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动力电池光纤激光焊接
发布时间:2022-04-27 作者:UW 向日葵app色版 浏览次数: 190

       通常,动力电池是一种新型清洁能源,目前是世界范围内的研究热点。是一种为电动汽车、电动火车、电动自行车、高尔夫球车等车辆提供动力源的蓄电池。它已被广泛应用于各行各业,成为人们生活的一部分。
 
       动力电池主要由正极材料、正极材料(碳材料)、隔膜、电解液、电池壳等组成,作为新能源汽车的核心部件,直接决定了整车性能。激光焊接是将这些原材料焊接到电芯、电池组等的一种制造工艺,对于动力电池的整个生产过程来说是非常关键的

图1 动力电池组成及应用

动力电池常用焊接方式比较

       许多封装技术应用于动力电池的实际生产过程:激光焊接、电阻焊、超声波焊接、冷金属转移焊接技术(CMT)、锡焊和钎焊、真空电子束焊接等。合适的焊接方法和优化的工艺参数对节省动力电池的生产成本,保证其均匀性、可靠性和安全性具有重要作用。激光焊接是一种灵活、高效、精密的非接触式工艺,不仅可以满足动力电池生产过程的性能要求,而且极大地推动了新能源动力技术的发展。
 
       下图 2 显示了一些常用焊接方法的焊缝图片,每种方法在某些应用领域各有优缺点。真空电子束焊接和激光焊接的焊接效果几乎相同,因为它们都是高能量密度焊接。但电子束焊接对设备和工作环境(真空)要求较高,量产难度较大。目前,它只用于一些特殊的超级电容器的生产。激光焊接具有焊接材料损耗低、无需焊剂、焊缝美观、性能稳定、操作方便、焊接质量好、自动化程度高、工艺重复性好等优点,是其他焊接方法无法比拟的

(a) 超声波焊接;(b) 电阻焊(ERW);(c) 焊接和钎焊;
(d) 冷金属转移焊技术;(e) 真空电子束焊接;(f) 连续激光焊接

 动力电池常见焊接位置

       如图3所示,动力电池电芯可分为棱柱形电芯、圆柱电芯和软包电芯三种,按外观和尺寸命名。例如,棱柱形锂离子 383450 型号意味着其电池的实部宽度为 34 毫米,厚度为 3.8 毫米,长度为 50 毫米。圆柱形 18650 型号表示其电池直径为 18 毫米,宽度为 65 毫米。袋装电池 383450 型号

       意味着其电池的实际部分是宽 34 毫米、厚 3.8 毫米和长 50 毫米。

图3 动力电池常用外形尺寸
(a) 方形电池 (b) 圆柱电池 (c) 软包电池

       这三种电池目前都用于电动汽车的生产中,其中棱柱形电池和圆柱形电池应用比较广泛。不同形状的动力电池具有不同的焊接工艺参数。特斯拉电动汽车就是一个很好的例子。它采用电池组结合7000多片松下NCR 18650 3100mah,确保电池寿命长。此外,中国市场上最畅销的电动汽车比亚迪王朝系列只是电池组与铝壳棱柱形电池组合的另一个例子。方形动力电池激光焊接工艺流程如图4所示。

图4 方形动力电池激光焊接工艺

       动力电池有六个激光焊接位置,即盖板安全口、电芯&极柱、电池壳、密封销(电解液注入孔)、电池极耳、电芯极耳和顶盖。此外,超级电容器的焊接位置主要是连接器和阴极(封焊)。超级电容器和不同类型动力电池的激光焊接位置如图5所示

动力电池激光焊接工艺研究

       铝合金和不锈钢是动力电池的两种主要外壳材料。应用最广泛的铝合金通常分为1xxx和3xxx铝合金。不锈钢具有良好的激光焊接性能。以304不锈钢为例,无论是脉冲激光还是连续激光焊接,都可以获得良好的焊缝外观和力学性能。由于生产过程中出现焊接表面鼓包、内部气孔、火花飞溅等问题,铝合金焊接的难度远大于不锈钢焊接。焊接表面鼓包和内部气孔问题可能是由于光纤直径太小、激光能量设置过高或焊接速度太快造成的。有很多因素(如材料的清洁度、纯度、性能等)。

       在实际生产中,焊接工艺人员会根据材料、形状、厚度和拉力,选择合适的激光和工艺参数(如焊接速度、波形、峰值、焊头倾斜角度等),以确保最终焊接效果满足动力电池厂商要求。1xxx和3xxx铝合金均可采用脉冲焊接或连续焊接。然而,连续焊接是其他系列铝合金中的最佳选择。下面以棱柱形动力电池为例,介绍激光焊接工艺的特点。

方形电池壳激光焊接

 图6 方形电池结构

       图6是方形电池的常见结构图。其外壳盖板的焊接分为顶焊和侧焊。顶部是带有阳极引出端子的矩形盖板。将盖板放入外壳中,使其与上端齐平。然后使用重复、连续的激光焊接和密封盖板和外壳之间的接缝。这个过程称为顶焊,在此过程中激光束不需要移动。将棱柱形电池固定在工作台上并将激光束对准焊缝后,启动工作台,使电池沿工作台的X、Y坐标移动,形成与焊缝相同的矩形图案。

       但是,方形电池盖板采用顶焊封接工艺时,没有放置盖板的定位步骤,对上盖的尺寸余量和焊接组装精度要求非常严格。与顶焊工艺相比,侧焊对尺寸余量的要求较低。并且上盖可以很容易地紧紧压住。但侧焊时工件必须旋转,且需要夹具,成本高,效率低。以焊接27148方形电池为例,顶焊比侧焊快1.5s左右。与侧焊相比,每小时可多生产120个产品

图7 方形电池壳顶焊和侧焊工艺
(a)顶焊:顶焊;(b)侧焊:侧焊

        相比较而言,方形动力电池的顶焊和侧焊各有优缺点:

        侧焊对电芯内部影响小,飞溅物不易进入壳盖内侧。这种方法的缺点是外壳盖在焊接后可能会鼓起,影响后续的组装过程。因此侧焊对激光稳定性、材料清洁度和顶盖与外壳的配合间隙有更高的要求。
 
       由于顶焊在一个平面上进行焊接,可以一次完成四个侧面的焊接,因此可以实现很高的焊接效率。但是,它对前道工序的定位精度和焊机的自动化水平有很高的要求。方型电池采用顶焊时,要根据实际情况调整波形、功率、焊接速度,四个角极易出现问题。而圆柱电池的激光焊接则不会出现这样的问题——圆柱电池通常固定在三爪 卡 盘上进行侧面焊接。尽管如此,圆柱电池后期集成电池模块将更加困难

 

 棱柱形电池安全排气口的激光焊接

       安全阀是密封板上的薄壁阀体。当电池内压超过规定值时,安全阀将破裂,为电池提供保护。结构巧妙,许多安全通风口是电池制造商的专利设计。它的基本原理是使用激光焊接两个固定的铝金属板。当内压超过一定值时,铝片会在凹槽内开裂,防止电池爆裂。因此,该工艺对激光焊接工艺的技术要求很高,必须使焊缝密封良好。此外,焊缝的断裂压力应大于铝板坡口的断裂压力。下图 8 显示了两种常见的安全通风口

Primary 安全阀阀常用形状 常见的电池形状:两种常见的安全阀形状

       图 9 是采用连续和脉冲激光焊接的安全阀的两张焊缝图。可采用连续和脉冲激光焊接安全阀。脉冲激光通过焊点的重叠和覆盖,实现连续密封焊接。但焊接效率相对较低,密封性较差(如果参数调整不当,使用脉冲激光焊接安全阀时可能会出现缺陷。)。尽管连续激光焊接对产品装配精度有更高的要求,但高速、高质量的焊接,焊接稳定性高,效率和良率都可以得到保证。例如,25*15mm的安全阀分离器使用300W脉冲激光进行焊接需要10多秒,而1000W单模光纤激光器只需不到2秒

图 9 采用连续和脉冲激光焊接的安全阀焊缝图

棱柱形电池片和连接器的激光焊接

       盖板上的电池极柱有内外连接:在电池内部,电芯极耳和极柱之间进行焊接。在电池外部,电池极柱通过连接器焊接形成串联电路和并联电路,构成电池模块。Tab为电池正负极,铝为阳极,铜为阴极。根据电池型号不同,铝(铜)极耳的尺寸也不同。在满足拉力和电导率设计要求的前提下,优先选用激光光束质量好、光斑小的光纤激光器。图 10 显示了光纤激光焊接、铝之间和铜之间电池片的激光焊接。

图 10 电池片和接线柱之间的振镜扫描仪焊接

 

       由于电池极耳和连接器的材料、结构和焊接方法非常相似,因此它们的技术流程几乎相同。不同的是,连接器位于电池外侧,需要更高的焊接强度。硬连接器:对于电池组,电池极柱之间的连接器厚度在1.5~2mm之间。4000~6000W光纤激光器,配合大功率振镜和机器人,最大限度提高生产效率:在振镜驱动下,激光点可进行极高速(100~300mm/s)和空跳(2000~ 3000 毫米/秒)。机器人每移动到某个位置,振镜可以焊接4到9个柱子,效率高于其他激光器(与振镜功率相同,与XYZ平台和焊头一起工作)。请参见图 11

图 11 焊接电池极柱和连接器

 

 方形电池封口针的激光焊接

       密封销(喷孔盖)有很多种,很像一个直径8mm、厚度0.8的圆形盖帽,可以用脉冲激光焊接。值得注意的是,由于部分盖帽采用冷加工成型,冷加工硬化和残余应力很容易造成焊缝裂纹。所以在焊接前对盖帽进行热处理是很有必要的。方形动力电池的封针通常采用铆接或YAG脉冲激光焊接。使用 300W LP YAG 脉冲激光焊接密封销,生产效率可达 6PPM。直径 8 毫米。为了提高生产率,应该加快焊接速度。所以光纤激光器是实现连续激光焊接的不错选择。然而,由于残留电解液及其结晶容易导致焊接飞溅和小孔,对产品的清洁度要求较高。所以很明显,激光清洗对于这个过程是相当重要的

图 12 密封销连续激光焊接

总结
无论是哪种动力电池,技术过程中的问题还是需要根据实际情况来解决的。由于其独特的优势,激光焊接正被广泛应用于动力电池行业。未解决的问题有待向日葵视频黄色视频进一步研究,向日葵视频黄色视频将加紧努力,为电池厂商提供更好、更快、更稳定的焊接设备,助力行业发展

 

作者:Sherlock Wan

编辑:Sherlock Wan

来源:网络- 新能源高压连接器联盟

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