LR6 電池徑向旋壓封口的密封特性

樓曉天

(橫店集團(tuán)東磁股份有限公司，浙江 金華 322118)

封口工藝及質(zhì)量與堿性鋅錳(堿錳)電池的耐漏液性能密切相關(guān)。在堿錳電池的發(fā)展過(guò)程中，出現(xiàn)了許多的封口工藝［1］。目前，圓柱形堿錳電池高速自動(dòng)組裝生產(chǎn)線中應(yīng)用較多的封口工藝有:①對(duì)輪軸向旋壓卷邊工藝，特征是在卷邊過(guò)程中，滾輪沿電池軸線方向進(jìn)給;②三輪徑向旋壓卷邊封口工藝，特征是在卷邊過(guò)程中，滾輪沿電池直徑方向進(jìn)給。

本文作者通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分析了兩種不同旋壓工藝的密封質(zhì)量特性。

1 旋壓封口工藝

1.1 對(duì)輪軸向旋壓卷邊封口

對(duì)輪軸向旋壓卷邊工藝示意圖見(jiàn)圖1。

如圖1 所示，對(duì)向布置且相對(duì)位置固定的兩個(gè)滾輪，對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)縮口并裝配了集流體的鋼殼口進(jìn)行高速旋壓(V);同時(shí)，滾輪沿電池軸線方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)(S)，使鋼殼口端部的薄鋼板逐漸向電池中心卷曲，緊扣住集流體，進(jìn)行封口。之后，電池需由下一道縮口工序，即用圓形凹模對(duì)封口部位進(jìn)行強(qiáng)力套壓，使封口部位鋼殼擴(kuò)口部位外徑略為縮小，密封圈隨之受到壓縮，使各機(jī)械零件緊密配合，封口部位得到密封。

1.2 三輪徑向旋壓封口

三輪徑向旋壓卷邊工藝示意圖見(jiàn)圖2。

三輪徑向旋壓卷邊封口的三滾輪分布示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 三輪徑向旋壓卷邊工藝的滾輪分布示意圖Fig.3 Roller distribution schematic of 3-roller spinning crimping

如圖2 及圖3 所示，3 個(gè)滾輪均勻分布在以鋼殼為中心的圓上，并圍繞鋼殼的軸線高速公轉(zhuǎn)(V2);同時(shí)，滾輪沿鋼殼外周切向滾動(dòng)旋轉(zhuǎn)(V1)，在此過(guò)程中，通過(guò)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，分布圓的直徑逐漸變小，滾輪朝電池的徑向進(jìn)給(S)，旋壓電池鋼殼封口部位的薄鋼板，使之逐漸卷曲，進(jìn)行卷邊封口。卷邊臨近完成的同時(shí)，滾輪的工作面可繼續(xù)對(duì)鋼殼封口部位的外徑進(jìn)行壓縮，起到對(duì)該部位縮口的作用。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 電池材料

實(shí)驗(yàn)采用LR6 電池，電池鋼殼的擴(kuò)口部位外徑Ф=14.1 mm，材料為0.25 mm 厚的SPCEN 鋼帶(日本產(chǎn))，本地沖制，上海電鍍鎳，鋼殼擴(kuò)口部位外表鍍層厚5 μm;密封圈的外徑Ф=13.58 mm，材料為尼龍612(美國(guó)產(chǎn))，本地注塑成型;負(fù)極底蓋的外徑Ф=12.34 mm，材料為0.25 mm 厚的SPCE 鋼帶(日本產(chǎn))，本地沖制，本地電鍍鎳，鍍層厚3 μm。

2.2 電池封口工藝

三輪徑向進(jìn)給旋壓卷邊、直接縮口:使用AA 型電池規(guī)格設(shè)備(加拿大產(chǎn))，在卷邊的同時(shí)，三滾輪徑向進(jìn)給旋壓壓縮封口部位，記為樣品S1;三輪徑向進(jìn)給旋壓卷邊、凹?？s口:使用AA 型電池規(guī)格設(shè)備(加拿大產(chǎn))，在卷邊的過(guò)程中不壓縮封口部位，卷邊后，用凹模壓縮封口部位，記為樣品S2;對(duì)輪軸向旋壓卷邊封口、凹?？s口:使用AA 型電池規(guī)格設(shè)備(江蘇產(chǎn))，卷邊后，用凹模壓縮封口部位，記為樣品S3。

各工藝中，封口部位外徑最終均壓縮至Ф=13.9 mm。所有實(shí)驗(yàn)用LR6 電池，均不在鋼殼口部涂封口膠;除漏液速度檢測(cè)的樣品外，不含正負(fù)極、電解液和隔離管等材料。

2.3 電池封口部位圓度測(cè)量

以電池體筒身為基準(zhǔn)，用RA120C 圓度測(cè)量?jī)x(西安產(chǎn))測(cè)量試樣電池的封口部位的圓度誤差，最小二乘法(LSC)評(píng)定、高斯濾波。測(cè)量應(yīng)盡量避開(kāi)軋線工序及卷邊工序?qū)︿摎ば螤畹挠绊憛^(qū)。

2.4 電池封口部位鋼殼內(nèi)表面的形貌觀察

割切電池試樣的卷邊封口部位，用S-3000N 型掃描電子顯微鏡(日本產(chǎn))對(duì)獲得的鋼殼小片內(nèi)表面進(jìn)行SEM 分析。

2.5 電池點(diǎn)焊件相對(duì)鋼殼在卷邊過(guò)程中的角度扭轉(zhuǎn)測(cè)量

在試樣電池制作的過(guò)程中，將集流體安置入鋼殼后，用記號(hào)筆沿過(guò)電池軸線的截面位置，在負(fù)極底、密封圈及鋼殼的外表畫(huà)一條直線，用EOS 30D 相機(jī)(日本產(chǎn))拍攝電池卷邊前后直線位置變化的情況，用三角法測(cè)定電池點(diǎn)焊件相對(duì)鋼殼在卷邊過(guò)程中的扭轉(zhuǎn)角度大小。

2.6 無(wú)封口膠電池漏液速度測(cè)試

分別制備S1、S2 及S3 等3 種封口工藝的無(wú)封口膠電池，每只電池比正常生產(chǎn)的電池增加0.4 g 電解液37% KOH(江蘇產(chǎn)，電池級(jí))。每隔一定的時(shí)間在試樣電池負(fù)極端噴施指示劑薄霧，觀察變色情況，以確定電池的漏液速度［2］。

3 結(jié)果與討論

3.1 電池封口部位圓度測(cè)量結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測(cè)得，電池S1、S2 及S3 的封口部位外徑圓度誤差分別為35 μm、10 μm 和4 μm。三輪徑向進(jìn)給旋壓卷邊、直接縮口制備的電池，封口部位圓度誤差較大，比對(duì)輪軸向旋壓卷邊封口幾乎高一個(gè)數(shù)量級(jí);三輪徑向旋壓卷邊、凹?？s口，可糾正三輪徑向旋壓卷邊、直接縮口造成的較高誤差。

樣品S1 封口部位外表面圓度誤差的放大輪廓圖見(jiàn)圖4。

圖4 三輪徑向旋壓封口工藝下電池封口部位圓度誤差分布Fig.4 Roundness error distribution of battery sealing part with radial 3-roller spinning process

從圖4 可知，S1 電池封口部位的外形呈較明顯的三角星形，體現(xiàn)了在旋壓封口過(guò)程中均布的3 個(gè)滾輪的分布特征。三輪徑向進(jìn)給卷邊工藝在對(duì)電池鋼殼進(jìn)行旋壓過(guò)程中，依靠裝在擺臂上的滾輪隨擺臂活動(dòng)產(chǎn)生的位置變化，改變滾輪的分布圓直徑，達(dá)到滾輪徑向進(jìn)給的目的;擺臂的位置變化由多個(gè)零件在機(jī)臺(tái)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，從機(jī)臺(tái)上的環(huán)形凸輪曲線軌道上不同方位點(diǎn)的相對(duì)位置變化傳遞而來(lái)。三輪徑向進(jìn)給對(duì)鋼殼封口部位進(jìn)行直接縮口時(shí)，滾輪在沿鋼殼圓周滾動(dòng)過(guò)程中對(duì)鋼殼進(jìn)行反復(fù)擠壓，相應(yīng)部位的鋼殼受到交替變化的復(fù)雜彈塑性變形;3 個(gè)滾輪都是以點(diǎn)線方式與鋼殼的局部接觸，與使用圓孔凹?？s口相比，鋼殼受到的瞬間作用力大小和位置在整個(gè)圓周面上不均勻，造成封口部位圓度誤差較大。

從圖1 及圖2 可知，對(duì)輪軸向進(jìn)給旋壓時(shí)，滾輪從鋼殼的開(kāi)口邊緣部位開(kāi)始進(jìn)行點(diǎn)狀接觸進(jìn)給，滾輪的直邊對(duì)正在受到旋壓作用的鋼殼封口部位的鄰近部位有支護(hù)作用;而三輪徑向進(jìn)給旋壓卷邊時(shí)，滾輪從鋼殼開(kāi)口邊緣的偏下位置開(kāi)始接觸進(jìn)給，鋼殼封口部位的薄鋼板較為孤懸，在某一瞬間局部所受的變形范圍和變形程度較大，在卷邊過(guò)程中形成了相對(duì)較大的不良密封質(zhì)量特性。由于材料的回彈等原因，在三輪徑向進(jìn)給旋壓工藝下，對(duì)電池封口即使只進(jìn)行旋壓卷邊、縮口整形環(huán)節(jié)由單獨(dú)的后續(xù)工序用圓孔凹模模壓方式進(jìn)行，如樣品S2，圓度誤差、封口部位鋼殼的內(nèi)表面裂紋等指標(biāo)，仍比對(duì)輪軸向旋壓工藝的要差。

3.2 電池封口部位鋼殼內(nèi)表面的形貌

電池封口部位鋼殼內(nèi)表面的SEM 圖見(jiàn)圖5。

圖5 電池封口部位鋼殼內(nèi)表面的SEM 圖Fig.5 SEM photographs of inner surface of steel cans in battery sealing part

從圖5 可知，與未卷邊封口的原始鋼殼相比，電池S1 的表面裂紋有進(jìn)一步的擴(kuò)展，電池S2 的裂隙的擴(kuò)展程度比電池S1 要小，而電池S3 的表面狀況接近于原始鋼殼。

3.3 電池點(diǎn)焊件相對(duì)鋼殼在卷邊過(guò)程中的角度扭轉(zhuǎn)

圖6 為電池S1 旋壓卷邊前后的照片。

圖6 電池S1 旋壓卷邊前后的照片F(xiàn)ig.6 Photographs of battery S1 before and after spinning crimping

從圖6 可知，點(diǎn)焊件相對(duì)鋼殼沿電池軸線在旋壓卷邊過(guò)程中扭轉(zhuǎn)了一個(gè)角度，而鋼殼與密封圈之間的相對(duì)位置在旋壓卷邊過(guò)程中保持了基本不變。實(shí)踐中，這種角度扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象易被忽略。電池S1、S2 及S3 的扭轉(zhuǎn)角度分別為40 °、15 °和10 °。對(duì)輪旋壓卷邊封口工藝下的扭轉(zhuǎn)角則較小。

在滾輪旋壓的過(guò)程中，電池鋼殼材料受到略偏向電池中心的圓周切線的擠壓力，使鋼殼產(chǎn)生彈塑性形變，并傳遞給與之配合的密封圈，密封圈也產(chǎn)生較大的形變。形變是交替產(chǎn)生的，其中有一個(gè)形變回彈過(guò)程;旋壓時(shí)，密封圈材料受到的擠壓形變沿圓周近切線方向交替出現(xiàn)，回彈形變也將沿圓周近切線的反方向交替出現(xiàn);這個(gè)反方向的回彈變形，不斷推擠與密封圈鄰接的負(fù)極底的外周緣，使負(fù)極底受到一個(gè)與滾輪旋壓方向相反的持續(xù)扭矩作用。這就是電池在旋壓封口過(guò)程中點(diǎn)焊件(負(fù)極底)相對(duì)密封圈扭轉(zhuǎn)的動(dòng)力源。S1 電池在旋壓過(guò)程中受到的擠壓變形更強(qiáng)，負(fù)極底受到的反擠壓方向扭矩更大，產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角也更大。點(diǎn)焊件焊接強(qiáng)度不夠時(shí)，該扭矩可將點(diǎn)焊件扭斷，造成電池?cái)嗦贰?/p>

3.4 無(wú)封口膠電池漏液速度

對(duì)制備的無(wú)封口膠電池(每種電池各60 只)在室內(nèi)環(huán)境下的漏液速度進(jìn)行觀察，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 存放后無(wú)封口膠電池的漏液數(shù)Table 1 Leaking quantities of no sealant batteries after storage

從表1 可知，電池S1 的密封效果最差，如果三輪徑向旋壓工藝只對(duì)電池鋼殼卷邊，卷邊后的縮口改為由后一道工序用圓孔凹模進(jìn)行套壓(電池S2)，密封效果可得到顯著提高，但仍比電池S3 要差。對(duì)照?qǐng)D5 可知，無(wú)封口膠電池的漏液速度與鋼殼封口部位內(nèi)表面裂紋的嚴(yán)重程度相對(duì)應(yīng)。

鋼殼與密封圈配合后，鋼殼表面的裂紋被圍成管狀后構(gòu)成豐富的毛細(xì)管道。如果這些毛細(xì)管道不被堵塞，將成為電池內(nèi)部電解液的漏液通道［3］。三輪徑向進(jìn)給旋壓卷邊、直接縮口工藝使鋼殼封口部位的形位誤差更大，鋼殼內(nèi)表面的裂紋更擴(kuò)展，因此無(wú)封口膠電池的漏液速度更快。

4 結(jié)論

在本實(shí)驗(yàn)條件下，與對(duì)輪軸向旋壓封口工藝相比，三輪徑向進(jìn)給旋壓卷邊、直接縮口的封口工藝可使電池具有較大的負(fù)極底相對(duì)鋼殼的扭轉(zhuǎn)角度，點(diǎn)焊件焊接強(qiáng)度不夠時(shí)，該扭轉(zhuǎn)力可將銅針在焊接部位扭脫，造成電池內(nèi)部斷路。

與對(duì)輪軸向旋壓卷邊封口工藝相比，三輪徑向旋壓卷邊、直接縮口的電池封口工藝可使電池封口部位的圓度誤差較大，封口部位鋼殼內(nèi)表面的裂紋擴(kuò)展較為嚴(yán)重，在無(wú)鋼殼封口膠的情況下，可測(cè)得這種電池的漏液較快。三輪徑向旋壓卷邊、凹模縮口，可解決這些問(wèn)題。

［1］GAO Jiao-yue(高效岳).堿性鋅錳電池封口結(jié)構(gòu)［J］.Battery Bimonthly(電池)，1996，26(4):172－173.

［2］LOU Xiao-tian(樓曉天).堿性鋅錳電池的密封失效與檢測(cè)［J］.Battery Bimonthly(電池)，2013，43(1):29－30.

［3］ZHOU Long-xin(周隆鑫)，MIAO Rui(苗瑞)，PENG Jun-fang(彭俊芳).堿性鋅錳電池漏液原因分析［J］.Dianchi Gongye(電池工業(yè))，2007，12(1):38－40.