激光焊接技術(shù)在鋰離子動力電池電芯制作中的應用

李曉坡　郭龍超　黃黎明

摘 要：介紹了一種鋰離子電池生產(chǎn)過程激光焊接設備系統(tǒng)；介紹了一種激光焊接技術(shù)在鋰離子動力電池電芯制作中的應用實例；簡述了影響產(chǎn)品激光焊接質(zhì)量的因素分析；展望了激光焊接技術(shù)在鋰電池生產(chǎn)行業(yè)中的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：激光焊接 激光焊接工作臺 鋰離子電池激光焊接 激光焊接焊接影響 應用

中圖分類號：TG456.7 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）03（b）-0074-02

1 激光焊接技術(shù)概述

激光焊接的工作原理如下所示。

激光焊接工作是應用高能脈沖激光來實現(xiàn)，脈沖氙燈作為泵浦源，激光電源把脈沖氙燈點著，通過激光電源對氙燈放電，形成一定頻率的光波，光波經(jīng)過激光聚光腔照射到激光晶體上，使晶體受激輻射，再經(jīng)過諧振腔之后發(fā)出波長的脈沖激光，該脈沖激光經(jīng)過擴束，反射聚焦于所要焊接的物體，在控制器的控制下，移動工作臺面完成焊接[1]。

2 一種鋰離子電池電芯制作中激光焊接系統(tǒng)

鋰電池激光焊接系統(tǒng)主要由激光器、導光系統(tǒng)、工作臺、電池組件固定工裝夾具、控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)組成。

2.1 激光器

激光器的選用首先決定于所要求的波長、功率和模式，以及加工對象。同時還要考慮在工作環(huán)境下運行的可靠性，維修調(diào)整的方便性，尺寸的大小以及占用面積等因素。

2.2 導光系統(tǒng)

導光系統(tǒng)將激光由激光器引導至由聚焦光或勻光光具組成的加工頭。加工頭若是固定的，則導光系統(tǒng)固定不動，若加工頭可以運動，那么導光系統(tǒng)也必須是可動的。

2.3 工作臺

工作臺用于固定電池零件工件，加工過程中確保工件與激光束的相對位置。根據(jù)加工要求，工作臺能帶動工件做所需的相對運動，工作臺示意圖見圖1。

工作臺功能及性能介紹如下。

（1）二軸運動模塊：由兩個伺服平臺組合構(gòu)成，每個伺服平臺采用高精度電機驅(qū)動滾珠絲桿運動，線性導軌導向。伺服平臺帶動焊接頭進行焊接。

（2）CCD監(jiān)視模塊：兩個CCD與兩個準直聚焦頭同軸安裝，在此工序中，CCD能夠?qū)崟r監(jiān)控到焊點的焊接情況。

機架：由方鋼鈑金焊接而成，實現(xiàn)機器的牢固穩(wěn)定、外形美觀、運行穩(wěn)定。

電控系統(tǒng)：實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制（包括運動控制和傳感器的檢測）。

軟件系統(tǒng)：實現(xiàn)各個步驟的焊接與激光焊接的配合。

2.4 夾具部分

夾具需對焊接樣件進行完全防護，只漏出焊接區(qū)域，能夠有效地防止焊穿現(xiàn)象的發(fā)生，防止焊渣飛濺落到產(chǎn)品表面。

（1）夾具機構(gòu)：采用氣缸夾緊，利用定位板定位，封閉式夾具結(jié)構(gòu)防止焊渣飛濺落到產(chǎn)品表面。

（2）吹氣機構(gòu)：在不干涉夾具的情況下，使用加裝側(cè)吹方式（防飛濺氣刀）吹保護氣體，保證焊接表面效果；在飛濺嚴重的正極兩側(cè)，安裝專用氣刀，由壓縮氣體組成屏障，防止飛濺污染保護鏡片。

（3）導向部分：使工件沿導向槽放入夾具中，提高裝夾效率。

2.5 冷卻系統(tǒng)

激光焊接機工作時，泵源對激光器的輸入能量大部分都轉(zhuǎn)化為燈、工作物質(zhì)和聚光腔的熱能。工作物質(zhì)溫度過高時，會嚴重損害激光器的正常工作，因此，必須采取冷卻措施。一般采用閉合回路冷卻系統(tǒng)，包括液泵、熱交換器和容器等。

當前的激光器件已經(jīng)形成系列化，使用比較成熟，因此，控制系統(tǒng)的性能就對整機功能起到重要影響。要求更加智能化和自動化[2]。

3 激光焊接技術(shù)在鋰離子動力電池電芯制作中的應用

3.1 在鋰離子動力電池（疊片工藝）電芯制作過程中的應用

電池蓋板極柱組件極耳軟連接引片厚度、材質(zhì)，極耳引片（Tab）厚度、材質(zhì)，焊接面積，焊印形狀，焊接參數(shù)等。在使用激光焊接的過程中，要綜合考慮各種因素，并進行大量實驗，才能得到良好的焊接效果。

電池在制作過程中，對于層數(shù)較多的軟連接，需通過超聲波焊接機對多層軟連接進行預焊，再將預焊后壓平后的軟連接與蓋板極柱利用激光焊接起來。若軟連接層數(shù)較少，可直接對多層軟連接與極柱進行激光焊接，無需超聲波預焊整形處理。

3.2 影響焊接過程因素分析

進行焊接過程，需要保證物件完全加緊壓平，確保有效焦距的位置公差精度，另外焊接過程中要使用氮氣保護器，對焊接位置進行保護，防護產(chǎn)品氧化[3]。

脈沖激光焊接機的規(guī)格參數(shù)主要為最大電功率、轉(zhuǎn)換效率，最大激光功率，最大脈沖能量，峰值功率，最大光路分時分光反饋速度、決定了焊機規(guī)格的選擇[4]。

在鋰電池生產(chǎn)過程中，此項工序作為特殊關(guān)鍵工序規(guī)定，一定要進行首件三檢和過程自檢，焊接完成后，需要使用拉力設備檢驗焊接效果，檢驗產(chǎn)品焊接拉力和粘連面積，根據(jù)測試結(jié)果對焊接參數(shù)進行調(diào)整，直至焊接效果最佳方能連續(xù)生產(chǎn)，保證電池組件焊接質(zhì)量一致性。針對動力電池殼體、蓋板激光焊接試驗，通過調(diào)整激光焊機脈寬、頻率、峰值功率等工藝參數(shù)，驗證不同參數(shù)對激光單點能量及焊接平均功率的影響，結(jié)合平均功率對焊縫熔深影響及不同熔深狀態(tài)下與焊縫耐壓強度的對應關(guān)系，進而優(yōu)化激光焊接工藝參數(shù)，確保動力電池激光焊接過程的穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量的一致性[5]。

4 結(jié)語

目前，與激光焊機配合的工作臺及焊接工件固定夾具的精度和自動化程度，對焊接的效果及生產(chǎn)效率有很大的影響。在使用焊機的過程中，需要對焊機的環(huán)境加以控制。其中若出現(xiàn)保護鏡片過臟，焦距不合適，極柱與軟連接裝夾不到位，存在有間隙，軟連接層間未壓實等因素，均會出現(xiàn)產(chǎn)品虛焊和脫焊不良，影響物件連接強度，對于電池而言，嚴重影響電池內(nèi)阻和容量性能。激光器冷水機水溫過高，光纖燒壞，激光棒爆裂等故障均為導致設備不出激光。國內(nèi)的激光焊接廠家數(shù)量很多，產(chǎn)品的優(yōu)點是設備價格適中，但焊接質(zhì)量及設備穩(wěn)定性與進口設備相比，仍存在一定差距，而鋰離子電池制造過程對于焊接質(zhì)量的一致性要求較高。

參考文獻

[1] 梁艷梅.激光焊接中各參數(shù)對焊接質(zhì)量影響的研究[J].價值工程，2015（30）：137-139.

[2] 郝新鋒，朱小軍，李孝軒，等.激光焊接技術(shù)在電子封裝中的應用及發(fā)展[J].電子機械工程，2011（6）：43-45.

[3] 劉其斌.激光加工技術(shù)及其應用[J].北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

[4] 李林賀，鄧適.動力電池殼體激光焊接工藝[J].焊接技術(shù)，2013（7）：30-32.

[5] 陳彥賓.現(xiàn)代激光焊接技術(shù)[M].北京：科學出版社，2005.