激光焊接在極耳焊接中的應(yīng)用

江浪

摘 要：為了解激光焊接在極耳焊接或激光切割在極片切割中的應(yīng)用，文章簡(jiǎn)單介紹了激光焊接、激光切割的原理，從電池零件自動(dòng)檢測(cè)與零位檢測(cè)、極耳自動(dòng)轉(zhuǎn)平與自動(dòng)轉(zhuǎn)位、激光焊接、自動(dòng)下料幾個(gè)方面，闡述了激光焊接在極耳焊接中的應(yīng)用。并從切割機(jī)制、參數(shù)調(diào)整幾個(gè)方面，總結(jié)了激光切割在極片切割中的應(yīng)用。得出：激光焊接可以通過自動(dòng)化控制技術(shù)完成極耳的高質(zhì)量、高速度焊接;激光切割可以在波形、參數(shù)選定的前提下，獲得熱影響小、毛刺少的切割效果。

關(guān)鍵詞：激光焊接 極耳焊接 激光切割 極片切割

Application of Laser Welding in Tab Welding

Jiang Lang

Abstract：In order to understand the application of laser welding in pole welding or laser cutting in pole piece cutting， the article briefly introduces the principles of laser welding and laser cutting， from automatic detection of battery parts and zero detection， automatic leveling and automatic rotation of tabs. In terms of indexing， laser welding， and automatic blanking， the application of laser welding in tab welding is explained. From the aspects of cutting mechanism and parameter adjustment， the application of laser cutting in pole piece cutting is summarized. It is concluded that laser welding can complete the high-quality and high-speed welding of the lugs through automatic control technology; laser cutting can obtain the cutting effect with less heat influence and less burrs under the premise of selecting the waveform and parameters.

Key words：laser welding， lug welding， laser cutting， pole piece cutting

1 前言

近二十年來，激光加工技術(shù)已成為發(fā)展最快的高新技術(shù)之一，為傳統(tǒng)制造業(yè)改造提供了充足支持。相較于傳統(tǒng)極耳焊接、極片切割模式而言，激光焊接、激光切割模式可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，并解決毛刺、露白、掉粉等一系列問題，為鋰電池性能的提升提供依據(jù)。因此，從激光加工技術(shù)的應(yīng)用入手，探究極耳焊接與極片切割工藝具有非常突出的現(xiàn)實(shí)意義。

2 激光焊接與激光切割的原理

2.1 激光焊接

激光焊接主要是將高能量密度激光束作為熱源，在功率密度小于104～105W/cm2時(shí)，經(jīng)熱傳導(dǎo)加熱工件表面，進(jìn)行緩慢焊接，焊接熔深較淺;或者在功率密度超過105～107W/cm2時(shí)，通過控制激光脈沖峰值功率、寬度、重復(fù)頻率、能量促使工件熔化并形成特定熔池，進(jìn)行快速焊接，焊接熔深較大。

2.2 激光切割

激光切割主要指利用激光切割材料，需要借助光學(xué)器件，引導(dǎo)輸出高功率激光束。同時(shí)根據(jù)激光器內(nèi)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)跟蹤待切割工件軌跡，對(duì)準(zhǔn)材料聚焦激光束，促使材料發(fā)生熔化、蒸發(fā)、燃燒、吹散等反應(yīng)，獲得表面光潔度較高的邊緣。

3 激光焊接在極耳焊接中的應(yīng)用

3.1 焊接裝置選擇

根據(jù)極耳焊接要求，焊接加工者可選擇半自動(dòng)焊接裝置或全自動(dòng)焊接裝置。前者主要為手持式激光焊接機(jī)，以迅鐳激光焊接一體式手持激光焊接機(jī)、IPG單模光纖激光器為例，其主要為圓盤結(jié)構(gòu)，每間隔90°進(jìn)行了V型槽開設(shè)，V型槽內(nèi)可放置電池圓柱體零件，壓緊零件后聚焦激光束至焊接部位，每焊接一個(gè)零件進(jìn)行90°的轉(zhuǎn)動(dòng)，第二個(gè)焊接點(diǎn)則轉(zhuǎn)動(dòng)0.50mm;后者則是通過直筒漏斗方式上料，每經(jīng)過一個(gè)“圓坑”、V型槽分別自動(dòng)放入電池蓋、待焊接電池主體，進(jìn)行自動(dòng)焊接[1]。常用的激光焊接裝備為SOUPACT緊湊型激光拼焊設(shè)備、泰德激光焊接系統(tǒng)等。

3.2 焊接參數(shù)設(shè)置

考慮到當(dāng)前軟包鋰離子電池為多種負(fù)極鋁與銅匯流片焊接模式，銅極耳厚度在0.2～0.5mm左右，鋁極耳焊接厚度在0.2～0.6mm左右。因此，在激光焊接極耳時(shí)，需要設(shè)定激光波長(zhǎng)為1064nm，激光功率為110W～200W，光斑28μm，激光掃描速度與脈沖頻率分別為500mm/s、200kHz，重復(fù)頻率為0.4～20MHz，脈沖寬度為50～120ns。并控制極耳焊接縫隙寬度在1.2～2.4mm內(nèi)，焊接縫隙深度在1.2～1.8mm內(nèi)。同時(shí)保證極耳寬度精度與極耳間距精度、極耳高度精度均小于等于±0.15mm。

3.3 焊接過程控制

當(dāng)前，在極耳激光焊接過程中，半自動(dòng)焊接方法應(yīng)用較少，以全自動(dòng)焊接較為常見。

在全自動(dòng)焊接過程中，焊接流程如下：

如圖1所示，首先需要啟動(dòng)裝置，開展待焊接零部件位置的檢測(cè)，只有電池蓋、待焊接電池主體均處于正確位置，方可啟動(dòng)焊接、轉(zhuǎn)平、下料、移位等工序。

其次，在確定焊接零部件位置正確后，需要完成極耳的自動(dòng)轉(zhuǎn)平操作。因電池主體為自動(dòng)放入，無法保證極耳處于水平位置，此時(shí)，就需要利用光電檢測(cè)方式，待極耳轉(zhuǎn)入水平位置后自動(dòng)停止，保證后續(xù)壓緊、焊接操作正常開展。同時(shí)因極耳對(duì)焊接平直度具有較高的要求，需要利用電磁去除裝置將存在彎曲、扭動(dòng)等與標(biāo)準(zhǔn)不相符的電池零件自動(dòng)去除，防控“焊廢”現(xiàn)象[2]。

再次，在壓緊過程中，主要依靠自動(dòng)壓緊裝置，多為微機(jī)控制的四連桿式電磁自動(dòng)機(jī)構(gòu)，可在焊接前壓緊極耳、安全閥，為激光穿透式焊接提供良好的條件。因每一鋰電池焊接點(diǎn)位為2個(gè)（距離在0.50mm左右），因此，為保證電極接觸的可靠性、安全性，需要重復(fù)啟動(dòng)2次壓緊機(jī)構(gòu)并進(jìn)行激光器的2次焊接。

最后，焊接完畢后，將電池轉(zhuǎn)入下道工序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)下料。一般自動(dòng)下料機(jī)構(gòu)為永磁滾筒刮板滑道式，可以在角度、位置恰當(dāng)?shù)那闆r下，由磁鐵吸附電池滾筒促使電池體由刮板進(jìn)入彎曲下降的滑梯式滑道，經(jīng)滑道進(jìn)入下一道工序。

4 激光切割在極片切割中的應(yīng)用

4.1 切割設(shè)備選擇

根據(jù)鋰電池極片材質(zhì)，可以選擇不同的鋰電池極片切割系統(tǒng)。比如，對(duì)于鋰電池負(fù)極銅箔，可以選擇1064nmMOPA型光纖激光器，其峰值功率密度為2.4×106W/mm2，可以通過對(duì)種子源的電進(jìn)行調(diào)制，在兆赫茲工作頻率內(nèi)實(shí)現(xiàn)幾納米到幾十納米的“窄脈寬”切割。再如，對(duì)于鋰電池正極鋁箔，可以選擇脈沖達(dá)到皮秒級(jí)的皮秒激光器，其可以通過進(jìn)行種子源鎖模，獲得超窄脈沖信號(hào)[3]。進(jìn)而經(jīng)放大級(jí)別輸出，在幾十兆赫茲工作頻率內(nèi)實(shí)現(xiàn)幾納米的“超窄脈寬”切割。同時(shí)皮秒激光器可以利用三倍頻技術(shù)，將1064nm近紅外激光向355nm紫外光、532nm綠光轉(zhuǎn)化，滿足多種類別材料加工需求，并在激光脈寬小于材料電-聲弛豫時(shí)間時(shí)實(shí)現(xiàn)“冷加工”。

4.2 切割參數(shù)設(shè)置

在應(yīng)用1064nmMOPA型光纖激光器切割8.0μm銅箔（鋰電池負(fù)極）時(shí)，可以設(shè)定脈寬為20ns，工作頻率與單脈沖能量分別為760kHz、0.13mJ，改善銅箔切割毛刺問題，并將毛刺尺寸控制在10μm內(nèi)，同時(shí)減少鋰電池銅箔極片切割飛濺、熔融層尺寸誤差。部分情況下，為了減少熔融層“魚鱗紋”現(xiàn)象，也可以將脈沖頻率進(jìn)行進(jìn)一步提高，杜絕熔融重新凝結(jié)層。需要注意的是，在將脈寬一定、調(diào)高平均功率的同時(shí)，還需要根據(jù)激光器聚焦需要，調(diào)整焦點(diǎn)光斑直徑為60μm，調(diào)整銅箔切割時(shí)振鏡走筆速度為800mm/s?？紤]到銅箔具有高熱導(dǎo)率，材料吸收的激光能量不僅可以發(fā)生熔融汽化切口，而且可以沿著切口向材料內(nèi)部、周邊傳遞，形成熔融區(qū)、熱擴(kuò)散區(qū)多個(gè)區(qū)域。一般熔融區(qū)下方會(huì)出現(xiàn)顯著的亮白色+紅色+黃色熱影響帶，由近切口段向遠(yuǎn)處分布。

在應(yīng)用9.1W皮秒激光器532nm綠光激光器切割鋁箔正負(fù)極片時(shí)，可以設(shè)定脈寬為10ps，切割速度為1000mm/s，重復(fù)頻率為300kHz，縮小正極片熔融重新凝結(jié)區(qū)域，減弱熔融區(qū)下方亮白色+紅色+黃色熱影響帶，消除白色光亮層、紅色熱擴(kuò)散層[4]。而對(duì)于銅箔正負(fù)極片，因其電聲弛豫時(shí)間為57.5ps>10ps（激光脈寬），極易致使電子獲得能量無法滿足與晶格完全交換熱量需求，因此，可以依托高能激光環(huán)境，圍繞最外層電子大量能量電離與內(nèi)層電子碰撞電離過程，以高價(jià)正電母離子帶離為對(duì)象，觀察切口熱效應(yīng)。根據(jù)觀察結(jié)果，進(jìn)行切割參數(shù)的調(diào)整，或者進(jìn)行輔助氣體的應(yīng)用，如將常溫輔助氣體變更為低溫輔助氣體等。

4.3 切割過程控制

在鋰離子電池極片激光切割過程中，常用的切割方法為立式、臥式，前者用于疊片式電池切割，需要在傳輸帶上水平運(yùn)輸極片，在極片到達(dá)激光發(fā)射裝置下進(jìn)行切割;后者多用于卷繞式電池極片切割，并通過在極片上方設(shè)置吸塵罩及時(shí)吸附切割過程中產(chǎn)生的粉塵。考慮到在極片上方吸塵的方式極易導(dǎo)致極片切割不平整、切割精度下降問題出現(xiàn)，可以通過激光發(fā)射裝置、水平傳輸驅(qū)動(dòng)裝置、鋰離子電池極片切割吸附裝置、切割模塊循環(huán)輸送裝置運(yùn)行過程的嚴(yán)格控制，去除極片上方吸塵罩，保證極片切割精度。即將鋰離子電池極片切割吸附裝置設(shè)置在驅(qū)動(dòng)模塊傳輸?shù)匿囯x子電池極片上方，促使其在循環(huán)輸送模塊第一輸送帶邊緣與鋰離子電池極片同時(shí)移動(dòng)[5]。在切割模塊移動(dòng)到切割位置后，由控制器直接啟動(dòng)激光發(fā)射裝置，對(duì)鋰離子電池極片進(jìn)行切割。對(duì)于電池極片切割過程中出現(xiàn)的廢渣則通過切割模塊上設(shè)置的切割軌跡槽排出，同時(shí)通過切割模塊中設(shè)置的負(fù)壓通道吸附細(xì)小塵土。

5 總結(jié)

綜上所述，利用激光加工技術(shù)，可以在保證極耳焊接、激光切割質(zhì)量的同時(shí)，提高加工效率，并降低維護(hù)作業(yè)量，助力鋰電池極片切割、極耳焊接加工效益的提升。因此，在極耳焊接、極片切割過程中，加工者可以根據(jù)加工需求選擇恰當(dāng)?shù)募す馄?，如皮秒激光器、MOPA激光器、紫外激光器等，并進(jìn)行激光器波長(zhǎng)、脈寬、最大單脈沖能量等參數(shù)的調(diào)整，保證激光加工優(yōu)勢(shì)的充分發(fā)揮。

參考文獻(xiàn)：

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