激光焊接技術(shù)在動(dòng)力電池行業(yè)的應(yīng)用

       動(dòng)力電池是典型的新型清潔能源，也是當(dāng)今世界的研究熱點(diǎn)。動(dòng)力電池即為提供動(dòng)力來(lái)源的電源，多指為電動(dòng)汽車、電動(dòng)列車、電動(dòng)自行車、高爾夫球車提供動(dòng)力的蓄電池。動(dòng)力電池作為主要電源蓄電池，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、生活等方方面面。

      動(dòng)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(fù)極材料(碳素材料)、隔膜、電解液、電池殼等原材料構(gòu)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(guò)程，是整個(gè)動(dòng)力電池生產(chǎn)流程中的關(guān)鍵工藝。

（圖1：動(dòng)力電池的構(gòu)成及應(yīng)用）

動(dòng)力電池中常見(jiàn)的焊接方法比較

       動(dòng)力電池實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中涉及的封裝技術(shù)十分廣泛，如：激光焊接、電阻焊、超聲波焊、冷金屬過(guò)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(duì)動(dòng)力電池的生產(chǎn)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(dòng)力電池生產(chǎn)過(guò)程中的性能要求，同時(shí)具備高效精密的特點(diǎn)，它必將成為新能源動(dòng)力技術(shù)發(fā)展的重要保障。

       圖2為幾種常見(jiàn)焊接方法下的焊縫照片，每種焊接方法在其特定的應(yīng)用領(lǐng)域都有一定的優(yōu)勢(shì)，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(duì)條件及設(shè)備要求較高，需要真空環(huán)境，大規(guī)模生產(chǎn)難度大，目前只在一些特殊的超級(jí)電容生產(chǎn)中有應(yīng)用。 

      激光焊接優(yōu)勢(shì)在于焊材損耗小且無(wú)需焊料、焊縫美觀、設(shè)備性能穩(wěn)定易操作、焊接質(zhì)量及自動(dòng)化程度高、工藝可重復(fù)度高等，其工藝上的優(yōu)勢(shì)是其它焊接方式的。

（圖2：常見(jiàn)焊接方法的焊縫對(duì)比）

動(dòng)力電池常見(jiàn)焊接部位

       動(dòng)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(lái)命名，如：方形鋰離子383450型號(hào)，就是指電芯實(shí)體部分寬34mm、厚3.8mm、長(zhǎng)50mm；圓柱型18650型號(hào)，就是指電芯直徑18mm，長(zhǎng)65mm；軟包383450型號(hào)，就是指電芯實(shí)體部分寬34mm、厚3.8mm、長(zhǎng)50mm。

       目前，在國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的電動(dòng)汽車當(dāng)中，這三種外形的電池都有應(yīng)用，但以方形電池和圓形電池應(yīng)用廣泛，不同外殼形狀的動(dòng)力電池焊接工藝參數(shù)也存在一定的區(qū)別。

       例如：美國(guó)特斯拉電動(dòng)車就采用7000多塊松下NCR-18650-3100mah電池合成的PACK電池組，以此來(lái)滿足高續(xù)航能力；目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上多的電動(dòng)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(dòng)力電池的激光焊接工藝流程如圖3所示。

（圖3：方形動(dòng)力電池激光焊接工藝流程）

       動(dòng)力電池的激光焊接部位主要有六個(gè)：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(jí)電容的焊接以連接片和負(fù)極封口焊接為主。

動(dòng)力電池激光焊接工藝研究

       動(dòng)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(wú)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(xué)性能；鋁合金的焊接難度相對(duì)較大，生產(chǎn)中可能會(huì)面臨焊縫表面凸起、內(nèi)部氣孔、炸火等問(wèn)題。鋁合金焊縫表面凸起和內(nèi)部氣孔問(wèn)題可能是由于采用的光纖芯徑過(guò)小、激光能量設(shè)置過(guò)高或焊接速度過(guò)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(shí)際生產(chǎn)中，焊接工藝人員會(huì)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(lái)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。

      1系和3系鋁合金采用脈沖焊接和連續(xù)焊接都沒(méi)有問(wèn)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(dòng)力電池為例來(lái)介紹其激光焊接工藝特點(diǎn)。

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(cè)焊兩種。其頂部有一個(gè)長(zhǎng)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(zhǎng)方形縫隙，以重復(fù)連續(xù)激光方式焊好密封，這個(gè)焊接過(guò)程即稱為頂焊，頂焊中激光束可以不動(dòng)，將電池固定在工作臺(tái)上，激光束對(duì)準(zhǔn)焊縫后，開(kāi)動(dòng)工作臺(tái)使電池沿工作臺(tái)X、Y坐標(biāo)依次走出與焊縫相同的長(zhǎng)方形圖形。對(duì)于方形電池的蓋板采用頂焊密封結(jié)構(gòu)工藝時(shí)，蓋板放置沒(méi)有定位臺(tái)階，而長(zhǎng)度尺寸公差要求較嚴(yán)格，焊接裝配精度要求較高。

      相對(duì)于動(dòng)力電池蓋板的頂焊工藝，側(cè)焊時(shí)對(duì)上蓋尺寸公差要求寬松，且容易壓緊，有明顯優(yōu)點(diǎn)，但是側(cè)焊時(shí)工件需要旋轉(zhuǎn)，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(jié)構(gòu)焊接一個(gè)產(chǎn)品可以比側(cè)焊結(jié)構(gòu)快約1.5秒，每小時(shí)產(chǎn)能多120個(gè)。

（圖4：采用頂焊和側(cè)焊工藝的方形電池殼體）

       圖4采用頂焊和側(cè)焊工藝的方形電池殼體，對(duì)比方形動(dòng)力電池的頂焊和側(cè)焊兩種方式可發(fā)現(xiàn)：側(cè)焊的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)電芯內(nèi)部影響較小，飛濺物很難進(jìn)入殼蓋內(nèi)側(cè)，缺點(diǎn)是焊接后可能會(huì)凸起，會(huì)影響后續(xù)工藝的裝配，所以側(cè)焊工藝對(duì)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(gè)面上焊接，四條邊可一次焊接完成，效率較高，但對(duì)前一道工序入殼定位要求很高，同時(shí)對(duì)設(shè)備的自動(dòng)化要求較高。

      方形電池采用頂焊時(shí)在四個(gè)拐角處容易出現(xiàn)問(wèn)題，需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)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(gè)問(wèn)題，一般將圓柱形電池固定在三爪卡盤(pán)上進(jìn)行側(cè)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(dāng)電池內(nèi)部壓力超過(guò)規(guī)定值時(shí)，防爆閥閥體破裂，避免電池爆裂。防爆閥結(jié)構(gòu)巧妙，很多是電池廠家的設(shè)計(jì)，但其基本原理多為用激光焊接牢固的、一定形狀的兩個(gè)鋁質(zhì)金屬片；但當(dāng)內(nèi)部壓力升高到一定值時(shí)，鋁片從設(shè)計(jì)的凹槽位置處破裂，為防止電池進(jìn)一步膨脹造成爆炸，這道工序?qū)す夂附庸に囈髽O為嚴(yán)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(jìn)行焊接，脈沖激光焊接主要通過(guò)焊點(diǎn)與焊點(diǎn)的重疊和覆蓋來(lái)實(shí)現(xiàn)連續(xù)密封焊接，但焊接效率相對(duì)較低，且密封性相對(duì)較差(脈沖激光器焊接防爆閥，在參數(shù)調(diào)節(jié)不當(dāng)?shù)那闆r下，可能產(chǎn)生裂紋)；采用連續(xù)激光焊接對(duì)產(chǎn)品裝配精度要求更高，但可以實(shí)現(xiàn)高速高質(zhì)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(gè)25*15mm防爆閥膜片使用300W脈沖激光器進(jìn)行焊接時(shí)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(nèi)部和電池外部連接：電池內(nèi)部，電芯極耳與蓋板極柱的焊接；電池外部，電池極柱通過(guò)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(fù)極，一般正極采用鋁，負(fù)極采用銅。針對(duì)不同型號(hào)的電池，其鋁（銅）制極耳的尺寸大小也各不相同，在滿足達(dá)到設(shè)計(jì)的拉力大小和導(dǎo)電性能情況下，優(yōu)先選擇光束質(zhì)量好、焊斑小的光纖激光器。

      電池內(nèi)部極耳、外部連接片的材料、結(jié)構(gòu)、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(qiáng)度。硬連接片：電池組PACK時(shí)，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(jī)械手配套能的發(fā)揮生產(chǎn)效率：振鏡驅(qū)動(dòng)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(jī)械手運(yùn)動(dòng)一個(gè)位置，振鏡可以焊接4-8個(gè)極柱，效率大大高于同樣功率的激光器與XYZ平臺(tái)、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(gè)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(yīng)力易導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生裂紋，焊前對(duì)蓋帽進(jìn)行熱處理可改善此問(wèn)題。

      方形動(dòng)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(tái)300W的LP-YAG脈沖激光器焊接直徑8mm左右的密封釘，生產(chǎn)效率可達(dá)6PPM。

      為了進(jìn)一步提高產(chǎn)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(duì)產(chǎn)品的清潔度要求更高，殘留的電解液及其結(jié)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(dòng)力電池，都需要根據(jù)實(shí)際的情況來(lái)解決工藝上的問(wèn)題，激光焊接憑借其優(yōu)點(diǎn)已獲得越來(lái)越多的應(yīng)用。