樓曉天

(橫店集團東磁股份有限公司，浙江 金華 322118)

封口工藝及質量與堿性鋅錳(堿錳)電池的耐漏液性能密切相關。在堿錳電池的發(fā)展過程中，出現了許多的封口工藝［1］。目前，圓柱形堿錳電池高速自動組裝生產線中應用較多的封口工藝有:①對輪軸向旋壓卷邊工藝，特征是在卷邊過程中，滾輪沿電池軸線方向進給;②三輪徑向旋壓卷邊封口工藝，特征是在卷邊過程中，滾輪沿電池直徑方向進給。

本文作者通過對比實驗，分析了兩種不同旋壓工藝的密封質量特性。

1 旋壓封口工藝

1.1 對輪軸向旋壓卷邊封口

對輪軸向旋壓卷邊工藝示意圖見圖1。

如圖1 所示，對向布置且相對位置固定的兩個滾輪，對經過預縮口并裝配了集流體的鋼殼口進行高速旋壓(V);同時，滾輪沿電池軸線方向進給運動(S)，使鋼殼口端部的薄鋼板逐漸向電池中心卷曲，緊扣住集流體，進行封口。之后，電池需由下一道縮口工序，即用圓形凹模對封口部位進行強力套壓，使封口部位鋼殼擴口部位外徑略為縮小，密封圈隨之受到壓縮，使各機械零件緊密配合，封口部位得到密封。

1.2 三輪徑向旋壓封口

三輪徑向旋壓卷邊工藝示意圖見圖2。

三輪徑向旋壓卷邊封口的三滾輪分布示意圖見圖3。

圖3 三輪徑向旋壓卷邊工藝的滾輪分布示意圖Fig.3 Roller distribution schematic of 3-roller spinning crimping

如圖2 及圖3 所示，3 個滾輪均勻分布在以鋼殼為中心的圓上，并圍繞鋼殼的軸線高速公轉(V2);同時，滾輪沿鋼殼外周切向滾動旋轉(V1)，在此過程中，通過機械運動，分布圓的直徑逐漸變小，滾輪朝電池的徑向進給(S)，旋壓電池鋼殼封口部位的薄鋼板，使之逐漸卷曲，進行卷邊封口。卷邊臨近完成的同時，滾輪的工作面可繼續(xù)對鋼殼封口部位的外徑進行壓縮，起到對該部位縮口的作用。

2 實驗

2.1 電池材料

實驗采用LR6 電池，電池鋼殼的擴口部位外徑Ф=14.1 mm，材料為0.25 mm 厚的SPCEN 鋼帶(日本產)，本地沖制，上海電鍍鎳，鋼殼擴口部位外表鍍層厚5 μm;密封圈的外徑Ф=13.58 mm，材料為尼龍612(美國產)，本地注塑成型;負極底蓋的外徑Ф=12.34 mm，材料為0.25 mm 厚的SPCE 鋼帶(日本產)，本地沖制，本地電鍍鎳，鍍層厚3 μm。

2.2 電池封口工藝

三輪徑向進給旋壓卷邊、直接縮口:使用AA 型電池規(guī)格設備(加拿大產)，在卷邊的同時，三滾輪徑向進給旋壓壓縮封口部位，記為樣品S1;三輪徑向進給旋壓卷邊、凹?？s口:使用AA 型電池規(guī)格設備(加拿大產)，在卷邊的過程中不壓縮封口部位，卷邊后，用凹模壓縮封口部位，記為樣品S2;對輪軸向旋壓卷邊封口、凹?？s口:使用AA 型電池規(guī)格設備(江蘇產)，卷邊后，用凹模壓縮封口部位，記為樣品S3。

各工藝中，封口部位外徑最終均壓縮至Ф=13.9 mm。所有實驗用LR6 電池，均不在鋼殼口部涂封口膠;除漏液速度檢測的樣品外，不含正負極、電解液和隔離管等材料。

2.3 電池封口部位圓度測量

以電池體筒身為基準，用RA120C 圓度測量儀(西安產)測量試樣電池的封口部位的圓度誤差，最小二乘法(LSC)評定、高斯濾波。測量應盡量避開軋線工序及卷邊工序對鋼殼形狀的影響區(qū)。

2.4 電池封口部位鋼殼內表面的形貌觀察

割切電池試樣的卷邊封口部位，用S-3000N 型掃描電子顯微鏡(日本產)對獲得的鋼殼小片內表面進行SEM 分析。

2.5 電池點焊件相對鋼殼在卷邊過程中的角度扭轉測量

在試樣電池制作的過程中，將集流體安置入鋼殼后，用記號筆沿過電池軸線的截面位置，在負極底、密封圈及鋼殼的外表畫一條直線，用EOS 30D 相機(日本產)拍攝電池卷邊前后直線位置變化的情況，用三角法測定電池點焊件相對鋼殼在卷邊過程中的扭轉角度大小。

2.6 無封口膠電池漏液速度測試

分別制備S1、S2 及S3 等3 種封口工藝的無封口膠電池，每只電池比正常生產的電池增加0.4 g 電解液37% KOH(江蘇產，電池級)。每隔一定的時間在試樣電池負極端噴施指示劑薄霧，觀察變色情況，以確定電池的漏液速度［2］。

3 結果與討論

3.1 電池封口部位圓度測量結果

實驗測得，電池S1、S2 及S3 的封口部位外徑圓度誤差分別為35 μm、10 μm 和4 μm。三輪徑向進給旋壓卷邊、直接縮口制備的電池，封口部位圓度誤差較大，比對輪軸向旋壓卷邊封口幾乎高一個數量級;三輪徑向旋壓卷邊、凹?？s口，可糾正三輪徑向旋壓卷邊、直接縮口造成的較高誤差。

樣品S1 封口部位外表面圓度誤差的放大輪廓圖見圖4。

圖4 三輪徑向旋壓封口工藝下電池封口部位圓度誤差分布Fig.4 Roundness error distribution of battery sealing part with radial 3-roller spinning process

從圖4 可知，S1 電池封口部位的外形呈較明顯的三角星形，體現了在旋壓封口過程中均布的3 個滾輪的分布特征。三輪徑向進給卷邊工藝在對電池鋼殼進行旋壓過程中，依靠裝在擺臂上的滾輪隨擺臂活動產生的位置變化，改變滾輪的分布圓直徑，達到滾輪徑向進給的目的;擺臂的位置變化由多個零件在機臺旋轉過程中，從機臺上的環(huán)形凸輪曲線軌道上不同方位點的相對位置變化傳遞而來。三輪徑向進給對鋼殼封口部位進行直接縮口時，滾輪在沿鋼殼圓周滾動過程中對鋼殼進行反復擠壓，相應部位的鋼殼受到交替變化的復雜彈塑性變形;3 個滾輪都是以點線方式與鋼殼的局部接觸，與使用圓孔凹模縮口相比，鋼殼受到的瞬間作用力大小和位置在整個圓周面上不均勻，造成封口部位圓度誤差較大。

從圖1 及圖2 可知，對輪軸向進給旋壓時，滾輪從鋼殼的開口邊緣部位開始進行點狀接觸進給，滾輪的直邊對正在受到旋壓作用的鋼殼封口部位的鄰近部位有支護作用;而三輪徑向進給旋壓卷邊時，滾輪從鋼殼開口邊緣的偏下位置開始接觸進給，鋼殼封口部位的薄鋼板較為孤懸，在某一瞬間局部所受的變形范圍和變形程度較大，在卷邊過程中形成了相對較大的不良密封質量特性。由于材料的回彈等原因，在三輪徑向進給旋壓工藝下，對電池封口即使只進行旋壓卷邊、縮口整形環(huán)節(jié)由單獨的后續(xù)工序用圓孔凹模模壓方式進行，如樣品S2，圓度誤差、封口部位鋼殼的內表面裂紋等指標，仍比對輪軸向旋壓工藝的要差。

3.2 電池封口部位鋼殼內表面的形貌

電池封口部位鋼殼內表面的SEM 圖見圖5。

圖5 電池封口部位鋼殼內表面的SEM 圖Fig.5 SEM photographs of inner surface of steel cans in battery sealing part

從圖5 可知，與未卷邊封口的原始鋼殼相比，電池S1 的表面裂紋有進一步的擴展，電池S2 的裂隙的擴展程度比電池S1 要小，而電池S3 的表面狀況接近于原始鋼殼。

3.3 電池點焊件相對鋼殼在卷邊過程中的角度扭轉

圖6 為電池S1 旋壓卷邊前后的照片。

圖6 電池S1 旋壓卷邊前后的照片Fig.6 Photographs of battery S1 before and after spinning crimping

從圖6 可知，點焊件相對鋼殼沿電池軸線在旋壓卷邊過程中扭轉了一個角度，而鋼殼與密封圈之間的相對位置在旋壓卷邊過程中保持了基本不變。實踐中，這種角度扭轉現象易被忽略。電池S1、S2 及S3 的扭轉角度分別為40 °、15 °和10 °。對輪旋壓卷邊封口工藝下的扭轉角則較小。

在滾輪旋壓的過程中，電池鋼殼材料受到略偏向電池中心的圓周切線的擠壓力，使鋼殼產生彈塑性形變，并傳遞給與之配合的密封圈，密封圈也產生較大的形變。形變是交替產生的，其中有一個形變回彈過程;旋壓時，密封圈材料受到的擠壓形變沿圓周近切線方向交替出現，回彈形變也將沿圓周近切線的反方向交替出現;這個反方向的回彈變形，不斷推擠與密封圈鄰接的負極底的外周緣，使負極底受到一個與滾輪旋壓方向相反的持續(xù)扭矩作用。這就是電池在旋壓封口過程中點焊件(負極底)相對密封圈扭轉的動力源。S1 電池在旋壓過程中受到的擠壓變形更強，負極底受到的反擠壓方向扭矩更大，產生的扭轉角也更大。點焊件焊接強度不夠時，該扭矩可將點焊件扭斷，造成電池斷路。

3.4 無封口膠電池漏液速度

對制備的無封口膠電池(每種電池各60 只)在室內環(huán)境下的漏液速度進行觀察，結果見表1。

表1 存放后無封口膠電池的漏液數Table 1 Leaking quantities of no sealant batteries after storage

從表1 可知，電池S1 的密封效果最差，如果三輪徑向旋壓工藝只對電池鋼殼卷邊，卷邊后的縮口改為由后一道工序用圓孔凹模進行套壓(電池S2)，密封效果可得到顯著提高，但仍比電池S3 要差。對照圖5 可知，無封口膠電池的漏液速度與鋼殼封口部位內表面裂紋的嚴重程度相對應。

鋼殼與密封圈配合后，鋼殼表面的裂紋被圍成管狀后構成豐富的毛細管道。如果這些毛細管道不被堵塞，將成為電池內部電解液的漏液通道［3］。三輪徑向進給旋壓卷邊、直接縮口工藝使鋼殼封口部位的形位誤差更大，鋼殼內表面的裂紋更擴展，因此無封口膠電池的漏液速度更快。

4 結論

在本實驗條件下，與對輪軸向旋壓封口工藝相比，三輪徑向進給旋壓卷邊、直接縮口的封口工藝可使電池具有較大的負極底相對鋼殼的扭轉角度，點焊件焊接強度不夠時，該扭轉力可將銅針在焊接部位扭脫，造成電池內部斷路。

與對輪軸向旋壓卷邊封口工藝相比，三輪徑向旋壓卷邊、直接縮口的電池封口工藝可使電池封口部位的圓度誤差較大，封口部位鋼殼內表面的裂紋擴展較為嚴重，在無鋼殼封口膠的情況下，可測得這種電池的漏液較快。三輪徑向旋壓卷邊、凹?？s口，可解決這些問題。

［1］GAO Jiao-yue(高效岳).堿性鋅錳電池封口結構［J］.Battery Bimonthly(電池)，1996，26(4):172－173.

［2］LOU Xiao-tian(樓曉天).堿性鋅錳電池的密封失效與檢測［J］.Battery Bimonthly(電池)，2013，43(1):29－30.

［3］ZHOU Long-xin(周隆鑫)，MIAO Rui(苗瑞)，PENG Jun-fang(彭俊芳).堿性鋅錳電池漏液原因分析［J］.Dianchi Gongye(電池工業(yè))，2007，12(1):38－40.