動力鋰電池製造中雷射有哪些應用[朗讀]

自1990年問世以來，鋰電池因其能量密度高、電壓高、環保、壽命長以及可快速充電等優點，深受3c數碼、動力工具等行業的青睞，其對新能源汽車行業的貢獻尤為突出。作為提供新能源汽車動力來源的鋰電池產業，市場潛力巨大，是國家戰略發展的重要一環，預計未來5-10年，產業規模有望突破1600億元。
動力電池作為新能源汽車的核心部件，其品質直接決定了整車性能。鋰電池製造設備一般為前端設備、中端設備、後端設備三種，其設備精度和自動化水平將會直接影響產品的生產效率和一致性。而雷射加工技術作為一種替代傳統焊接技術已廣泛應用於鋰電製造設備之中。
本文通過雷射在動力電池行業中的應用情況，闡述了雷射焊接的工藝特點，分析了鋁合金雷射焊接難點以及焊接模式對焊接質量的影響，列舉了方形動力電池及電池pack工藝特點及設備發展趨勢。
雷射焊接工藝。
從鋰電池電芯的製造到電池pack成組，焊接都是一道很重要的製造工序，鋰電池的導電性、強度、氣密性、金屬疲勞和耐腐蝕性，是典型的電池焊接質量評價標準。
焊接方法和焊接工藝的選用，將直接影響電池的成本、質量、安全以及電池的一致性。在眾多焊接方式中，雷射焊接以如下優勢脫穎而出：首先，雷射焊接能量密度高、焊接變形小、熱影響區小，可以有效地提高製件精度，焊縫光滑無雜質、均勻緻密、無需附加的打磨工作；其次，雷射焊接可精確控制，聚焦光點小，高精度定位，配合機械手臂易於實現自動化，提高焊接效率，減少工時，降低成本；另外，雷射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。
電池的結構通常包含多種材料，如鋼、鋁、銅、鎳等，這些金屬可能被製成電極、導線，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，均對焊接工藝提出了較高要求。雷射焊接的工藝優勢就在於可以焊接的材質種類廣泛，能夠實現不同材料之間的焊接。
工藝難點。
動力電池電芯的製造由於遵循「輕便」原則，通常會採用較「輕」的鋁材質，而且還要做得更「薄」，一般殼、蓋、底的厚度基本都要求達到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。據統計，鋁合金材料的電池殼體占整個動力電池的90%以上。
鋁材焊接的難點在於鋁合金對雷射束的高初始反射率及其本身的高導熱性，使得鋁合金在未熔化前對雷射的吸收率低，由於鋁的電離能低，焊接過程中光致等離子體不易於擴散，使得焊接穩定性差。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性能下降。由於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。鋁合金的雷射焊接過程中產生的氣孔主要有兩類：氫氣孔和匙孔破滅產生的氣孔。由於雷射焊接的冷卻速度太快，氫氣孔問題更加嚴重，並且在雷射焊接中還多了一類由於小孔的塌陷而產生的孔洞。
熱裂紋問題。鋁合金屬於典型的共晶型合金，焊接時容易出現熱裂紋，包括焊縫結晶裂紋和haz液化裂紋，由於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。
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雷射器的穩定性。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雷射能量設置過高所致。
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。
焊接模式分析。
（1）脈衝模式焊接。
脈衝雷射器常用的脈衝波形有方波、尖峰波、雙峰波等幾種，由於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。當高強度雷射束入射到材料表面，金屬表面將會有60%~98%的雷射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，這兩種焊接波形後面緩降部分脈寬較長，能夠有效地減少氣孔和裂紋的產生。
由於鋁合金對雷射的反射率較高，為了防止雷射束垂直入射造成垂直反射而損害雷射聚焦鏡，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，隨雷射傾斜角的增大而增大，當雷射傾斜角度為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雷射傾斜角減小，當雷射傾斜角度大於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，需將雷射焊斑偏蓋板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。
連續雷射器焊接由於其受熱過程不像脈衝驟冷驟熱，焊接時裂紋傾向不是很明顯，為了改善焊縫質量，採用連續雷射器焊接，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，連續雷射器優勢明顯：與傳統焊接方式相比，生產效率高，且無需填絲；與脈衝雷射焊相比，可以解決其在焊後產生的缺陷，如裂紋、氣孔、飛濺等，保證鋁合金在焊後有良好的機械性能；焊後不會凹陷，拋光打磨量減少，節約生產成本，但是因為連續雷射器光斑較小，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雷射器和焊接工藝參數，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。
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，然後用雷射將蓋板與外殼之間的長方形縫隙以脈衝或者連續雷射焊接的方式，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。由於焊接後可能會導致凸起，這對後續工藝的裝配會有些微影響，因此側焊工藝對雷射器的穩定性、材料的潔凈度等要求極高。而頂焊工藝由於焊接在一個面上，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，而且有利於量產。武漢逸飛雷射設備有限公司的「高速電池殼體雷射立焊接設備」，實現了99.5%以上的焊接良品率和12ppm的生產效率。
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，從最初的錫焊到到後來的電阻焊，發展至今，雷射焊接因其焊接精度、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，而搭載著雷射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成組的高端製造裝備。
（2）智能裝備發展趨勢。
新能源汽車產業的發展，並未對其所使用的動力電池及電池模組的規格標準定型並標準化，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。現今，實現「整線設備+機器人+軟體控制」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。
管理軟體方面。整套mes系統直接將產線打造成准無人化生產車間，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，只需要將雷射焊接工藝數據集成在mes管理軟體系統中，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系統快速查詢並及時分析處理，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製造特點。搭載雷射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。
小結。
雖然我國雷射焊接工藝日趨成熟，但是，高質量的動力電池仍需生產廠家設計人員和雷射焊接技術人員密切協作，從材質、形狀、厚度、工藝、實時檢測等各方面優化設計，才能達到理想的焊接效果。武漢逸飛雷射設備有限公司在動力電池焊接領域有十多年的經驗，致力於打造高精度、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智能自動化製造產線解決方案。