激光在動(dòng)力鋰電池制造中的應(yīng)用

自1990年問世以來，因其能量密度高、電壓高、環(huán)保、壽命長(zhǎng)以及可快速充電等優(yōu)點(diǎn)，深受3C數(shù)碼、動(dòng)力工具等行業(yè)的青睞，其對(duì)新能源汽車行業(yè)的貢獻(xiàn)尤為突出。作為提供新能源汽車動(dòng)力來源的鋰電池產(chǎn)業(yè)，市場(chǎng)潛力巨大，是國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展的重要一環(huán)，預(yù)計(jì)未來5-10年，產(chǎn)業(yè)規(guī)模有望突破1600億元。

動(dòng)力電池作為新能源汽車的核心部件，其品質(zhì)直接決定了整車性能。鋰電池制造設(shè)備一般為前端設(shè)備、中端設(shè)備、后端設(shè)備三種，其設(shè)備精度和自動(dòng)化水平將會(huì)直接影響產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和一致性。而激光加工技術(shù)作為一種替代傳統(tǒng)焊接技術(shù)已廣泛應(yīng)用于鋰電制造設(shè)備之中。

本文通過激光在動(dòng)力電池行業(yè)中的應(yīng)用情況，闡述了激光焊接的工藝特點(diǎn)，分析了鋁合金激光焊接難點(diǎn)以及焊接模式對(duì)焊接質(zhì)量的影響，列舉了方形動(dòng)力電池及電池PACK工藝特點(diǎn)及設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)。

激光焊接工藝

從鋰電池電芯的制造到電池PACK成組，焊接都是一道很重要的制造工序，鋰電池的導(dǎo)電性、強(qiáng)度、氣密性、金屬疲勞和耐腐蝕性，是典型的電池焊接質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

焊接方法和焊接工藝的選用，將直接影響電池的成本、質(zhì)量、安全以及電池的一致性。在眾多焊接方式中，激光焊接以如下優(yōu)勢(shì)脫穎而出：首先，激光焊接能量密度高、焊接變形小、熱影響區(qū)小，可以有效地提高制件精度，焊縫光滑無雜質(zhì)、均勻致密、無需附加的打磨工作;其次，激光焊接可精確控制，聚焦光點(diǎn)小，高精度定位，配合機(jī)械手臂易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，提高焊接效率，減少工時(shí)，降低成本;另外，激光焊接薄板材或細(xì)徑線材時(shí)，不會(huì)像電弧焊接那樣容易受到回熔的困擾。

電池的結(jié)構(gòu)通常包含多種材料，如鋼、鋁、銅、鎳等，這些金屬可能被制成電極、導(dǎo)線，或是外殼;因此，無論是一種材料之間或是多種材料之間的焊接，均對(duì)焊接工藝提出了較高要求。激光焊接的工藝優(yōu)勢(shì)就在于可以焊接的材質(zhì)種類廣泛，能夠?qū)崿F(xiàn)不同材料之間的焊接。

工藝難點(diǎn)

動(dòng)力電池電芯的制造由于遵循“輕便”原則，通常會(huì)采用較“輕”的鋁材質(zhì)，而且還要做得更“薄”，一般殼、蓋、底的厚度基本都要求達(dá)到1.0mm以下，目前一些主流廠家的基本材料厚度均在0.8mm左右。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鋁合金材料的電池殼體占整個(gè)動(dòng)力電池的90%以上。

鋁材焊接的難點(diǎn)在于鋁合金對(duì)激光束的高初始反射率及其本身的高導(dǎo)熱性，使得鋁合金在未熔化前對(duì)激光的吸收率低，由于鋁的電離能低，焊接過程中光致等離子體不易于擴(kuò)散，使得焊接穩(wěn)定性差。另外，焊接過程中合金元素的燒損，使鋁合金焊接接頭的力學(xué)性能下降。由于焊接過程中氣孔敏感性高,焊接時(shí)不可避免地會(huì)出現(xiàn)一些問題缺陷，其中最主要的是氣孔和熱裂紋。鋁合金的激光焊接過程中產(chǎn)生的氣孔主要有兩類：氫氣孔和匙孔破滅產(chǎn)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(yán)重，并且在激光焊接中還多了一類由于小孔的塌陷而產(chǎn)生的孔洞。

熱裂紋問題。鋁合金屬于典型的共晶型合金，焊接時(shí)容易出現(xiàn)熱裂紋，包括焊縫結(jié)晶裂紋和HAZ液化裂紋，由于焊縫區(qū)成分偏析會(huì)發(fā)生共晶偏析而出現(xiàn)晶界熔化，在應(yīng)力作用下會(huì)在晶界處形成液化裂紋，降低焊接接頭的性能。

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(wěn)定性。殼體表面凸起、氣孔、內(nèi)部氣泡，究其原因，主要是光纖芯徑過小或者激光能量設(shè)置過高所致。

針對(duì)以上出現(xiàn)的問題，尋找到合適的工藝參數(shù)才是解決問題的關(guān)鍵。

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(duì)光的反射率太高，焊接時(shí)應(yīng)選擇合適的焊接波形。當(dāng)高強(qiáng)度激光束入射到材料表面，金屬表面將會(huì)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(shí)最優(yōu)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(zhǎng)，能夠有效地減少氣孔和裂紋的產(chǎn)生。

由于鋁合金對(duì)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(zhuǎn)一定角度。焊點(diǎn)直徑和有效結(jié)合面的直徑，隨激光傾斜角的增大而增大，當(dāng)激光傾斜角度為40°時(shí)，獲得最大的焊點(diǎn)及有效結(jié)合面。焊點(diǎn)熔深和有效熔深隨激光傾斜角減小，當(dāng)激光傾斜角度大于60°時(shí)，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(dāng)增加焊縫熔深和熔寬。另外在焊接時(shí)，以焊縫為界，需將激光焊斑偏蓋板65%、殼體35%進(jìn)行焊接，這樣能有效減少因合蓋問題導(dǎo)致的炸火。

(2)連續(xù)模式焊接

連續(xù)激光器焊接由于其受熱過程不像脈沖驟冷驟熱，焊接時(shí)裂紋傾向不是很明顯，為了改善焊縫質(zhì)量，采用連續(xù)激光器焊接，焊縫表面平滑均勻，無飛濺，無缺陷，焊縫內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)裂紋。在鋁合金焊接方面，連續(xù)激光器優(yōu)勢(shì)明顯：與傳統(tǒng)焊接方式相比，生產(chǎn)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(chǎn)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(jī)械性能;焊后不會(huì)凹陷，拋光打磨量減少，節(jié)約生產(chǎn)成本，但是因?yàn)檫B續(xù)激光器光斑較小，所以對(duì)工件的裝配精度要求較高。

在動(dòng)力電池焊接過程中，焊接工藝技術(shù)人員會(huì)根據(jù)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(shù)，包括焊接速度、波形、峰值、焊頭傾斜角度等來設(shè)置合理的焊接工藝參數(shù)，以保證最終的焊接效果滿足動(dòng)力電池廠家的要求。

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(gè)長(zhǎng)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(zhǎng)方形縫隙以脈沖或者連續(xù)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(cè)焊和頂焊，其中側(cè)焊的主要好處是對(duì)電芯內(nèi)部的影響較小，飛濺物不會(huì)輕易進(jìn)入殼蓋內(nèi)側(cè)。由于焊接后可能會(huì)導(dǎo)致凸起，這對(duì)后續(xù)工藝的裝配會(huì)有些微影響，因此側(cè)焊工藝對(duì)激光器的穩(wěn)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(gè)面上，對(duì)焊接設(shè)備集成要求比較低。

目前，動(dòng)力電池立焊接方式是業(yè)內(nèi)廣為青睞的焊接方式，立焊只需一個(gè)收口節(jié)點(diǎn)，便可大大降低側(cè)焊接四個(gè)收口節(jié)點(diǎn)的側(cè)漏風(fēng)險(xiǎn)，而且有利于量產(chǎn)。武漢逸飛激光設(shè)備有限公司的“高速電池殼體激光立焊接設(shè)備”，實(shí)現(xiàn)了99.5%以上的焊接良品率和12PPM的生產(chǎn)效率。

電池PACK工藝

(1)電池PACK

電池電芯通過加裝保護(hù)電路、外殼、輸出而形成的應(yīng)用電池組的生產(chǎn)過程稱為PACK。電池PACK是實(shí)現(xiàn)電池在不同領(lǐng)域應(yīng)用的一道重要工序。隨著PACK工藝的不斷發(fā)展，連接方式也不斷改進(jìn)，從最初的錫焊到到后來的電阻焊，發(fā)展至今，激光焊接因其焊接精度、可靠性及自動(dòng)化程度高的優(yōu)勢(shì)，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(dòng)化設(shè)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(fā)展趨勢(shì)

新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并未對(duì)其所使用的動(dòng)力電池及電池模組的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)定型并標(biāo)準(zhǔn)化，出現(xiàn)了眾多規(guī)格體系不兼容的問題，當(dāng)前的工藝流程和人工操作制約了企業(yè)的生產(chǎn)節(jié)拍和效率，從而無法有效提升產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)能。所以，提升動(dòng)力電池模組組裝的自動(dòng)化水平非常必要?，F(xiàn)今，實(shí)現(xiàn)“整線設(shè)備+機(jī)器人+ 軟件控制”的智能化解決方案，既要解決用戶重點(diǎn)關(guān)注的兼容性、整線節(jié)拍和效率問題，又要解決用戶電池PACK訂單批量小、規(guī)格多的問題。

管理軟件方面。整套MES系統(tǒng)直接將產(chǎn)線打造成準(zhǔn)無人化生產(chǎn)車間，人工只需要在線外進(jìn)行物料補(bǔ)充，既提高了安全性，又減少了人為介入。焊接工序環(huán)節(jié)，只需要將激光焊接工藝數(shù)據(jù)集成在MES管理軟件系統(tǒng)中，以方便用戶直接調(diào)用、切換。從電芯到PACK成組，每一道工序的參數(shù)、數(shù)據(jù)及其他來料信息等，都可以通過MES系統(tǒng)快速查詢并及時(shí)分析處理，既要做到過程可控，又要有效保障生產(chǎn)效率，用戶還通過預(yù)留的工業(yè)通訊接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，充分體現(xiàn)智能化自動(dòng)化的制造特點(diǎn)。搭載激光解決方案的產(chǎn)品已向著高智能化、高自動(dòng)化的趨勢(shì)方向發(fā)展。

小結(jié)

雖然我國(guó)激光焊接工藝日趨成熟，但是，高質(zhì)量的動(dòng)力電池仍需生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)人員和激光焊接技術(shù)人員密切協(xié)作，從材質(zhì)、形狀、厚度、工藝、實(shí)時(shí)檢測(cè)等各方面優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能達(dá)到理想的焊接效果。武漢逸飛激光設(shè)備有限公司在動(dòng)力電池焊接領(lǐng)域有十多年的經(jīng)驗(yàn)，致力于打造高精度、高效率、高可靠性、無人化、可視化和信息化的電池電芯、模組及PACK智能自動(dòng)化制造產(chǎn)線解決方案。