電池激光焊接工藝

鋰電池自從九十年代初問世以來，以其能量密度，環保，電壓高，使用壽命長以及可以實現快速充電等諸多優點而受到3C數碼，動力設備等行業的歡迎，特別是對近年來新能源汽車行的發展提供不可替代的貢獻，做為其動力來源的鋰電池產業，市場規模發展潛力巨大，屬于國家戰略發展的一個重要的環節，根據相關統計，未來5-10年，鋰電池產業規模有望突破1680億元。鋰電池做為新能源汽車動力的核心部件，其質量直接關系到整車的安全與性能，而現階段，我們在制造鋰電池產品的設備中一共分了三段設備，分別為前端設備，中端設備，后端設備這三種，其設備在制造精度和自動化水平將影響到電池產品的生產效率與質量一致性，而激光焊接設備及其先進的焊接技術正好適應現在及未來鋰電池生產的需求，并己得到廣泛的應用。

下邊通過激光在動力電池行業中的應用情況，闡述關于激光焊接的工藝，分析鋁合金激光焊接的難點及焊接模式對焊接質量的影響，列舉方形動力電池與電池PACK工藝特點以及設備的未來的發展趨勢。
一、鋰電池激光焊接工藝
從鋰電池的電芯制造到電池PACK成組，焊接是一道很重要加工工序，因為這道工藝將直接決定著鋰電池的強度，導電性，氣密性，金屬疲勞及耐腐蝕性，屬于典型的電池焊接質量評價標準，而達不到此類標準的電池產品，將被嚴禁上市銷售，對企業來說，就是損失。

從大量的鋰電池實際生產經驗來看，激光焊接是唯獨能信任此類產品的焊接加工質量要求，是其它設備無法替代的加工設備，其擁有以下幾大優點：
1、激光焊接能量密度高、焊接變形小、熱影響區小，可以有效地提高制件精度，焊縫光滑無雜質、均勻致密、無需附加的打磨工作；
2、激光焊接可精確控制，聚焦光點小，高精度定位，配合機械手臂易于實現自動化，提高焊接效率，減少工時，降低成本；
3、激光焊接薄板材或細徑線材時，不會像電弧焊接那樣容易受到回熔的困擾；
4、明顯提高了產品質量，安全及電池的一致性；

制造電池用到的材料種類繁多，包括鋼，鋁，銅，鎳等，利用這些金屬可以制成電極，導線或是外殼，所以在實際焊接過程中經常會碰到同種材料之間或多種材料之前的焊接，這對焊接工藝要求提了較了嚴酷的要求，而激光焊接的工藝優勢就是可以焊接多種材料以及多種材料之間的焊接.
二、焊接工藝難點
動力電池一般遵循“輕薄”的原則，而眾多材料中只有鋁材質能信任此類要求，一般殼，蓋，底的厚度基本都要求在1.0mm以下，當前比較先進的廠家都要求在0.8mm左右，可見鋁合金材料電池殼體占到整個動力電池的92%以上。
鋁材合金焊接難點體現在以下幾點：
1、鋁合金是一種有色金屬，具有較鎬的導熱性，屬于高反光材料，因而對激光的率相對較低，同時，由于鋁的電離能低，焊接過程中等離了不易于擴散，使得焊接穩定性差；
2、焊接過程中合金元素的燒損，使鋁合金焊接接頭的力學性能下降；
3、焊接過程中氣孔敏感性高, 焊接時不可避免地會出現一些問題缺陷，其中最主要的是氣孔和熱裂紋；
4、鋁合金的激光焊接過程中產生的氣孔主要有氫氣孔和匙孔破滅產生的氣孔，由于激光焊接的冷卻速度太快，氫氣孔問題更加嚴重，并且在激光焊接中還多了一類由于小孔的塌陷而產生的孔洞。
5、熱裂紋問題。鋁合金屬于典型的共晶型合金，焊接時容易出現熱裂紋，包括焊縫結晶裂紋和HAZ 液化裂紋，由于焊縫區成分偏析會發生共晶偏析而出現晶界熔化，在應力作用下會在晶界處形成液化裂紋，降低焊接接頭的性能。
6、炸火（也稱飛濺）問題。引起炸火的因素很多，如材料的清潔度、材料本身的純度、材料自身的特性等，而起決定性作用的則是激光器的穩定性。殼體表面凸起、氣孔、內部氣泡，究其原因，主要是光纖芯徑過小或者激光能量設置過高所致。
針對以上出現的問題，尋找到合適的工藝參數才是解決問題的關鍵。

三、焊接模式分析：
1、脈沖模式焊接
脈沖激光器常用的脈沖波形有方波、尖峰波、雙峰波等幾種，由于鋁合金表面對光的反射率太高，焊接時應選擇合適的焊接波形。當高強度激光束入射到材料表面，金屬表面將會有60%~98% 的激光能量因反射而損失掉，且反射率隨物件表面的溫度而變化。一般焊接鋁合金時最優選擇尖形波和雙峰波，這兩種焊接波形后面緩降部分脈寬較長，能夠有效地減少氣孔和裂紋的產生。
由于鋁合金對激光的反射率較高，為了防止激光束垂直入射造成垂直反射而損害激光聚焦鏡，焊接過程中通常將焊接頭偏轉一定角度。焊點直徑和有效結合面的直徑，隨激光傾斜角的增大而增大，當激光傾斜角度為40°時，獲得最大的焊點及有效結合面。焊點熔深和有效熔深隨激光傾斜角減小，當激光傾斜角度大于60°時，其有效焊接熔深降為零。所以傾斜焊接頭到一定角度，可以適當增加焊縫熔深和熔寬。另外在焊接時，以焊縫為界，需將激光焊斑偏蓋板65%、殼體35% 進行焊接，這樣能有效減少因合蓋問題導致的炸火。

2、連續模式焊接
連續激光器焊接由于其受熱過程不像脈沖驟冷驟熱，焊接時裂紋傾向不是很明顯，為了改善焊縫質量，采用連續激光器焊接，焊縫表面平滑均勻，無飛濺，無缺陷，焊縫內部未發現裂紋。在鋁合金焊接方面，連續激光器優勢明顯：與傳統焊接方式相比，生產效率高，且無需填絲；與脈沖激光焊相比，可以解決其在焊后產生的缺陷，如裂紋、氣孔、飛濺等，保證鋁合金在焊后有良好的機械性能；焊后不會凹陷，拋光打磨量減少，節約生產成本，但是因為連續激光器光斑較小，所以對工件的裝配精度要求較高。
在動力電池焊接過程中，焊接工藝技術人員會根據電池材料、形狀、厚度、拉力要求等選擇合適的激光器和焊接工藝參數，包括焊接速度、波形、峰值、焊頭傾斜角度等來設置合理的焊接工藝參數，以保證最終的焊接效果滿足動力電池廠家的要求。

 四、方形電池焊接
在方型電池的焊接工藝中，最重要的工序是殼蓋的封裝，方形電池外殼的封口辦法一般是在電池頂部有一個長方形蓋板，板上帶有正極輸入端，將蓋板塞入外殼與口平齊，然后用激光將蓋板與外殼之間的長方形縫隙以脈沖或者連續激光焊接的方式，焊好密封即可。
方形電池的焊接方式主要分為側焊和頂焊，其中側焊的主要好處是對電芯內部的影響較小，飛濺物不會輕易進入殼蓋內側。由于焊接后可能會導致凸起，這對后續工藝的裝配會有些微影響，因此側焊工藝對激光器的穩定性、材料的潔凈度等要求極高。而頂焊工藝由于焊接在一個面上，對焊接設備集成要求比較低。
目前，動力電池立焊接方式是業內廣為青睞的焊接方式，立焊只需一個收口節點，便可大大降低側焊接四個收口節點的側漏風險，而且有利于量產。武漢逸飛激光設備有限公司的“高速電池殼體激光立焊接設備”，實現了99.5% 以上的焊接良品率和12PPM 的生產效率。

 五、電池PACK工藝：
1、電池PACK
電池電芯通過加裝保護電路、外殼、輸出而形成的應用電池組的生產過程稱為PACK。電池PACK 是實現電池在不同領域應用的一道重要工序。隨著PACK 工藝的不斷發展，連接方式也不斷改進，從最初的錫焊到到后來的電阻焊，發展至今，激光焊接因其焊接精度、可靠性及自動化程度高的優勢，已成為目前PACK 工藝最為廣泛的連接方式，而搭載著激光焊接工藝的智能自動化設備已成為方形、圓柱、軟包、18650 等不同類型電芯PACK 成組的高端制造裝備。
2、智能裝備發展趨勢
新能源汽車產業的發展，并未對其所使用的動力電池及電池模組的規格標準定型并標準化，出現了眾多規格體系不兼容的問題，當前的工藝流程和人工操作制約了企業的生產節拍和效率，從而無法有效提升產品質量和產能。所以，提升動力電池模組組裝的自動化水平非常必要?，F今，實現“整線設備+ 機器人+ 軟件控制”的智能化解決方案，既要解決用戶重點關注的兼容性、整線節拍和效率問題，又要解決用戶電池PACK 訂單批量小、規格多的問題。
管理軟件方面。整套MES 系統直接將產線打造成準無人化生產車間，人工只需要在線外進行物料補充，既提高了安全性，又減少了人為介入。焊接工序環節，只需要將激光焊接工藝數據集成在MES 管理軟件系統中，以方便用戶直接調用、切換。從電芯到PACK 成組，每一道工序的參數、數據及其他來料信息等，都可以通過MES 系統快速查詢并及時分析處理，既要做到過程可控，又要有效保障生產效率，用戶還通過預留的工業通訊接口實現遠程監控管理，充分體現智能化自動化的制造特點。搭載激光解決方案的產品已向著高智能化、高自動化的趨勢方向發展。
六、可信任的電池制造激光設備


總之，雖然我國在激光焊接技術方面己經逐漸成熟，但是高質量的電池生產屬于跨學科的制造工藝，需要電池設計師跟激光焊接技術工程師綜合協作，從電池的材料，結構，厚度，工藝，實時檢測等方面進行優化設計，才能達到理想的焊接效果，新華鵬激光焊接設備采用先進光纖傳輸技術能實現精細化及智能自動化焊接，擁有10多年的電池產品焊接技術工藝經驗，己為國內上百家電池生產企業提供上千套解決方案，特別是成功應用于新源汽車電池組自動化焊接生產線，如比亞迪電動公交車電池組，并助力該車型成功出口！