動力電池作為新能源汽車的核心部件,其品質直接決定了整車性能。鋰電池制造設備一般為前端設備、中端設備、後端設備三種,其設備精度和自動化水平將會直接影響產品的生產效率和一致性。而激光加工技術作為一種替代傳統焊接技術已廣泛應用於鋰電制造設備之中。
從鋰電池電芯的制造到電池PACK成組,焊接都雷射雕刻機是一道很重要的制造工序,鋰電池焊接的好壞其導電性、強度、氣密性、金屬疲勞和耐腐蝕性能是典型的焊接質量評價標准。
在眾多的焊接方式中,激光焊接其獨特的優勢在許多行業領域均得到廣泛應用,其特點有如下幾點:首先,能量密度高、焊接變形小、熱影響區小,可以有效地提高制件精度,焊縫光滑無雜質、均勻致密、無需附加的打磨工作。其次,可精確控制,聚焦光點小,高精度定位,配合機械手臂易於實現自動化,提高焊接效率,減少工時,降低成本,另外,激光焊接薄材或細徑線材時,不會像電弧焊接般易有回熔的困擾。
動力電池電芯的制造由於遵循“輕便”的原則,通常會采用較“輕”的鋁材質,還需要做得更“薄”,一般殼、蓋、底基本都要求達到1.0毫米以下,一些主流廠家目前基本材料厚度均在0.8mm左右。鋁材焊接的難點在鋁合金對激光束的高初始反射率及其本身的高導熱性,使鋁合金雷射焊接機在未熔化前對激光的吸收率低,由於鋁的電離能低,焊接過程中光致等離子體不易於擴散,使得焊接穩定性差。另外,焊接過程中還容易出現氣孔和熱裂紋。
針對上述問題,選擇合適的光學模式非常重要,首先是脈沖激光。脈沖激光器常用的脈沖波形有方波、尖峰波、雙峰波等幾種,由於鋁合金表面對光的反射率太高,焊接時應選擇合適的焊接波形。當高強度激光束射至材料表面,金屬表面將會有60%-98%的激光能量因反射而損失掉,且反射率隨物件表面的溫度而變化。一般焊接鋁合金時最優選擇尖形波和雙峰波,此種焊接波形後面緩降部分脈寬較長,能夠有效地減少氣孔和裂紋的產生。
連續激光器焊接由於其受熱過程不像脈沖驟冷驟熱,焊接時裂紋傾向不是很明顯,為了改善焊縫質量,采用連續激光器焊接,焊縫表面平滑均勻,無飛濺,無缺陷,焊縫內部未發現裂紋。在鋁合金的焊接方面,連續激光器的優勢很明顯與傳統的焊接方法相比,生產效率高,且無需填絲;與脈沖激光焊相比可以解決其在焊後產生的缺陷,如裂紋、氣孔、飛濺等,保證鋁合金在焊後有良好的機械性能;焊後不會凹陷,焊後拋光打磨量減少,節約了生產成本,但是因為連續激光器的光斑比較小,所以對工件的裝配精度要求較高。
在所有不同形狀的電池中,方型電池的焊接工藝最重要的工序是殼蓋的封裝,方形電池外殼的封口辦法一般是在電池頂部有一個長方形蓋板,板上帶有正極輸入端,將蓋板塞入外殼與口平齊,然後用激光將蓋板與外殼之間的長方形縫隙以脈沖或者連續激光焊接的方式焊好密封即可。
焊接方式主要分為側焊和頂焊,其中側焊的主要好處是對電芯內部的影響較小,飛濺物不會輕易進入殼蓋內側。由於焊接後可能會導致凸起,這對後續工藝的雷射切割機裝配會有些微影響,因此側焊工藝對激光器的穩定性、材料的潔淨度等要求極高。而頂焊工藝由於焊接在一個面上,對焊接設備集成要求比較低。
電池電芯通過加裝保護電路、外殼、輸出而形成的應用電池組生產過程稱為PACK。電池PACK是實現電池在不同領域應用需求的一道重要工序。隨著我國PACK工藝的不斷發展,連接方式也在不斷的改進,從最初的錫焊到到後來的電阻焊,發展至今,激光焊接因其焊接精度、可靠性及自動化程度高的優勢,已成為目前PACK工藝最為廣泛的連接方式,而搭載著激光焊接工藝的智能自動化設備已成為方形、圓柱、軟包、18650等不同類型電芯PACK成組的高端制造裝備,深受行業廣泛應用及推崇。
新能源汽車產業的發展,並未對其所使用的動力電池及電池模組雷射打標機的規格標准定型並標准化,凸顯出了眾多規格體系不兼容的尷尬,當前的工藝流程和人工操作制約了企業的生產節拍和效率,從而無法有效提升產品質量和產能。所以,提升動力電池模組組裝的自動化水平非常必要。如今,實現“整線設備+機器人+軟件控制”的智能化解決方案,既要解決用戶重點關注的兼容性、整線節拍和效率問題,又要解決了用戶電池PACK訂單批量小、規格多的問題。
管理軟件方面。整套MES系統直接將產線打造成准無人化生產車間,人工只需要在線外進行物料補充,提高安全性也減少了人為因素介入。焊接工序的環節,只需要將激光焊接工藝數據需集成在MES管理軟件系統中,以方便用戶直接調用、切換即可。從電芯到PACK成組,每一道工序的參數、數據、及其他來料信息等,都可以通過MES系統快速查詢並及時分析處理,既要做到過程可控,又要有效保障生產效率,用戶還通過預留的工業通訊接口實現遠程監控管理,充分體現智能化自動化的制造特點。如今,在“工業4.0”浪潮來襲的背景下,搭載激光解決方案的產品已向著高智能化、高自動化的趨勢方向發展。