動力鋰電池制造中激光有哪些應(yīng)用你知道嗎？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-28 13:59
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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(shè)備一般為前端設(shè)備、中端設(shè)備、后端設(shè)備三種，其設(shè)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(yīng)用于鋰電制造設(shè)備之中。
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(dǎo)電性、強(qiáng)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(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
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(diǎn)小，高精度定位，配合機(jī)械手臂易于實(shí)現(xiàn)自動化，提高焊接效率，減少工時(shí)，降低成本；另外，激光焊接薄板材或細(xì)徑線材時(shí)，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(dǎo)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(diǎn)
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(dá)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(jì)，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(diǎn)在于鋁合金對激光束的高初始反射率及其本身的高導(dǎo)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(kuò)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(xué)性能下降。由于焊接過程中氣孔敏感性高,焊接時(shí)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(yán)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(shí)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(yīng)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(shè)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
?。?）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(shí)應(yīng)選擇合適的焊接波形。當(dāng)高強(qiáng)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(shí)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(diǎn)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(dāng)激光傾斜角度為40°時(shí)，獲得最大的焊點(diǎn)及有效結(jié)合面。焊點(diǎn)熔深和有效熔深隨激光傾斜角減小，當(dāng)激光傾斜角度大于60°時(shí)，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(dāng)增加焊縫熔深和熔寬。另外在焊接時(shí)，以焊縫為界，需將激光焊斑偏蓋板65%、殼體35%進(jìn)行焊接，這樣能有效減少因合蓋問題導(dǎo)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(shí)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(jī)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?yàn)檫B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(shè)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。
