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激光焊接技術在動力電池行業(yè)的應用
閱讀：528 發(fā)布時間：2021-9-27激光焊接技術在動力電池行業(yè)的應用
動力電池是典型的新型清潔能源，也是當今世界的研究熱點。動力電池即為提供動力來源的電源，多指為電動汽車、電動列車、電動自行車、高爾夫球車提供動力的蓄電池。動力電池作為主要電源蓄電池，被廣泛應用于工業(yè)、生活等方方面面。
動力電池作為新能源汽車的核心零部件，直接決定整車性能，其一般由正極材料、負極材料(碳素材料)、隔膜、電解液、電池殼等原材料構成，激光焊接是上述原材料焊接成電池電芯、PACK模組等化零為整的融合制造過程，是整個動力電池生產流程中的關鍵工藝。
（圖1：動力電池的構成及應用）
動力電池中常見的焊接方法比較
動力電池實際生產過程中涉及的封裝技術十分廣泛，如：激光焊接、電阻焊、超聲波焊、冷金屬過渡焊、釬焊、真空電子束焊接等。合理的焊接方法與優(yōu)化的工藝參數(shù)的選擇，對動力電池的生產成本、一致性、可靠性和安全性具有重大影響。
激光焊接是一種非接觸式工藝，工藝極為靈活、精確和高效，能夠滿足動力電池生產過程中的性能要求，同時具備高效精密的特點，它必將成為新能源動力技術發(fā)展的重要保障。
圖2為幾種常見焊接方法下的焊縫照片，每種焊接方法在其特定的應用領域都有一定的優(yōu)勢，但也有很多不足，如:真空電子束焊和激光焊接都屬于高能量密度焊，焊接效果相差不大，但是電子束焊對條件及設備要求較高，需要真空環(huán)境，大規(guī)模生產難度大，目前只在一些特殊的超級電容生產中有應用。
激光焊接優(yōu)勢在于焊材損耗小且無需焊料、焊縫美觀、設備性能穩(wěn)定易操作、焊接質量及自動化程度高、工藝可重復度高等，其工藝上的優(yōu)勢是其它焊接方式的。
（圖2：常見焊接方法的焊縫對比）
動力電池常見焊接部位
動力電池的電芯按其外形可分三種，分別是方形、圓柱形以及軟包電芯，其一般按電池外觀尺寸來命名，如：方形鋰離子383450型號，就是指電芯實體部分寬34mm、厚3.8mm、長50mm；圓柱型18650型號，就是指電芯直徑18mm，長65mm；軟包383450型號，就是指電芯實體部分寬34mm、厚3.8mm、長50mm。
目前，在國內外生產的電動汽車當中，這三種外形的電池都有應用，但以方形電池和圓形電池應用廣泛，不同外殼形狀的動力電池焊接工藝參數(shù)也存在一定的區(qū)別。
例如：美國特斯拉電動車就采用7000多塊松下NCR-18650-3100mah電池合成的PACK電池組，以此來滿足高續(xù)航能力；目前國內市場上多的電動汽車比亞迪王朝系列，采用的就是鋁殼方形電池合成的PACK電池組，一般方形動力電池的激光焊接工藝流程如圖3所示。
（圖3：方形動力電池激光焊接工藝流程）
動力電池的激光焊接部位主要有六個：蓋板防爆閥焊接、電芯極耳與極柱的焊接、電池殼體的焊接、密封釘（電解液注入口）的焊接、電芯極耳、電芯極耳與頂蓋的焊接；另外，超級電容的焊接以連接片和負極封口焊接為主。
動力電池激光焊接工藝研究
動力電池的殼體材料主要有鋁合金和不銹鋼，其中采用鋁合金的最多，一般為1系和3系鋁合金。
不銹鋼材料具有較好的激光焊接性能，如304不銹鋼，無論使用脈沖還是連續(xù)激光都能夠獲得較好的焊縫外觀和力學性能；鋁合金的焊接難度相對較大，生產中可能會面臨焊縫表面凸起、內部氣孔、炸火等問題。鋁合金焊縫表面凸起和內部氣孔問題可能是由于采用的光纖芯徑過小、激光能量設置過高或焊接速度過快等原因所致；引起焊縫處炸火的因素有很多，如材料的清潔度、材料本身的純度、材料自身的特性等。
實際生產中，焊接工藝人員會根據(jù)電池的材料、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置合理的焊接工藝參數(shù)，以保證最終的焊接效果，滿足動力電池廠家的要求。
1系和3系鋁合金采用脈沖焊接和連續(xù)焊接都沒有問題，其他系列鋁合金選擇連續(xù)激光焊接方式。本文將以方形動力電池為例來介紹其激光焊接工藝特點。
方形電池殼體激光焊接
方形電池外殼蓋板的焊接主要分頂焊和側焊兩種。其頂部有一個長方形蓋板，板上帶有正極引出端，將蓋板塞入外殼與上口平齊，然后用激光將蓋板與外殼之間的長方形縫隙，以重復連續(xù)激光方式焊好密封，這個焊接過程即稱為頂焊，頂焊中激光束可以不動，將電池固定在工作臺上，激光束對準焊縫后，開動工作臺使電池沿工作臺X、Y坐標依次走出與焊縫相同的長方形圖形。對于方形電池的蓋板采用頂焊密封結構工藝時，蓋板放置沒有定位臺階，而長度尺寸公差要求較嚴格，焊接裝配精度要求較高。
相對于動力電池蓋板的頂焊工藝，側焊時對上蓋尺寸公差要求寬松，且容易壓緊，有明顯優(yōu)點，但是側焊時工件需要旋轉，需要夾具，成本較高，效率較低，例如：以27148方形電池為例，頂焊結構焊接一個產品可以比側焊結構快約1.5秒，每小時產能多120個。
（圖4：采用頂焊和側焊工藝的方形電池殼體）
圖4采用頂焊和側焊工藝的方形電池殼體，對比方形動力電池的頂焊和側焊兩種方式可發(fā)現(xiàn)：側焊的優(yōu)點是對電芯內部影響較小，飛濺物很難進入殼蓋內側，缺點是焊接后可能會凸起，會影響后續(xù)工藝的裝配，所以側焊工藝對激光器的穩(wěn)定性、材料的潔凈度和頂蓋、殼體的配合間隙有較高的要求；而頂焊工藝是在一個面上焊接，四條邊可一次焊接完成，效率較高，但對前一道工序入殼定位要求很高，同時對設備的自動化要求較高。
方形電池采用頂焊時在四個拐角處容易出現(xiàn)問題，需要根據(jù)實際情況調節(jié)波形、功率及焊接速度；但是圓柱形電池激光焊接就不存在這個問題，一般將圓柱形電池固定在三爪卡盤上進行側面焊接，但是圓柱電池后期集成電池模組難度較大。
方形電池防爆閥激光焊接
防爆閥是電池封口板上的薄壁閥體，當電池內部壓力超過規(guī)定值時，防爆閥閥體破裂，避免電池爆裂。防爆閥結構巧妙，很多是電池廠家的設計，但其基本原理多為用激光焊接牢固的、一定形狀的兩個鋁質金屬片；但當內部壓力升高到一定值時，鋁片從設計的凹槽位置處破裂，為防止電池進一步膨脹造成爆炸，這道工序對激光焊接工藝要求極為嚴格，要求焊縫能夠密封，并且焊縫的破壞壓力要大于鋁片凹槽位置的破壞壓力。
圖5為采用連續(xù)和脈沖激光焊接的防爆閥焊縫照片，防爆閥可采用脈沖和連續(xù)激光器進行焊接，脈沖激光焊接主要通過焊點與焊點的重疊和覆蓋來實現(xiàn)連續(xù)密封焊接，但焊接效率相對較低，且密封性相對較差(脈沖激光器焊接防爆閥，在參數(shù)調節(jié)不當?shù)那闆r下，可能產生裂紋)；采用連續(xù)激光焊接對產品裝配精度要求更高，但可以實現(xiàn)高速高質量的焊接，焊接穩(wěn)定性、焊接效率以及良品率都能夠得到保障。例如：一個25*15mm防爆閥膜片使用300W脈沖激光器進行焊接時需要十幾秒，而1000W單模光纖激光器只需不到2s，效率大大提升。
（圖5：連續(xù)和脈沖激光焊接的防爆閥焊縫）
方形電池電芯極耳、連接片激光焊接
電池蓋板上的極柱分電池內部和電池外部連接：電池內部，電芯極耳與蓋板極柱的焊接；電池外部，電池極柱通過連接片焊接，形成串、并聯(lián)電路組成電池模組。電池的極耳即電池的正負極，一般正極采用鋁，負極采用銅。針對不同型號的電池，其鋁（銅）制極耳的尺寸大小也各不相同，在滿足達到設計的拉力大小和導電性能情況下，優(yōu)先選擇光束質量好、焊斑小的光纖激光器。
電池內部極耳、外部連接片的材料、結構、焊接方式都是類似的，所以工藝上也相似。不同的是，連接片由于在電池外部，通常要求更高的焊接強度。硬連接片：電池組PACK時，電池極柱間的連接片厚度通常在1.5～2mm，需要使用功率4000～6000W的光纖激光器焊接，使用大功率振鏡、機械手配套能的發(fā)揮生產效率：振鏡驅動下，光斑可以以極快的速度焊接（速度通常在100～300mm/s）、空跳（2000～3000mm/s），機械手運動一個位置，振鏡可以焊接4-8個極柱，效率大大高于同樣功率的激光器與XYZ平臺、焊接頭配套。
方形電池密封釘激光焊接
密封釘（注液孔蓋帽）形式也較多，其形狀通常為一個直徑8mm、厚度0.8mm左右的圓形蓋帽，用脈沖激光器即可較好地焊接，但需要注意的是，由于一些蓋帽是冷加工成型，冷作硬化和殘余應力易導致焊縫產生裂紋，焊前對蓋帽進行熱處理可改善此問題。
方形動力電池的密封釘通常采用鉚壓或激光焊接方式焊接，通常采用YAG脈沖激光器焊接。以一臺300W的LP-YAG脈沖激光器焊接直徑8mm左右的密封釘，生產效率可達6PPM。
為了進一步提高產能，需加快焊接速度，即使用光纖激光器連續(xù)焊接。但是光纖激光器連續(xù)焊接，對產品的清潔度要求更高，殘留的電解液及其結晶更易造成焊接飛濺形成小孔，所以激光清洗，也是該工藝的一道重要工序。
不管是哪種動力電池，都需要根據(jù)實際的情況來解決工藝上的問題，激光焊接憑借其優(yōu)點已獲得越來越多的應用。