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浅谈新能源锂电池焊接工艺和方案

新能源动力锂电池制造工艺焊接方法及工艺的合理选择直接影响电池的成本、质量、安全性和电池一致性。接下来,将介绍一下动力电池焊接的相关应用技术。

浅谈新能源锂电池焊接工艺和方案

1激光焊接原理

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激光焊接是利用激光束优异的方向性、高功率、高密度等特性运作,通过光路整形将激光束集中在小区域内,用极短的时间在被焊接的部位形成能量高度集中的热源区域,熔化被焊接物,从而产生牢固的焊点和焊缝。

2激光焊接类型
热传导焊接和深熔焊接

激光功率密度为105~106w/cm2,形成激光热传导焊接,激光功率密度为105~106w/cm2,形成激光深熔焊接。

穿透焊接方法和缝焊接方法

穿透焊接,连接片不需要打孔,加工步骤比较简单。穿透焊接的熔深比缝焊的熔深要浅,可靠性相对降低。

穿透焊接需要功率较大的激光焊接机。

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缝焊只需较小功率的激光焊接机。缝焊的熔深比穿透焊接的熔深要打,可靠性相对更好。但连接片需要打孔,加工难度相对复杂。

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脉冲焊接和连续焊接

1)脉冲模式焊接

激光焊接时应选择合适的焊接波形。常用的脉冲波形有方波、尖峰波、双峰波等。铝合金表面对光的反射率太高。高强度激光束到达材料表面后,金属表面的激光能量有60%-98%会因反射而损失,反射率会随着表面温度的变化而变化。一般来说,焊接铝合金时最好选择尖波和双峰波。这种焊接波形后面部分脉宽比较长,可以有效地减少气孔和裂纹。

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脉冲激光焊接样品

铝合金对激光的反射率很高,为了防止激光束垂直入射后损坏激光聚焦镜,所以在焊接过程中焊头会偏移一个角度。焊点直径和有效结合面的直径随着激光倾斜角度的增加而增加,激光倾斜角度为40度时,得到最大焊点和有效结合面。焊点熔深和有效熔深随着激光倾斜角减少,大于60度时,有效焊接熔深下降到0。因此,将焊头倾斜特定角度,可以适当增加焊接熔深和熔宽。

另外,焊接时以焊缝为边界,将激光焊接斑点焊接到盖子的65%、外壳的35%,可以有效地减少合盖问题引起的炸火。

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2)连续模式焊接
连续激光器焊接的过程与脉冲激光不同,不会出现忽冷忽热,因此焊接时裂纹倾向不明显。为了提高焊接质量,采用连续激光器焊接,焊接表面光滑均匀,不飞溅,无缺陷,焊接内部没有发现裂纹。在铝合金焊接中,连续激光器焊接的优点明显比传统焊接方法的生产效率高。与脉冲激光焊接相比,其可以解决焊接后产生的裂纹、气孔、飞溅等缺陷,确保焊接后铝合金的机械性能。焊接后不下陷,焊接后抛光量减少,可以降低生产成本,由于连续激光器的光斑较小,对工件的装配精度要求较高。

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连续激光焊接样品

在新能源动力电池焊接中,焊接工艺技术人员根据客户的电池材料、形状、厚度、应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、焊接头倾斜角度等参数合理设置,以确保最终焊接效果满足新能源动力电池制造商的要求。

3激光焊接优势

能量集中、焊接效率、加工精度高、焊接深度大。激光束可以很容易地聚焦、瞄准光学仪器,将其放置在与工件的适当距离处,可在工件周围的夹具或障碍物之间重新引导,其他焊接方法则无法实现。

热输入量少,热影响区小,工件残余应力和变形小。焊接能量可以精确控制,焊接效果稳定,焊接质量好。

非接触焊接、通过光纤传输、可达性好、自动化程度高。焊接薄材料或细直径导线时,没有像电弧焊接一样出现回熔的问题。动力电池遵循“轻便”原则,所以一般除了使用质量较轻的铝材料外,还要求薄,一般外壳、盖子和底板基本要求在1.0 mm以下,主流动力电池制造商目前使用的铝材料厚度都在0.8 mm左右。

轻松实现各种材料高强度焊接。特别是铜材料之间的焊接和铝材料之间的焊接更有效。这也是将点镀镍焊接到铜材料上的唯一技术。

4激光焊接工艺难点

目前铝合金材料的电池外壳占整个动力电池铝材料90%以上。焊接的难点在于铝合金对激光的反射率很高,焊接过程中气孔敏感性很高,焊接时不可避免地会出现一些问题。其中最重要的是气孔、热裂纹和炸火。

铝合金的激光焊接过程中容易产生气孔,主要有氢气孔和气泡破裂产生的气孔。由于激光焊接的冷却速度太快,氢气孔问题变得更加严重,激光焊接中因小孔塌陷而产生的孔洞比较多。

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热裂纹问题。铝合金是典型的共晶型合金,焊接时容易产生热裂纹。包括焊缝结晶裂纹和HAZ液化裂纹。焊接区组成偏析导致共晶分离,发生晶界熔化,应力作用下晶界形成液化裂纹,降低焊接接头性能。

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飞溅问题。引起飞溅的因素很多,例如材料的清洁度、材料本身的纯度、材料本身的特性等,起到决定性作用的是激光器的稳定性??翘灞砻娌黄秸?,气孔,内部气泡。原因主要是光纤芯径太小或激光能量设置太高。并不是一些激光设备供应商宣传的“光束质量越好,焊接效果越好”,好的光束质量适用于熔深较大的叠加焊接。使用合适的工艺参数才是解决焊接问题的最佳选择。

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其他难点

软包极耳焊接,对焊接工艺的要求较高,必须按住极耳,保证焊接间隙??捎肧形、螺旋形等复杂轨迹的高速焊接,在增加焊接结合面积的同时提高焊接强度。

圆柱电芯的焊接主要用于阳极(正极)的焊接,阴极(负极)部位的外壳薄,容易焊穿。目前,部分激光研发厂家采用的方案是只焊接正极,负极不焊接。

方形电池组合焊接时,极柱或连接片受到污染后,焊接连接片时污染物分解,容易产生焊接炸点,容易出现孔洞。极柱薄,下有塑料或陶瓷结构件的电池容易焊接。极柱较小时,会焊偏至塑料烧损,容易形成爆点。建议不要使用多层连接片,因为层之间有缝隙,比较难焊牢固。

方形电池的焊接过程中最重要的步骤是外壳盖的封装,根据位置分为顶盖和底盖的焊接。一些电池制造商生产的电池体积不大,通过“拉深”工艺制作电池外壳,只需焊接顶盖即可。

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方形动力电池侧焊样品

方形电池焊接方法主要分为侧面焊接和顶部焊接,其中侧面焊接的主要优点是对电芯的内部的影响较小,飞溅物很难进入壳盖内部。由于焊接后可能会导致凸起,对后续组装过程会有一定的影响,因此侧面焊接工艺对激光器的稳定性、材料表面的清洁度等要求非常高。而顶部焊接工艺只焊接一个面,对焊接设备集成的要求较低,量产简单,但有两个缺点。一个是焊接时会有飞溅进入电芯,另一个是壳体的加工要求高会导致成本增大的问题。

5焊接质量影响因素
激光焊接是目前高端电池焊接推崇的主要方法。激光焊接是高能束激光照射工件的过程,是工作温度急剧升高,工件熔化并重新连接,形成永久连接的过程。激光焊接的剪切强度和防撕裂强度都很好。电池焊接的好坏是典型的焊接质量评价标准,其导电性、强度、气密性、金属疲劳和耐蚀性。

影响激光焊接质量的因素很多。其中一些很容易波动,具有相当大的不稳定性。如何正确设置和控制这些参数,以确保高速连续激光焊接中的焊接质量,焊接成型的可靠性和稳定性是关系到激光焊接技术实用化和产业化的重要问题。影响激光焊接质量的主要因素分为焊接设备、工件状态和工艺参数三个方面。

1)焊接设备
激光的质量要求中最重要的是光束模式和输出功率及稳定性。光束模式是光束质量的主要指标,光束模式顺序越低,光束聚焦性能越好,光斑越小,同一激光功率下的功率密度越高,焊接深度越大。通常需要基本模式(TEM00)或低阶模具。否则很难满足高质量激光焊接的要求。目前国产激光在光束质量和功率输出稳定性方面用于激光焊接有困难。国外的话,激光的光束质量和输出功率稳定性相当高,不会成为激光焊接的问题。光学系统中对焊接质量影响最大的因素是焦镜。常用焦距在127毫米(5英寸)到200毫米(7.9英寸)之间,焦距小有助于减少聚焦光束腰部斑点直径,但太小的话,在焊接过程中容易受到污染和飞溅损伤。


波长越短,吸收率越高。一般是导电性能好的材料,反射率高。对于YAG激光器,银的反射率为96%,铝为92%,铜为90%,铁为60%。温度越高,吸收率越高,有线性关系。在普通表面涂抹磷酸盐、炭黑、石墨等可以提高吸收率。

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2)工件状态
激光焊接需要加工工件的边缘,以高精度组装,光斑和焊缝严格配对,对于工件的原始组件精度和光斑对,在焊接过程中不能根据焊接热变形进行更改。原因是激光光斑小,焊缝窄,通常不填充金属。例如,因为组装不严格,间距太大,梁不能通过缝隙融化母料,或者光斑和接缝的偏差稍大,就不能融合或焊接。因此,普通座椅对接安装间隙和光斑对接偏差均不能大于0.1mm,错误的边缘不能大于0.2mm。实际生产中,有时不能满足这些要求,无法使用激光焊接技术。为了获得良好的焊接效果,必须将允许对接的间隙和重叠的间隙控制在板厚的10%以内。

成功的激光焊接需要焊接基板之间的密切接触。为此,必须仔细固定零件以获得最佳结果。在薄的极耳器材上很难做好。特别是因为,如果将极耳嵌入大型电池??榛蜃榧?,就很容易弯曲。

3)焊接参数
(1)对激光焊接模式及焊接成型稳定性的影响焊接参数中最重要的是激光光斑的功率密度,它会影响焊接模式及焊接成型稳定性。随着激光光斑动力密度在小规模上的增大,分别是稳定热传导焊接、模式不稳定焊接、稳定穿透焊接。

激光光斑的功率密度主要由光束模式和焦点镜头的焦距恒定时激光功率和光束焦点位置决定。激光功率密度与激光功率成正比。焦点位置的影响具有最佳值。当光束焦点位于工件表面以下特定位置(根据板厚度和参数在1 ~ 2mm范围内)时,可获得最佳焊接。偏离这个最佳焦点位置后,工件表面光斑增大,功率密度变小,焊接工艺形态变化到一定范围。


焊接速度对焊接工艺形式和稳定的影响没有激光功率和焦点位置那么大。只有在焊接速度太大的情况下,热输入太小,无法维持稳定的深焊接工艺。实际焊接时,应根据焊接件的熔化要求选择稳定通过或稳定热传导焊接,绝对应避免模式不稳定焊接。

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(2)在深熔解焊接范围内,焊接参数对熔解的影响:在稳定的熔解焊接范围内,激光功率越高,熔解越大,关系约为0.7平方。焊接速度越高,熔胶越浅。在特定激光功率和焊接速度条件下,当焦点处于最佳位置时,熔体最大,离开该位置时,熔体减少,模式不稳定或热传导焊接可能会稳定。

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(3)气体?;さ挠跋?,气体?;さ闹饕饔檬窃诤附庸讨斜;すぜ馐苎趸?。?;そ沟憔灯馐芙鹗粽羝廴竞鸵旱谓ι?。分散高功率激光焊接产生的等离子体。冷却工件,减少热影响区域。

?;て逋ǔJ褂煤せ蚝?,表面质量要求不高的也可以使用氮。产生等离子体的倾向大不相同。氦的电离电高,热传导快,因此在相同条件下产生等离子体的倾向比氩小,因此可以得到更大的溶解。随着在一定范围内?;て辶鞫那阆蛟黾?,抑制等离子体的倾向增大,溶解增加,但增加到一定范围后趋于平静。

(4)各参数的可监测性分析:在四个焊接参数中,焊接速度和?;て辶鞫粲谌菀准嗖夂臀榷ǖ牟问?,激光功率和焦点位置在焊接过程中可能会波动,是难以监测的参数。激光输出的激光功率稳定性高,容易监控,但由于传导光和焦点系统的损失,到达工件的激光功率会发生变化。这种损失与光学工件的质量、使用时间和表面污染有关,因此不容易监控,成为焊接质量的不确定性。光束焦点位置对焊接参数中焊接质量有很大影响,是最难监测和控制的因素。在目前的生产中,需要通过人工调节和重复工艺试验来确定适当的焦点位置,以获得理想的溶解。但是,由于焊接过程中工件变形、热透镜效果或空间曲线的多维焊接,焦点位置可能会发生变化,从而超出允许范围。

在这两种情况下,都应采用高质量、高稳定性的光学元件,并经常保持,以防止污染和保持清洁。相反,要开发激光焊接过程的实时监测和控制方法,优化参数,监测到达工件的激光功率和焦点位置的变化,实现闭环控制,提高激光焊接质量的可靠性和稳定性。

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最后,请注意激光焊接是一个熔化过程。也就是说,在激光焊接过程中,两个基底会溶化。这个过程很快,因为总热量输入很低。但是,由于这是熔化过程,焊接其他材料时,可以形成易碎的高电阻金属间化合物。铝铜组合特别容易形成金属间化合物。这些化合物证明对微电子设备接头的短期电气性能和长期机械性能有负面影响。这些金属间化合物对锂电池长期性能的影响尚未确定。

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