新型電池制造中的激光焊接技術(shù)

電池制造業(yè)日益成為21世紀(jì)制造業(yè)中最大的新挑戰(zhàn)。雖然全球電池年生產(chǎn)量已達(dá)數(shù)百億件，但傳統(tǒng)的電池制造技術(shù)在電池效果和成本預(yù)算方面，已不能滿足飛速增長(zhǎng)的電池應(yīng)用范圍。我們大多數(shù)人已經(jīng)非常清楚，電池應(yīng)用在混合動(dòng)力汽車、插電式混合動(dòng)力汽車以及全電動(dòng)汽車中。雖然電池在汽車行業(yè)的應(yīng)用褒貶不一，但還是阻擋不了人們對(duì)這個(gè)行業(yè)的投資熱情?！睹绹?guó)復(fù)蘇與再投資法案》（ARRA或AR2）中提到，要向那些在美國(guó)投資生產(chǎn)電池的公司注入上千萬(wàn)美元的資金。借用美國(guó)能源部長(zhǎng)朱棣文（Steven Chu）的話說(shuō)，“這些都是非常有效的投資，未來(lái)會(huì)帶給我們?cè)S多倍的回報(bào)，主要體現(xiàn)在：創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會(huì)，減少對(duì)外國(guó)石油的依賴，令我們呼吸的空氣更加清潔，以及對(duì)抗氣候變化帶來(lái)的影響?！?

除了在汽車行業(yè)的應(yīng)用之外，成本經(jīng)濟(jì)、具有高性能的電池在電力和替代能源業(yè)應(yīng)用方面也非常有吸引力。廣泛安裝的住宅電池存儲(chǔ)可提供負(fù)載級(jí)別的電力需求，以及緊急后備電源。這種分布式能源存儲(chǔ)解決方案還可以提高電力生產(chǎn)基地的生產(chǎn)效率，抵消部分需求，用來(lái)投資、改善一些大型電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。而且，電能儲(chǔ)存有利于充分發(fā)揮不穩(wěn)定的替代能源的優(yōu)勢(shì)，比如太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電。此外，經(jīng)濟(jì)且高性能的電池技術(shù)也將有助于減少電網(wǎng)擴(kuò)張的成本。

如今，“高性能和經(jīng)濟(jì)性”應(yīng)該被用來(lái)清晰地描述和認(rèn)可電池在幫助我們解決能源挑戰(zhàn)中所扮演的英雄角色。盡管到目前為止進(jìn)行了大量集中的開(kāi)發(fā)工作，新開(kāi)發(fā)出來(lái)的電池技術(shù)和以前成熟的舊技術(shù)（如用于電筒、照相機(jī)和電腦的電池）相比，還稍顯稚嫩。因?yàn)楝F(xiàn)在市場(chǎng)上對(duì)電池應(yīng)用的能量?jī)?chǔ)存和電池壽命的要求更高，對(duì)電池的重量和成本要求更低，制造過(guò)程中的挑戰(zhàn)仍在解決中。許多很有前景的電池解決方案只存在于理論上的CAD圖形設(shè)計(jì)中，而這種設(shè)計(jì)方式已經(jīng)和現(xiàn)有制造技術(shù)所面臨的能力和限制相脫節(jié)。換而言之，設(shè)計(jì)人員和生產(chǎn)制造人員之間需要進(jìn)行更多的溝通！我們將會(huì)幫助他們。

在上述行業(yè)應(yīng)用的眾多電池技術(shù)中，還沒(méi)有出現(xiàn)公認(rèn)的或很明顯的獲勝者。鋰離子、鎳金屬氫化物、鋅空氣、鈉、硫和許多其它電池化學(xué)材料互相競(jìng)相，以滿足各種應(yīng)用領(lǐng)域的多種需求。而且對(duì)于給定的電池品種，也會(huì)有很多不同的產(chǎn)品外形變化，從而可能導(dǎo)致不同的制造方法。新型電池多是圓柱或平面設(shè)計(jì)。電池單元被堆疊，包裝起來(lái)，或者陣列起來(lái)，使獨(dú)立的單元被合并為串聯(lián)和并聯(lián)的電路。單元和單元之間的連接可能涉及到相似的或不同的金屬材料，有兩個(gè)或兩個(gè)以上不同的分層。盡管設(shè)計(jì)存在多樣性，但在所有這些電池設(shè)計(jì)概念中，都有一個(gè)共同點(diǎn)不斷出現(xiàn)。這項(xiàng)共同的挑戰(zhàn)就是需要將越來(lái)越薄的各種金屬材料以更快的速度連接起來(lái)，而這正是激光的應(yīng)用領(lǐng)域。

電池通常都包含許多種材料，比如鋅、鋼、鋁、銅、鈦、鎳等。這些金屬可能被制成電極、導(dǎo)線，或僅僅是外殼。他們有可能被或者不被另一種金屬或者電池材料覆蓋。但是，不管他們由什么組成，基于重量和成本最小化的考慮，它們都應(yīng)該盡可能地薄。許多新興的電池設(shè)計(jì)材料厚度范圍在25到250微米之間。焊接這些金屬的兩個(gè)主要的要求包括創(chuàng)造出電流傳導(dǎo)路徑和/或能夠儲(chǔ)存電解質(zhì)，但對(duì)于每個(gè)電池的設(shè)計(jì)和應(yīng)用來(lái)說(shuō)，電池焊接的完整性能規(guī)格是獨(dú)一無(wú)二的。導(dǎo)電性、強(qiáng)度、氣密性、金屬疲勞和耐腐蝕性能是典型的焊接質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。然后，在所有這些標(biāo)準(zhǔn)都被確定和實(shí)現(xiàn)之后，關(guān)鍵的決定因素是其成本是否經(jīng)濟(jì)。

圖1、鍍鎳鋼制薄片的搭焊

電池焊接設(shè)計(jì)對(duì)制造過(guò)程的成功起著關(guān)鍵作用。角焊和對(duì)焊往往對(duì)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)很有吸引力，但搭焊是目前為止最有可能成功的。搭焊相比于其他兩種焊接手段，能提供更多靈活性，這主要得益于其無(wú)需實(shí)現(xiàn)其它焊接手段所要求的精密節(jié)點(diǎn)到梁端的對(duì)齊。搭焊同時(shí)也為最終的整合任務(wù)提供了焊接多層電池組件的可能性（見(jiàn)圖1），這一過(guò)程有可能涉及到一種或多種材料類型。例如，某種同一類型金屬可能需要被精確焊接到另一類型的導(dǎo)體上?？梢圆捎玫暮附邮侄文壳耙呀?jīng)有許多種，并且還在迅速地發(fā)展。

圖2、混合金屬焊接：Cu-Al, Ni-Al, Ni-Ti-Ni

串聯(lián)電氣連接和巴斯（BUSS）連接通常要求連接非同類的金屬。正是在這個(gè)領(lǐng)域，激光焊接所特有的高速（100至1000毫米/秒）是其他焊接技術(shù)所不能匹敵的。高亮度光纖激光器進(jìn)一步推動(dòng)了高速焊接，在焊縫處可實(shí)現(xiàn)低熱輸入和高凝固速度。這種高的冷卻速度能有效控制發(fā)生在混合金屬焊接中的凝固缺陷。最容易產(chǎn)生裂紋的焊縫金屬組合是銅與鋁，這也恰巧是在鋰離子電池中最常用的金屬組合之一。高速光纖激光焊接在這一重要的金屬焊接工藝中，表現(xiàn)出了無(wú)裂紋焊接的特性。其它一些需要用到或不常見(jiàn)的金屬組合同樣也可以利用激光焊接完成，特別是當(dāng)凝固速度很高的時(shí)候（參見(jiàn)圖2）。最后，只要這些焊縫金屬組合是能夠?qū)崿F(xiàn)的，其至關(guān)重要的一點(diǎn)是評(píng)估他們?cè)陬A(yù)期電池應(yīng)用中的表現(xiàn)能力（尤其是強(qiáng)度、韌性、金屬疲勞和耐腐蝕方面）。

也許有人會(huì)覺(jué)得，這種充滿吸引力的制造工藝優(yōu)勢(shì)和機(jī)會(huì)的結(jié)合一定伴隨著負(fù)面因素。第一個(gè)不利的因素就是這些獨(dú)一無(wú)二的激光焊接應(yīng)用對(duì)電池設(shè)計(jì)師們來(lái)說(shuō)是比較陌生的。因而，“激光友好”焊接設(shè)計(jì)并不常常作為首選。另外，如果考慮運(yùn)用激光焊接技術(shù)，那些經(jīng)常出現(xiàn)的、尚未解決的問(wèn)題就會(huì)浮現(xiàn)出來(lái)——焊縫的性能究竟如何？電池行業(yè)似乎更愿意快速投入到值得信賴的制造產(chǎn)能上，簡(jiǎn)單來(lái)看，社團(tuán)方面也沒(méi)有時(shí)間、資源或耐心來(lái)評(píng)估、研發(fā)和實(shí)施新興的替代解決方案。

有一種公認(rèn)的、被頻繁運(yùn)用的激光焊接解決方案是基于振鏡掃描的激光焊接。這種“遠(yuǎn)程焊接”技術(shù)在廣闊的激光焊接世界中并非特別新穎，但在掃描頭和激光性能上的改進(jìn)，正讓它越來(lái)越受到廣泛關(guān)注。功率日益增加的高功率光纖激光器發(fā)射出幾乎完美的光束，現(xiàn)在可以在焊接加工的極限速度內(nèi)被完全充分利用，而且限制了其他焊接運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的加速問(wèn)題并未對(duì)其產(chǎn)生影響。該光束質(zhì)量還保證了更大的視覺(jué)范圍、更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間和更多地入射角，能在許多電池焊接配置中用來(lái)同時(shí)完成多個(gè)焊點(diǎn)的焊接（參見(jiàn)圖3）。

圖3、振鏡掃描激光焊接適用于許多電池配件的制造

其他有關(guān)高速振鏡掃描激光焊接的進(jìn)步還包括新興的“飛行光路”焊接技術(shù)。在這個(gè)案例中，需要達(dá)到的廣闊的覆蓋區(qū)域、高焊接速度和非常高的加速度等都能通過(guò)精準(zhǔn)的同步掃描軸（A, B）和互相垂直的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方向（X, Y）來(lái)實(shí)現(xiàn)。EWI公司使用了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Scanlab掃描頭和Aerotech公司生產(chǎn)的beta版CNC軟件及硬件，開(kāi)發(fā)并證明了這項(xiàng)技術(shù)的可行性。這種高性能的激光焊接解決方案（見(jiàn)圖4）目前正用于電池焊接以及燃料電池焊接工藝發(fā)展帶來(lái)的挑戰(zhàn)中。

圖4、飛行光路，同步X-Y-A-B振鏡掃描焊接

最后一個(gè)激光電池焊接難題是加工的穩(wěn)定性和質(zhì)量保證方面?；诩す夂附拥母咚俣群挽`活性，制造過(guò)程的成功還要依賴于整個(gè)系統(tǒng)中其它機(jī)械配件的性能，來(lái)快速實(shí)現(xiàn)良好的焊縫。這是一個(gè)非常艱巨的任務(wù)，特別是考慮到焊接的小尺寸和高速度，以及在電池生產(chǎn)所需完成的焊縫數(shù)量巨大。同時(shí)，考慮到在最終電池封裝中要求的焊接數(shù)量，6西格瑪?shù)燃?jí)的焊接質(zhì)量還是不夠的，需要達(dá)到更高的質(zhì)量水平。對(duì)于這些主要挑戰(zhàn)（工藝路線和焊接質(zhì)量保證）的解決，大多是通過(guò)高速圖像采集和分析來(lái)獲得。其中的一些方法已經(jīng)在一些更低速度的激光焊接應(yīng)用中嘗試了，但是需要進(jìn)一步提高速度和精確性，這也是在電池制造業(yè)中充分發(fā)揮激光焊接潛力的保證。

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