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1、应用天地 Applications Laser Focus World China 激光世界 16 Sep Oct 2016 动 力电池是典型的新型清洁能源 也是当今世界的研 究热点 动力电池即为工具提供动力来源的电源 多指为电动汽车 电动列车 电动自行车 高尔夫球车提 供动力的蓄电池 动力电池作为主要电源蓄电池广泛应用 于工业 生活等方方面面 动力电池作为新能源汽车的核心零部件 直接决定整 车性能 其一般由正极材料 负极材料 碳素材料 隔膜 电解液 电池壳等原材料构成 见图 1 激光焊接是上 述原材料焊接成电池电芯 PACK 模组等化零为整的融合 制造过程 是整个动力电池生产流程中的关键工艺
2、 动力电池中常见的焊接方法比较 动力电池实际生产过程中涉及的封装技术十分广泛 如激光焊接 电阻焊 超声波焊 冷金属过度焊 钎焊 真空电子束焊接等 合理的焊接方法与优化的工艺参数选 择 对动力电池的生产成本 一致性 可靠性和安全性具 有重大影响 激 光 焊 接 是 一种非接触式工 艺 极为灵活 精 确和高效 能够 满足动力电池生 产过程中的性能 要求 同时具备 高效精密的特点 为新能源动力技 术的发展提供了 重要保障 图 2 为 几 种 常见的焊接方法 实现的焊缝效果 激光焊接技术在动力电池行业中的应用 激光焊接 文 大族激光科技产业集团股份有限公司 精密焊接事业部 每种焊接方法在其特定的应用领
3、域都有一定的优势 但也 有很多不足 如 真空电子束焊的焊接效果和激光焊接都 属于高能量密度焊 焊接效果相差不大 但是电子束焊对 条件及设备要求较高 需要真空环境 大规模生产难度大 图1 动力电池的构成及应用 图2 常见焊接方法的焊缝对比 超声波焊 电阻焊 a b 钎焊 冷金属过渡焊 c d 真空电子束焊 e 连续激光焊接 f 图3 常见动力电池外形及尺寸 a 方形 b 圆柱形 c 软包 a b c 应用天地 Applications 激光世界 Laser Focus World China 17 Sep Oct 2016 目前只在一些特殊的超级电容生产中有应用 激光焊接的 优势在于焊材损耗小且
4、无需焊料 焊缝美观 设备性能稳 定易操作 焊接质量及自动化程度高 工艺可重复度高等 其工艺上的优势是其他焊接方式无法比拟的 动力电池常见焊接部位 动力电池的电芯按其外形可分三种 如图 3 所示 分 别是方形 圆柱形以及软包电芯 其命名方法一般按电 池外观尺寸来命名 如 方形锂离 子 383450 型号 就是指电芯实体部 分 宽 34mm 厚 3 8mm 长 50mm 圆柱型 18650 型号 就是指电芯直径 18mm 长 65mm 软包 383450 型号 就是指电芯实体部分宽 34mm 厚 3 8mm 长 50mm 目前 在国内外生产的电动汽车 当中 这三种外形的电池都有应用 但以方形电池和
5、圆形电池应用最为广泛 不同外壳形状的动力电池 焊接工艺参数也存在一定 区别 例如 美国特斯拉电动车就采用由 7000 多块松下 NCR 18650 3100mah 电池合成的 PACK 电池组 以此来满 足高续航能力 目前国内市场上销售最多的电动汽车比亚 迪王朝系列 采用的就是铝壳方形电池合成的 PACK 电池 组 一般方形动力电池的激光焊接工艺流程如图 4 所示 动力电池的激光焊接部位主要有六个 盖板防爆阀焊 接 电芯极耳与极柱的焊接 电池壳体的焊接 密封钉 电 解液注入口 的焊接 电芯极耳 电芯极耳与顶盖的焊接 另外 超级电容的焊接以连接片和负极封口焊接为主 各 种动力电池及超级电容的焊接
6、部位如图 5 所示 动力电池激光焊接工艺研究 动力电池的壳体材料主要有铝合金和不锈钢 其中采 用铝合金的最多 一般为 1 系和 3 系铝合金 不锈钢具有较好的激光焊接性能 如 304 不锈钢 无 论使用脉冲激光还是连续激光 都能够获得较好的焊缝外 观和力学性能 铝合金的焊接难度相对较大 生产中可能 会面临焊缝表面凸起 内部气孔 炸火等问题 铝合金焊 缝表面凸起和内部气孔问题 可能是由于采用的光纤芯径 过小 激光能量设置过高或焊接速度过快等原因所致 引 起焊缝处炸火的因素有很多 如材料的清洁度 材料本身 的纯度 材料自身的特性等 实际生产中 焊接工艺人员会根据电池的材料 形状 厚度 拉力等要求
7、来选择合适的激光器和焊接工艺参数 包括焊接速度 波形 峰值 焊头倾斜角度等 以保证最 终的焊接效果满足动力电池厂家的要求 1 系和 3 系铝合 金可以采用脉冲激光焊接和连续激光焊接 其他系列的铝 合金最优选择连续激光焊接 下面将以方形动力电池为例 介绍其激光焊接工艺特 点 1 方形电池壳体激光焊接 图 6 为方形电池的常见结构示意 图 其外壳盖板的焊接主要分为顶焊 和侧焊两种 其顶部有一个长方形盖 板 板上带有正极引出端 将盖板塞 入外壳与上口平齐 然后用激光将盖 板与外壳之间的长方形缝隙 以重复 连续激光的方式焊好密封 这个焊接 图6 方形电池结构示意图 图4 方形动力电池激光焊接工艺流程
8、图5 各种电池的激光焊接焊接部位 应用天地 Applications Laser Focus World China 激光世界 18 Sep Oct 2016 过程即称为顶焊 顶焊中激光束可以不动 将电池固定在工作台上 激 光束对准焊缝后 开动工作台使电池沿工作台的 x y 坐 标依次走出与焊缝相同的长方形图形 对于方形电池的盖 板采用顶焊密封结构工艺时 盖板放置没有定位台阶 而 长度尺寸公差的要求也较为严格 焊接装配精度要求较 高 相比于动力电池盖板的顶焊工艺 侧焊时对上盖尺寸 公差要求宽松 且容易压紧 有明显优点 但是侧焊时工 件需要旋转 需要夹具 成本较高 效率较低 例如 以 27148
9、 方形电池为例 顶焊结构焊接一个产品可以比侧焊 结构快约 1 5 秒 每小时产能多 120 个 图 7 为采用顶焊和侧焊工艺的方形电池壳体 对比顶 焊和侧焊这两种方式可发现 侧焊的优点是对电芯内部的 影响较小 飞溅物很难进入壳盖内侧 缺点是焊接后可能 会凸起 这会影响后续工艺的装配 所以侧焊工艺对激光 器的稳定性 材料的洁净度和顶盖与壳体的配合间隙有较 高的要求 而顶焊工艺是在一个面上焊接 四条边可一次 焊接完成 效率较高 但对前一道工序入壳定位要求很高 同时也对设备的自动化要求较高 方形电池采用顶焊时 在四个拐角处容易出现问题 需要根据实际情况进行调节波形 功率及焊接速度 但是 圆柱形电池激
10、光焊接就不存在这个问题 一般将圆柱形电 池固定在三爪卡盘上进行侧面焊接 但是圆柱电池后期集成电池模组难 度较大 2 方形电池防爆阀的激光焊接 防爆阀是电池封口板上的薄壁 阀体 当电池内部压力超过规定值 时 防爆阀阀体破裂 避免电池爆裂 图 8 为常见的两种防爆阀形貌 防爆 阀结构巧妙 很多是电池厂家的专利 设计 但其基本原理多为用激光焊接 牢固的 一定形状的两个铝质金属 片 当电池内部压力升高到一定值时 铝片从设计的凹槽 位置处破裂 防止电池进一步膨胀造成爆炸 因而这道工 序对激光焊接工艺要求极为严格 要求焊缝密封 并且焊 缝的破坏压力要大于铝片凹槽位置的破坏压力 图 9 为采用连续激光和脉冲
11、激光焊接的防爆阀焊缝 防爆阀可采用脉冲激光和连续激光焊接 脉冲激光焊接主 要通过焊点与焊点的重叠和覆盖 来实现连续密封焊接 焊接效率相对较低 且密封性相对较差 脉冲激光焊接防 爆阀 在参数调节不当的情况下 可能产生裂纹 采用 连续激光焊接对产品装配精度要求高 但是可以实现高 速 高质量焊接 焊接稳定性 焊接效率以及良品率都能 得到保障 例如 一个 25mm 15mm 的防爆阀膜片 使用 300W 脉冲激光器进行焊接需要十几秒 而使用 1000W 单 模光纤激光器焊接则只需不到 2 秒的时间 效率大大提升 3 方形电池电芯极耳 连接片的激光焊接 图7 采用顶焊和侧焊工艺的方形电池壳体 顶焊 侧焊
12、 b a 图8 电池防爆阀常见形状 a b 防爆阀常见两种形状 图9 连续激光和脉冲激光焊接的防爆阀焊缝 a b 连续焊接 脉冲焊接 图10 振镜焊接电芯极耳 极柱 正极焊接 铜 铜 极 耳 焊 接 铝 铝 极 耳 焊 接 负极焊接 应用天地 Applications 激光世界 Laser Focus World China 19 Sep Oct 2016 电池盖板上的极柱 分为电池内部和电池外部连接 电池内部连接 是电芯极耳与盖板极柱的焊接 电池外部 连接 是电池极柱通过连接片焊接 形成串联 并联电路 组成电池模组 大功率振 镜通常搭 配机械手 极柱焊接 图11 电池极柱与连接片的焊接 电池
13、的极耳即电池的正负极 一 般正极采用铝 负极采用铜 针对不 同型号的电池 其极耳的尺寸大小各 不相同 焊接时 再满足达到设计要 求的拉力和导电性能的情况下 优先 选择光束质量好 焊斑小的光纤激光 器 图 10 为采用光纤激光器焊接所 实现的电池极耳铝 铝焊接 铜 铜 焊接的形貌 电池内部极耳 外部连接片的材 料 结构 焊接方式都是类似的 所 以工艺上也相似 不同的是 连接片 由于在电池外部 通常要求更高的焊 接强度 在将电池连接成电池组 PACK 时 电池极柱间的连 接片厚度通常为 1 5 2mm 需要使用功率为 4 6kW 的光纤激光器焊接 同时使用大功率振镜 机械手配套 下转第24页 Vi
14、sit us at CIOE Shenzhen 6 9 September 16 Booth 1 Hall 1A13 6 应用天地 Applications Laser Focus World China 激光世界 24 Sep Oct 2016 图8 不良剥除断面测试时的发热现象 图9 20 400光纤PCS 100剥除断面 覆层剥除断面 在低功率测试时的发热情况 经过反复试验发现 不良的涂覆层剥除 是高功率光 纤激光器中局部发热甚至烧毁光路的一个重要原因 而采 用 PCS 100 进行剥除的光纤断面 具有非常齐整平滑的 切口 见图 9 并且涂覆层不会与光纤产生分离上翘现象 有效地克服了高功
15、率光纤激光器的局部发热问题 大大提 高了产品的稳定性 总结 光纤光学已经广泛应用于诸多环境恶劣的工业领域 世界范围内对石油 天然气等资源开发的增长 成为光纤 在这些恶劣环境中使用的动力 尤其是对聚酰亚胺涂覆层 光纤的特殊要求 随着这个趋势的发展 需要一种具有可 重复的精确剥除聚酰亚胺的方法 用来实现与各种不同的 温度传感器或压力传感器进行装配 PCS 100 可以实现高重复性 高品质 高抗拉强度的 聚酰亚胺光纤的剥除 另外 这个设备还可用于许多丙烯 酸酯光纤涂覆层的剥除 用于得到平坦光滑的涂覆层边沿 从而再涂覆 PCS 100 已经成为一款在许多应用领域中通 用的光纤处理工具 孔洞 密封钉激
16、光清洗 密封钉激光清洗后表面效果 密封钉 未激光 清洗 直接激 光焊接 密封钉 激光清 洗后激 光焊接 图12 密封钉连续激光焊接 能最大的发挥生产效率 在振镜驱动下 光斑能以极快的 速度焊接 通常为 100 300mm s 空跳 2 3m s 机械手运动一个位置 振镜可以焊接 4 8 个极柱 效率 大大高于同样功率的激光器与 xyz 平台 焊接头配置 如 图 11 所示 4 方形电池密封钉的激光焊接 密封钉 注液孔盖帽 的形式也较多 其形状通常为 一个直径 8mm 厚度约 0 8mm 的圆形盖帽 用脉冲激光 器即可较好的焊接 但需要注意的是 由于一些盖帽是冷 加工成型 冷作硬化和残余应力易导致焊缝产生裂纹 焊 前对盖帽进行热处理 可以改善这一问题 方形动力电池的密封钉通常采用铆压或激光焊接 通 常采用 YAG 脉冲激光器焊接 用一台 300W 的 LP YAG 脉冲激光器焊接直径约 8mm 的密封钉 生产效率可达 6PPM 为了进一步提高产能 需加快焊接速度 即使用 光纤激光器连续焊接 但是光纤激光器连续焊接 对产品 的清洁度要求更高 残留的电解液及其结晶更易造成焊接 飞溅 形成小孔
