铝壳电池激光焊接技术详解

锂电联盟会长 2023-12-16 11:00
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      方形铝壳锂电池具有结构简单,抗冲击性能好,能量密度高,单体容量大等诸多优点,一直以来都是国内锂电制造和发展的主要方向,市场占比在40%以上。

      方形铝壳锂电池结构如图1,由电芯(正负极片、隔膜)、电解液、壳体、顶盖等部件组成。


图1. 方形铝壳锂电池结构
      方形铝壳锂电池在制造组装过程中,需要大量应用到激光焊接工艺,例如:电芯软连接与盖板焊接、盖板封口焊接、密封钉焊接等等。
      激光焊接是方形动力电池的主要焊接方法,归功于激光焊接具有能量密度高,功率稳定性好,焊接精度高,易于系统化集成等诸多优点,在方形铝壳锂电池生产工艺中,有不可替代的作用。
附:中谷联创龙门连续振镜激光焊接机
      顶盖封口焊接焊缝是方形铝壳电池中尺寸最长的焊缝,也是焊接耗时最长的焊缝。近年来锂电制造行业高速发展,顶盖封口激光焊接工艺技术及其装备技术也在快速发展,我们根据装备的焊接速度性能不同,将顶盖激光焊接设备及工艺大概划分为3个时代。分别是焊接速度<100mm/s的1.0时代(2015-2017),100-200mm/s的2.0时代(2017-2018),以及200-300mm/s的3.0时代(2019-)。下文将沿着时代路径介绍技术的发展: 
顶盖激光焊接技术的1.0时代
焊接速度<100mm/s
      2015-2017年,国内新能源汽车受政策驱动,开始爆发,动力电池行业开始扩张,但国内企业技术沉淀、人才储备还相对较少,相关电池制造工艺和装备技术也在起步阶段,设备自动化程度相对较低,设备制造商刚开始关注动力电池制造并加大研发投入。
      在此阶段,行业内对方形电池激光封口设备的生产效率要求通常在6-10PPM,设备方案通常使用1kw光纤激光器通过普通激光焊接头出射(如图2),由伺服平台电机或直线电机带动焊接头运动并进行焊接,焊接速度50-100mm/s。
图2 采用1kw激光器焊接电芯顶盖
      在激光焊接工艺上,也正由于焊接速度相对较低,焊缝热循环时间相对较长,熔池有足够的时间流动和凝固,且保护气体能较好的覆盖熔池,易获得表面光滑饱满、一致性好的焊缝,如图3。
图3 顶盖低速焊接的焊缝成形
      在设备上,虽然生产效率不高,但设备结构相对较简单、稳定性较好且设备造价低,很好的满足了该阶段行业发展的需求,为后续技术发展打下了基础。   
      顶盖封口焊1.0时代虽然有设备方案简单、成本低、稳定性好等优点。但是其固有的局限也十分明显。设备上,电机驱动能力不能满足进一步提速的需求;
      工艺上,单纯通过提高焊接速度、激光功率输出来进一步提速会带来焊接过程的不稳定和良率的下降:提速使得焊接热循环时间缩短,金属的熔化过程更剧烈、飞溅加大、对杂质的适应会更差,更易形成飞溅孔洞,同时熔池凝固时间的缩短,会导致焊缝容易表面粗糙、一致性降低。当激光光斑较小时,热输入量不大,飞溅可以降低,但焊缝深宽比较大,焊缝熔宽不够;当激光光斑较大时,需要输入较大的激光功率,使焊缝宽度增大,但同时又会导致焊接飞溅增加,焊缝表面成型质量差。
      在该阶段的技术水平之下,进一步的提速意味着需以良率换效率,装备和工艺技术的升级要求成为行业性需求。
顶盖激光焊接技术的2.0时代
焊接速度200mm/s
      2016年中国汽车动力电池装机量约30.8GWh,2017年约36GWh,而2018年迎来了进一步的爆发,装机量达到57GWh,同比增长57%,新能源乘用车也生产近百万量,同比增长80.7%。装机量爆发的背后是锂电制造产能的释放,新能源乘用车电池装机占比超50%,也意味着行业对电池性能、质量的要求会越来越严格,随之提升的制造装备技术及工艺技术也进入了新的时代:
      为了满足单线产能要求,顶盖激光焊接设备需要产能提升到15-20PPM,其激光焊接速度需要达到150-200mm/s,所以在驱动电机上,各设备厂商均升级了直线电机平台,使其运动机构满足对矩形轨迹200mm/s匀速焊接的运动性能要求;
      但针对高速焊接情况下如何保证焊接质量,需要进一步工艺突破,行业内企业进行了诸多探索和研究:
      相对1.0时代,2.0时代高速焊接所面临的问题是:采用普通的光纤激光器通过普通焊接头输出单点光源的方案,选型很难满足200mm/s的要求。在原有技术方案上,只能通过配置选项,调整光斑大小,以及调整激光功率等基本参数来控制焊接成型效果:采用光斑较小的配置时,焊接熔池匙孔细小,池形态不稳定,焊缝熔宽也偏小;而采用光斑较大的配置时,匙孔会增大,但是焊接功率显著的提高,飞溅和爆孔率显著提高。
      从理论上,如果想保证顶盖高速激光焊接的焊缝成形效果,需要满足以下一些要求:
①焊缝具有足够的宽度,且焊缝深宽比合适,这就需要光源的热作用范围足够大,且焊接线能量在合理范围;
②焊缝光滑,这需要焊缝在焊接过程中热循环时间足够长,使熔池具有足够的流动性,在保护气的保护下焊缝凝固成为光滑的金属焊缝;
③焊缝一致性好、气孔、孔洞少,这需要焊接过程中,激光稳定的作用于工件上,高能束等离子体持续的产生,作用于熔池内部,熔池在等离子反作用力下生产“匙孔”,匙孔足够大且足够稳定,使得生成的金属蒸汽和等离子体不易喷射和带出金属熔滴,形成飞溅,匙孔周围熔池也不易坍塌,卷入气体。即便焊接过程中遇异物烧损,爆炸式的释放气体,更大的匙孔也更利于爆炸性气体的释放,减小金属飞溅和形成的孔洞。
      针对以上的几点,行业内的电池制造企业、设备制造企业都进行了各种尝试和实践:
      锂电制造在日本发展已有几十年,相关制造技术上先行一步。从相关公开专利可以搜索到,十余年前,日本松下株式会社就为了解决在激光焊接-铝这样的高反射金属时,熔深、熔宽及焊接速度都不够的问题,研究了不同波长、光学特性的多种激光混合输出进行焊接的技术。在光纤激光器技术尚未大量商业应用的2004年,松下公司采用LD半导体激光与脉冲灯泵浦的YAG激光器进行混合输出(方案如图4所示)。
图4 多激光复合焊接技术的方案示意图及焊接头结构
      利用光斑较小的脉冲YAG激光器产生的高功率密度光斑作用于工件,生成焊接小孔,以获得足够的焊接熔深,同时用LD半导体激光器提供CW连续激光,对焊接的工件进行预热、对焊接过程中的熔池提供更多能量以获得较大焊接小孔、增大焊缝宽度,并延长焊接小孔闭合时间,帮助熔池气体逸出,降低焊缝气孔率,如图5。
图5 复合激光焊接示意图
      应用该技术,使用仅有几百瓦功率YAG激光器和LD激光器,即可对薄壳体的锂电池壳体进行80mm/s的高速焊接,焊接效果如图6。
图6 不同工艺参数条件下的焊缝形貌
      随着光纤激光器发展和兴起,光纤激光器凭借其光束质量好、光电转换效率高、寿命长易维护、功率高等诸多优点,逐步大量取代了脉冲YAG激光器在激光金属加工中的应用。
 
      因此,以上的激光复合焊接方案中的激光器组合演化为光纤激光器+LD半导体激光器,并同样通过特殊加工头同轴输出激光(焊接头如图7),其焊接过程中,激光作用机理相同。
 
图7 复合激光焊接头
 
      该方案中,将脉冲YAG激光器更换为光束质量更好、功率更大、并且可以连续输出的光纤激光器,大大提高焊接速度,同时获得较好的焊接质量(焊接效果如图8),该方案也因此受一些客户的青睐,目前该方案已经应用在动力电池顶盖封口焊的生产中,可达到200mm/s的焊接速度。
 
图8 复合激光焊接的顶盖焊缝外观
 
      虽然双波长激光焊接方案解决了高速焊接的焊缝稳定性,满足了电芯顶盖高速焊接的焊缝质量要求,但是从设备和工艺的角度上,该方案也还存在一些问题。
 
      首先,该方案硬件组成部分较为复杂,需要用到两台不同类型激光器以及特殊的双波长激光焊接头,提高了设备投入成本、增大了设备维护难度,设备潜在故障点增多;
 
      第二,采用的双波长激光焊接头,由多组镜片组成(见图4),功率损耗较普通焊接头要大,且需要将镜片位置调节至合适位置,以保障双波长激光同轴输出、并聚焦在固定的焦平面上,长期高速运行,镜片的位置可能松动导致光路变化、影响焊接质量,需要人工再调试;
 
      第三,焊接时,激光反射较严重,易损伤设备器件,特别是对不良品进行返修时,光滑的焊缝表面对激光进行大量反射,易造成激光器报警,需要调整加工参数进行返修。
 
      为解决以上问题,得另辟蹊径,进行探索,在2017-2018年研究了电芯顶盖的高频摆动激光焊接技术并推进到生产应用。公众号动力电池BMS,激光束高频摆动焊接(以下简称摆动焊接)是目前200mm/s高速焊的另一种工艺。 相对于复合激光焊接方案,该方案硬件部分只需要一台普通光纤激光器,搭配一台摆动激光焊接头(如图9 IPG wobble摆动焊接头)。

 图9 IPG的wobble摆动焊接头
 
      焊接头内部具有受电机驱动的反射镜片,可由程序控制激光按照设计的轨迹类型(通常有圆形、S形、8字形等)、摆幅及频率进行摆动,不同的摆动参数,可以使焊接截面呈不同形状及不同尺寸(如图10)。

图10 不同摆动轨迹下获得的焊缝
 
      高频摆动焊接头在直线电机的带动下沿工件间隙进行焊接,根据电芯壳体壁厚,选择合适的摆动轨迹类型及幅度,焊接时,静态的激光束只会形成V字形焊缝截面,但在摆动焊接头的驱动下,光束斑点在焦平面上高速摆动,形成一个动态的、旋转的焊接匙孔,可获得合适的焊缝深宽比;
 
      旋转的焊接匙孔搅拌焊缝一方面帮助气体逸出减少了焊缝气孔,且对焊缝爆点针孔有一定修复作用,另一方面焊缝金属的有序受热-冷却循环让焊缝表面呈规则有序的鱼鳞纹。
 
      以上几点,满足了顶盖高速焊接焊缝的三点基本质量要求,该方案还有其他优点:
 
①由于激光功率大部分注入到了动态匙孔中,对外散射激光减少,所以只需用较小的激光功率,焊接热输入量相对较低(比复合焊接减少30%),减少了设备损耗及能源损耗;
 
②摆动焊接方式对工件装配质量适应性较高,减少了装配台阶等问题造成的不良;
 
③摆动焊接方式对焊缝孔洞具有极强的修复作用,使用该方案修复电芯焊缝孔洞良率极高;
 
④系统简单,设备调试、维护简单。
 
顶盖激光焊接技术的3.0时代
焊接速度300mm/s
 
      随着新能源补贴的不断退坡,电池制造行业几乎整个产业链陷入一片红海,行业也进入洗牌期,规模和技术优势的龙头企业所占比重进一步增加。但与此同时,“提质、降本、增效”将会成为很多企业主旋律。在低补贴或无补贴时期,只有实现技术的迭代升级,实现更高的生产效率,降低单个电池的制造成本、提高产品品质,才能在竞争中多一分胜算。
   
      随着光纤激光器技术进一步发展,TRUMPF、nLIGHT、Coherent-Rofin、IPG等激光器公司,纷纷推出了可直接输出环形光斑的新型高功率光纤激光器,该类型激光器通过特殊的多层光纤,可输出点-环形激光光斑,并且光斑形状及功率分布可调节。通过调节,可使激光功率密度分布呈点-环-帽形(spot-donut-tophat),nLIGHT公司也形象的把他们的这类激光命名为Corona(日冕),图14。
 
图14 可调节激光的光束(分别为:中心光,中心光+环形光、环形光,两个环形光)
 
      在焊接过程中,具有高功率密度的中心点光起到形成匙孔进行深熔焊,获得足够的焊接熔深(作用于复合焊方案中的光纤激光器输出类似),环形光提供更大热输入、增大匙孔,减少金属蒸汽、等离子体对匙孔边缘液态金属的冲击,降低由此造成的金属飞溅,并增长焊缝热循环时间,帮助熔池中气体有更长时间逸出,提高高速焊接过程的稳定性(作用类似于复合焊方案中的半导体激光器输出)。
 
      在硬件方面,不同于复合焊方案的是,该方案简单,不需要两台激光器,不需要特殊的复合焊接头,只需要一个常见的普通高功率激光焊接头(由于只有一根光纤输出单一波长激光,镜片结构简单、无需调节、功率损耗低),使其调试和维护简单,其设备的稳定性极大的提高。
 
      除了硬件方案上系统简单、满足电芯顶盖高速焊接工艺需求以外,该方案在工艺应用上还有其他优点。对于0.4、0.6、0.8mm几种不同壁厚的壳体,只需通过简单的调节激光输出模式,即可良好的进行焊接,而对于双波长激光复合焊接方案,则需要变更焊接头或激光器的光学配置来实现,并带来较大的设备成本和调试时间成本。
 
      因此,点-环形光斑激光焊接方案不但能实现300mm/s的超高速顶盖焊接,提高动力电池的生产效率,对于需要频繁换型的电池制造企业,该方案还能极大的提高设备对产品的兼容性、缩短换型调试时间。

图16 壁厚0.4mm的电池顶盖焊外观(焊接速度300mm/s)
 
      除以上提及的nLIGHT公司的Corona激光器,IPG公司推出的AMB激光器、Coherent-Rofin公司推出的ARM激光器均有类似的光学输出特性,可应用于解决诸如:改善激光焊缝飞溅、改善焊缝表面质量、提高高速焊接稳定性等问题。
 
总结
 
      以上提及的多种方案,均在国内外锂电制造企业中应用于实际生产,由于投产时间不同、技术背景不同而选择了不同的工艺方案在行业中广泛存在,但企业对效率、质量的要求是不断提高的,更多新的技术会很快被走在技术前沿的企业所应用。
 
      中国新能源电池行业相对起步较晚,在国家政策驱动下飞速发展,相关技术在全产业链共同努力下不断进步,全面缩短与国际优秀企业差距。作为国内最早的锂电设备制造商,中谷联创也在不断挖掘自己的优势领域,帮助电池pack设备迭代升级,为新能源储能电池模组pack自动化生产提供更优质的解决方案。
信息来源:激光制造网
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