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炸点机理分析

激光智能制造课题组 2023-01-06 18:02 发布于江苏 发文

首先炸点、凹坑都可归为飞溅一类,只是这些属于大飞溅伴随质量损失,所以单独列出。

飞溅如何产生?这里主要以动力电池顶盖满焊为例展开,其他材料大抵类似。

这是设备导入初期连续20天做的一个炸点统计,基本上由于炸点导致的不良率占比超过一半,最终良率到98左右,再往上提必须要解决炸点、飞溅问题,否则整个行业的良率都上不来,在这里做个简单的分析,希望能够有助于行业极限制造。

飞溅炸点的形成原因主要有三类:不过核心都是由于高压高温金属蒸汽从匙孔内部喷涌而出对液态熔池产生的剪切力所致。

缺陷致因一:金属蒸汽剪切力

首先对熔池液滴做个简单的受力分析,因为熔池必然受到力的作用才会导致液滴脱离熔池,造成飞溅逸出。液滴主要受到自身重力、垂直向上的剪切力、表面张力、金属蒸发的反冲压力等。

根据文献[1]所述,有一个公式可以简单表述飞溅产生的原因:;其中ρ表示材料密度(重力),表示金属蒸汽逸出匙孔速度(剪切力),表示表面张力,R表示熔池局部曲率半径,可以理解为产生飞溅那个位置的曲率半径。

所以这个剪切力影响很简单,可以总结为,匙孔周边的液态金属被金属蒸汽上升产生的剪切力带出,剪切力也不是一成不变的,激光焊接过程由于局部蒸发量不同、低沸点金属的聚集、匙孔内部体积的波动都会导致金属蒸汽的速度发生变化,时大时小,所以会周期性的产生飞溅,这个时候怎么稳定匙孔和控制激光能量成为关键。

缺陷致因二:匙孔坍塌导致大飞溅

匙孔坍塌主要是由于熔池波动,类似端一杯水走路那种晃荡,主要来源于焊接方向匙孔前壁的金属熔化,金属蒸汽向上挥发,给到液态金属一个向下的反冲压力,使得前壁的熔池向下加速到匙孔底部,从匙孔后壁向上流,流速是后熔池表面的4-6倍,会像喷泉涌出水面一样,引起后部熔池晃荡,就会周期性盖住匙孔,盖住匙孔,匙孔内部的高压金属蒸汽就会冲出熔池,形成飞溅,这个过程通常会伴随质量损失,形成焊缝表面凹坑。

基于现场LDD采集的熔深数据也佐证了匙孔坍塌导致熔深波动以至于形成飞溅这个判断。

缺陷致因三:低沸点金属沉积(元素偏析)

动力电池顶盖多以1系、3系铝合金为主,成分如下,如果要轻量化,Mg的含量还可以加;

其中各元素沸点如下:

镁、锰、锌等元素的沸点远低于铝,但是激光能量足以使一部分铝汽化,所以一旦出现低沸点金属元素偏析(聚集)就会在高能激光束作用下迅速汽化,形成微爆炸,把熔池咋开形成飞溅,造成质量损失,形成凹坑。

元素偏析主要和材料有关,集成商一般不太关注,只需要确定打样材料和现场材料一致即可;锂电厂家需要对材料进行成分分析,对低沸点金属的偏析进行控制。

元素偏析也不太好解决主要和冶炼铸造过程的冷凝速度也就是温度控制有关,也是个技术活,又是一个高端制造底层都是材料的佐证。

原因找到了之后怎么去避免就有了方向:照着公式来就行,剪切力,表面张力;

首先减小剪切力的影响:

第一点:减小剪切力:通过保持匙孔形态稳定(内部体积波动小),可以通过降速、采用复合焊、环形光斑、光束整形等方式去优化。保证匙孔是一个垂直朝向,尺寸稳定的状态,这样剪切力大小就波动较小,不容易形成大的质量损失;

第二点:降低剪切力的影响:简单说就是惹不起躲开,想办法使得剪切力不作用在液态金属边缘,可以通快扩大匙孔开口实现;

其次针对匙孔坍塌,主要是想办法提高表面张力,扩大匙孔开口,降低熔池波动,使得液态熔池不要一个波浪过来盖住匙孔,给飞溅创造条件,也即避免液态熔池跑到匙孔正上方,直接承受所有的剪切力;可以从扩大液态熔池面积,降低等离子体的影响,提高光源功率稳定性来解决。

目前落实到实处,有几点设备选型上的注意事项:

  1. 选择环形光斑,尤其是外环大的,100/600就比100/300好(什么样的光纤芯径搭配比较好也可以研究一下);因为内环激光直接形成匙孔,外环激光可以打在匙孔周围,造成金属蒸发形成反冲压力作用于熔池表面,使得熔池流动到匙孔周围是受到一个向下的压力,下榻,不会冲向匙孔,导致匙孔坍塌,直接与喷涌而出的金属蒸汽硬刚,导致飞溅;同时熔池受到外环附加的力的作用,也会变相提高液体金属的表面张力,液滴想形成飞溅难度又上一个台阶,就能很好的抑制飞溅;同时外环激光这个作用力还能扩大匙孔开口,也降低了匙孔坍塌的概率,增大了匙孔开口时间,也能降低飞溅形成机率;

2. 还有就是复合焊也能达到同样的效果,不管是光纤半导体复合,还是红蓝光复合;

3. 还有保户气的大小也会影响等离子体对激光的屏蔽效应,保证激光到达材料表面的能量稳定性,也能对保持匙孔稳定起到左右,至于保户气直吹,侧吹,流速,怎么和抽尘匹配都可以现场精细优化;

4. 还有摆动焊接也能直接压制熔池波动,也能起到提高焊接稳定性的作用;

这里的分析只能在微观思维上建立解决问题的思路,具体还是要更具设备情况具体问题具体分析,也不一定全对,知识一直在更新,欢迎同僚多多交流,共同进步。

1. Kaplan, A.F.H., Spatter in laser welding, J. Powell, Editor. 2011: JOURNAL OF LASER APPLICATIONS.

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