激光在動力鋰電池制造中的應用

自1990年問世以來，因其能量密度高、電壓高、環(huán)保、壽命長以及可快速充電等優(yōu)點，深受3C數(shù)碼、動力工具等行業(yè)的青睞，其對新能源汽車行業(yè)的貢獻尤為突出。作為提供新能源汽車動力來源的鋰電池產(chǎn)業(yè)，市場潛力巨大，是國家戰(zhàn)略發(fā)展的重要一環(huán)，預計未來5-10年，產(chǎn)業(yè)規(guī)模有望突破1600億元。

動力電池作為新能源汽車的核心部件，其品質(zhì)直接決定了整車性能。鋰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直接影響產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和一致性。而激光加工技術(shù)作為一種替代傳統(tǒng)焊接技術(shù)已廣泛應用于鋰電制造設備之中。

本文通過激光在動力電池行業(yè)中的應用情況，闡述了激光焊接的工藝特點，分析了鋁合金激光焊接難點以及焊接模式對焊接質(zhì)量的影響，列舉了方形動力電池及電池PACK工藝特點及設備發(fā)展趨勢。

激光焊接工藝

從鋰電池電芯的制造到電池PACK成組，焊接都是一道很重要的制造工序，鋰電池的導電性、強度、氣密性、金屬疲勞和耐腐蝕性，是典型的電池焊接質(zhì)量評價標準。

焊接方法和焊接工藝的選用，將直接影響電池的成本、質(zhì)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(yōu)勢脫穎而出：首先，激光焊接能量密度高、焊接變形小、熱影響區(qū)小，可以有效地提高制件精度，焊縫光滑無雜質(zhì)、均勻致密、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(xiàn)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(jié)構(gòu)通常包含多種材料，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(yōu)勢就在于可以焊接的材質(zhì)種類廣泛，能夠?qū)崿F(xiàn)不同材料之間的焊接。

工藝難點

動力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(zhì)，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(jù)統(tǒng)計，鋁合金材料的電池殼體占整個動力電池的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(wěn)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,焊接時不可避免地會出現(xiàn)一些問題缺陷，其中最主要的是氣孔和熱裂紋。鋁合金的激光焊接過程中產(chǎn)生的氣孔主要有兩類：氫氣孔和匙孔破滅產(chǎn)生的氣孔。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產(chǎn)生的孔洞。

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(xiàn)熱裂紋，包括焊縫結(jié)晶裂紋和HAZ液化裂紋，由于焊縫區(qū)成分偏析會發(fā)生共晶偏析而出現(xiàn)晶界熔化，在應力作用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，而起決定性作用的則是激光器的穩(wěn)定性。殼體表面凸起、氣孔、內(nèi)部氣泡，究其原因，主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(xiàn)的問題，尋找到合適的工藝參數(shù)才是解決問題的關(guān)鍵。

焊接模式分析

(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，焊接時應選擇合適的焊接波形。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(yōu)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產(chǎn)生。

由于鋁合金對激光的反射率較高，為了防止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(zhuǎn)一定角度。焊點直徑和有效結(jié)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(jié)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，可以適當增加焊縫熔深和熔寬。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)連續(xù)模式焊接

連續(xù)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明顯，為了改善焊縫質(zhì)量，采用連續(xù)激光器焊接，焊縫表面平滑均勻，無飛濺，無缺陷，焊縫內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)裂紋。在鋁合金焊接方面，連續(xù)激光器優(yōu)勢明顯：與傳統(tǒng)焊接方式相比，生產(chǎn)效率高，且無需填絲;與脈沖激光焊相比，可以解決其在焊后產(chǎn)生的缺陷，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(jié)約生產(chǎn)成本，但是因為連續(xù)激光器光斑較小，所以對工件的裝配精度要求較高。

在動力電池焊接過程中，焊接工藝技術(shù)人員會根據(jù)電池材料、形狀、厚度、拉力要求等選擇合適的激光器和焊接工藝參數(shù)，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(shù)，以保證最終的焊接效果滿足動力電池廠家的要求。

方形電池焊接

在方型電池的焊接工藝中，最重要的工序是殼蓋的封裝，方形電池外殼的封口辦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連續(xù)激光焊接的方式，焊好密封即可。

方形電池的焊接方式主要分為側(cè)焊和頂焊，其中側(cè)焊的主要好處是對電芯內(nèi)部的影響較小，飛濺物不會輕易進入殼蓋內(nèi)側(cè)。由于焊接后可能會導致凸起，這對后續(xù)工藝的裝配會有些微影響，因此側(cè)焊工藝對激光器的穩(wěn)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，動力電池立焊接方式是業(yè)內(nèi)廣為青睞的焊接方式，立焊只需一個收口節(jié)點，便可大大降低側(cè)焊接四個收口節(jié)點的側(cè)漏風險，而且有利于量產(chǎn)。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(xiàn)了99.5%以上的焊接良品率和12PPM的生產(chǎn)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、輸出而形成的應用電池組的生產(chǎn)過程稱為PACK。電池PACK是實現(xiàn)電池在不同領域應用的一道重要工序。隨著PACK工藝的不斷發(fā)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(fā)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(yōu)勢，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(fā)展趨勢

新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并未對其所使用的動力電池及電池模組的規(guī)格標準定型并標準化，出現(xiàn)了眾多規(guī)格體系不兼容的問題，當前的工藝流程和人工操作制約了企業(yè)的生產(chǎn)節(jié)拍和效率，從而無法有效提升產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)能。所以，提升動力電池模組組裝的自動化水平非常必要?，F(xiàn)今，實現(xiàn)“整線設備+機器人+ 軟件控制”的智能化解決方案，既要解決用戶重點關(guān)注的兼容性、整線節(jié)拍和效率問題，又要解決用戶電池PACK訂單批量小、規(guī)格多的問題。

管理軟件方面。整套MES系統(tǒng)直接將產(chǎn)線打造成準無人化生產(chǎn)車間，人工只需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(huán)節(jié)，只需要將激光焊接工藝數(shù)據(jù)集成在MES管理軟件系統(tǒng)中，以方便用戶直接調(diào)用、切換。從電芯到PACK成組，每一道工序的參數(shù)、數(shù)據(jù)及其他來料信息等，都可以通過MES系統(tǒng)快速查詢并及時分析處理，既要做到過程可控，又要有效保障生產(chǎn)效率，用戶還通過預留的工業(yè)通訊接口實現(xiàn)遠程監(jiān)控管理，充分體現(xiàn)智能化自動化的制造特點。搭載激光解決方案的產(chǎn)品已向著高智能化、高自動化的趨勢方向發(fā)展。

小結(jié)

雖然我國激光焊接工藝日趨成熟，但是，高質(zhì)量的動力電池仍需生產(chǎn)廠家設計人員和激光焊接技術(shù)人員密切協(xié)作，從材質(zhì)、形狀、厚度、工藝、實時檢測等各方面優(yōu)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電池焊接領域有十多年的經(jīng)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(chǎn)線解決方案。