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电池激光焊接工艺

电池激光焊接工艺

分类:
电池行业
作者:
深圳电池焊接设备
2017-11-08

锂电池自从九十年代初问世以来,以其能量密度,环保,电压高,使用寿命长以及可以实现快速充电等诸多优点而受到3C数码,动力设备等行业的欢迎,特别是对近年来新能源汽车行的发展提供不可替代的贡献,做为其动力来源的锂电池产业,市场规模发展潜力巨大,属于国家战略发展的一个重要的环节,根据相关统计,未来5-10年,锂电池产业规模有望突破1680亿元。锂电池做为新能源汽车动力的核心部件,其质量直接关系到整车的安全与性能,而现阶段,我们在制造锂电池产品的设备中一共分了三段设备,分别为前端设备,中端设备,后端设备这三种,其设备在制造精度和自动化水平将影响到电池产品的生产效率与质量一致性,而激光焊接设备及其先进的焊接技术正好适应现在及未来锂电池生产的需求,并己得到广泛的应用。

下边通过激光在动力电池行业中的应用情况,阐述关于激光焊接的工艺,分析铝合金激光焊接的难点及焊接模式对焊接质量的影响,列举方形动力电池与电池PACK工艺特点以及设备的未来的发展趋势。
一、锂电池激光焊接工艺
从锂电池的电芯制造到电池PACK成组,焊接是一道很重要加工工序,因为这道工艺将直接决定着锂电池的强度,导电性,气密性,金属疲劳及耐腐蚀性,属于典型的电池焊接质量评价标准,而达不到此类标准的电池产品,将被严禁上市销售,对企业来说,就是损失。
电池焊接工艺
从大量的锂电池实际生产经验来看,激光焊接是唯独能信任此类产品的焊接加工质量要求,是其它设备无法替代的加工设备,其拥有以下几大优点:
1、激光焊接能量密度高、焊接变形小、热影响区小,可以有效地提高制件精度,焊缝光滑无杂质、均匀致密、无需附加的打磨工作;
2、激光焊接可精确控制,聚焦光点小,高精度定位,配合机械手臂易于实现自动化,提高焊接效率,减少工时,降低成本;
3、激光焊接薄板材或细径线材时,不会像电弧焊接那样容易受到回熔的困扰;
4、明显提高了产品质量,安全及电池的一致性;
电池焊接技术
制造电池用到的材料种类繁多,包括钢,铝,铜,镍等,利用这些金属可以制成电极,导线或是外壳,所以在实际焊接过程中经常会碰到同种材料之间或多种材料之前的焊接,这对焊接工艺要求提了较了严酷的要求,而激光焊接的工艺优势就是可以焊接多种材料以及多种材料之间的焊接.
二、焊接工艺难点
动力电池一般遵循轻薄的原则,而众多材料中只有铝材质能信任此类要求,一般壳,盖,底的厚度基本都要求在1.0mm以下,当前比较先进的厂家都要求在0.8mm左右,可见铝合金材料电池壳体占到整个动力电池的92%以上。
铝材合金焊接难点体现在以下几点:
1、铝合金是一种有色金属,具有较镐的导热性,属于高反光材料,因而对激光的率相对较低,同时,由于铝的电离能低,焊接过程中等离了不易于扩散,使得焊接稳定性差;
2、焊接过程中合金元素的烧损,使铝合金焊接接头的力学性能下降;
3、焊接过程中气孔敏感性高焊接时不可避免地会出现一些问题缺陷,其中最主要的是气孔和热裂纹;
4、铝合金的激光焊接过程中产生的气孔主要有氢气孔和匙孔破灭产生的气孔,由于激光焊接的冷却速度太快,氢气孔问题更加严重,并且在激光焊接中还多了一类由于小孔的塌陷而产生的孔洞。
5、热裂纹问题。铝合金属于典型的共晶型合金,焊接时容易出现热裂纹,包括焊缝结晶裂纹和HAZ 液化裂纹,由于焊缝区成分偏析会发生共晶偏析而出现晶界熔化,在应力作用下会在晶界处形成液化裂纹,降低焊接接头的性能。
6、炸火(也称飞溅)问题。引起炸火的因素很多,如材料的清洁度、材料本身的纯度、材料自身的特性等,而起决定性作用的则是激光器的稳定性。壳体表面凸起、气孔、内部气泡,究其原因,主要是光纤芯径过小或者激光能量设置过高所致。
针对以上出现的问题,寻找到合适的工艺参数才是解决问题的关键。
电池激光焊接技术
三、焊接模式分析:
1、脉冲模式焊接
脉冲激光器常用的脉冲波形有方波、尖峰波、双峰波等几种,由于铝合金表面对光的反射率太高,焊接时应选择合适的焊接波形。当高强度激光束入射到材料表面,金属表面将会有60%~98% 的激光能量因反射而损失掉,且反射率随物件表面的温度而变化。一般焊接铝合金时最优选择尖形波和双峰波,这两种焊接波形后面缓降部分脉宽较长,能够有效地减少气孔和裂纹的产生。
由于铝合金对激光的反射率较高,为了防止激光束垂直入射造成垂直反射而损害激光聚焦镜,焊接过程中通常将焊接头偏转一定角度。焊点直径和有效结合面的直径,随激光倾斜角的增大而增大,当激光倾斜角度为40°时,获得最大的焊点及有效结合面。焊点熔深和有效熔深随激光倾斜角减小,当激光倾斜角度大于60°时,其有效焊接熔深降为零。所以倾斜焊接头到一定角度,可以适当增加焊缝熔深和熔宽。另外在焊接时,以焊缝为界,需将激光焊斑偏盖板65%、壳体35% 进行焊接,这样能有效减少因合盖问题导致的炸火。
电池焊接生产线
2、连续模式焊接
连续激光器焊接由于其受热过程不像脉冲骤冷骤热,焊接时裂纹倾向不是很明显,为了改善焊缝质量,采用连续激光器焊接,焊缝表面平滑均匀,无飞溅,无缺陷,焊缝内部未发现裂纹。在铝合金焊接方面,连续激光器优势明显:与传统焊接方式相比,生产效率高,且无需填丝;与脉冲激光焊相比,可以解决其在焊后产生的缺陷,如裂纹、气孔、飞溅等,保证铝合金在焊后有良好的机械性能;焊后不会凹陷,抛光打磨量减少,节约生产成本,但是因为连续激光器光斑较小,所以对工件的装配精度要求较高。
在动力电池焊接过程中,焊接工艺技术人员会根据电池材料、形状、厚度、拉力要求等选择合适的激光器和焊接工艺参数,包括焊接速度、波形、峰值、焊头倾斜角度等来设置合理的焊接工艺参数,以保证最终的焊接效果满足动力电池厂家的要求。
电池自动焊接生产线
 四、方形电池焊接
在方型电池的焊接工艺中,最重要的工序是壳盖的封装,方形电池外壳的封口办法一般是在电池顶部有一个长方形盖板,板上带有正极输入端,将盖板塞入外壳与口平齐,然后用激光将盖板与外壳之间的长方形缝隙以脉冲或者连续激光焊接的方式,焊好密封即可。
方形电池的焊接方式主要分为侧焊和顶焊,其中侧焊的主要好处是对电芯内部的影响较小,飞溅物不会轻易进入壳盖内侧。由于焊接后可能会导致凸起,这对后续工艺的装配会有些微影响,因此侧焊工艺对激光器的稳定性、材料的洁净度等要求极高。而顶焊工艺由于焊接在一个面上,对焊接设备集成要求比较低。
目前,动力电池立焊接方式是业内广为青睐的焊接方式,立焊只需一个收口节点,便可大大降低侧焊接四个收口节点的侧漏风险,而且有利于量产。武汉逸飞激光设备有限公司的高速电池壳体激光立焊接设备,实现了99.5% 以上的焊接良品率和12PPM 的生产效率。
电池焊接工艺技术
 五、电池PACK工艺:
1、电池PACK
电池电芯通过加装保护电路、外壳、输出而形成的应用电池组的生产过程称为PACK。电池PACK 是实现电池在不同领域应用的一道重要工序。随着PACK 工艺的不断发展,连接方式也不断改进,从最初的锡焊到到后来的电阻焊,发展至今,激光焊接因其焊接精度、可靠性及自动化程度高的优势,已成为目前PACK 工艺最为广泛的连接方式,而搭载着激光焊接工艺的智能自动化设备已成为方形、圆柱、软包、18650 等不同类型电芯PACK 成组的高端制造装备。
2、智能装备发展趋势
新能源汽车产业的发展,并未对其所使用的动力电池及电池模组的规格标准定型并标准化,出现了众多规格体系不兼容的问题,当前的工艺流程和人工操作制约了企业的生产节拍和效率,从而无法有效提升产品质量和产能。所以,提升动力电池模组组装的自动化水平非常必要。现今,实现整线设备机器人软件控制的智能化解决方案,既要解决用户重点关注的兼容性、整线节拍和效率问题,又要解决用户电池PACK 订单批量小、规格多的问题。
管理软件方面。整套MES 系统直接将产线打造成准无人化生产车间,人工只需要在线外进行物料补充,既提高了安全性,又减少了人为介入。焊接工序环节,只需要将激光焊接工艺数据集成在MES 管理软件系统中,以方便用户直接调用、切换。从电芯到PACK 成组,每一道工序的参数、数据及其他来料信息等,都可以通过MES 系统快速查询并及时分析处理,既要做到过程可控,又要有效保障生产效率,用户还通过预留的工业通讯接口实现远程监控管理,充分体现智能化自动化的制造特点。搭载激光解决方案的产品已向着高智能化、高自动化的趋势方向发展。
六、可信任的电池制造激光设备
电池激光焊接设备
电池焊接生产线
总之,虽然我国在激光焊接技术方面己经逐渐成熟,但是高质量的电池生产属于跨学科的制造工艺,需要电池设计师跟激光焊接技术工程师综合协作,从电池的材料,结构,厚度,工艺,实时检测等方面进行优化设计,才能达到理想的焊接效果,新华鹏激光焊接设备采用先进光纤传输技术能实现精细化及智能自动化焊接,拥有10多年的电池产品焊接技术工艺经验,己为国内上百家电池生产企业提供上千套解决方案,特别是成功应用于新源汽车电池组自动化焊接生产线,如比亚迪电动公交车电池组,并助力该车型成功出口!

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