鋁殼電池激光焊接技術(shù)的發(fā)展歷程

方形鋁殼鋰電池具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗沖擊性能好，能量密度高，單體容量大等諸多優(yōu)點(diǎn)，一直以來都是國內(nèi)鋰電制造和發(fā)展的主要方向。方形鋁殼鋰電池結(jié)構(gòu)如圖，由電芯（正負(fù)極片、隔膜）、電解液、殼體、頂蓋等部件組成。

方形鋁殼鋰電池在制造組裝過程中，需要大量應(yīng)用到激光焊接工藝，例如：電芯軟連接與蓋板焊接、蓋板封口焊接、密封釘焊接等等。

激光焊接是方形動(dòng)力電池的主要焊接方法，歸功于激光焊接具有能量密度高，功率穩(wěn)定性好，焊接精度高，易于系統(tǒng)化集成等諸多優(yōu)點(diǎn)，在方形鋁殼鋰電池生產(chǎn)工藝中，有不可替代的作用。

頂蓋封口焊接焊縫是方形鋁殼電池中尺寸最長(zhǎng)的焊縫，也是焊接耗時(shí)最長(zhǎng)的焊縫。頂蓋封口激光焊接工藝技術(shù)及其裝備技術(shù)也在快速發(fā)展，根據(jù)裝備的焊接速度性能不同，將頂蓋激光焊接設(shè)備及工藝大概劃分為3個(gè)時(shí)代，焊接速度<100mm/s的1.0時(shí)代（2015-2017），100-200mm/s的2.0時(shí)代（2017-2018），以及200-300mm/s的3.0時(shí)代（2019-）。

下文將沿著時(shí)代路徑介紹技術(shù)的發(fā)展：

圖. 方形鋁殼鋰電池結(jié)構(gòu)

011.0時(shí)代-焊接速度＜100mm/s

2015-2017年，國內(nèi)新能源汽車受政策驅(qū)動(dòng)，開始爆發(fā)，動(dòng)力電池行業(yè)開始擴(kuò)張，但國內(nèi)企業(yè)技術(shù)沉淀、人才儲(chǔ)備還相對(duì)較少，相關(guān)電池制造工藝和裝備技術(shù)也在起步階段。在此階段，對(duì)封口焊接要求。

生產(chǎn)效率：6-10PPM

設(shè)備方案：通常使用1kw光纖激光器通過普通激光焊接頭（準(zhǔn)直頭）出射，由伺服平臺(tái)電機(jī)或直線電機(jī)帶動(dòng)焊接頭運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行焊接

焊接速度：50-100mm/s。

該階段特點(diǎn)（效率質(zhì)量無法兼顧）

在激光焊接工藝上，也正由于焊接速度相對(duì)較低，焊縫熱循環(huán)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，熔池有足夠的時(shí)間流動(dòng)和凝固，且保護(hù)氣體能較好的覆蓋熔池，易獲得表面光滑飽滿、一致性好的焊縫。

在設(shè)備上，雖然生產(chǎn)效率不高，但設(shè)備結(jié)構(gòu)相對(duì)較簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性較好且設(shè)備造價(jià)低，很好的滿足了該階段行業(yè)發(fā)展的需求，為后續(xù)技術(shù)發(fā)展打下了基礎(chǔ)。

局限性：

設(shè)備上，電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力不能滿足進(jìn)一步提速的需求（生產(chǎn)效率低）；

工藝上，單純通過提高焊接速度、激光功率輸出來進(jìn)一步提速會(huì)帶來焊接過程的不穩(wěn)定和良率的下降：提速使得焊接熱循環(huán)時(shí)間縮短，金屬的熔化過程更劇烈、飛濺加大、對(duì)雜質(zhì)的適應(yīng)會(huì)更差，更易形成飛濺孔洞，同時(shí)熔池凝固時(shí)間的縮短，會(huì)導(dǎo)致焊縫容易表面粗糙、一致性降低。

當(dāng)激光光斑較小時(shí)，熱輸入量不大，飛濺可以降低，但焊縫深寬比較大，焊縫熔寬不夠；當(dāng)激光光斑較大時(shí)，需要輸入較大的激光功率，使焊縫寬度增大，但同時(shí)又會(huì)導(dǎo)致焊接飛濺增加，焊縫表面成型質(zhì)量差。

在該階段的技術(shù)水平之下，進(jìn)一步的提速意味著需以良率換效率，裝備和工藝技術(shù)的升級(jí)要求成為行業(yè)性需求。

022.0時(shí)代-焊接速度200mm/s

2016年中國汽車動(dòng)力電池裝機(jī)量約30.8GWh，2017年約36GWh，而2018年迎來了進(jìn)一步的爆發(fā)，裝機(jī)量達(dá)到57GWh，同比增長(zhǎng)57%，裝機(jī)量爆發(fā)意味著行業(yè)對(duì)電池性能、質(zhì)量的要求會(huì)越來越嚴(yán)格，隨之提升的制造裝備技術(shù)及工藝技術(shù)也進(jìn)入了新的時(shí)代。在此階段，對(duì)封口焊接要求。

生產(chǎn)效率：15-20PPM

焊接速度：150-200mm/s

在驅(qū)動(dòng)電機(jī)上，升級(jí)為直線電機(jī)平臺(tái)，使其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)滿足對(duì)矩形軌跡200mm/s勻速焊接的運(yùn)動(dòng)性能要求；但針對(duì)高速焊接情況下如何保證焊接質(zhì)量，需要進(jìn)一步工藝突破，行業(yè)內(nèi)企業(yè)進(jìn)行了諸多探索和研究：

相對(duì)1.0時(shí)代，2.0時(shí)代高速焊接所面臨的問題是：采用普通的光纖激光器通過普通焊接頭輸出單點(diǎn)光源的方案，選型很難滿足200mm/s的要求。在原有技術(shù)方案上，只能通過配置選項(xiàng)，調(diào)整光斑大小，以及調(diào)整激光功率等基本參數(shù)來控制焊接成型效果：采用光斑較小的配置時(shí)，焊接熔池匙孔細(xì)小，池形態(tài)不穩(wěn)定，焊縫熔寬也偏?。欢捎霉獍咻^大的配置時(shí)，匙孔會(huì)增大，但是焊接功率顯著的提高，飛濺和爆孔率顯著提高。

從理論上，如果想保證頂蓋高速激光焊接的焊縫成形效果，需要滿足以下一些要求：

①焊縫具有足夠的寬度，且焊縫深寬比合適，這就需要光源的熱作用范圍足夠大，且焊接線能量在合理范圍；

②焊縫光滑，這需要焊縫在焊接過程中熱循環(huán)時(shí)間足夠長(zhǎng)，使熔池具有足夠的流動(dòng)性，在保護(hù)氣的保護(hù)下焊縫凝固成為光滑的金屬焊縫；

③焊縫一致性好、氣孔、孔洞少，這需要焊接過程中，激光穩(wěn)定的作用于工件上，高能束等離子體持續(xù)的產(chǎn)生，作用于熔池內(nèi)部，熔池在等離子反作用力下生產(chǎn)“匙孔”，匙孔足夠大且足夠穩(wěn)定，使得生成的金屬蒸汽和等離子體不易噴射和帶出金屬熔滴，形成飛濺，匙孔周圍熔池也不易坍塌，卷入氣體。即便焊接過程中遇異物燒損，爆炸式的釋放氣體，更大的匙孔也更利于爆炸性氣體的釋放，減小金屬飛濺和形成的孔洞。

針對(duì)以上的幾點(diǎn)，行業(yè)內(nèi)的電池制造企業(yè)、設(shè)備制造企業(yè)都進(jìn)行了各種嘗試和實(shí)踐：

半導(dǎo)體激光+脈沖YAG激光復(fù)合

在光纖激光器技術(shù)尚未大量商業(yè)應(yīng)用的2004年，松下公司采用LD半導(dǎo)體激光與脈沖燈泵浦的YAG激光器進(jìn)行混合輸出（方案如圖所示），利用光斑較小的脈沖YAG激光器產(chǎn)生的高功率密度光斑作用于工件，生成焊接小孔，以獲得足夠的焊接熔深，同時(shí)用LD半導(dǎo)體激光器提供CW連續(xù)激光，對(duì)焊接的工件進(jìn)行預(yù)熱、對(duì)焊接過程中的熔池提供更多能量以獲得較大焊接小孔、增大焊縫寬度，并延長(zhǎng)焊接小孔閉合時(shí)間，幫助熔池氣體逸出，降低焊縫氣孔率，如圖。應(yīng)用該技術(shù)（復(fù)合焊），使用僅有幾百瓦功率YAG激光器和LD激光器，即可對(duì)薄殼體的鋰電池殼體進(jìn)行80mm/s的高速焊接，焊接效果如圖。

圖 多激光復(fù)合焊接技術(shù)的方案示意圖及焊接頭結(jié)構(gòu)

圖 復(fù)合激光焊接示意圖

圖 不同工藝參數(shù)條件下的焊縫形貌

半導(dǎo)體激光+光纖激光復(fù)合

隨著光纖激光器發(fā)展和興起，光纖激光器憑借其光束質(zhì)量好、光電轉(zhuǎn)換效率高、壽命長(zhǎng)易維護(hù)、功率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，逐步大量取代了脈沖YAG激光器在激光金屬加工中的應(yīng)用，因此，以上的激光復(fù)合焊接方案中的激光器組合演化為光纖激光器+LD半導(dǎo)體激光器，并同樣通過特殊加工頭同軸輸出激光，其焊接過程中，激光作用機(jī)理相同。該方案中，將脈沖YAG激光器更換為光束質(zhì)量更好、功率更大、并且可以連續(xù)輸出的光纖激光器，大大提高焊接速度，同時(shí)獲得較好的焊接質(zhì)量，該方案也因此受一些客戶的青睞，目前該方案已經(jīng)應(yīng)用在動(dòng)力電池頂蓋封口焊的生產(chǎn)中，可達(dá)到200mm/s的焊接速度。

雖然雙波長(zhǎng)激光焊接方案解決了高速焊接的焊縫穩(wěn)定性，滿足了電芯頂蓋高速焊接的焊縫質(zhì)量要求，但是從設(shè)備和工藝的角度上，該方案也還存在一些問題。首先，該方案硬件組成部分較為復(fù)雜，需要用到兩臺(tái)不同類型激光器以及特殊的雙波長(zhǎng)激光焊接頭，提高了設(shè)備投入成本、增大了設(shè)備維護(hù)難度，設(shè)備潛在故障點(diǎn)增多；第二，采用的雙波長(zhǎng)激光焊接頭，由多組鏡片組成，功率損耗較普通焊接頭要大，且需要將鏡片位置調(diào)節(jié)至合適位置，以保障雙波長(zhǎng)激光同軸輸出、并聚焦在固定的焦平面上，長(zhǎng)期高速運(yùn)行，鏡片的位置可能松動(dòng)導(dǎo)致光路變化、影響焊接質(zhì)量，需要人工再調(diào)試；第三，焊接時(shí)，激光反射較嚴(yán)重，易損傷設(shè)備器件，特別是對(duì)不良品進(jìn)行返修時(shí)，光滑的焊縫表面對(duì)激光進(jìn)行大量反射，易造成激光器報(bào)警，需要調(diào)整加工參數(shù)進(jìn)行返修。

高頻擺動(dòng)激光焊接技術(shù)（振鏡焊接技術(shù)）

為解決以上問題，得另辟蹊徑，進(jìn)行探索，在2017-2018年研究了電芯頂蓋的高頻擺動(dòng)激光焊接技術(shù)并推進(jìn)到生產(chǎn)應(yīng)用。激光束高頻擺動(dòng)焊接（以下簡(jiǎn)稱擺動(dòng)焊接）是目前200mm/s高速焊的另一種工藝。相對(duì)于復(fù)合激光焊接方案，該方案硬件部分只需要一臺(tái)普通光纖激光器，搭配一臺(tái)擺動(dòng)激光焊接頭，焊接頭內(nèi)部具有受電機(jī)驅(qū)動(dòng)的反射鏡片，可由程序控制激光按照設(shè)計(jì)的軌跡類型（通常有圓形、S形、8字形等）、擺幅及頻率進(jìn)行擺動(dòng)，不同的擺動(dòng)參數(shù)，可以使焊接截面呈不同形狀及不同尺寸。

高頻擺動(dòng)焊接頭在直線電機(jī)的帶動(dòng)下沿工件間隙進(jìn)行焊接，根據(jù)電芯殼體壁厚，選擇合適的擺動(dòng)軌跡類型及幅度，焊接時(shí)，靜態(tài)的激光束只會(huì)形成V字形焊縫截面，但在擺動(dòng)焊接頭的驅(qū)動(dòng)下，光束斑點(diǎn)在焦平面上高速擺動(dòng)，形成一個(gè)動(dòng)態(tài)的、旋轉(zhuǎn)的焊接匙孔，可獲得合適的焊縫深寬比；旋轉(zhuǎn)的焊接匙孔攪拌焊縫一方面幫助氣體逸出減少了焊縫氣孔，且對(duì)焊縫爆點(diǎn)針孔有一定修復(fù)作用，另一方面焊縫金屬的有序受熱-冷卻循環(huán)讓焊縫表面呈規(guī)則有序的魚鱗紋。以上幾點(diǎn)，滿足了頂蓋高速焊接焊縫的三點(diǎn)基本質(zhì)量要求，該方案還有其他優(yōu)點(diǎn)：

①由于激光功率大部分注入到了動(dòng)態(tài)匙孔中，對(duì)外散射激光減少，所以只需用較小的激光功率，焊接熱輸入量相對(duì)較低（比復(fù)合焊接減少30%），減少了設(shè)備損耗及能源損耗；

②擺動(dòng)焊接方式對(duì)工件裝配質(zhì)量適應(yīng)性較高，減少了裝配臺(tái)階等問題造成的不良；

③擺動(dòng)焊接方式對(duì)焊縫孔洞具有極強(qiáng)的修復(fù)作用，使用該方案修復(fù)電芯焊縫孔洞良率極高；

④系統(tǒng)簡(jiǎn)單，設(shè)備調(diào)試、維護(hù)簡(jiǎn)單。

033.0時(shí)代-焊接速度300mm/s

隨著新能源補(bǔ)貼的不斷退坡，電池制造行業(yè)幾乎整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈陷入一片紅海，行業(yè)也進(jìn)入洗牌期，規(guī)模和技術(shù)優(yōu)勢(shì)的龍頭企業(yè)所占比重進(jìn)一步增加。但與此同時(shí)，“提質(zhì)、降本、增效”將會(huì)成為很多企業(yè)主旋律。在低補(bǔ)貼或無補(bǔ)貼時(shí)期，只有實(shí)現(xiàn)技術(shù)的迭代升級(jí)，實(shí)現(xiàn)更高的生產(chǎn)效率，降低單個(gè)電池的制造成本、提高產(chǎn)品品質(zhì)，才能在競(jìng)爭(zhēng)中多一分勝算。除以上介紹的幾種工藝方法，還研究了電芯頂蓋的環(huán)形光斑激光焊接技術(shù)及振鏡激光焊接技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)。

振鏡焊接技術(shù)

為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率的提高，探索300mm/s及更高速的頂蓋焊接技術(shù)。大族激光在2017-2018年研究了掃描振鏡激光焊接封口，突破了振鏡焊接時(shí)工件難以進(jìn)行氣體保護(hù)，焊縫表面成形效果差的技術(shù)難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)電芯頂蓋400-500mm/s的激光焊接，對(duì)一個(gè)26148電池只需1秒鐘，但由于效率過高，與其匹配效率的配套設(shè)備開發(fā)難度極大，設(shè)備成本較高。故對(duì)該方案，未做進(jìn)一步商業(yè)化應(yīng)用開發(fā)。

可調(diào)環(huán)形光斑焊接技術(shù)（AMB）

光纖激光器技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，TRUMPF、nLIGHT、Coherent-Rofin、IPG等激光器公司，紛紛推出了可直接輸出環(huán)形光斑的新型高功率光纖激光器，該類型激光器通過特殊的多層光纖，可輸出點(diǎn)-環(huán)形激光光斑，并且光斑形狀及功率分布可調(diào)節(jié)，，通過調(diào)節(jié)，可使激光功率密度分布呈點(diǎn)-環(huán)-帽形（spot-donut-tophat），nLIGHT公司也形象的把他們的這類激光命名為Corona（日冕）。

Corona激光器在進(jìn)行點(diǎn)-環(huán)形模式輸出時(shí)，其輸出光束的功率密度分布特性類似半導(dǎo)體+光纖激光器的復(fù)合輸出。在焊接過程中，具有高功率密度的中心點(diǎn)光起到形成匙孔進(jìn)行深熔焊，獲得足夠的焊接熔深（作用于復(fù)合焊方案中的光纖激光器輸出類似），環(huán)形光提供更大熱輸入、增大匙孔，減少金屬蒸汽、等離子體對(duì)匙孔邊緣液態(tài)金屬的沖擊，降低由此造成的金屬飛濺，并增長(zhǎng)焊縫熱循環(huán)時(shí)間，幫助熔池中氣體有更長(zhǎng)時(shí)間逸出，提高高速焊接過程的穩(wěn)定性（作用類似于復(fù)合焊方案中的半導(dǎo)體激光器輸出）。

在試驗(yàn)中，我們焊接了薄壁殼體電池，發(fā)現(xiàn)其焊縫尺寸一致性較好，具有較好的過程能力CPK。在硬件方面，不同于復(fù)合焊方案的是，該方案簡(jiǎn)單，不需要兩臺(tái)激光器，不需要特殊的復(fù)合焊接頭，只需要一個(gè)常見的普通高功率激光焊接頭（由于只有一根光纖輸出單一波長(zhǎng)激光，鏡片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無需調(diào)節(jié)、功率損耗低），使其調(diào)試和維護(hù)簡(jiǎn)單，其設(shè)備的穩(wěn)定性極大的提高。

nLIGHT的Corona激光器

除了硬件方案上系統(tǒng)簡(jiǎn)單、滿足電芯頂蓋高速焊接工藝需求以外，該方案在工藝應(yīng)用上還有其他優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)中，我們?cè)?00mm/s的高速度下對(duì)電芯頂蓋進(jìn)行焊接，仍然獲得了良好的焊縫成形效果，并且，對(duì)于0.4、0.6、0.8mm幾種不同壁厚的殼體，只需通過簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)激光輸出模式，即可良好的進(jìn)行焊接，而對(duì)于雙波長(zhǎng)激光復(fù)合焊接方案，則需要變更焊接頭或激光器的光學(xué)配置來實(shí)現(xiàn)，并帶來較大的設(shè)備成本和調(diào)試時(shí)間成本。

因此，點(diǎn)-環(huán)形光斑激光焊接方案不但能實(shí)現(xiàn)300mm/s的超高速頂蓋焊接，提高動(dòng)力電池的生產(chǎn)效率，對(duì)于需要頻繁換型的電池制造企業(yè)，該方案還能極大的提高設(shè)備對(duì)產(chǎn)品的兼容性、縮短換型調(diào)試時(shí)間。

圖 Corona激光器對(duì)薄壁電池焊接的焊縫熔深-過程能力

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激光器均有類似的光學(xué)輸出特性，可應(yīng)用于解決諸如：改善激光焊縫飛濺、改善焊縫表面質(zhì)量、提高高速焊接穩(wěn)定性等問題。

04總結(jié)

以上提及的多種方案，均在國內(nèi)外鋰電制造企業(yè)中應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，由于投產(chǎn)時(shí)間不同、技術(shù)背景不同而選擇了不同的工藝方案在行業(yè)中廣泛存在，但企業(yè)對(duì)效率、質(zhì)量的要求是不斷提高的，更多新的技術(shù)會(huì)很快被走在技術(shù)前沿的企業(yè)所應(yīng)用。

文章來源：鋰電筆記、汽車材料網(wǎng)

審核編輯：湯梓紅