電池模塊CMT焊技術(shù)研究

佟雪松

摘 要：近幾年新能源行業(yè)出現(xiàn)井噴式發(fā)展，各動(dòng)力電池廠、Pack集成廠為搶占市場(chǎng)，積極開發(fā)新型Pack集成技術(shù)。集成技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一為安全，電池模塊作為Pack內(nèi)關(guān)鍵零部件，其集成質(zhì)量直接影響Pack安全性能。CMT焊技術(shù)由于其焊接強(qiáng)度高、抗震性能好、低熱輸入、無飛濺、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、成本低的特點(diǎn)，被引入Pack集成領(lǐng)域，獲得行業(yè)認(rèn)可。文章重點(diǎn)研究CMT焊技術(shù)在電池模塊集成方面的應(yīng)用，介紹焊接技術(shù)指標(biāo)、質(zhì)量評(píng)價(jià)手段、常見缺陷成因、改善方案等。

關(guān)鍵詞：電池模塊；CMT；氣孔；激光尋址

中圖分類號(hào)：TG44 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）28-0162-03

Abstract： In recent years， the new energy industry has a blowout development， power battery plants， Pack integration plants to seize the market， and actively develop new Pack integration technology. Safety is one of the key technical indexes of integration technology. Battery module is the key component of Pack， and its integration quality directly affects the safety performance of Pack. CMT welding technology because of its high welding strength， good seismic performance， low heat input， no splash， easy to achieve automation， low cost， has been introduced into the field of Pack integration， and has been recognized by the industry. This paper focuses on the application of CMT welding technology in battery module integration， introduces the welding technical indicators， quality evaluation means， the causes of common defects， improvement programs and so on.

Keywords： battery module； CMT； pore； laser addressing

1 概述

隨著新能源行業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各電池廠、Pack廠陸續(xù)推出高比能量、高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、高安全性能的模塊，新型電池模塊采用金屬邊框CMT焊接工藝。CMT焊接不良將會(huì)降低模塊機(jī)械強(qiáng)度及標(biāo)準(zhǔn)化程度，整車使用過程易發(fā)生安全事故，廠內(nèi)焊縫缺陷需要人工修復(fù)，增加材料、人工、時(shí)間成本，造成浪費(fèi)，同時(shí)CMT焊接采用設(shè)備自動(dòng)焊，焊接質(zhì)量決定模塊線直通率及節(jié)拍，因此，保證電池模塊的CMT焊質(zhì)量至關(guān)重要。

2 總體方案

電池模塊采用兩鋁合金端板（6063-T6）、兩鋁合金側(cè)板（5083-O）堆疊拼接在一起，兩種部件自身具備強(qiáng)度高、重量輕、易焊接的特點(diǎn)，側(cè)板與端板貼合，形成4條拼接縫，拼接縫處利用CMT焊沿縫隙焊牢，形成4條焊縫。

3 試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

堆疊X型、Y型模塊各5個(gè)并進(jìn)行CMT焊，制定各20條焊縫樣本，對(duì)焊接效果進(jìn)行評(píng)價(jià)并分析失效原因，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)難題制定解決方案。經(jīng)過大量試驗(yàn)驗(yàn)證，確定電池模塊CMT焊接參數(shù)如下：

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 焊縫質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

尺寸合格標(biāo)準(zhǔn)：（1）焊縫余高≤1.5mm；（2）焊縫寬度3～6.5mm；（3）焊縫長度：X為155±4mm，Y為180±4mm。焊縫存在氣孔等缺陷導(dǎo)致有效長度不足，X型模塊焊縫合格率85%，Y型模塊焊縫合格率90%，尺寸合格焊縫經(jīng)拉力測(cè)試后同樣合格。

3.2.2焊縫質(zhì)量判斷標(biāo)準(zhǔn)

（1）外觀尺寸：通過游標(biāo)卡尺測(cè)量焊縫的有效長度、寬度、余高。

（2）拉力測(cè)試：拉力機(jī)兩夾爪分別夾緊焊縫的端板、側(cè)板，定速外拉至焊縫破損，查看拉力，計(jì)算單位焊縫的承載能力。

（3）金相檢測(cè)：切割制作CMT焊L型小切片，打磨后終樣放在鑲嵌槽內(nèi)，撒入足量鑲嵌粉，利用鑲嵌機(jī)加熱至鑲嵌粉固化，形成鑲嵌樣品；使用棉簽蘸取稀鹽酸擦拭樣品金屬外露部分，至焊縫紋路清晰；利用顯微鏡觀察探測(cè)CMT焊縫內(nèi)部熔深、熔寬是否滿足要求。

（4）滲透檢測(cè)：使用著色滲透劑噴淋焊縫，使液體滲透至工件孔隙中，然后清洗劑清除焊縫表面的多余滲透劑，最后顯像劑噴涂焊縫，利用毛細(xì)孔原理將孔隙中的滲透液吸出并顯像。

經(jīng)確認(rèn)，40個(gè)樣本焊縫內(nèi)，35條合格，5條有效長度不足，存在質(zhì)量缺陷。

4 失效分析

焊縫不良表現(xiàn)為氣孔、偏焊、斷焊、咬邊、焊糊等缺陷，主要原因?yàn)椋海?）側(cè)板、端板母材材質(zhì)不達(dá)標(biāo)；（2）側(cè)板、端板表面潔凈度不足；（3）保護(hù)氣純度不足；（4）模塊堆疊精度不足；（5）工裝定位精度不足；（6）側(cè)板與端板未貼緊；（7）管線包送絲管出絲不順；（8）焊接速度過快，冷卻過快；（9）焊接軌跡不合適；（10）干絲出絲過長，超出保護(hù)氣保護(hù)范圍；（11）側(cè)板或端板堆疊歪斜；（12）端板、側(cè)板拼接位置預(yù)留寬度超差；（13）環(huán)境濕度大。

5 技術(shù)難點(diǎn)及解決方案

經(jīng)分析驗(yàn)證，造成焊接不良的主要原因是模塊堆疊精度差，其中堆疊精度差一是電芯厚度公差累積，二是不同堆疊工裝尺寸偏差，三是電池模塊堆疊誤差。焊絲位置固定的情況下，相對(duì)于模塊的焊接位置不固定，導(dǎo)致焊接軌跡偏移，焊縫出現(xiàn)不良，該技術(shù)難點(diǎn)通過激光尋址技術(shù)解決。

激光尋址系統(tǒng)分兩部分：一是激光發(fā)射器、二是顯示主屏，其中激光發(fā)射器安裝在CMT焊槍頭，顯示主屏安裝在機(jī)器人懸臂。

側(cè)板與端板窄面貼緊，側(cè)板邊沿距端板外端面間距L一般控制在3～3.5mm，側(cè)板厚度1.5mm。

發(fā)射器發(fā)出寬度1mm的激光束，分別照射在端板、側(cè)板上，以端板為基準(zhǔn)面（理論上該平面坐標(biāo)值為0，即原點(diǎn)，顯示主屏可實(shí)時(shí)顯示此數(shù)值，實(shí)際顯示至百分位，具有一定正負(fù)值偏差）。激光器接收反饋信號(hào)，測(cè)得光源距端板間距L1，光源距側(cè)板間距L2，△L=L1-L2，一般△L設(shè)定范圍為1.5～2mm， 超出此范圍，判定端板與側(cè)板貼緊異常，不進(jìn)行焊接。

工裝堆疊模塊分固定端、活動(dòng)端，固定端一側(cè)端板位置固定不動(dòng)，擺放電池后，旋緊活動(dòng)端滑輪，將模塊擠壓至要求長度，不同模塊活動(dòng)端端板位置會(huì)有些許偏差。因此，固定端激光掃描軌跡以端板為準(zhǔn)（固定端端板位置及側(cè)板位置相對(duì)穩(wěn)定），活動(dòng)端激光掃描軌跡以側(cè)板為準(zhǔn)。

側(cè)板與端板外端面間距3.5mm，激光束寬1mm，一般激光束沿L的中心位置掃描，端板標(biāo)定時(shí)，光束距端板外端面、側(cè)板邊沿間距均為1.25mm為宜。

側(cè)板壓緊銅塊邊沿距側(cè)板邊沿4mm，激光束寬1mm，側(cè)板標(biāo)定時(shí)，光束距側(cè)板邊沿1.5mm為宜。

以活動(dòng)端為例，激光尋址軌跡依次為圖中的①、②、③、④，讀取①、②位置后取中定為點(diǎn)⑤，讀取③、④位置后取中定為點(diǎn)⑥，⑤、⑥兩點(diǎn)確定一條直線，即焊縫尋址定的最終軌跡，焊槍沿此軌跡行進(jìn)，完成CMT焊，每個(gè)模塊的四條焊縫均按此動(dòng)作進(jìn)行尋址、焊接。

6 結(jié)束語

CMT焊憑借其熱輸?shù)汀?qiáng)度高、無飛濺等優(yōu)勢(shì)被引進(jìn)應(yīng)用于電池模塊的鋁合金端板與側(cè)板的薄板焊接，焊縫質(zhì)量決定電池模塊的安全性能。因此，合適的焊接參數(shù)，精準(zhǔn)的失效分析及預(yù)防，有效的檢測(cè)手段，技術(shù)難點(diǎn)的識(shí)別與攻克，共同保證電池模塊的CMT焊接質(zhì)量，滿足新能源市場(chǎng)對(duì)于高品質(zhì)電池模塊的需求。

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