鉅大LARGE | 點擊量：1000次 | 2021年08月26日
動力鋰離子電池制造中激光有何用途？
自1990年問世以來，因其能量密度高、電壓高、環保、壽命長以及可快速充電等優勢，深受3C數碼、動力工具等行業的酷愛，其對新能源汽車行業的貢獻尤為突出。作為供應新能源汽車動力來源的鋰離子電池產業，市場潛力巨大，是國家戰略發展的緊要一環，預計將來5-10年，產業規模有望沖破1600億元。
動力鋰離子電池作為新能源汽車的核心部件，其品質筆直決定了整車性能。鋰離子電池制造設備一般為前端設備、中端設備、后端設備三種，其設備精度和自動化水平將會筆直影響產品的加工效率和一致性。而激光出產技術作為一種替代傳統焊接技術已廣泛使用于鋰電制造設備之中。
本文通過激光在動力鋰離子電池行業中的使用情況，闡述了激光焊接的工藝特點，分解了鋁合金激光焊接難點以及焊接模式對焊接質量的影響，列舉了方形動力鋰離子電池及電池pACK工藝特點及設備發展趨勢。
激光焊接工藝
從鋰離子電池電芯的制造到電池pACK成組，焊接都是一道很緊要的制造工序，鋰離子電池的導電性、強度、氣密性、金屬疲勞和耐腐蝕性，是典型的電池焊接質量評價標準。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
焊接辦法和焊接工藝的選用，將筆直影響電池的成本、質量、安全以及電池的一致性。在眾多焊接方式中，激光焊接以如下優點脫穎而出：首先，激光焊接能量密度高、焊接變形小、熱影響區小，可以有效地提高制件精度，焊縫光滑無雜質、平均致密、無需附加的打磨工作;其次，激光焊接可精確控制，聚焦光點小，高精度定位，配合機械手臂易于實現自動化，提高焊接效率，減少工時，降低成本;另外，激光焊接薄板材或細徑線材時，不會像電弧焊接那樣容易受到回熔的困擾。
電池的結構通常蘊含多種材料，如鋼、鋁、銅、鎳等，這些金屬可能被制成電極、導線，或是外殼;因此，無論是一種材料之間或是多種材料之間的焊接，均對焊接工藝提出了較高要求。激光焊接的工藝優點就在于可以焊接的材質種類廣泛，能夠實現不同材料之間的焊接。
工藝難點
動力鋰離子電池電芯的制造由于遵循輕便原則，通常會采用較輕的鋁材質，而且還要做得更薄，一般殼、蓋、底的厚度基本都要求達到1.0mm以下，目前一些主流廠家的基本材料厚度均在0.8mm左右。據統計，鋁合金材料的電池殼體占整個動力鋰離子電池的90%以上。
鋁材焊接的難點在于鋁合金對激光束的高初始反射率及其本身的高導熱性，使得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散，使得焊接穩定性差。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性能下降。由于焊接過程中氣孔敏感性高,焊接時不可戒備地會出現一些問題缺陷，其中最緊要的是氣孔和熱裂紋。鋁合金的激光焊接過程中出現的氣孔緊要有兩類：氫氣孔和匙孔破滅出現的氣孔。由于激光焊接的冷卻速度太快，氫氣孔問題更加嚴重，并且在激光焊接中還多了一類由于小孔的塌陷而出現的孔洞。
熱裂紋問題。鋁合金屬于典型的共晶型合金，焊接時容易出現熱裂紋，包括焊縫結晶裂紋和HAZ液化裂紋，由于焊縫區成分偏析會發生共晶偏析而出現晶界熔化，在應力用途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，而起決定性用途的則是激光器的穩定性。殼體表面凸起、氣孔、內部氣泡，究其原由，緊要是光纖芯徑過小或者激光能量設置過高所致。
針對以上出現的問題，尋找到適宜的工藝參數才是處理問題的關鍵。
焊接模式分解
(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，焊接時應選擇適宜的焊接波形。當高強度激光束入射到材料表面，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選擇尖形波和雙峰波，這兩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出現。
由于鋁合金對激光的反射率較高，為了戒備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一定角度。焊點直徑和有效結合面的直徑，隨激光傾斜角的增大而增大，當激光傾斜角度為40°時，獲得最大的焊點及有效結合面。焊點熔深和有效熔深隨激光傾斜角減小，當激光傾斜角度大于60°時，其有效焊接熔深降為零。所以傾斜焊接頭到一定角度，可以適當新增焊縫熔深和熔寬。另外在焊接時，以焊縫為界，需將激光焊斑偏蓋板65%、殼體35%進行焊接，這樣能有效減少因合蓋問題導致的炸火。
(2)繼續模式焊接
繼續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分明，為了改善焊縫質量，采用繼續激光器焊接，焊縫表面平滑平均，無飛濺，無缺陷，焊縫內部未發現裂紋。在鋁合金焊接方面，繼續激光器優點分明：與傳統焊接方式相比，加工效率高，且無需填絲;與脈沖激光焊相比，可以處理其在焊后出現的缺陷，如裂紋、氣孔、飛濺等，保證鋁合金在焊后有良好的機械性能;焊后不會凹陷，拋光打磨量減少，節約加工成本，但是因為繼續激光器光斑較小，所以對工件的裝配精度要求較高。
在動力鋰離子電池焊接過程中，焊接工藝技術人員會依據電池材料、形狀、厚度、拉力要求等選擇適宜的激光器和焊接工藝參數，包括焊接速度、波形、峰值、焊頭傾斜角度等來設置合理的焊接工藝參數，以保證最終的焊接效果滿足動力鋰離子電池廠家的要求。
方形電池焊接
在方型電池的焊接工藝中，最緊要的工序是殼蓋的封裝，方形電池外殼的封口方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繼續激光焊接的方式，焊好密封即可。
方形電池的焊接方式緊要分為側焊和頂焊，其中側焊的緊要好處是對電芯內部的影響較小，飛濺物不會輕易進入殼蓋內側。由于焊接后可能會導致凸起，這對后續工藝的裝配會有些微影響，因此側焊工藝對激光器的穩定性、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，對焊接設備集成要求比較低。
目前，動力鋰離子電池立焊接方式是業內廣為酷愛的焊接方式，立焊只需一個收口節點，便可大大降低側焊接四個收口節點的側漏風險，而且有利于量產。武漢逸飛激光設備有限公司的高速電池殼體激光立焊接設備，實現了99.5%以上的焊接良品率和12ppM的加工效率。
電池pACK工藝
(1)電池pACK
電池電芯通過加裝保護電路、外殼、輸出而形成的使用電池包的加工過程稱為pACK。電池pACK是實現電池在不同范疇使用的一道緊要工序。隨著pACK工藝的不斷發展，連接方式也不斷改進，從最初的錫焊到到后來的電阻焊，發展至今，激光焊接因其焊接精度、可靠性及自動化程度高的優點，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。
(2)智能裝備發展趨勢
新能源汽車產業的發展，并未對其所使用的動力鋰離子電池及電池模組的規格標準定型并標準化，出現了眾多規格體系不兼容的問題，當前的工藝流程和人工操作制約了公司的加工節拍和效率，從而無法有效提升產品質量和產量。所以，提升動力鋰離子電池模組組裝的自動化水平非常必要。現今，實現整線設備+機器人+軟件控制的智能化處理辦法，既要處理用戶重點關注的兼容性、整線節拍和效率問題，又要處理用戶電池pACK訂單批量小、規格多的問題。
管理軟件方面。整套MES系統筆直將產線打造成準無人化加工車間，人工只要在線外進行物料補充，既提高了安全性，又減少了人為介入。焊接工序環節，只要將激光焊接工藝數據集成在MES管理軟件系統中，以方便用戶筆直調用、切換。從電芯到pACK成組，每一道工序的參數、數據及其他來料信息等，都可以通過MES系統快速查詢并及時分解解決，既要做到過程可控，又要有效保障加工效率，用戶還通過預留的工業通訊接口實現遠程監控管理，充足體現智能化自動化的制造特點。搭載激光處理辦法的產品已向著高智能化、高自動化的趨勢方向發展。
小結
雖然我國激光焊接工藝日趨成熟，但是，高質量的動力鋰離子電池仍需加廠家設計人員和激光焊接技術人員密切協作，從材質、形狀、厚度、工藝、實時測試等各方面優化設計，才能達到理想的焊接效果。武漢逸飛激光設備有限公司在動力鋰離子電池焊接范疇有十多年的相關相關經驗，致力于打造高精度、高效率、高可靠性、無人化、可視化和信息化的電池電芯、模組及pACK智能自動化制造產線處理辦法。
