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【Rayclass | 锐课堂】第25期:动力电池激光焊接的难点及解决方案
时间:2019-12-16来源:原创文章

激光焊接作为一种高效精密的连接方式,具有明显的优势:加工效率高、加工精度高、热影响区小、焊件变形小、自动化程度高等等。将激光焊接应用在汽车动力电池焊接上可以大大提高其安全性、可靠性和使用寿命。

动力电池的激光焊接部位多,其材料主要是铝合金,少量部位采用紫铜等材料,还有极少数采用不锈钢作为电池外壳,在这些材料中,镍和不锈钢的激光焊接工艺相对较为简单,也更为成熟,但是铝合金和紫铜的激光焊接依然存在较多的难点。除材料特性的影响之外,焊接接头的状态也会对焊接效果产生较大影响。

待焊接的材料种类及状态

待焊材料种类

铝合金和紫铜作为待焊接的材料时,其常规方式的激光焊接效果不良的主要原因在于:

①两者对于光纤激光来说均属于高反材料,对光纤激光的吸收率不高,导致焊接过程稳定性较差;

②两者的导热性能较好,焊缝成型困难,易产生气孔。

同时这两种材料也存在一定的差异,相对来说,铝合金对光纤激光的吸收率比紫铜的高,而紫铜的导热性能更优于铝合金的,所以两者激光焊接难点的解决办法有相同的地方,也存在着一定的差异:

 

铝合金

1采用相对较小的聚焦光斑(0.1mm~0.3mm)进行焊接;

2焊接速度不能太低,控制在60mm/s以上;

3采用光纤-半导体激光复合焊接;

4采用摆动焊接。

 

紫铜

1采用较小的聚焦光斑(0.02mm~0.2mm)进行焊接;

2焊接速度要快,建议100mm/s以上;

3采用摆动焊接。

 

待焊材料状态

本文中所述的待焊材料状态是指材料的表面清洁度、预处理程度,这些情况均会导致焊缝质量变差,具体的结果表现及解决方案:

 

材料表面有杂质

难点表现:

焊缝存在气孔,密封性不够,强度不够;

焊缝有爆点,产品报废。

解决方案:

待焊材料焊接前需去除油污、水渍等杂质。

 

铝合金表面氧化物未清理

难点表现:

焊缝气孔较多,密封性不够,强度不够;

成型不稳定,良品率降低。

解决方案:

待焊材料焊前进行去氧化膜处理,然后尽快进行焊接。

 

材料待焊处加工粗糙

难点表现:

成型不均匀,外观较差;

容易出现焊漏,无密封性。

解决方案:

材料进行机加工处理,需平整无变形。

 

焊缝所属部件类型及要求

目前主流的汽车动力电池有三种,分别是方形电池圆柱电池以及软包电池,最常用的是方形电池,并且它也是采用激光焊接部位最多的电池类型,另外两类电池市场份额以及激光焊接需求均相对要少很多。焊缝主要存在的问题是强度不够、密封性不够和成型不好,导致这些问题的产生,其共性是因为焊接工艺选择不正确,此外还有待焊部位结构及其焊缝要求所导致的焊接难点,具体情况及解决方案:

软包电池部件

极耳/汇流排

焊接难点:

材料薄,多片叠焊易虚焊,导致强度不够,导电性不好。

解决方案:

控制来料平整度;

设计优良性能的夹具,控制装夹间隙。

焊接难点:

焊缝连接宽度不够导致强度不够。

解决方案:

选用小纤芯光纤激光器,采用摆动焊接。

 

圆柱电池部件

21700电池盖帽

焊接难点:

材料薄,易烧穿,强度达不到。

解决方案:

控制来料一致性;

设计优良性能的夹具,控制装夹间隙;

选用小纤芯光纤激光器,并用振镜高速(300mm/s以上)焊接。

 

模组

焊接难点:

熔深要求较大,焊缝成型较差。

解决方案:

激光器纤芯选择50μm~100μm,使用较高功率进行高速(80mm/s以上)焊接。

 

方形电池部件

注液孔、翻转片、极柱、防爆阀

注液孔

翻转片

极柱

防爆阀

焊接难点:

气孔多,容易出现爆点,导致密封性不够。

解决方案:

提高待焊部位的清洁度;

选用50μm纤芯的光纤激光器,焊接速度可适当提高。

 

壳体封口

焊接难点:

气孔多,容易出现爆点,导致密封性不够。

解决方案:

提高待焊部位的清洁度;

选用50μm纤芯的光纤激光器,焊接速度可适当提高;

选用小纤芯光纤激光器+半导体激光器进行复合焊接。

焊接难点:

方形焊缝四个拐角处容易烧穿,导致密封性不够。

解决方案:

选择加速性能更好的焊接平台;

采用较高的焊接速度,缩短拐角处激光的照射时间。

焊接难点:

焊缝成型不均匀,加工效率不够高。

解决方案:

选用小纤芯光纤激光器+半导体激光器进行复合焊接。

 

汇流排

焊接难点:

材料薄,多片叠焊易虚焊,导致强度不够,导电性不好。

解决方案:

控制来料平整度;

设计优良性能的夹具,控制装夹间隙。

焊接难点:

焊缝连接宽度不够导致强度不够。

解决方案:

选用小纤芯光纤激光器,采用摆动焊接。

 

侧板

焊接难点:

焊接部位多,效率要求高。

解决方案:

选择高功率光纤激光器,进行远程扫描焊接。

 

软连接

焊接难点:

材料薄,多片叠焊易虚焊,导致强度不够,导电性不好。

解决方案:

控制来料平整度;

设计优良性能的夹具,控制装夹间隙。

焊接难点:

焊缝连接宽度不够导致强度不够。

解决方案:

选用小纤芯光纤激光器,采用摆动焊接。

 

激光器推荐

为了能够解决在动力电池焊接中所遇到的难题,针对上述解决方案中所涉及的激光器,锐科激光重点推出了几款适用于动力电池激光焊接的小纤芯光纤激光器、配合双激光复合焊接用的半导体激光器以及优质的高功率光纤激光器,这些可以很好的覆盖动力电池焊接所需的系列激光器,如下图所示。

500W~1kW

连续光纤激光器

光纤芯径

14μm~50μm

 

2kW~3kW

连续光纤激光器

光纤芯径

25μm~50μm

 

 

1kW~2kW

光纤输出半导体激光器

光纤芯径

300μm~600μm

 

4kW~6kW

连续光纤激光器

光纤芯径

100μm~200μm

议程预告

12月16-18日,“2019高工锂电&电动车年会”在深圳机场凯悦酒店盛大开幕,年会主题为“全球电动化的至暗时刻与远大前程”,一场锂电行业的年度思想盛宴激光上演。

随着激光技术的不断发展和新工艺的开发,将会为锂电领域提供更好的解决方案,锐科激光也将在此次锂电盛宴上分享助力动力电池智能制造的光纤激光器产品和解决方案。

 

2019 高工锂电&电动车年会

​时间:

12月17日(周二) 9:45-10:00

演讲人:

锐科激光 新能源行业总监 童慰

演讲主题:

国产激光器进口替代加速度

圆桌对话:

在12月17日(周二)11:30-12:00同期举行的圆桌对话中,锐科激光副总经理李杰将与现场众多精英共同探讨,激光智能制造升级助力动力电池制造降本提效等相关议题。

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