鋰電池復合卷曲機切出極耳激光光路改進

侯 磊

（三星環新（西安）動力電池有限公司，陜西西安 710016）

0 引言

復合卷曲機（Multilab winder）是鋰離子電池生產中重要且關鍵的設備之一，其主要任務是將電池正負極極片及隔離膜卷繞成軟卷（J/R），切出極耳（notching）與卷繞一次完成，如圖1 所示。但在切出極耳過程中，經常出現切斷異常現象：如切不斷、切極耳后的邊角料（scrap）帶入等問題，這時就必須停機檢查激光反射鏡片（bending mirror）是否污染，清潔或更換后重新對中（校準）光路，再測試正常后，設備恢復稼動。鏡片（Mirror）清掃及光路校準程序復雜且耗時，正負極鏡片共4 塊清掃大約需要3 h，具體步驟：拆除鏡片蓋子，清掃或更換鏡片，4 步法校準光路（2 次反射+2 次透射），安裝鏡片蓋子，DOP（動態切割技術）Z 軸加工位置測試。

目前為防止切出極耳切斷異常，編制了清掃計劃，每月清掃1 次鏡片，我廠共計26 臺機，鏡片清掃設備停機損失每年936 h。切出極耳維護任務繁重，設備停機損失多，設備稼動率低。因此改善切出極耳激光光路，具有重要意義。

1 切出極耳激光光路系統

切出極耳激光光路系統主要由激光發生器（laser）、準直儀（collimator）、反射鏡片1/2（bending mirror 1/2）、掃描儀（scanner）以及光纖（fiber）組成，如圖2 所示。

圖1 切出極耳示意圖

圖2 切出極耳激光光路系統

激光發生器發射激光進入準直儀校直，經過兩次45°鏡片反射后到達掃描儀，掃描儀內的2 個振鏡X、Y 控制角度，實現對電池極耳的動態切割（激光掃描+極板運動）。其中激光發生器在經過2次鏡片反射時，光路裸露，容易被切割的粉塵及異物污染、灼傷，導致切出極耳切不斷。由于鏡片反射單元結構復雜，曾做過多次密封改善，收效甚微。

2 切出極耳激光光路優化改進

2.1 鏡片去除

從大量切出極耳維修經驗得出結論：導致切出極耳切不斷最主要的問題就是鏡片污染。鏡片表面一旦被異物污染，激光照射到異物上，激光分散到鏡片上的能量會加大，從而灼傷鏡片表面鍍膜，激光到達極片上的能量下降，導致切不斷。因此去除鏡片可從根本上杜絕鏡片污染問題，設計新的激光光路如圖3 所示。

2.2 光路校準機構設計

為保證切割精度，激光光路必須校準后使用，因此需要設計鏡片去除后專用的光路校準機構，即光路JIG。其作用是調整Y軸及Z 軸，使得激光對準光靶中心小圓孔，最后通過X 軸滑臺前進頂緊密封光路，激光校準方法如圖4 所示。設計光路JIG的最大問題是解決光纖彎折空間過小的問題，1000 W 光纖要求最小彎折半徑R≥150 mm，目前設備切出極耳部空間僅為120 mm。通過反復比較分析，優選方案，最終設計出可伸縮式滑臺調整結構，光靶對中完成后，滑臺前移頂進掃描儀，節約空間30 mm，保證光纖有足夠的彎折空間。同時這樣設計也可實現掃描儀-準直儀集成化，保證光路密封。

2.3 密封設計

密封在整個設計改造中至關重要，是成敗的關鍵。設計三道密封，保證“絕對”密封。①準直儀、密封墊壓緊密封；②掃描儀-準直儀連接部密封膠帶密封；③鏡片盒子、光纖、冷卻水管以及防漏傳感器出線口等全面膠帶密封。

2.4 冷卻水、光纖輔助改造

準直儀及QBH（光纖連接頭）的冷卻水路及光纖也需要相應的改造，從設備后側移至設備前側，冷卻水管延長4～6 m。光纖需要特別防護，防止過度彎折，穿線時需增加套管防護。另外冷卻水防泄漏盒子及傳感器需一起移設。

2.5 Z 軸傳感器調整及護罩改造

由于光路從前側右邊出線，因此必須考慮光纖干涉問題，將切出極耳護罩側面切出缺口。為了減少缺口尺寸，統一美觀，可調整Z 軸加工位置的上下限位傳感器位置至較小范圍，如圖5所示。改造完成后，還要重新測試一下DOP，找出最佳的Z 軸切割位置。

3 改造效果及收益

采用新的切出極耳光路系統，激光切割能量下降30%，如圖6 所示。因為經過1 次鏡片反射，激光能量下降5%～10%，2次反射下降10%～20%，能量下降延長設備使用壽命；軟卷投入不良率下降1.058×10-9（改善前后三個月對比數據），激光能量無衰減，切斷效果好，帶入少，不良率明顯下降；鏡片清掃設備損失減少：3 Hr×1 次/月×12 月×26 臺=936 Hr；鏡片備品消耗節儉金額：2000 元×100 塊/年=20 萬元（注：26 臺每年平均鏡片消耗100 塊）。

圖3 改進后的切出極耳激光光路

圖4 激光光路校準方法

圖5 Z 軸傳感器調整示意圖[-10,13]

圖6 激光能量下降30%

4 結束語

復合卷曲機切出極耳激光光路優化改進后，降低了軟卷不良率，大大減少激光反射鏡片清掃的設備損失時間，節省鏡片的備品消耗費用，同時也提高設備稼動率。收到很好的效果與收益，公司26 臺卷曲機已全部自行改造完成，計劃下一步將在海外工廠全部水平展開。