李詩語 陳艾青

（ 上海電動工具研究所，上海 200031 ）

鋰電池自動點焊設(shè)備的開發(fā)與研制

李詩語 陳艾青

（ 上海電動工具研究所，上海 200031 ）

分析影響鋰電池點焊質(zhì)量的主要因素，介紹在此基礎(chǔ)上自主研發(fā)自動點焊設(shè)備，通過對該設(shè)備技術(shù)指標(biāo)以及功能特性的表述，提出在鋰電池包生產(chǎn)過程的點焊環(huán)節(jié)中，如何滿足企業(yè)實際生產(chǎn)需要，從而提高點焊一致性、點焊速度以及點焊可靠性。

點焊 點焊設(shè)備 點焊工藝 鋰電池包

0 引言

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，小型化設(shè)備日益增多，這也對電源提出了更高的要求。具有高能效、低污染等特點的鋰電池隨之進(jìn)入了大規(guī)模的實用階段。當(dāng)今手機、筆記本電腦、數(shù)碼相機、電動車、電動工具、新能源汽車等行業(yè)規(guī)模迅速擴張，由此帶來的鋰電池需求同比持續(xù)增長。

為了滿足電動工具、電動車、新能源汽車等行業(yè)高能量、高功率的電源需求，必須將單節(jié)鋰電池電芯進(jìn)行串、并聯(lián)。因此，焊接技術(shù)對鋰電池的應(yīng)用十分重要。目前,鋰電池焊接主要分為電阻焊和激光點焊。其中，電阻焊憑借著設(shè)備成本低、勞動條件好、操作簡便等優(yōu)點得到快速發(fā)展。

1 概述

電阻焊可分為點焊、縫焊和對焊。在鋰電池生產(chǎn)制造中，主要采用點焊，其原理是利用工件自身電阻，通過電極對工件加壓力和導(dǎo)通大電流，在工作接觸面產(chǎn)生高熱進(jìn)行熔融金屬的連接。

影響點焊的幾個主要因素為：焊接電流，通電時間，加壓力，電極材料。

對于焊接電流和通電時間因素，可采用米亞基點焊電源進(jìn)行控制。米亞基電源特點：電流上升速度快，飛濺少，控制時間短（0.1～0.2 ms）,控制靈活。

加壓力則是控制接觸電阻，施加壓力與接觸電阻成反比，壓力控制多采用彈簧。

鎳片是一種導(dǎo)電性相對較好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、熔點較低的電極材料，可作為鋰電池包的點焊連接片。

由圖1所示可見，點焊即是利用柱狀電極加壓通電，在搭接工件接觸面焊成一個焊點的焊接方法。點焊時,加壓使得兩個工件緊密接觸，接通電流，電流經(jīng)過電阻產(chǎn)生熱量使局部金屬被熔化形成液態(tài)熔核。斷電后，保持壓力或加大壓力，使熔核在壓力下凝固結(jié)晶，形成組織致密的焊點。焊完一個點后，電極移動至下一個點。

圖1 點焊示意圖

在實際生產(chǎn)中，手動點焊效率低、勞動強度大。通常，點焊人員手持制具，目測點焊位置將電芯與極棒對正后實施點焊。點焊時可能造成飛濺，操作者須戴好防護(hù)鏡進(jìn)行人身安全保護(hù)，繁瑣的防護(hù)設(shè)備易造成目測及放置位置偏差，導(dǎo)致實際良品率較低。因此，采用自動化程度高的自動點焊機替代人工操作勢在必行。根據(jù)實際生產(chǎn)所需，本文介紹一款符合企業(yè)需求的自動點焊機設(shè)備。

2 技術(shù)指標(biāo)

如圖2所示，該款自動點焊機點焊電源采用了米亞基MDA-8000B系列，MDA-8000B系列是精密電阻焊接用晶體管式電源，有著小型高效，高輸出的焊接特點。機械部分由5個單臂機器人進(jìn)行動作,分別為左X，右X，左Z，右Z，Y。電氣部分由PLC和觸摸屏進(jìn)行控制。技術(shù)指標(biāo)如下：

1）點焊對象：18650鋰電芯

2）點焊方式：凸點點焊和尖針點焊

3）設(shè)備電源：AC 220 V/50 Hz

4）設(shè)備氣源：Φ8 mm氣管輸入0.4～0.5 Mpa干燥氣源

5）各軸定位精度：0.01 mm

6）方案存儲量：儲存20組點焊配方，每組最多40顆18650電芯。配方制具編號可備注

7）數(shù)據(jù)通信：支持SD卡儲存和交換數(shù)據(jù)

8）外形尺寸：105×85×200 cm

圖2 自動點焊機

3 控制原理

通過程控器（PLC）與觸摸屏控制：5個伺服電機、導(dǎo)軌、絲桿組成的單臂機器人，進(jìn)行點焊定位；點焊電源對工件進(jìn)行點焊；采用絕對坐標(biāo)控制，定位精準(zhǔn)。在點焊位置時，通過點焊頭給予可控壓力，得到壓力到位信號后，接通點焊電源點焊，保證點焊位置的一致性。定位速度可調(diào)，點焊效率提高。點焊機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

點焊機操作流程如圖4所示。

點焊機總體動作流程如圖5所示。

X，Y，Z軸伺服電機動作流程如圖6所示。

圖3 自動電焊機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 自動電焊機操作流程

圖5 自動點焊機總體動作流程

圖6 X、Y、Z軸伺服電機動作流程

上述流程為自動運行流程。編寫手動調(diào)整控制程序時，須注意Y，Z運動前應(yīng)檢查X軸是否在待機位或原點位，避免產(chǎn)生運動時序沖突，造成撞針現(xiàn)象，嚴(yán)重時可撞斷點焊軸。Y軸手動調(diào)整流程圖7所示如下，Z與Y軸手動調(diào)整類似。

圖7 Y軸手動調(diào)整流程

點焊機正常運行時，在取放制具地點安裝安全光柵，保障人員安全，并且設(shè)有兩個急停按鈕，防止危險情況發(fā)生。在程序設(shè)計時，充分考慮到五軸連動產(chǎn)生干涉的情況，確保點焊工作中不產(chǎn)生運動碰撞，提高安全性。

4 界面顯示

圖8所示為自動點焊機的開機界面。

圖9所示為觸摸屏自動運行屏和手動界面。

圖8 自動點焊機開機界面

圖9 自動運行屏和手動界面

自動運行屏主要顯示自動運行狀態(tài)，如：產(chǎn)量組數(shù)，焊針使用次數(shù)，點焊位置，加工時間等。

手動操作界面可將點焊動作分解，手動進(jìn)行點焊。

位置設(shè)定是更換制具時最常用的界面，可設(shè)置每個點的位置參數(shù)，通過上一點焊位置按鈕、下一點焊位置按鈕來調(diào)整和保存。在實際生產(chǎn)中，調(diào)整位置參數(shù)往往需要工藝工程師對點焊頭與電芯的位置進(jìn)行目測，所以在手動調(diào)整位置時，這臺自動點焊機同時配備按鈕盒，提高了調(diào)整參數(shù)的效率。

伺服設(shè)定界面可設(shè)置伺服電機的速度，加減時間。

圖10 配方設(shè)定界面

與同類產(chǎn)品相比，該自動點焊機根據(jù)實際生產(chǎn)的需要，加入配方以及歷史記錄等實用功能。

配方功能如圖10所示。

在配方界面中，可將點焊位置坐標(biāo)進(jìn)行斷電保存，輸出至SD卡中，還可根據(jù)制具參數(shù)，直接修改位置坐標(biāo)，縮減調(diào)整位置所需時間。配方功能與手動調(diào)整位置功能協(xié)同使用可以極大減少制具更換時間。更換新的制具，該自動點焊機可在30 min內(nèi)完成位置設(shè)定,減少了工藝工程師的調(diào)整時間。對于點焊品種多樣的電池包，可顯著提升效能。

歷史記錄功能如圖11所示。

圖11 歷史記錄界面

歷史記錄可用來查詢故障發(fā)生時間，記錄內(nèi)容可斷電保存。點焊機運行狀況一目了然，對于生產(chǎn)效能分析，設(shè)備可靠性分析有重要作用。

5 結(jié)語

該款自動點焊機與同類型點焊機相比，點焊一致性、點焊速度、點焊可靠性有較大提升，滿足實際生產(chǎn)需求。目前，該點焊機已正常運行6個月，焊針使用次數(shù)已達(dá)40萬次，點焊成品其鎳片的抗拉強度大于標(biāo)準(zhǔn)值。整機設(shè)計指標(biāo)達(dá)到了技術(shù)要求，能夠滿足電池包生產(chǎn)線長時間連續(xù)工作要求。

[1]陳立定，吳玉香，蘇開才．電氣控制與可編程控制器[M]．廣州：華南理工出版社，2001．

[2]孫寶元，楊寶清．傳感器及其應(yīng)用手冊[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2004．

[3]中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會電阻焊（Ⅲ）專業(yè)委員會．電阻焊理論與實踐[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1994．

Research and Development of Lithium Battery Automatic Spot Welding Equipment

Li Shiyu Chen Aiqing

(Shanghai Electrical Tool Research Institute, Shanghai 200031, China)

Analysis the main factors affecting the lithium battery spot welding quality, introduce the self-developed automatic spot welding equipment. Based on the technical index and function characteristic of this equipment, put forward how to meet actual production needs during the spot welding part of the production process of lithium battery packs, to improve the consistency, speed and reliability of spot welding.

Spot welding Spot welding equipment Spot welding process Lithium battery pack

TM08

A

1674-2796（2014）06-0009-05

2014-10-15

李詩語（1992—）男，本科，主要從事鋰電工具產(chǎn)品專用設(shè)備開發(fā)設(shè)計和制造工作。