文/逸飛激光，楊毛三

1引言

眾所周知，動力電池作為新能源汽車的核心部件，其品質(zhì)直接決定了整車性能。2015年我國新能源汽車產(chǎn)量達(dá)37.9萬輛，爆發(fā)式的增長促使鋰電生產(chǎn)商迎來擴(kuò)產(chǎn)高峰，從而拉動了鋰電設(shè)備需求的大爆發(fā)，據(jù)行業(yè)預(yù)估2016年設(shè)備市場規(guī)模可達(dá)120億元。鋰電池制造設(shè)備一般為前端設(shè)備、中端設(shè)備、后端設(shè)備三種，其設(shè)備精度和自動化水平將會直接影響產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和一致性。而激光加工技術(shù)作為一種替代傳統(tǒng)焊接技術(shù)已廣泛應(yīng)用于鋰電制造設(shè)備之中。
 

近十年來，武漢逸飛激光設(shè)備有限公司基于對電池制造全工序的深度理解并結(jié)合激光加工技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，深入研究和分析方形、圓柱、軟包、18650等不同類型電池的電芯及模組PACK對焊接工藝的要求，開發(fā)出工作臺，工作站、工作線三大類幾十款應(yīng)用產(chǎn)品，大幅提升了電池焊接工藝水平及生產(chǎn)效率。

應(yīng)《激光制造商情》邀約，本文通過激光在動力電池行業(yè)中的應(yīng)用情況，闡述了激光焊接的工藝特點(diǎn)，分析了鋁合金激光焊接難點(diǎn)以及焊接模式對焊接質(zhì)量的影響，列舉了方形動力電池及電池PACK工藝特點(diǎn)及設(shè)備發(fā)展趨勢與產(chǎn)業(yè)界的朋友們分享。

2激光焊接工藝

從鋰電池電芯的制造到電池PACK成組，焊接都是一道很重要的制造工序，鋰電池焊接的好壞其導(dǎo)電性、強(qiáng)度、氣密性、金屬疲勞和耐腐蝕性能是典型的焊接質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

我們認(rèn)為，對焊接方法、工藝的合理選用，將直接影響電池的成本、質(zhì)量、安全以及電池的一致性。在眾多的焊接方式中，激光焊接其獨(dú)特的優(yōu)勢在許多行業(yè)領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用，其特點(diǎn)有如下幾點(diǎn)：首先，能量密度高、焊接變形小、熱影響區(qū)小，可以有效地提高制件精度，焊縫光滑無雜質(zhì)、均勻致密、無需附加的打磨工作。其次，可精確控制，聚焦光點(diǎn)小，高精度定位，配合機(jī)械手臂易于實(shí)現(xiàn)自動化，提高焊接效率，減少工時，降低成本，另外，激光焊接薄材或細(xì)徑線材時，不會像電弧焊接般易有回熔的困擾。
 

電池的結(jié)構(gòu)通常都包含許多種材料，比如鋼、鋁、銅、鎳等，這些金屬可能被制成電極、導(dǎo)線，或是外殼，這樣一來，不論是一種材料之間或者多種材料之間的焊接均對焊接工藝提出了較高的要求，然而激光焊接的工藝優(yōu)勢就在于可焊材質(zhì)種類范圍非常大，實(shí)現(xiàn)不同材料之間的焊接。

3工藝難點(diǎn)

動力電池電芯的制造由于遵循“輕便”的原則，通常會采用較“輕”的鋁材質(zhì)，還需要做得更“薄”，一般殼、蓋、底基本都要求達(dá)到1.0毫米以下，一些主流廠家目前基本材料厚度均在0.8mm左右。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鋁合金材料的電池殼體占整個動力電池的90%以上。從事激光行業(yè)工作的專業(yè)人士都知道，鋁材焊接的難點(diǎn)在鋁合金對激光束的高初始反射率及其本身的高導(dǎo)熱性，使鋁合金在未熔化前對激光的吸收率低，由于鋁的電離能低，焊接過程中光致等離子體不易于擴(kuò)散，使得焊接穩(wěn)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(xué)性能下降。由于焊接過程中氣孔敏感性高,焊接時不可避免地會出現(xiàn)一些問題缺陷，其中最主要的是氣孔和熱裂紋。鋁合金的激光焊接過程中容易產(chǎn)生氣孔，主要有兩類：氫氣孔和匙孔破滅產(chǎn)生的氣孔。由于激光焊接的冷卻速度太快，氫氣孔問題更加嚴(yán)重，并且在激光焊接中還多了一類由于小孔的塌陷而產(chǎn)生的孔洞。

熱裂紋問題。鋁合金屬于典型的共晶型合金，焊接時容易出現(xiàn)熱裂紋，包括焊縫結(jié)晶裂紋和HAZ液化裂紋，由于焊縫區(qū)成分偏析會發(fā)生共晶偏析而出現(xiàn)晶界熔化，在應(yīng)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激光器的穩(wěn)定性。殼體表面凸起、氣孔、內(nèi)部氣泡。究其原因，主要是光纖芯徑過小或者激光能量設(shè)置過高所致。
 

針對以上出現(xiàn)的問題我們認(rèn)為，尋找到合適的工藝參數(shù)才是解決問題的致勝法寶。 

4焊接模式分析

4.1 脈沖模式焊接

脈沖激光器常用的脈沖波形有方波、尖峰波、雙峰波等幾種，由于鋁合金表面對光的反射率太高，焊接時應(yīng)選擇合適的焊接波形。當(dāng)高強(qiáng)度激光束射至材料表面，金屬表面將會有60%-98%的激光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(yōu)選擇尖形波和雙峰波，此種焊接波形后面緩降部分脈寬較長，能夠有效地減少氣孔和裂紋的產(chǎn)生。

方形電池（脈沖激光）側(cè)焊樣品 

由于鋁合金對激光的反射率較高，為了防止激光束垂直入射造成垂直反射而損害激光聚焦鏡，焊接過程中通常將焊接頭偏轉(zhuǎn)一定角度。焊點(diǎn)直徑和有效結(jié)合面的直徑隨激光傾斜角增大而增大，當(dāng)激光傾斜角度為40°時，獲得最大的焊點(diǎn)及有效結(jié)合面。焊點(diǎn)熔深和有效熔深隨激光傾斜角減小，當(dāng)大于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(dāng)增加焊縫熔深和熔寬。另外在焊接時，以焊縫為界，需將激光焊斑偏蓋板65%、殼體35%進(jìn)行焊接，可以有效減少因合蓋問題導(dǎo)致的炸火。

4.2 連續(xù)模式焊接

連續(xù)激光器焊接由于其受熱過程不像脈沖驟冷驟熱，焊接時裂紋傾向不是很明顯，為了改善焊縫質(zhì)量，采用連續(xù)激光器焊接，焊縫表面平滑均勻，無飛濺，無缺陷，焊縫內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)裂紋。在鋁合金的焊接方面，連續(xù)激光器的優(yōu)勢很明顯與傳統(tǒng)的焊接方法相比，生產(chǎn)效率高，且無需填絲；與脈沖激光焊相比可以解決其在焊后產(chǎn)生的缺陷，如裂紋、氣孔、飛濺等，保證鋁合金在焊后有良好的機(jī)械性能；焊后不會凹陷，焊后拋光打磨量減少，節(jié)約了生產(chǎn)成本，但是因?yàn)檫B續(xù)激光器的光斑比較小，所以對工件的裝配精度要求較高。

激光方形電池（連續(xù)激光）立焊樣品

在動力電池焊接當(dāng)中，焊接工藝技術(shù)人員會根據(jù)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(shù)，包括焊接速度、 波形、峰值、焊頭傾斜角度等來設(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力電池廠家的要求。

5方形電池焊接

在所有不同形狀的電池中，方型電池的焊接工藝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，然后用激光將蓋板與外殼之間的長方形縫隙以脈沖或者連續(xù)激光焊接的方式焊好密封即可。

激光立焊接設(shè)備

焊接方式主要分為側(cè)焊和頂焊，其中側(cè)焊的主要好處是對電芯內(nèi)部的影響較小，飛濺物不會輕易進(jìn)入殼蓋內(nèi)側(cè)。由于焊接后可能會導(dǎo)致凸起，這對后續(xù)工藝的裝配會有些微影響，因此側(cè)焊工藝對激光器的穩(wěn)定性、材料的潔凈度等要求極高。而頂焊工藝由于焊接在一個面上，對焊接設(shè)備集成要求比較低。

方形動力電池激光立焊接樣品

目前，動力電池立焊接方式是業(yè)內(nèi)廣受推崇的焊接方式，立焊只需一個收口節(jié)點(diǎn)，便可大大降低側(cè)焊接四個收口節(jié)點(diǎn)的側(cè)漏風(fēng)險(xiǎn)，而且有利于量產(chǎn)化。在5月的“第十一屆中國國際電池技術(shù)交流會”上，我公司推出的“高速電池殼體激光立焊接設(shè)備”領(lǐng)先的設(shè)計(jì)理念，贏得了眾多業(yè)界專業(yè)人士關(guān)注，該設(shè)備不僅良品率達(dá)到99.5%以上， 12PPM的生產(chǎn)效率更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于同行業(yè)產(chǎn)品。

6電池PACK工藝

6.1 電池PACK

電池電芯通過加裝保護(hù)電路、外殼、輸出而形成的應(yīng)用電池組生產(chǎn)過程稱為PACK。電池PACK是實(shí)現(xiàn)電池在不同領(lǐng)域應(yīng)用需求的一道重要工序。隨著我國PACK工藝的不斷發(fā)展，連接方式也在不斷的改進(jìn)，從最初的錫焊到到后來的電阻焊，發(fā)展至今，激光焊接因其焊接精度、可靠性及自動化程度高的優(yōu)勢，已成為目前PACK工藝最為廣泛的連接方式，而搭載著激光焊接工藝的智能自動化設(shè)備已成為方形、圓柱、軟包、18650等不同類型電芯PACK成組的高端制造裝備，深受行業(yè)廣泛應(yīng)用及推崇。

6.2 智能裝備發(fā)展趨勢

新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并未對其所使用的動力電池及電池模組的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)定型并標(biāo)準(zhǔn)化，凸顯出了眾多規(guī)格體系不兼容的尷尬，當(dāng)前的工藝流程和人工操作制約了企業(yè)的生產(chǎn)節(jié)拍和效率，從而無法有效提升產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)能。所以，提升動力電池模組組裝的自動化水平非常必要。如今，實(shí)現(xiàn)“整線設(shè)備+機(jī)器人+軟件控制”的智能化解決方案，既要解決用戶重點(diǎn)關(guān)注的兼容性、整線節(jié)拍和效率問題，又要解決了用戶電池PACK訂單批量小、規(guī)格多的問題。

電池PACK激光焊接五軸聯(lián)動智能自動化產(chǎn)線

管理軟件方面。整套MES系統(tǒng)直接將產(chǎn)線打造成準(zhǔn)無人化生產(chǎn)車間，人工只需要在線外進(jìn)行物料補(bǔ)充，提高安全性也減少了人為因素介入。焊接工序的環(huán)節(jié)，只需要將激光焊接工藝數(shù)據(jù)需集成在MES管理軟件系統(tǒng)中，以方便用戶直接調(diào)用、切換即可。從電芯到PACK成組，每一道工序的參數(shù)、數(shù)據(jù)、及其他來料信息等，都可以通過MES系統(tǒng)快速查詢并及時分析處理，既要做到過程可控，又要有效保障生產(chǎn)效率，用戶還通過預(yù)留的工業(yè)通訊接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，充分體現(xiàn)智能化自動化的制造特點(diǎn)。如今，在“工業(yè)4.0”浪潮來襲的背景下，搭載激光解決方案的產(chǎn)品已向著高智能化、高自動化的趨勢方向發(fā)展。

5結(jié)語

近年來，國內(nèi)很多外動力電池制造商在較為復(fù)雜的生產(chǎn)工序中，對于不同工序、不同被焊接部件均采用不同焊接方法，隨著新能源汽車行業(yè)邁向縱深發(fā)展，對配套電池的裝配與焊接精度、質(zhì)量都提出了更高的要求，傳統(tǒng)的焊接工藝已經(jīng)不能滿足市場需求，大規(guī)模的采用激光焊接工藝勢在必行。
 

雖然我國激光焊接工藝日趨成熟，但是，高質(zhì)量的動力電池仍需生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)人員和激光焊接技術(shù)人員密切協(xié)作，從材質(zhì)、形狀、厚度、工藝、實(shí)時檢測等各方面優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能達(dá)到理想的焊接效果。