激光焊接技術在鋰離子動力電池電芯制作中的應用

李曉坡　郭龍超　黃黎明

摘 要：介紹了一種鋰離子電池生產過程激光焊接設備系統；介紹了一種激光焊接技術在鋰離子動力電池電芯制作中的應用實例；簡述了影響產品激光焊接質量的因素分析；展望了激光焊接技術在鋰電池生產行業中的發展前景。

關鍵詞：激光焊接 激光焊接工作臺 鋰離子電池激光焊接 激光焊接焊接影響 應用

中圖分類號：TG456.7 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）03（b）-0074-02

1 激光焊接技術概述

激光焊接的工作原理如下所示。

激光焊接工作是應用高能脈沖激光來實現，脈沖氙燈作為泵浦源，激光電源把脈沖氙燈點著，通過激光電源對氙燈放電，形成一定頻率的光波，光波經過激光聚光腔照射到激光晶體上，使晶體受激輻射，再經過諧振腔之后發出波長的脈沖激光，該脈沖激光經過擴束，反射聚焦于所要焊接的物體，在控制器的控制下，移動工作臺面完成焊接[1]。

2 一種鋰離子電池電芯制作中激光焊接系統

鋰電池激光焊接系統主要由激光器、導光系統、工作臺、電池組件固定工裝夾具、控制系統、冷卻系統組成。

2.1 激光器

激光器的選用首先決定于所要求的波長、功率和模式，以及加工對象。同時還要考慮在工作環境下運行的可靠性，維修調整的方便性，尺寸的大小以及占用面積等因素。

2.2 導光系統

導光系統將激光由激光器引導至由聚焦光或勻光光具組成的加工頭。加工頭若是固定的，則導光系統固定不動，若加工頭可以運動，那么導光系統也必須是可動的。

2.3 工作臺

工作臺用于固定電池零件工件，加工過程中確保工件與激光束的相對位置。根據加工要求，工作臺能帶動工件做所需的相對運動，工作臺示意圖見圖1。

工作臺功能及性能介紹如下。

（1）二軸運動模塊：由兩個伺服平臺組合構成，每個伺服平臺采用高精度電機驅動滾珠絲桿運動，線性導軌導向。伺服平臺帶動焊接頭進行焊接。

（2）CCD監視模塊：兩個CCD與兩個準直聚焦頭同軸安裝，在此工序中，CCD能夠實時監控到焊點的焊接情況。

機架：由方鋼鈑金焊接而成，實現機器的牢固穩定、外形美觀、運行穩定。

電控系統：實現對整個系統的控制（包括運動控制和傳感器的檢測）。

軟件系統：實現各個步驟的焊接與激光焊接的配合。

2.4 夾具部分

夾具需對焊接樣件進行完全防護，只漏出焊接區域，能夠有效地防止焊穿現象的發生，防止焊渣飛濺落到產品表面。

（1）夾具機構：采用氣缸夾緊，利用定位板定位，封閉式夾具結構防止焊渣飛濺落到產品表面。

（2）吹氣機構：在不干涉夾具的情況下，使用加裝側吹方式（防飛濺氣刀）吹保護氣體，保證焊接表面效果；在飛濺嚴重的正極兩側，安裝專用氣刀，由壓縮氣體組成屏障，防止飛濺污染保護鏡片。

（3）導向部分：使工件沿導向槽放入夾具中，提高裝夾效率。

2.5 冷卻系統

激光焊接機工作時，泵源對激光器的輸入能量大部分都轉化為燈、工作物質和聚光腔的熱能。工作物質溫度過高時，會嚴重損害激光器的正常工作，因此，必須采取冷卻措施。一般采用閉合回路冷卻系統，包括液泵、熱交換器和容器等。

當前的激光器件已經形成系列化，使用比較成熟，因此，控制系統的性能就對整機功能起到重要影響。要求更加智能化和自動化[2]。

3 激光焊接技術在鋰離子動力電池電芯制作中的應用

3.1 在鋰離子動力電池（疊片工藝）電芯制作過程中的應用

電池蓋板極柱組件極耳軟連接引片厚度、材質，極耳引片（Tab）厚度、材質，焊接面積，焊印形狀，焊接參數等。在使用激光焊接的過程中，要綜合考慮各種因素，并進行大量實驗，才能得到良好的焊接效果。

電池在制作過程中，對于層數較多的軟連接，需通過超聲波焊接機對多層軟連接進行預焊，再將預焊后壓平后的軟連接與蓋板極柱利用激光焊接起來。若軟連接層數較少，可直接對多層軟連接與極柱進行激光焊接，無需超聲波預焊整形處理。

3.2 影響焊接過程因素分析

進行焊接過程，需要保證物件完全加緊壓平，確保有效焦距的位置公差精度，另外焊接過程中要使用氮氣保護器，對焊接位置進行保護，防護產品氧化[3]。

脈沖激光焊接機的規格參數主要為最大電功率、轉換效率，最大激光功率，最大脈沖能量，峰值功率，最大光路分時分光反饋速度、決定了焊機規格的選擇[4]。

在鋰電池生產過程中，此項工序作為特殊關鍵工序規定，一定要進行首件三檢和過程自檢，焊接完成后，需要使用拉力設備檢驗焊接效果，檢驗產品焊接拉力和粘連面積，根據測試結果對焊接參數進行調整，直至焊接效果最佳方能連續生產，保證電池組件焊接質量一致性。針對動力電池殼體、蓋板激光焊接試驗，通過調整激光焊機脈寬、頻率、峰值功率等工藝參數，驗證不同參數對激光單點能量及焊接平均功率的影響，結合平均功率對焊縫熔深影響及不同熔深狀態下與焊縫耐壓強度的對應關系，進而優化激光焊接工藝參數，確保動力電池激光焊接過程的穩定性和焊接質量的一致性[5]。

4 結語

目前，與激光焊機配合的工作臺及焊接工件固定夾具的精度和自動化程度，對焊接的效果及生產效率有很大的影響。在使用焊機的過程中，需要對焊機的環境加以控制。其中若出現保護鏡片過臟，焦距不合適，極柱與軟連接裝夾不到位，存在有間隙，軟連接層間未壓實等因素，均會出現產品虛焊和脫焊不良，影響物件連接強度，對于電池而言，嚴重影響電池內阻和容量性能。激光器冷水機水溫過高，光纖燒壞，激光棒爆裂等故障均為導致設備不出激光。國內的激光焊接廠家數量很多，產品的優點是設備價格適中，但焊接質量及設備穩定性與進口設備相比，仍存在一定差距，而鋰離子電池制造過程對于焊接質量的一致性要求較高。

參考文獻

[1] 梁艷梅.激光焊接中各參數對焊接質量影響的研究[J].價值工程，2015（30）：137-139.

[2] 郝新鋒，朱小軍，李孝軒，等.激光焊接技術在電子封裝中的應用及發展[J].電子機械工程，2011（6）：43-45.

[3] 劉其斌.激光加工技術及其應用[J].北京：冶金工業出版社，2007.

[4] 李林賀，鄧適.動力電池殼體激光焊接工藝[J].焊接技術，2013（7）：30-32.

[5] 陳彥賓.現代激光焊接技術[M].北京：科學出版社，2005.