'optimiser les paramètres de soudage. En d'autres termes, il s'agit de répéter les essais pour vérifier différents paramètres et de poursuivre la méthode des plans d'expériences (DOE) jusqu'à trouver les paramètres appropriés.
2. Des défauts de soudure excessifs (espaces, rainures, affaissements, etc.) réduisent la quantité de métal en fusion qui remplit ces espaces, augmentant ainsi le risque de caniveaux. Ce problème est lié à l'équipement et aux matières premières. Il faut vérifier si les matières premières de soudage répondent aux exigences de notre procédé, si l'équipement est suffisamment précis, etc. La pratique courante consiste à exercer une pression constante sur les fournisseurs et les responsables de l'équipement.
3. Si l'énergie chute trop rapidement en fin de soudage laser, le petit trou risque de s'affaisser, provoquant des caniveaux. Un réglage précis de la puissance et de la vitesse permet d'éviter efficacement la formation de caniveaux. Comme le dit l'adage, il faut répéter les expériences, vérifier différents paramètres et poursuivre la planification d'expériences jusqu'à trouver les paramètres optimaux.
5. Effondrement du centre de soudure
Si la vitesse de soudage est lente, le bain de fusion sera plus large et plus étendu, augmentant ainsi la quantité de métal en fusion. Le maintien de la tension superficielle peut alors s'avérer difficile. Lorsque le métal en fusion devient trop dense, le centre de la soudure risque de s'affaisser et de former des creux et des piqûres. Dans ce cas, il est nécessaire de réduire la densité d'énergie afin d'éviter l'affaissement du bain de fusion.
Dans un autre cas, l'espace de soudure s'affaisse sans provoquer de perforation. Il s'agit sans aucun doute d'un problème d'ajustement serré.
Une bonne compréhension des défauts pouvant survenir lors du soudage laser et des causes des différents défauts permet une approche plus ciblée pour résoudre tout problème de soudage anormal.
6. Fissures de soudure
Les fissures qui apparaissent lors du soudage laser continu sont principalement des fissures thermiques, telles que les fissures cristallines et les fissures de liquéfaction. La principale cause de ces fissures est l'important retrait généré par la soudure avant sa solidification complète.
Les fissures lors du soudage laser peuvent également être dues aux raisons suivantes :
1. Conception de soudure inadéquate : Une conception géométrique et dimensionnelle inappropriée de la soudure peut entraîner une concentration des contraintes et, par conséquent, des fissures. La solution consiste à optimiser la conception de la soudure afin d’éviter cette concentration de contraintes. Il est possible, par exemple, d’utiliser des soudures décalées appropriées ou de modifier la forme de la soudure.
2. Paramètres de soudage inadaptés : Un mauvais choix des paramètres de soudage, comme une vitesse de soudage trop élevée ou une puissance excessive, peut entraîner des variations de température non uniformes dans la zone de soudure, provoquant des contraintes importantes et des fissures. La solution consiste à adapter les paramètres de soudage au matériau et aux conditions de soudage.
3. Mauvaise préparation de la surface à souder : Un nettoyage et un prétraitement inadéquats de la surface à souder, notamment l’élimination des oxydes et des graisses, affectent la qualité et la résistance de la soudure et peuvent facilement provoquer des fissures. La solution consiste à nettoyer et à prétraiter correctement la surface à souder afin d’éliminer efficacement les impuretés et les contaminants présents dans la zone de soudage.
4. Mauvaise maîtrise de l'apport de chaleur lors du soudage : Une mauvaise maîtrise de l'apport de chaleur pendant le soudage, notamment une température excessive ou une vitesse de refroidissement inadéquate de la couche à souder, peut entraîner des modifications de la structure de la zone soudée et provoquer des fissures. La solution consiste à contrôler la température et la vitesse de refroidissement pendant le soudage afin d'éviter la surchauffe et un refroidissement trop rapide.
5. Détente thermique insuffisante : Un traitement de détente thermique insuffisant après soudage entraîne une détente insuffisante dans la zone soudée, ce qui favorise l’apparition de fissures. La solution consiste à effectuer un traitement de détente thermique approprié après soudage, tel qu’un traitement thermique ou vibratoire (cause principale).
En ce qui concerne le processus de fabrication des batteries au lithium, quels sont les procédés les plus susceptibles de provoquer des fissures ?
Généralement, des fissures ont tendance à apparaître lors du soudage d'étanchéité, comme le soudage d'étanchéité de coques cylindriques en acier ou en aluminium, le soudage d'étanchéité de coques carrées en aluminium, etc. De plus, lors du processus d'encapsulation du module, le soudage du collecteur de courant est également sujet aux fissures.
Bien sûr, nous pouvons également utiliser du fil d'apport, le préchauffage ou d'autres méthodes pour réduire ou éliminer ces fissures.
Date de publication : 1er septembre 2023
