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激光焊接在動力電池及超級電容行業中的應用

發布時間:2018年06月01日 作者:原創作者:李毅 牛增強 瀏覽次數: 144

為緩解越來越嚴重的能源危機和大氣環境污染問題,我國與美日德等發達國家一樣,正在重點推動新能源汽車產業鏈發展,并作為國家戰略優先發展的行業。國家《新能源汽車科技發展“十二五”專項規劃》已把電動汽車作為中國汽車未來發展的主要方向之一;2015年中國新能源汽車保有量計劃達到100萬輛,動力電池產能約達100億瓦時;到2020年,新能源汽車的年銷售達到200萬臺。

新能源汽車的電池可靠性、成本高、產能缺乏等問題是一個世界型的難題,現有電池技術的可靠性、穩定性不足,產品的循環壽命不長等因素長期以來一直影響著新能源汽車的發展。近年來,各主要汽車廠商在新能源汽車方面投入了巨大的研發費用,也取得了很大的進展。可以預見,未來十年,將是新能源汽車爆發式增長的十年。

深圳市聯贏激光股份有限公司密切配合各電池生產廠家,共同研發汽車動力電池的激光焊接技術,取得了很大的進展。到目前為止,已經為國內上百家動力電池生產廠家設計制作了全自動或半自動的激光焊接生產線,取得了非常豐富的實踐經驗。

一、動力電池激光焊接的主要部位

動力電池的電芯按其外型可分三種,分別是方型、圓柱型以及軟包電芯(見圖1)。殼體的材料主要有鋁材和不銹鋼,但以鋁材為主,其中以1000系和3000系較多。


1 常見動力電池外形

目前,在國內生產的電動汽車當中,這三種電池都有應用:例如比亞迪E6和K9電動車使用的是方型電池;杭州萬向為電芯供應商的一些電動車廠家使用其軟包電池;上汽系某些電動車車型則使用美國A123公司的圓型電池。這三種電池的自動化激光焊接系統及工藝也各不相同;整體而言,以方形電池居多。

各種電池的激光焊接部位主要有四種:殼體的封裝,根據位置的不同分為頂蓋、底蓋和側面的焊接、頂蓋防爆片及安全蓋的焊接、密封釘(也叫注液口)的焊接、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。各種動力電池及超級電容的焊接部位如圖2所示。

2 各種電池的激光焊接焊接部位

二、動力電池焊接的工藝難點

一般殼體厚度都要求達到1.0毫米以下,主流廠家目前根據電池容量不同殼體材料厚度以0.6mm和0.8mm兩種為主。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。由于焊接后可能會導致凸起,這對后續工藝的裝配會有些微影響,因此側焊工藝對激光器的穩定性、材料的潔凈度和頂蓋與殼體的配合間隙有較高的要求。而頂焊工藝由于焊接在一個面上,可采用更高效的振鏡掃描焊接方式,但對前道工序入殼及定位要求很高,對設備的自動化要求高。

目前鋁殼電池占整個動力電池的90%以上。鋁材的激光焊接難度較大,會面臨焊痕表面凸起問題、氣孔問題、炸火問題、內部氣泡問題等。表面凸起、氣孔、內部氣泡是激光焊接的致命傷,很多應用由于這些原因不得不停止或者想辦法規避。很多電池廠家在研發初期都會為此大傷腦筋,究其原因,主要是采用的光纖芯徑過小或者激光能量設置過高所致。引起炸火(也稱飛濺,Splash)的因素也很多,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定性。在動力電池焊接當中,焊接工藝技術人員會根據客戶的電池材料、形狀、厚度、拉力要求等選擇合適的激光器和焊接工藝參數,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。

方形電池由于來料的配合精度等方面的因素影響,焊接時拐角處最容易出現問題,需要在根據實際情況不斷探索,調整焊接速度可以解決這類問題。圓形電池沒有這方面的問題,但后續集成成電池模組的難度較大。

三、動力電池的激光自動化焊接系統簡介

3是一條方形動力電池全自動激光焊接線,含兩條由焊接、泄漏檢測、短路檢測及編碼打標為主要功能的產線,產能16PPM,焊接強度6kgf/c㎡以上不泄漏。

本系統可依次完成電池的激光焊接,氣密性測試,短路測試,電池打標,不合格品自動剔除等相關工序。

激光焊接部份由激光器,激光焊接頭,XYZ三軸運動控制軸,旋轉機構,電池夾具(壓緊及較正夾具),上下料機械手等構成,其主要作用是:將電池從流水線上夾持到焊接工作臺進行焊接作業,并焊接完成后放回流水線上。

氣密性及短路測試部份由氣密性測試組件,短路測試組件,內部流水線輸送系統,檢測上料機械手,檢測下料機械手等構成,其主要作用是:將流水線上焊接完成后的電池夾持到內部流水線輸送系統上,依次對其進行定位,氣密性,短路相關測試,并在檢測完成后將良品抓回回到主流水線上,不良品抓除到廢料盒中。測漏部分采極與蓋板三方測試功能。

打標部份由激光打標機,抓取定位機構等構成,其主要作用是對焊接后產品進行打標。可在金屬產品(含鋁材)一用正壓檢測,短路測試具有正負極之間、正極與蓋板、負側正上部分高速的標記出12位數字加字母碼(其中三位字母碼,9位數字碼),加8*8的二維碼。

流水線部份由流水線倍速鏈,夾具托盤,定位氣缸,擋隔分料氣缸等構成,其主要作用是帶動電池到相應的位置,方便焊接與檢測,并具有一定的儲料功能。

3  方形動力電池全自動激光焊接線

4是一種方形電池頂蓋的半自動生產線,焊接工作臺部分采用工業PLC控制,可焊接電池范圍為H:130-300mm、W:110-250mm、T:20--50mm,焊接圖形軌跡為平面矩形,焊接過程自動化。

該系統可配合環形輸送線用于電池頂蓋與殼體自動激光密封焊接,其中頂蓋和殼體材料為不銹鋼或鋁合金。焊接參數可以通過操作界面進行設定,焊接完后確保焊縫無滲漏,焊接完后符合耐壓測試要求,不會對電池周圍部件形成破壞或者損傷,且具備自動和手動兩種功能。

4   方形動力電池頂蓋自動激光焊接線

四、總結

通過高效精密的激光焊接可以大大提高汽車動力電池的安全性、可靠性和使用壽命,必將為今后的汽車動力技術帶來革命化進步。動力電池的激光焊接部位多,有耐壓和漏液測試要求,材料多數為鋁材,因此焊接難度大,對焊接工藝的要求更高。今后,大多數廠家需要全自動生產線,將進一步增加焊接系統的集成難度。高質量的動力電池需要生產廠家的設計人員和激光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。