鋰電池自動(dòng)點(diǎn)焊設(shè)備的開(kāi)發(fā)與研制

李詩(shī)語(yǔ) 陳艾青

（ 上海電動(dòng)工具研究所，上海 200031 ）

鋰電池自動(dòng)點(diǎn)焊設(shè)備的開(kāi)發(fā)與研制

李詩(shī)語(yǔ) 陳艾青

（ 上海電動(dòng)工具研究所，上海 200031 ）

分析影響鋰電池點(diǎn)焊質(zhì)量的主要因素，介紹在此基礎(chǔ)上自主研發(fā)自動(dòng)點(diǎn)焊設(shè)備，通過(guò)對(duì)該設(shè)備技術(shù)指標(biāo)以及功能特性的表述，提出在鋰電池包生產(chǎn)過(guò)程的點(diǎn)焊環(huán)節(jié)中，如何滿足企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)需要，從而提高點(diǎn)焊一致性、點(diǎn)焊速度以及點(diǎn)焊可靠性。

點(diǎn)焊 點(diǎn)焊設(shè)備 點(diǎn)焊工藝 鋰電池包

0 引言

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，小型化設(shè)備日益增多，這也對(duì)電源提出了更高的要求。具有高能效、低污染等特點(diǎn)的鋰電池隨之進(jìn)入了大規(guī)模的實(shí)用階段。當(dāng)今手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、電動(dòng)車(chē)、電動(dòng)工具、新能源汽車(chē)等行業(yè)規(guī)模迅速擴(kuò)張，由此帶來(lái)的鋰電池需求同比持續(xù)增長(zhǎng)。

為了滿足電動(dòng)工具、電動(dòng)車(chē)、新能源汽車(chē)等行業(yè)高能量、高功率的電源需求，必須將單節(jié)鋰電池電芯進(jìn)行串、并聯(lián)。因此，焊接技術(shù)對(duì)鋰電池的應(yīng)用十分重要。目前,鋰電池焊接主要分為電阻焊和激光點(diǎn)焊。其中，電阻焊憑借著設(shè)備成本低、勞動(dòng)條件好、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)得到快速發(fā)展。

1 概述

電阻焊可分為點(diǎn)焊、縫焊和對(duì)焊。在鋰電池生產(chǎn)制造中，主要采用點(diǎn)焊，其原理是利用工件自身電阻，通過(guò)電極對(duì)工件加壓力和導(dǎo)通大電流，在工作接觸面產(chǎn)生高熱進(jìn)行熔融金屬的連接。

影響點(diǎn)焊的幾個(gè)主要因素為：焊接電流，通電時(shí)間，加壓力，電極材料。

對(duì)于焊接電流和通電時(shí)間因素，可采用米亞基點(diǎn)焊電源進(jìn)行控制。米亞基電源特點(diǎn)：電流上升速度快，飛濺少，控制時(shí)間短（0.1～0.2 ms）,控制靈活。

加壓力則是控制接觸電阻，施加壓力與接觸電阻成反比，壓力控制多采用彈簧。

鎳片是一種導(dǎo)電性相對(duì)較好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、熔點(diǎn)較低的電極材料，可作為鋰電池包的點(diǎn)焊連接片。

由圖1所示可見(jiàn)，點(diǎn)焊即是利用柱狀電極加壓通電，在搭接工件接觸面焊成一個(gè)焊點(diǎn)的焊接方法。點(diǎn)焊時(shí),加壓使得兩個(gè)工件緊密接觸，接通電流，電流經(jīng)過(guò)電阻產(chǎn)生熱量使局部金屬被熔化形成液態(tài)熔核。斷電后，保持壓力或加大壓力，使熔核在壓力下凝固結(jié)晶，形成組織致密的焊點(diǎn)。焊完一個(gè)點(diǎn)后，電極移動(dòng)至下一個(gè)點(diǎn)。

圖1 點(diǎn)焊示意圖

在實(shí)際生產(chǎn)中，手動(dòng)點(diǎn)焊效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大。通常，點(diǎn)焊人員手持制具，目測(cè)點(diǎn)焊位置將電芯與極棒對(duì)正后實(shí)施點(diǎn)焊。點(diǎn)焊時(shí)可能造成飛濺，操作者須戴好防護(hù)鏡進(jìn)行人身安全保護(hù)，繁瑣的防護(hù)設(shè)備易造成目測(cè)及放置位置偏差，導(dǎo)致實(shí)際良品率較低。因此，采用自動(dòng)化程度高的自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)替代人工操作勢(shì)在必行。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)所需，本文介紹一款符合企業(yè)需求的自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)設(shè)備。

2 技術(shù)指標(biāo)

如圖2所示，該款自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)點(diǎn)焊電源采用了米亞基MDA-8000B系列，MDA-8000B系列是精密電阻焊接用晶體管式電源，有著小型高效，高輸出的焊接特點(diǎn)。機(jī)械部分由5個(gè)單臂機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作,分別為左X，右X，左Z，右Z，Y。電氣部分由PLC和觸摸屏進(jìn)行控制。技術(shù)指標(biāo)如下：

1）點(diǎn)焊對(duì)象：18650鋰電芯

2）點(diǎn)焊方式：凸點(diǎn)點(diǎn)焊和尖針點(diǎn)焊

3）設(shè)備電源：AC 220 V/50 Hz

4）設(shè)備氣源：Φ8 mm氣管輸入0.4～0.5 Mpa干燥氣源

5）各軸定位精度：0.01 mm

6）方案存儲(chǔ)量：儲(chǔ)存20組點(diǎn)焊配方，每組最多40顆18650電芯。配方制具編號(hào)可備注

7）數(shù)據(jù)通信：支持SD卡儲(chǔ)存和交換數(shù)據(jù)

8）外形尺寸：105×85×200 cm

圖2 自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)

3 控制原理

通過(guò)程控器（PLC）與觸摸屏控制：5個(gè)伺服電機(jī)、導(dǎo)軌、絲桿組成的單臂機(jī)器人，進(jìn)行點(diǎn)焊定位；點(diǎn)焊電源對(duì)工件進(jìn)行點(diǎn)焊；采用絕對(duì)坐標(biāo)控制，定位精準(zhǔn)。在點(diǎn)焊位置時(shí)，通過(guò)點(diǎn)焊頭給予可控壓力，得到壓力到位信號(hào)后，接通點(diǎn)焊電源點(diǎn)焊，保證點(diǎn)焊位置的一致性。定位速度可調(diào)，點(diǎn)焊效率提高。點(diǎn)焊機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

點(diǎn)焊機(jī)操作流程如圖4所示。

點(diǎn)焊機(jī)總體動(dòng)作流程如圖5所示。

X，Y，Z軸伺服電機(jī)動(dòng)作流程如圖6所示。

圖3 自動(dòng)電焊機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 自動(dòng)電焊機(jī)操作流程

圖5 自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)總體動(dòng)作流程

圖6 X、Y、Z軸伺服電機(jī)動(dòng)作流程

上述流程為自動(dòng)運(yùn)行流程。編寫(xiě)手動(dòng)調(diào)整控制程序時(shí)，須注意Y，Z運(yùn)動(dòng)前應(yīng)檢查X軸是否在待機(jī)位或原點(diǎn)位，避免產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)時(shí)序沖突，造成撞針現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)可撞斷點(diǎn)焊軸。Y軸手動(dòng)調(diào)整流程圖7所示如下，Z與Y軸手動(dòng)調(diào)整類(lèi)似。

圖7 Y軸手動(dòng)調(diào)整流程

點(diǎn)焊機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，在取放制具地點(diǎn)安裝安全光柵，保障人員安全，并且設(shè)有兩個(gè)急停按鈕，防止危險(xiǎn)情況發(fā)生。在程序設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮到五軸連動(dòng)產(chǎn)生干涉的情況，確保點(diǎn)焊工作中不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)碰撞，提高安全性。

4 界面顯示

圖8所示為自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)的開(kāi)機(jī)界面。

圖9所示為觸摸屏自動(dòng)運(yùn)行屏和手動(dòng)界面。

圖8 自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)開(kāi)機(jī)界面

圖9 自動(dòng)運(yùn)行屏和手動(dòng)界面

自動(dòng)運(yùn)行屏主要顯示自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，如：產(chǎn)量組數(shù)，焊針使用次數(shù)，點(diǎn)焊位置，加工時(shí)間等。

手動(dòng)操作界面可將點(diǎn)焊動(dòng)作分解，手動(dòng)進(jìn)行點(diǎn)焊。

位置設(shè)定是更換制具時(shí)最常用的界面，可設(shè)置每個(gè)點(diǎn)的位置參數(shù)，通過(guò)上一點(diǎn)焊位置按鈕、下一點(diǎn)焊位置按鈕來(lái)調(diào)整和保存。在實(shí)際生產(chǎn)中，調(diào)整位置參數(shù)往往需要工藝工程師對(duì)點(diǎn)焊頭與電芯的位置進(jìn)行目測(cè)，所以在手動(dòng)調(diào)整位置時(shí)，這臺(tái)自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)同時(shí)配備按鈕盒，提高了調(diào)整參數(shù)的效率。

伺服設(shè)定界面可設(shè)置伺服電機(jī)的速度，加減時(shí)間。

圖10 配方設(shè)定界面

與同類(lèi)產(chǎn)品相比，該自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的需要，加入配方以及歷史記錄等實(shí)用功能。

配方功能如圖10所示。

在配方界面中，可將點(diǎn)焊位置坐標(biāo)進(jìn)行斷電保存，輸出至SD卡中，還可根據(jù)制具參數(shù)，直接修改位置坐標(biāo)，縮減調(diào)整位置所需時(shí)間。配方功能與手動(dòng)調(diào)整位置功能協(xié)同使用可以極大減少制具更換時(shí)間。更換新的制具，該自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)可在30 min內(nèi)完成位置設(shè)定,減少了工藝工程師的調(diào)整時(shí)間。對(duì)于點(diǎn)焊品種多樣的電池包，可顯著提升效能。

歷史記錄功能如圖11所示。

圖11 歷史記錄界面

歷史記錄可用來(lái)查詢(xún)故障發(fā)生時(shí)間，記錄內(nèi)容可斷電保存。點(diǎn)焊機(jī)運(yùn)行狀況一目了然，對(duì)于生產(chǎn)效能分析，設(shè)備可靠性分析有重要作用。

5 結(jié)語(yǔ)

該款自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)與同類(lèi)型點(diǎn)焊機(jī)相比，點(diǎn)焊一致性、點(diǎn)焊速度、點(diǎn)焊可靠性有較大提升，滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。目前，該點(diǎn)焊機(jī)已正常運(yùn)行6個(gè)月，焊針使用次數(shù)已達(dá)40萬(wàn)次，點(diǎn)焊成品其鎳片的抗拉強(qiáng)度大于標(biāo)準(zhǔn)值。整機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到了技術(shù)要求，能夠滿足電池包生產(chǎn)線長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作要求。

[1]陳立定，吳玉香，蘇開(kāi)才．電氣控制與可編程控制器[M]．廣州：華南理工出版社，2001．

[2]孫寶元，楊寶清．傳感器及其應(yīng)用手冊(cè)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004．

[3]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)電阻焊（Ⅲ）專(zhuān)業(yè)委員會(huì)．電阻焊理論與實(shí)踐[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994．

Research and Development of Lithium Battery Automatic Spot Welding Equipment

Li Shiyu Chen Aiqing

(Shanghai Electrical Tool Research Institute, Shanghai 200031, China)

Analysis the main factors affecting the lithium battery spot welding quality, introduce the self-developed automatic spot welding equipment. Based on the technical index and function characteristic of this equipment, put forward how to meet actual production needs during the spot welding part of the production process of lithium battery packs, to improve the consistency, speed and reliability of spot welding.

Spot welding Spot welding equipment Spot welding process Lithium battery pack

TM08

A

1674-2796（2014）06-0009-05

2014-10-15

李詩(shī)語(yǔ)（1992—）男，本科，主要從事鋰電工具產(chǎn)品專(zhuān)用設(shè)備開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和制造工作。