江浪

摘 要：為了解激光焊接在極耳焊接或激光切割在極片切割中的應(yīng)用，文章簡單介紹了激光焊接、激光切割的原理，從電池零件自動檢測與零位檢測、極耳自動轉(zhuǎn)平與自動轉(zhuǎn)位、激光焊接、自動下料幾個方面，闡述了激光焊接在極耳焊接中的應(yīng)用。并從切割機制、參數(shù)調(diào)整幾個方面，總結(jié)了激光切割在極片切割中的應(yīng)用。得出：激光焊接可以通過自動化控制技術(shù)完成極耳的高質(zhì)量、高速度焊接;激光切割可以在波形、參數(shù)選定的前提下，獲得熱影響小、毛刺少的切割效果。

關(guān)鍵詞：激光焊接 極耳焊接 激光切割 極片切割

Application of Laser Welding in Tab Welding

Jiang Lang

Abstract：In order to understand the application of laser welding in pole welding or laser cutting in pole piece cutting， the article briefly introduces the principles of laser welding and laser cutting， from automatic detection of battery parts and zero detection， automatic leveling and automatic rotation of tabs. In terms of indexing， laser welding， and automatic blanking， the application of laser welding in tab welding is explained. From the aspects of cutting mechanism and parameter adjustment， the application of laser cutting in pole piece cutting is summarized. It is concluded that laser welding can complete the high-quality and high-speed welding of the lugs through automatic control technology; laser cutting can obtain the cutting effect with less heat influence and less burrs under the premise of selecting the waveform and parameters.

Key words：laser welding， lug welding， laser cutting， pole piece cutting

1 前言

近二十年來，激光加工技術(shù)已成為發(fā)展最快的高新技術(shù)之一，為傳統(tǒng)制造業(yè)改造提供了充足支持。相較于傳統(tǒng)極耳焊接、極片切割模式而言，激光焊接、激光切割模式可以實現(xiàn)自動化操作，并解決毛刺、露白、掉粉等一系列問題，為鋰電池性能的提升提供依據(jù)。因此，從激光加工技術(shù)的應(yīng)用入手，探究極耳焊接與極片切割工藝具有非常突出的現(xiàn)實意義。

2 激光焊接與激光切割的原理

2.1 激光焊接

激光焊接主要是將高能量密度激光束作為熱源，在功率密度小于104～105W/cm2時，經(jīng)熱傳導(dǎo)加熱工件表面，進行緩慢焊接，焊接熔深較淺;或者在功率密度超過105～107W/cm2時，通過控制激光脈沖峰值功率、寬度、重復(fù)頻率、能量促使工件熔化并形成特定熔池，進行快速焊接，焊接熔深較大。

2.2 激光切割

激光切割主要指利用激光切割材料，需要借助光學器件，引導(dǎo)輸出高功率激光束。同時根據(jù)激光器內(nèi)運動控制系統(tǒng)跟蹤待切割工件軌跡，對準材料聚焦激光束，促使材料發(fā)生熔化、蒸發(fā)、燃燒、吹散等反應(yīng)，獲得表面光潔度較高的邊緣。

3 激光焊接在極耳焊接中的應(yīng)用

3.1 焊接裝置選擇

根據(jù)極耳焊接要求，焊接加工者可選擇半自動焊接裝置或全自動焊接裝置。前者主要為手持式激光焊接機，以迅鐳激光焊接一體式手持激光焊接機、IPG單模光纖激光器為例，其主要為圓盤結(jié)構(gòu)，每間隔90°進行了V型槽開設(shè)，V型槽內(nèi)可放置電池圓柱體零件，壓緊零件后聚焦激光束至焊接部位，每焊接一個零件進行90°的轉(zhuǎn)動，第二個焊接點則轉(zhuǎn)動0.50mm;后者則是通過直筒漏斗方式上料，每經(jīng)過一個“圓坑”、V型槽分別自動放入電池蓋、待焊接電池主體，進行自動焊接[1]。常用的激光焊接裝備為SOUPACT緊湊型激光拼焊設(shè)備、泰德激光焊接系統(tǒng)等。

3.2 焊接參數(shù)設(shè)置

考慮到當前軟包鋰離子電池為多種負極鋁與銅匯流片焊接模式，銅極耳厚度在0.2～0.5mm左右，鋁極耳焊接厚度在0.2～0.6mm左右。因此，在激光焊接極耳時，需要設(shè)定激光波長為1064nm，激光功率為110W～200W，光斑28μm，激光掃描速度與脈沖頻率分別為500mm/s、200kHz，重復(fù)頻率為0.4～20MHz，脈沖寬度為50～120ns。并控制極耳焊接縫隙寬度在1.2～2.4mm內(nèi)，焊接縫隙深度在1.2～1.8mm內(nèi)。同時保證極耳寬度精度與極耳間距精度、極耳高度精度均小于等于±0.15mm。

3.3 焊接過程控制

當前，在極耳激光焊接過程中，半自動焊接方法應(yīng)用較少，以全自動焊接較為常見。

在全自動焊接過程中，焊接流程如下：

如圖1所示，首先需要啟動裝置，開展待焊接零部件位置的檢測，只有電池蓋、待焊接電池主體均處于正確位置，方可啟動焊接、轉(zhuǎn)平、下料、移位等工序。

其次，在確定焊接零部件位置正確后，需要完成極耳的自動轉(zhuǎn)平操作。因電池主體為自動放入，無法保證極耳處于水平位置，此時，就需要利用光電檢測方式，待極耳轉(zhuǎn)入水平位置后自動停止，保證后續(xù)壓緊、焊接操作正常開展。同時因極耳對焊接平直度具有較高的要求，需要利用電磁去除裝置將存在彎曲、扭動等與標準不相符的電池零件自動去除，防控“焊廢”現(xiàn)象[2]。

再次，在壓緊過程中，主要依靠自動壓緊裝置，多為微機控制的四連桿式電磁自動機構(gòu)，可在焊接前壓緊極耳、安全閥，為激光穿透式焊接提供良好的條件。因每一鋰電池焊接點位為2個（距離在0.50mm左右），因此，為保證電極接觸的可靠性、安全性，需要重復(fù)啟動2次壓緊機構(gòu)并進行激光器的2次焊接。

最后，焊接完畢后，將電池轉(zhuǎn)入下道工序，實現(xiàn)自動下料。一般自動下料機構(gòu)為永磁滾筒刮板滑道式，可以在角度、位置恰當?shù)那闆r下，由磁鐵吸附電池滾筒促使電池體由刮板進入彎曲下降的滑梯式滑道，經(jīng)滑道進入下一道工序。

4 激光切割在極片切割中的應(yīng)用

4.1 切割設(shè)備選擇

根據(jù)鋰電池極片材質(zhì)，可以選擇不同的鋰電池極片切割系統(tǒng)。比如，對于鋰電池負極銅箔，可以選擇1064nmMOPA型光纖激光器，其峰值功率密度為2.4×106W/mm2，可以通過對種子源的電進行調(diào)制，在兆赫茲工作頻率內(nèi)實現(xiàn)幾納米到幾十納米的“窄脈寬”切割。再如，對于鋰電池正極鋁箔，可以選擇脈沖達到皮秒級的皮秒激光器，其可以通過進行種子源鎖模，獲得超窄脈沖信號[3]。進而經(jīng)放大級別輸出，在幾十兆赫茲工作頻率內(nèi)實現(xiàn)幾納米的“超窄脈寬”切割。同時皮秒激光器可以利用三倍頻技術(shù)，將1064nm近紅外激光向355nm紫外光、532nm綠光轉(zhuǎn)化，滿足多種類別材料加工需求，并在激光脈寬小于材料電-聲弛豫時間時實現(xiàn)“冷加工”。

4.2 切割參數(shù)設(shè)置

在應(yīng)用1064nmMOPA型光纖激光器切割8.0μm銅箔（鋰電池負極）時，可以設(shè)定脈寬為20ns，工作頻率與單脈沖能量分別為760kHz、0.13mJ，改善銅箔切割毛刺問題，并將毛刺尺寸控制在10μm內(nèi)，同時減少鋰電池銅箔極片切割飛濺、熔融層尺寸誤差。部分情況下，為了減少熔融層“魚鱗紋”現(xiàn)象，也可以將脈沖頻率進行進一步提高，杜絕熔融重新凝結(jié)層。需要注意的是，在將脈寬一定、調(diào)高平均功率的同時，還需要根據(jù)激光器聚焦需要，調(diào)整焦點光斑直徑為60μm，調(diào)整銅箔切割時振鏡走筆速度為800mm/s?？紤]到銅箔具有高熱導(dǎo)率，材料吸收的激光能量不僅可以發(fā)生熔融汽化切口，而且可以沿著切口向材料內(nèi)部、周邊傳遞，形成熔融區(qū)、熱擴散區(qū)多個區(qū)域。一般熔融區(qū)下方會出現(xiàn)顯著的亮白色+紅色+黃色熱影響帶，由近切口段向遠處分布。

在應(yīng)用9.1W皮秒激光器532nm綠光激光器切割鋁箔正負極片時，可以設(shè)定脈寬為10ps，切割速度為1000mm/s，重復(fù)頻率為300kHz，縮小正極片熔融重新凝結(jié)區(qū)域，減弱熔融區(qū)下方亮白色+紅色+黃色熱影響帶，消除白色光亮層、紅色熱擴散層[4]。而對于銅箔正負極片，因其電聲弛豫時間為57.5ps>10ps（激光脈寬），極易致使電子獲得能量無法滿足與晶格完全交換熱量需求，因此，可以依托高能激光環(huán)境，圍繞最外層電子大量能量電離與內(nèi)層電子碰撞電離過程，以高價正電母離子帶離為對象，觀察切口熱效應(yīng)。根據(jù)觀察結(jié)果，進行切割參數(shù)的調(diào)整，或者進行輔助氣體的應(yīng)用，如將常溫輔助氣體變更為低溫輔助氣體等。

4.3 切割過程控制

在鋰離子電池極片激光切割過程中，常用的切割方法為立式、臥式，前者用于疊片式電池切割，需要在傳輸帶上水平運輸極片，在極片到達激光發(fā)射裝置下進行切割;后者多用于卷繞式電池極片切割，并通過在極片上方設(shè)置吸塵罩及時吸附切割過程中產(chǎn)生的粉塵?？紤]到在極片上方吸塵的方式極易導(dǎo)致極片切割不平整、切割精度下降問題出現(xiàn)，可以通過激光發(fā)射裝置、水平傳輸驅(qū)動裝置、鋰離子電池極片切割吸附裝置、切割模塊循環(huán)輸送裝置運行過程的嚴格控制，去除極片上方吸塵罩，保證極片切割精度。即將鋰離子電池極片切割吸附裝置設(shè)置在驅(qū)動模塊傳輸?shù)匿囯x子電池極片上方，促使其在循環(huán)輸送模塊第一輸送帶邊緣與鋰離子電池極片同時移動[5]。在切割模塊移動到切割位置后，由控制器直接啟動激光發(fā)射裝置，對鋰離子電池極片進行切割。對于電池極片切割過程中出現(xiàn)的廢渣則通過切割模塊上設(shè)置的切割軌跡槽排出，同時通過切割模塊中設(shè)置的負壓通道吸附細小塵土。

5 總結(jié)

綜上所述，利用激光加工技術(shù)，可以在保證極耳焊接、激光切割質(zhì)量的同時，提高加工效率，并降低維護作業(yè)量，助力鋰電池極片切割、極耳焊接加工效益的提升。因此，在極耳焊接、極片切割過程中，加工者可以根據(jù)加工需求選擇恰當?shù)募す馄?，如皮秒激光器、MOPA激光器、紫外激光器等，并進行激光器波長、脈寬、最大單脈沖能量等參數(shù)的調(diào)整，保證激光加工優(yōu)勢的充分發(fā)揮。

參考文獻：

[1]何平，盧佳迪，熊哲立，盧新建，何天權(quán).薄板無痕激光焊接關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用[J].機電工程技術(shù)，2021，50（S1）：54-55.

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