方壳锂离子电池封口焊接工艺

来源 | 电动学堂

目前,锂离子动力电池在电动汽车行业具有广泛的应用前景,锂离子电池在制造过程中,铝壳焊接质量的一致性极大程度地影响着电池包及PACK组装系统的一致性和安全性,为此电池铝壳焊接技术成为当前研究的热点(www.3tui.cn)。

1 激光焊接简述

铝壳焊接通常采用激光焊接工艺,激光焊接是将高能量密度的激光束以脉冲或连续的方式人射到振镜上,通过控制反射镜的反射角度,促使激光束进行偏转运动,经聚焦后辐射至工件表面,利用所产生的热使工件焊缝两侧铝材熔化,实现特定强度下密封焊接的目的,是一种高效精密的焊接方法。

激光焊接从高能束流作用焊件实现焊接的机理上可分为两类:热传导焊接和深熔焊接。20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接,焊接过程属于热传导型,是指激光辐射能量只作用于材料表面,不产生小孔效应,材料表面温度升高而熔化,然后通过热传导方式向材料内部扩散,使熔化区变大,熔池形状近似于半球形,功率密度小于104~105W/cm2时,此时熔深浅,焊接速度慢,主要作用于小于1mm的薄板或微、小型零件的精密加工。

高功率CO2及高功率YAG激光器的出现,开辟了激光焊接的新领域即,是指激光能量密度足够,材料表面温度瞬间升高到沸点,使金属熔化和气化,金属蒸汽逸出对熔化的金属产生附加的压力,使熔池表面向下凹陷。当蒸汽的反冲压力与液态金属表面的张力和重力平衡后,小孔不再增加,形成深度稳定的焊缝,功率密度大于105~1 07W/cm2时,具有焊接速度快,深宽比大的特点,广泛应用于机械、汽车、钢铁等工业领域。

铝壳电池注液孔封口焊接技术属于深熔焊接,注液孔封口激光焊接工艺改进是本文重点要介绍的内容。

2 注液孔封口焊接

一般简称为焊PIN,是将开口化成后的电池封好胶钉,并在胶钉外覆盖铝质PIN,之后将PIN焊接在电池盖上进行封口,通过此工序电芯内部完全被密封起来,焊PIN质量关系电池的密封程度,焊PIN不良会导致电池漏液、析锂、电池外观不良等。

本文使用的焊PIN设备为阿帕奇(IPG)1kW光纤激光封口机。

2.1 焊缝质量

焊接后焊缝质量评价分为合格与不合格。不合格即不良类型的焊PIN时,可分为两类,其一为外观不良,其二为强度及密封性不满足要求。外观不良主要表现在焊偏、砂眼、焊PIN倾斜;焊接强度及密封不满足要求主要表现为熔深不达标、有裂缝或气孔,致使电池漏液。图1为焊PIN良品&不良品类型图片。

2.2 工艺分析

根据焊PIN不良品类型,分析导致焊缝质量问题的直接工艺原因,见表1。

根据FTA分析将焊PIN不良归纳为外观问题及焊接强度图1焊PIN良晶&不良晶类型问题,外观类主要讨论:焊接设备CCD拍照的准确性、保护气式;焊接强度及密封性主要讨论原材料的尺寸配合及铝材成纯度与流速设置、焊接区域的清洁度、焊接的机械配合的方式;焊接强度及密封性主要讨论原材料的尺寸配合及铝材成分及焊接工艺参数设计。

2.3 针对外观类问题的工艺优化

2.3.1 焊接设备CCD拍照的准确性

通过调整CCD拍照参数,改善自动循迹。CCD拍照用来采集焊接区域二维图像,通过图像采集系统中的三点定圆确定激光焊接轨迹及焊接位置,因此图形采集照片质量直接影响激光焊接轨迹。影响图片采集效果的因素主要有曝光度、灰度值和寻圆半径。只要对应调整上述参数,就能实现工艺优化。

适当提高曝光度可减少注液孔周围磨损对轨迹的误判,提高图片采集质量;通过调整曝光度值,可以筛选出最优方案来尽可能消除注液孔处的磨损对焊接轨迹的影响,增加曝光度可以增加焊缝与注液孔/PIN之间的明暗对比,使焊缝处的轨迹更加清晰,从而提高焊接轨迹定位的准确度。通过对比曝光参数为1.8,2.2,2.4,2.6的CCD采集图像如图2(a)~(b),发现当曝光参数在2.4以上时可以有效消除注液孔处的磨损对焊接轨迹的影响,提高焊接轨迹定位的准确度。

在寻圆范围内通过灰度值的变化来确定焊接位置,参数的确定与曝光度有关;研究表明随着曝光参数的增加,焊缝与注液孔/PIN之间的灰度值差值逐渐增加(图3),说明增加曝光度可以增加焊缝与注液孔/PIN之间的明暗对比,使焊缝处的轨迹更加清晰。在确定曝光度后,通过调整灰度值可寻找到最优的焊接轨迹,实验表明曝光度在2.4~2.6之间,灰度值在235以上时,图像清晰,误判最少。

寻圆轨迹需要根据设定的最大半径及最小半径来进行轨迹确认,二者的差值越大,寻找的轨迹范围就越大,就越容易受到污渍或盖板反光干扰产生误判;二者差值越小,轨迹范围就越小,越不容易寻到轨迹,二者差值在4~8mm之间能够达到最优状态,我们选用的最小半径为13.5mm,最大半径为19.5mm,差值为6mm。

2.3.2 保护气与流量设置

保护气种类与流量设置对焊接效果也会有影响,保护气体在激光焊接过程中的作用是形成有效气幕屏障,防止金属表面氧化、保护镜片、驱散等离子体。因此需要控制好气流方向、压力与流量;如果保护气体形成湍流,焊缝可能会出现气孔、焊裂、焊缝不均匀等缺陷。

激光焊接机的保护气种类包括氮气、氧气及氯气;氮气不易电离,可让激光顺利通过,光束能量可不受阻碍地直达工件表面,焊接速度快、焊接熔深好,不易产生气孔,但价格比较贵;氧气价格较氮气低,但它易受高温金属等离子体电离,虽然保护效果较好,结果却屏蔽了部分光束射向工件,减少了焊接的有效激光功率,也损害焊接速度与熔深,使用氧气保护气的焊件表面外观较光滑;氮气价格低、电离较小、容易与部分元素反应生成不稳定化合物,影响焊接强度。

使用相同焊接工艺参数及同厂家同批次工件,用氮气和氧气(纯度99.9%)作保护气分别进行焊接。焊接后焊缝局部表观放大图片见图4。

发现使用氯气作保护气时,鱼鳞纹相对粗糙不均匀,焊缝宽度一致性差;使用氧气作保护气体,焊口较平滑、鱼鳞纹均匀提高,外观明显优于使用氮气焊接后产品。

同时对比了两种保护气不同气压压力、气体流量对焊接的影响:使用氯气作保护气,0.4mPa下60L/min焊接效果略好;使用氧气保护气,在不同气体压力和流量下,焊接效果没有明显差异,当流量达到99L/min时,鱼鳞纹较为粗糙。

2.3.3 焊接区域的清洁度

影响焊接的主要因素:

(1)残留电液:注液残留,清洗不彻底;

(2)残留水渍:清洗后烘干不彻底;

(3)粉尘异物:劳保引人、原材料引人、设备杂质引人。通过分析可知,为保证焊接区域的清洁度,取决于清洗机喷淋强度、喷淋方向、提供适度的烘干温度及风速,同时避免外来杂质的引人。

2.3.4 机械配合方式

注液孔与铆钉(注液孔内径、铆钉外径)尺寸配合有过盈配合和间隙配合两种。

过盈配合即注液孔凹槽最小直径小于铆钉直径。过盈配合时,工件配合紧密,能够抵消焊接过程中应力积累,焊接过程PIN不容易歪斜,但此时焊接范围小(图5)。

过盈配合时需要焊接前压胶塞和压铆钉,压紧工位是气功装置,动作频次高,容易传导振动,导致相邻CCD纠偏系统微微颤抖,幅度较大时有可能使电池轨迹偏移而焊偏;过盈配合需要保证一定熔深,为保证密封效果一般采用60%以上的重叠率进行激光焊接,此时激光熔深大小约在0.6~0.9mm,而注液孔凹台深度约0.95~0.98mm之间;随着重叠率的提高激光熔深逐渐增加,焊接位置与胶塞距离越来越近,加之过盈配合下压胶塞、压铆钉过程中容易导致胶塞溢胶,激光很容易打穿胶钉带来焊穿或形成砂眼(图6),电池漏液风险高;同时激光深熔焊接过程中产生的金属蒸汽在过盈配合这种结构下不易排出,也容易导致焊缝周围产生砂眼/气眼,该配合方式下的漏液比例高达0.26%。

间隙配合即注液孔凹槽最小直径大于铆钉直径(图7),目前采用的大多是间隙配合方式,可省去压胶塞、压铆钉步骤,无机械振动源,减少焊偏几率;激光焊接位置距胶钉密封位置较远,不易受到胶塞异物的影响,可以提高熔深,提高密封效果;同时深熔焊接中因金属气化产生的气体能迅速排出,减少了焊接气孔及砂眼;具有胶塞密封+PIN密封的双重密封结构且互不干扰,能够有效减少漏液比例。

但是间隙配合的缺点是配合不够紧密,当焊接区域快速冷却,已焊区域应力积累,就会导致焊PIN倾斜,倾斜严重时会导致焊缝露出造成不良。为解决焊PIN倾斜翘起的问题,本文提出一种优化的焊接模式:拍照进行位置识别后,在连续焊接前增加三点定位预焊(每120°打点一次),进行焊接固定,同时降低预焊时期及收尾时期激光能量,防止焊接过程中由于应力集中及PIN与盖板的匹配性差造成的焊缝露出/焊后PIN倾斜(图8)。

2.4 针对焊接强度及密封性的工艺优化

2.4.1 焊件尺寸配合及来料成分

目前电池盖板注液孔及PIN的尺寸,主要检验电池盖板注液孔尺寸、注液孔凹台深度、PIN直径尺寸。在材料供应多元化的背景下,在这些检验数据中,来自同一厂家测试数据一致性较好。在实际生产中还有一些未列入检验的尺寸,其差异也会影响焊接效果,如凹台倾斜角度,以及盖板、PIN两种材质的杂质含量。

图9为以相同激光工艺(脉冲能量、镜件距离、保护气氛流量、焊接步进速度、出光频率等)焊接,厂家不同配件,其注液孔及PIN焊接效果差异图。

两个厂家盖板尺寸测量数据见表。由表2可见凹台倾斜角度差异是影响焊PIN熔深的因素之一,应列入控制项目。此外铝合金表面对激光反射能力强、导热形成强且铝合金对激光吸收能力差:此外表面存在氧化膜,因此熔点高,导致需要的焊接能量高;若合金中低沸点金属Mg、Zn含量过高,会导致在汽化过程中未迅速排出而产生砂眼或焊坑,导致电池漏液。

2.4.2 焊接工艺参数优化

波形参数对焊接效果有影响,焊接轨迹是激光在焊接位置的运行轨迹,波形参数是激光能量与焊接时间的图像,它影响不同位置的焊接熔深和焊接强度。影响激光能量和焊接时间的参数包括激光输出功率、光斑直径及焊接速度。

焊接速度:焊接速度过快,重叠率低;同时机械振动和速度过快更容易引起焊枪速度不稳,影响焊接熔深,一般采用60%以上重叠率进行激光焊接(表3) ,对应焊接速度小于50mm/s。

激光实际输出功率对焊接有影响,使用相同焊接速度及保护气流量,实际输出的功率越大,焊接材料能够更多、更快速地进行熔化及气化,熔池瞬时的流动性增加,形成的鱼鳞纹分布更均匀,焊缝更平整。

我们分别使用实际输出功率780和870W进行焊接。780W功率焊纹较粗糙、鱼鳞纹分布不均匀,焊缝宽度不一致、呈现波浪状、触感阻塞;而870W功率焊纹光滑、鱼鳞纹细腻、均匀,焊缝宽度一致、基本呈现直线状,触感平滑(图10)。

光斑直径包含焦距直径和离焦量,焦距越小,能量越集中,光束产出质量越高;离焦量是指焦点到母材之间的距离。

3 结论

以目前现有的激光封口设备来看,CCD拍摄效果及焊接波形设置对焊偏有一定的影响;保护气的种类和保护气参数合理设定可以提升焊缝均匀一致性及宽度一致性;保证焊接区域的清洁度,减少杂质异物引人,可有效降低焊渣产生的概率;机械配合方式上间隙配合优于过盈配合,同时提出了一种新型的焊接模式,这种先点焊后连续焊的方式能够在很大程度上解决间隙配合时焊PIN翘起的问题;增加注液孔凹台倾角的尺寸管控能够提升焊接熔深的一致性;焊接速度、输出功率及光斑直径是影响焊接强度的主要工艺参数。

文章来源:《天津力神动力电池系统有限公司》

DOI:10.3969fj.issn.1002-087X.2020.09.007

主营产品:风机盘管,风冷冷水热泵|水源热泵,多联机,风管机|天花机