Mặc dù điện cực hàn với thiết kế đầu phẳng lệch tâm là hình dạng dễ chế tạo nhất do hình dạng đơn giản của nó, nhưng nó khơng tạo ra kết quả hàn hiệu quả. Đường kính đầu nhọn tương đối lớn không chỉ gây ra biến dạng không đầy đủ trên các chi tiết gia công như thể hiện trong Hình 4.3, mà cịn góp phần tạo ra hình dạng vịng phân bố mật độ dịng điện dọc theo cạnh của đầu điện cực.
Hơn nữa, là hệ quả của hình dạng của cốt thép nắp dương, có thể thấy trong Hình
4.4 rằng có mật độ dịng điện cao hơn dọc theo các cạnh bên ngoài của các đầu điện cực,
nơi có nhiều phản lực hơn (tiếp xúc áp suất) từ nắp dương gây ra khơng đồng đều. sinh nhiệt. Đường kính đầu điện cực quá lớn cũng dẫn đến sự phân tán nhiệt trong vùng giữa hai điện cực hàn như minh họa trong Hình 4.5, dẫn đến chất lượng tiếp xúc mối hàn kém. Do đó, hình dạng điện cực này khơng phù hợp để hàn điểm trên cell pin này.
41
• Đầu kim thn nhọn.
Hình 4.8: Đầu kim thn nhọn [9].
Với đầu điện cực thuôn nhọn, các điểm hàn nhỏ có thể được hình thành giữa các bề mặt chi tiết gia cơng, góp phần tạo ra dịng mật độ dịng điện cao hơn và lực hàn tác dụng tại điểm hàn như trong Hình 4.4.
Do đó, nhiệt độ cao hơn có thể được tạo ra làm phát triển tiếp xúc hàn mạnh hơn. Mặc dù các đầu điện cực có hình dạng thn nhọn thúc đẩy chất lượng tiếp xúc mối hàn tốt hơn, nhưng vẫn xảy ra trường hợp các đầu điện cực bị mịn nhanh chóng sau một vài q trình hàn và gây ra dễ làm lủng pin nếu canh lực hàn khơng đúng.
42
• Đầu kim thn trịn.
Hình 4.9: Đầu kim thn trịn.
Từ thực nghiệm hàn thử, có vẻ như các đầu điện cực hình trịn với đường kính đầu phẳng nhỏ cho kết quả hàn điểm tương tự khi so sánh với các đầu điện cực ( đầu kim hàn ) thn nhọn, nhưng có độ mịn vừa phải của các đầu điện cực sau một số q trình hàn.
Do đó, nó thích hợp hơn so với các đầu điện cực ( đầu kim hàn ) thuôn nhọn để hàn điểm sản xuất hàng loạt. Tuy nhiên, những đầu kim hàn thuôn trịn tương đối khó hơn và cần nhiều thời gian hơn để làm thủ cơng bằng tay ( mài ). Do đó, trong q trình hàn cần theo dõi mối hàn, tia lửa sinh ra, xác định độ mài mòn và độ nhám của bề mặt kim hàn sau nhiều lần hàn, để có được hình dạng và chất lượng đồng nhất của các mối hàn.
43
4.3.3 Khoảng các giữa hai điện cực hàn ( đầu kim hàn ).
Hình 4.10: Khoảng cách giữa hai kim hàn [10].
Độ biến dạng của các thành phần chi tiết tiếp xúc tại điểm hàn ( mối hàn ) và khoảng cách giữa hai điện cực hàn ( hai đầu kim hàn ) với khoảng cách gắn 3,5 mm (trái) và 6,5 mm (phải) được thể hiện bằng hình ảnh thực trong Hình 4.10 cùng với 3D và 2D của chúng mô phỏng trong Hình 4.11, Hình 4.12. Có thể nhận thấy rằng có sự biến dạng tương đối cao hơn xảy ra với khoảng cách lắp hai đầu điện cực ( đầu kim hàn ) ngắn hơn là 3,5 mm.
44
Hình 4.11: Độ biến dạng tại điểm mối hàn ( 3D ) [10].
45
Tương tự như trường hợp ba kiểu hình dạng của kim hàn được mơ tả trong phần trước, đối với khoảng cách giữa hai đầu điện cực ( hai đầu kim hàn ) khoảng cách lớn hơn,ở xa tâm hơn cần lực nén lớn hơn, dẫn đến biến dạng lớn hơn. Không chỉ biến dạng quá mức của các thành phần chi tiết tiếp xúc tại điểm hàn có thể ảnh hưởng đến chất lượng pin bề mặt pin bị hư hỏng nhiều hơn, mà cịn có thể dẫn đến độ bền tiếp xúc mối hàn kém, điều này sẽ được giải thích sau trong Hình 4.17 của phần sau.
Hơn nữa, từ các thí nghiệm hàn với các giá trị khác nhau của khoảng cách lắp đặt giữa các điện cực, nó sẽ xảy ra rằng sự khác biệt về điện trở của vật liệu làm tab kết nối giữa khoảng cách điện cực 3,5 mm và 6,5 mm là tối thiểu góp phần làm thay đổi khơng đáng kể dịng điện giữa hai cài đặt như thể hiện trong Bảng 4.1
Bảng 4.1: Sự thay đổi của dòng điện giữa các khoảng cách [10].
+ Màu xanh dương ( khoảng cách 3,5mm ).
+ Màu đỏ ( khoảng cách 5,5mm ).
46
Mặc dù một chút thay đổi về khoảng cách hàn hầu như khơng ảnhhưởng đến dịng điện.Nhưng các điểm hàn nên được đặt cách nhau một khoảng nhất định ở các khu vực xa trung tâm của pin để tránh biến dạng dư thừa.
Xem xét thời gian xử lý ít nhất đối với hàn điểm sản xuất hàng loạt, trong đó cả cực dương và cực âm của các tế bào pin có thể được hàn liên tiếp với các tab kết nối để tạo ra các bộ pin, sẽ hiệu quả hơn khi khoảng cách lắp đặt các điện cực khơng thay đổi ( ví dụ: cách nhau 3,5 mm ). Vì hàn nhiều điểm trên một cực pin có khả năng liên kết của tab kết nối và pin để có mối hàn tốt hơn, Hình 4.13 gợi ý một số lựa chọn thay thế để định vị các điểm hàn trên mấu nối ngay cả với khoảng cách lắp ngắn giữa hai điện cực.
47
4.3.4 Thiết kế dải ( tab ) kết nối.
Hình 4.14 minh họa kết quả mơ phỏng so sánh các đường dẫn dịng điện giữa mơ
hình bên trái với một mấu kết nối bình thường khơng có khe cắm và mơ hình ở bên phải bao gồm một mấu kết nối có khe cắm. Do thực tế là dịng điện có xu hướng chạy dọc theo đường dẫn có điện trở thấp nhất, có thể thấy trong Hình 4.14 rằng có các dịng điện chạy dọc theo lớp trên của các chi tiết gia công ( mấu nối ).
Hình 4.14: So sánh phân bố dịng điện giữa các tab kết nối có và khơng có khe
48
Hơn nữa, dòng điện cũng chạy phân tán xung quanh hai điện cực hàn như thể hiện
trong hình trên cùng của Hình 4.14. Các hành vi dịng chảy này dẫn đến sự phân tán
nhiệt trên mấu nối, do đó nhiệt độ tối đa mong muốn khơng thể đạt được.
Do đó, cần có dịng điện đầu vào cao hơn để đạt được nhiệt độ nóng chảy của vật liệu tạo ra các điểm hàn. Ngoài ra, các tab kết nối với khe cắm ở giữa đang được sử dụng trên thị trường nhằm mục đích kiểm sốt các đường dẫn dịng điện đi qua các đầu điện cực nhỏ xuống các điểm tiếp xúc giữa mấu kết nối và cực pin mà không chảy dọc theo vùng giữa giữa hai điểm hàn .
Kết quả là, các điểm hàn dễ lấy hơn do vùng nhiệt nhỏ được tạo ra và có thể đạt đến nhiệt độ tối đa cao hơn. Tuy nhiên, có thể nhận thấy rằng cũng có một số dịng điện chạy xung quanh đường viền khe do điện trở không đủ dọc theo đường dẫn, điều này có thể tránh được bằng cách sửa đổi hình học khe để tăng điện trở như trong Hình 4.15.
49
Đối với các tab kết nối với độ dày cao hơn 0,15 mm, yêu cầu điện áp / dòng điện đầu vào cao hơn. Khác với việc sử dụng tab kết nối có khe, việc tạo ra các vết lồi trên các tab như thể hiện trong Hình 4.16 có thể dễ dàng thúc đẩy các điểm nhỏ tập trung hiện tại. Kết quả là, một mối hàn tiếp xúc tốt có thể được hình thành ở cài đặt dịng điện áp đầu vào thấp hơn và tuổi thọ của điện cực ( kim hàn ) có thể được kéo dài.
Hình 4.16: Tab kết nối có khe và phần lồi [10].
Với cùng một lượng nguồn cung cấp hiện tại, việc sử dụng một mấu kết nối có rãnh ở giữa sẽ mang lại sự tiếp xúc mối hàn tốt hơn so với tab khơng có rãnh. Nói cách khác, để đạt được độ bền tiếp điểm hàn tốt như nhau, tab kết nối với khe cắm yêu cầu dòng điện đầu vào ít hơn so với tab thơng thường. Tuy nhiên, việc tạo khe trên tab kết nối yêu cầu quy trình sản xuất bổ sung, do đó thời gian sản xuất cao hơn. Do đó, người ta phải thỏa hiệp giữa chi phí, thời gian hiệu quả và chất lượng mối hàn đạt yêu cầu.
50
4.3.5 Vật liệu của tab ( dải ) kết nối.
Sau khi thu thập dữ liệu từ các thí nghiệm hàn điểm cell pin với các tab Hilumin® và Nickel tương ứng, các cấu hình điện áp đã lọc được sử dụng làm điện áp đầu vào để mơ phỏng trong COMSOL[5]. Dịng điện tích hợp chạy trong hai mơ hình, một mơ hình bao gồm vật liệu tab kết nối làm bằng thép Hilumin® (UNS G10060)[5] và một mơ hình khác có tab kết nối Nickel 200 ( UNSN02200 )[5] , được so sánh như trong Bảng 4.2.
Bảng 4.2: So sánh dòng hàn giữa chất liệu của tab ( dải ) kết nối [10].
+ Hilumin ( màu xanh dương ).
+ Nickel ( màu đỏ ).
+ Current ( dòng hàn ) - đơn vị: Ampe (A).
51
Có thể thấy nó rằng biên độ tối đa của cấu hình dịng điện của kiểu máy có mấu nối Niken cao hơn một chút so với kiểu máy có mấu nối Hilumin®, do độ dẫn điện của Niken 200 cũng tương đối cao hơn độ dẫn điện của Hilumin®. Nhiệt độ tối đa của các tab Hilumin® và Nickel xảy ra trong q trình hàn điểm cũng được khảo sát thông qua mô phỏng và được minh họa trong Bảng 4.3.
Bảng 4.3: So sánh nhiệt độ tối đa giữa các tab Hilumin® và Nickel [10].
+ Hilumin ( màu xanh dương ).
+ Nickel ( màu đỏ ).
+ Temperature ( nhiệt độ ) - đơn vị: ° C
52
Đến điểm nóng chảy của gang dẻo và niken nguyên chất với các giá trị tương ứng khoảng 1.150 ° C và 1.450 ° C . Hơn nữa, như đã thấy trong Bảng 4.4, nhiệt độ của cả hai tab Hilumin® và Nickel nhanh chóng giảm từ nhiệt độ tối đa xuống điểm dưới 100 ° C sau một vài giây trơi qua. Điều này có lợi cho quy trình hàn điểm nối tiếp trong đó tab kết nối và các cell pin có thể được hàn liên tục tại nhiều điểm để tăng diện tích tiếp xúc.
Bảng 4.4: Sự giảm nhiệt độ của các tab ( dải ) Hilumin® và Nickel [10].
+ Hilumin ( màu xanh dương ).
+ Nickel ( màu đỏ ).
+ Temperature ( nhiệt độ ) - đơn vị: ° C
53
Do đó, độ dẫn điện và độ bền cơ học của các tiếp điểm mối hàn được cải thiện. Tuy nhiên, các kết quả về dòng điện và nhiệt độ thu được từ mô phỏng chỉ được sử dụng để nghiên cứu các đặc điểm khác nhau giữa Hilumin® và vật liệu niken. Các giá trị thực tế của dòng điện và nhiệt độ xảy ra trong các chi tiết gia cơng thực có khả năng phụ thuộc vào nhiều yếu tố ảnh hưởng khác như hệ số đối lưu nhiệt, bức xạ nhiệt, độ nhám bề mặt của vật liệu, v.v… .
Hơn nữa, để xác định Hilumin® hay niken nguyên chất phù hợp hơn khi làm vật liệu kết nối tab để hàn điểm, việc đo điện trở tiếp xúc và độ bền cơ học là cần thiết.
54
4.3.6 Lực hàn.
Nói chung, lực hàn điện cực càng cao thì sự biến dạng trên chi tiết gia công càng lớn. Tuy nhiên, đối với mối hàn điểm giữa các mấu Hilumin® có độ dày 0,1 mm và độ dày 0,3 mm, không thể dễ dàng quan sát được sự thay đổi biến dạng đối với lượng lực hàn khác nhau nếu đặt một tấm đỡ tốt bên dưới các mấu hàn.
Mặt khác, trong trường hợp thực tế hàn một mấu kết nối trên một tế bào ( cell ) pin, khi tác dụng lực quá lớn lên mối hàn ( giữa đầu kim hàn và bề mặt hàn ), đặc biệt là tại khu vực trung tâm, sự biến dạng cao xảy ra do cách xa phần trung tâm vỏ pin sẽ chịu được lực tác dụng yếu hơn, dẫn đến phản lực từ vỏ pin so với vị trí càng xa tâm. Do đó, điều này ảnh hưởng đến các đường dẫn dịng điện như minh họa trong Hình 4.17.
Hình 4.17: Sự phân bổ dịng điện thay đổi do lực hàn [10].
Sự biến dạng quá nhiều của các bề mặt chi tiết tiếp xúc dẫn đến diện tích tiếp xúc lớn giữa các bề mặt của tab ( dải ) kết nối và bề mặt pin tại vị trí trên và dưới. Điều này cho phép dịng điện chạy dọc theo nhiều con đường khác nhau thay vì một điểm nhỏ gây ra sự phân bố nhiệt độ rộng rãi trong các bộ phận làm việc.
55
Nếu khơng đạt đến nhiệt độ nóng chảy của vật liệu, điều này dẫn đến việc tiếp xúc giũa tab (dải ) kết nối và bề mặt pin có độ bền kém hoặc mối hành khơng dính, khơng có sự liên kết giữa tab ( dải ) kết nối và bề mặt pin.
Tuy nhiên, lực hàn điện cực khơng được q thấp, vì mối nối yếu khi tiếp xúc hàn trong q trình hàn có thể tạo ra hồ quang nhẹ gây ra tia lửa kim loại. Do đó, một lực thích hợp tạo ra điểm tiếp xúc tốt được ưu tiên để có kết quả hàn điểm lý tưởng.
Hình 4.18: Phát sinh tia lửa khi kết cấu không vững và thiếu lực hàn [9].
❖ Lực hàn phụ thuộc vào hành trình của trục Z và độ nén của lị xo.
- Sau nhiều lần căn chỉnh thực nghiệp nhóm thiết kế hệ thống ổ đỡ, nén lò xo
56
4.4 Thiết kế hệ thống điều khiển và bộ nguồn.
➢ Thông số ban đầu:
Trong quá trình thiết kế hệ thống điều khiển và bộ nguồn, để đảm bảo mối hàn kết dính tốt khơng ảnh hưởng chất lượng pin thì có 3 vấn đề sau đây cần giải quyết:
• Điện áp dịng tối đa
• Thời gian hàn ( thời gian xả dịng ).
• Tiến hành thực nghiệm đúc kết kinh nghiệm đưa ra thông số cần thiết.
➢ Các thành phần cơ bản thiết yếu:
• Siêu tụ điện
• Bo mạch 32 mosfet
• Timer.
57
4.4.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bộ nguồn và hệ thống điều khiển.
`
Hình 4.19: Sơ đồ nguyên lý của bộ nguồn.
SIÊU TỤ LSUC R 1 D1 5V DC 20A BO MẠCH 32 MOSFET TIMER K 2 5 – 12V 220V AC
58
Hình 4.20: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển.
Mạch điều khiển Motor step Driver Motor step Motor step K 1 K 2 24V DC 12V 24V
59
4.4.2 Siêu tụ điện.
Sử dụng 2 siêu tụ LSUC 2,8V 3000F được đấu nối tiếp thay thế cho biến áp. Khi mắc nối tiếp tăng áp lên 5,6V và có điện dung 1500F nhằm mục đích tạo dịng xả tức thời khoảng 2000A.
60
4.4.3 Bo mạch mosfet.
Sử dụng 32 Mosfet IRF 3713, được nối song song nhằm mục đích nhằm chịu được dịng điện cao phát ra từ siêu tụ dòng phục vụ việc hàn. Nhiệm vụ đóng gắt dịng điện hàn chính xác.
61
4.4.4 Điện áp dòng tối đa.
Kết quả hàn điểm giữa các tab Hilumin® với các cài đặt điện áp cung cấp tối đa khác nhau được trình bày trong Hình 4.21. Ảnh hưởng của mức điện áp hàn trên chi tiết gia công hơi giống với ảnh hưởng từ việc cài đặt thời gian hàn nhưng tác động rõ rệt hơn.
Hình 4.23: Độ tiếp xúc của mối hàn với lượng nhiệt sinh ra khác nhau [10].
Giai đoạn thấp của điện áp tối đa chỉ cho phép giải phóng một lượng nhỏ điện năng đến các điện cực hàn và các phơi sau đó. Trong trường hợp nhiệt sinh ra q ít, khơng chỉ biến dạng khơng đủ của các mấu Hilumin® tạo ra áp suất tiếp xúc kém, mà cịn có thể khơng đạt đến nhiệt độ nóng chảy của vật liệu chi tiết gia công gây ra các tiếp điểm mối hàn kém hoặc khơng dính mối hàn.
Mặc dù thời gian hàn dài hơn có thể được thiết lập để đạt được nhiệt độ mục tiêu, nhưng nó cũng có thể dẫn đến các tác dụng không mong muốn do thời gian hàn quá
62
nhiều như đã trình bày trước đây trong Hình 4.19. Ngược lại, ở giai đoạn điện áp tối đa cao hơn, thời gian hàn ngắn hơn được yêu cầu do thực tế là lượng điện năng lớn hơn có