為緩解越來越嚴(yán)重的能源危機(jī)和大氣環(huán)境污染問題,我國與美日德等發(fā)達(dá)國家一樣,正在重點(diǎn)推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,并作為國家戰(zhàn)略優(yōu)先發(fā)展的行業(yè)。國家《新能源汽車科技發(fā)展"十二五"專項(xiàng)規(guī)劃》已把電動(dòng)汽車作為中國汽車未來發(fā)展的主要方向之一;2015年中國新能源汽車保有量計(jì)劃達(dá)到100萬輛,動(dòng)力電池產(chǎn)能約達(dá)100億瓦時(shí);到2020年,新能源汽車的年銷售達(dá)到200萬臺(tái)。
新能源汽車的電池可靠性、成本高、產(chǎn)能缺乏等問題是一個(gè)世界型的難題,現(xiàn)有電池技術(shù)的可靠性、穩(wěn)定性不足,產(chǎn)品的循環(huán)壽命不長等因素長期以來一直影響著新能源汽車的發(fā)展。近年來,各主要汽車廠商在新能源汽車方面投入了巨大的研發(fā)費(fèi)用,也取得了很大的進(jìn)展??梢灶A(yù)見,未來十年,將是新能源汽車爆發(fā)式增長的十年。
深圳博特激光智能制造密切配合各電池生產(chǎn)廠家,共同研發(fā)汽車動(dòng)力電池的激光焊接技術(shù),取得了很大的進(jìn)展。到目前為止,已經(jīng)為國內(nèi)上百家動(dòng)力電池生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)制作了全自動(dòng)或半自動(dòng)的激光焊接生產(chǎn)線,取得了非常豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
一、動(dòng)力電池激光焊接的主要部位
動(dòng)力電池的電芯按其外型可分三種,分別是方型、圓柱型以及軟包電芯(見圖1)。殼體的材料主要有鋁材和不銹鋼,但以鋁材為主,其中以1000系和3000系較多。
圖1 常見動(dòng)力電池外形
目前,在國內(nèi)生產(chǎn)的電動(dòng)汽車當(dāng)中,這三種電池都有應(yīng)用:例如比亞迪E6和K9電動(dòng)車使用的是方型電池;杭州萬向?yàn)殡娦竟?yīng)商的一些電動(dòng)車廠家使用其軟包電池;上汽系某些電動(dòng)車車型則使用美國A123公司的圓型電池。這三種電池的自動(dòng)化激光焊接系統(tǒng)及工藝也各不相同;整體而言,以方形電池居多。
各種電池的激光焊接部位主要有四種:殼體的封裝,根據(jù)位置的不同分為頂蓋、底蓋和側(cè)面的焊接、頂蓋防爆片及安全蓋的焊接、密封釘(也叫注液口)的焊接、電芯極耳與頂蓋的焊接。另外,超級(jí)電容的焊接以連接片和負(fù)極封口焊接為主。各種動(dòng)力電池及超級(jí)電容的焊接部位如圖2所示。
圖2 各種電池的激光焊接焊接部位
二、動(dòng)力電池焊接的工藝難點(diǎn)
一般殼體厚度都要求達(dá)到1.0毫米以下,主流廠家目前根據(jù)電池容量不同殼體材料厚度以0.6mm和0.8mm兩種為主。焊接方式主要分為側(cè)焊和頂焊,其中側(cè)焊的主要好處是對(duì)電芯內(nèi)部的影響較小,飛濺物不會(huì)輕易進(jìn)入殼蓋內(nèi)側(cè)。由于焊接后可能會(huì)導(dǎo)致凸起,這對(duì)后續(xù)工藝的裝配會(huì)有些微影響,因此側(cè)焊工藝對(duì)激光器的穩(wěn)定性、材料的潔凈度和頂蓋與殼體的配合間隙有較高的要求。而頂焊工藝由于焊接在一個(gè)面上,可采用更高效的振鏡掃描焊接方式,但對(duì)前道工序入殼及定位要求很高,對(duì)設(shè)備的自動(dòng)化要求高。
目前鋁殼電池占整個(gè)動(dòng)力電池的90%以上。鋁材的激光焊接難度較大,會(huì)面臨焊痕表面凸起問題、氣孔問題、炸火問題、內(nèi)部氣泡問題等。表面凸起、氣孔、內(nèi)部氣泡是激光焊接的致命傷,很多應(yīng)用由于這些原因不得不停止或者想辦法規(guī)避。很多電池廠家在研發(fā)初期都會(huì)為此大傷腦筋,究其原因,主要是采用的光纖芯徑過小或者激光能量設(shè)置過高所致。引起炸火(也稱飛濺,Splash)的因素也很多,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激光器的穩(wěn)定性。在動(dòng)力電池焊接當(dāng)中,焊接工藝技術(shù)人員會(huì)根據(jù)客戶的電池材料、形狀、厚度、拉力要求等選擇合適的激光器和焊接工藝參數(shù),包括焊接速度、波形、峰值、焊頭傾斜角度等來設(shè)置合理的焊接工藝參數(shù),以保證最終的焊接效果滿足動(dòng)力電池廠家的要求。
方形電池由于來料的配合精度等方面的因素影響,焊接時(shí)拐角處最容易出現(xiàn)問題,需要在根據(jù)實(shí)際情況不斷探索,調(diào)整焊接速度可以解決這類問題。圓形電池沒有這方面的問題,但后續(xù)集成成電池模組的難度較大。
三、動(dòng)力電池的激光自動(dòng)化焊接系統(tǒng)簡介
圖3是一條方形動(dòng)力電池全自動(dòng)激光焊接線,含兩條由焊接、泄漏檢測、短路檢測及編碼打標(biāo)為主要功能的產(chǎn)線,產(chǎn)能≧16PPM,焊接強(qiáng)度6kgf/c㎡以上不泄漏。
本系統(tǒng)可依次完成電池的激光焊接,氣密性測試,短路測試,電池打標(biāo),不合格品自動(dòng)剔除等相關(guān)工序。
激光焊接部份由激光器,激光焊接頭,XYZ三軸運(yùn)動(dòng)控制軸,旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),電池夾具(壓緊及較正夾具),上下料機(jī)械手等構(gòu)成,其主要作用是:將電池從流水線上夾持到焊接工作臺(tái)進(jìn)行焊接作業(yè),并焊接完成后放回流水線上。
氣密性及短路測試部份由氣密性測試組件,短路測試組件,內(nèi)部流水線輸送系統(tǒng),檢測上料機(jī)械手,檢測下料機(jī)械手等構(gòu)成,其主要作用是:將流水線上焊接完成后的電池夾持到內(nèi)部流水線輸送系統(tǒng)上,依次對(duì)其進(jìn)行定位,氣密性,短路相關(guān)測試,并在檢測完成后將良品抓回回到主流水線上,不良品抓除到廢料盒中。測漏部分采極與蓋板三方測試功能。
打標(biāo)部份由激光打標(biāo)機(jī),抓取定位機(jī)構(gòu)等構(gòu)成,其主要作用是對(duì)焊接后產(chǎn)品進(jìn)行打標(biāo)??稍诮饘佼a(chǎn)品(含鋁材)一用正壓檢測,短路測試具有正負(fù)極之間、正極與蓋板、負(fù)側(cè)正上部分高速的標(biāo)記出12位數(shù)字加字母碼(其中三位字母碼,9位數(shù)字碼),加8*8的二維碼。
流水線部份由流水線倍速鏈,夾具托盤,定位氣缸,擋隔分料氣缸等構(gòu)成,其主要作用是帶動(dòng)電池到相應(yīng)的位置,方便焊接與檢測,并具有一定的儲(chǔ)料功能。
圖3 方形動(dòng)力電池全自動(dòng)激光焊接線
圖4是一種方形電池頂蓋的半自動(dòng)生產(chǎn)線,焊接工作臺(tái)部分采用工業(yè)PLC控制,可焊接電池范圍為H:130-300mm、W:110-250mm、T:20--50mm,焊接圖形軌跡為平面矩形,焊接過程自動(dòng)化。
該系統(tǒng)可配合環(huán)形輸送線用于電池頂蓋與殼體自動(dòng)激光密封焊接,其中頂蓋和殼體材料為不銹鋼或鋁合金。焊接參數(shù)可以通過操作界面進(jìn)行設(shè)定,焊接完后確保焊縫無滲漏,焊接完后符合耐壓測試要求,不會(huì)對(duì)電池周圍部件形成破壞或者損傷,且具備自動(dòng)和手動(dòng)兩種功能。
圖4 方形動(dòng)力電池頂蓋自動(dòng)激光焊接線
四、總結(jié)
通過高效精密的激光焊接可以大大提高汽車動(dòng)力電池的安全性、可靠性和使用壽命,必將為今后的汽車動(dòng)力技術(shù)帶來革命化進(jìn)步。動(dòng)力電池的激光焊接部位多,有耐壓和漏液測試要求,材料多數(shù)為鋁材,因此焊接難度大,對(duì)焊接工藝的要求更高。今后,大多數(shù)廠家需要全自動(dòng)生產(chǎn)線,將進(jìn)一步增加焊接系統(tǒng)的集成難度。高質(zhì)量的動(dòng)力電池需要生產(chǎn)廠家的設(shè)計(jì)人員和激光焊接技術(shù)人員密切協(xié)作,從材質(zhì)、形狀、厚度、工藝、實(shí)時(shí)檢測等各方面優(yōu)化設(shè)計(jì),才能達(dá)到理想的焊接效果。
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