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激光焊接工藝之動力電池篇

動力電池制造過程焊接方法與工藝的合理選用,將直接影響電池的成本、質量、安全以及電池的一致性。因此激光焊接機亦或者光纖激光焊接機成為首選。

首先我們來了解下激光焊接機的原理

激光焊接是利用激光束優異的方向性和高功率密度等特性進行工作,通過光學系統將激光束聚焦在很小的區域內,在極短的時間內使被焊處形成一個能量高度集中的熱區,從而使被焊物熔化并形成牢固的焊點和焊縫。

激光焊接機類型

熱傳導焊接,激光光束沿接縫將合作在工件的外表熔化,熔融物匯流到一同并固化,構成焊縫。主要用于相對較薄的材料,材料的最大焊接深度受其導熱系數的約束,且焊縫寬度總是大于焊接深度。

深熔焊,當高功率激光聚集到金屬外表時,熱量來不及散失,焊接深度會急劇加深,此焊接技術即是深熔焊。因為深熔焊技術加工速度極快,熱影響區域很小,而且使畸變降至最低,因而此技術可用于需求深度焊接或幾層資料一起焊接。

熱傳導焊接和深熔焊的主要區別在于單位時間內施加在金屬表面的功率密度,不同金屬下臨界值不同。

穿透焊,連接片無需沖孔,加工相對簡單。穿透焊需要功率較大的激光焊機。穿透焊的熔深比縫焊的熔深要低,可靠性相對差點。

縫焊相比穿透焊,只需較小功率激光焊機。縫焊的熔深比穿透焊的熔深要高,可靠性相對較好。但連接片需沖孔,加工相對困難。

脈沖激光焊接和連續激光焊接

脈沖激光焊接機

激光焊接時應選擇合適的焊接波形,常用脈沖波形有方波、尖峰波、雙峰波等,鋁合金表面對光的反射率太高,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,且反射率隨表面溫度變化。一般焊接鋁合金時最優選擇尖形波和雙峰波,此種焊接波形后面緩降部分脈寬較長,能夠有效地減少氣孔和裂紋的產生。

由于鋁合金對激光的反射率較高,為了防止激光束垂直入射造成垂直反射而損害激光聚焦鏡,焊接過程中通常將焊接頭偏轉一定角度。焊點直徑和有效結合面的直徑隨激光傾斜角增大而增大,當激光傾斜角度為40°時,獲得最大的焊點及有效結合面。焊點熔深和有效熔深隨激光傾斜角減小,當大于60°時,其有效焊接熔深降為零。所以傾斜焊接頭到一定角度,可以適當增加焊縫熔深和熔寬。

另外在焊接時,以焊縫為界,需將激光焊斑偏蓋板65%、殼體35% 進行焊接,可以有效減少因合蓋問題導致的飛濺。

連續激光焊接機

連續激光焊接機由于其受熱過程不像脈沖激光焊接機驟冷驟熱,焊接時裂紋傾向不是很明顯,為了改善焊縫質量,采用連續激光焊接機,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,連續激光焊接機的優勢很明顯,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后產生的缺陷,如裂紋、氣孔、飛濺等,保證鋁合金在焊后有良好的機械性能;焊后不會凹陷,焊后拋光打磨量減少,節約了生產成本,但是因為連續激光焊接機的光斑比較小,所以對工件的裝配精度要求較高。

在動力電池焊接當中,焊接工藝技術人員會根據客戶的電池材料、形狀、厚度、拉力要求等選擇合適的激光焊接機和焊接工藝參數,包括焊接速度、波形、峰值、焊頭傾斜角度等來設置合理的焊接工藝參數,以保證最終的焊接效果滿足動力電池廠家的要求。

激光焊接優點

能量集中,焊接效率高、加工精度高,焊縫深寬比大。激光束易于聚焦、對準及受光學儀器所導引,可放置在離工件適當之距離,可在工件周圍的夾具或障礙間再導引,其他焊接法則因受到上述的空間限制而無法發揮。

熱輸入量小,熱影響區小,工件殘余應力和變形小;焊接能量可精確控制,焊接效果穩定,焊接外觀好;

非接觸式焊接,光纖傳輸,可達性較好,自動化程度高。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。用于動力電池的電芯由于遵循“輕便”的原則,通常會采用較“輕”的鋁材質外,還需要做得更“薄”,一般殼、蓋、底基本都要求達到1.0 mm 以下,主流廠家目前基本材料厚度均在0.8 mm 左右。

能為各種材料組合提供高強度焊接,尤其是在進行銅材料之間和鋁材料之間焊接的時候更為有效。這也是唯一可以將電鍍鎳焊接至銅材料上的技術。

激光焊接工藝難點

目前,鋁合金材料的電池殼占整個動力電池的90% 以上。其焊接的難點在于鋁合金對激光的反射率極高, 焊接過程中氣孔敏感性高, 焊接時不可避免地會出現一些問題缺陷,其中最主要的是氣孔、熱裂紋和飛濺。

鋁合金的激光焊接過程中容易產生氣孔,主要有兩類:氫氣孔和氣泡破滅產生的氣孔。由于激光焊接的冷卻速度太快,氫氣孔問題更加嚴重,并且在激光焊接中還多了一類由于小孔的塌陷而產生的孔洞。

熱裂紋問題。鋁合金屬于典型的共晶型合金,焊接時容易出現熱裂紋,包括焊縫結晶裂紋和HAZ 液化裂紋,由于焊縫區成分偏析會發生共晶偏析而出現晶界熔化,在應力作用下會在晶界處形成液化裂紋,降低焊接接頭的性能。

飛濺問題。引起飛濺的因素很多,如材料的清潔度、材料本身的純度、材料自身的特性等,而起決定性作用的則是光纖激光焊接機的穩定性。殼體表面凸起、氣孔、內部氣泡。究其原因,主要是光纖芯徑過小或者激光能量設置過高所致。并不是一些激光焊接機廠商宣傳的焊接效果取決于激光光束,好的光束質量適合于熔深較大的疊加焊接。尋找合適的工藝參數才是解決常見問題的關鍵。

軟包極耳焊接,對焊接工裝要求較高,必須將極耳壓牢,保證焊接間隙。可實現S形、螺旋形等復雜軌跡的高速焊接,增大焊縫結合面積的同時加強焊接強度。

圓柱電芯的焊接主要用于正極的焊接,由于負極部位殼體薄,極容易焊穿。如目前一些廠家采用的負極免焊接工藝,正極采用的為激光焊接。

方形電池組合焊接時,極柱或連接片受污染厚,焊接連接片時,污染物分解,易形成焊接炸點,造成孔洞;極柱較薄、下有塑料或陶瓷結構件的電池,容易焊穿。極柱較小時,也容易焊偏至塑料燒損,形成爆點。不要使用多層連接片,層之間有孔隙,不易焊牢。

方型電池的焊接工藝最重要的工序是殼蓋的封裝,根據位置的不同分為頂蓋和底蓋的焊接。有些電池廠家由于生產的電池體積不大,采用了“拉深”工藝制造電池殼,只需進行頂蓋的焊接。

方形電池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。由于焊接后可能會導致凸起,這對后續工藝的裝配會有些微影響,因此側焊工藝對激光器的穩定性、材料的潔凈度等要求極高。而頂焊工藝由于焊接在一個面上,對焊接設備集成要求比較低,量產化簡單,但是也有兩個不利的地方,一是焊接可能會有少許飛濺進入電芯內,二是殼體前段加工要求高會導致成本問題。

激光焊接是目前高端電池焊接推崇的主要方法。激光焊接是高能束激光照射工件,使工作溫度急劇升高,工件熔化并重新連接形成永久連接的過程。激光焊接的剪切強度和抗撕裂強度都比較好。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準。

影響激光焊接質量的因素很多。其中一些極易波動,具有相當的不穩定性。如何正確設定和控制這些參數,使其在高速連續的激光焊接過程中控制在合適的范圍內,以保證焊接質量。焊縫成形的可靠性和穩定性,是關系到激光焊接技術實用化、產業化的重要問題。影響激光焊接質量的主要因素分焊接設備,工件狀況和工藝參數三方面。



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