鉅大LARGE | 點擊量：1598次 | 2022年04月08日
高功率激光掃描振鏡焊接在動力鋰電池制造中的應
目前，新能源汽車的發(fā)展步入關鍵時期，動力鋰電池目前產量缺乏，掃描振鏡激光焊接系統(tǒng)焊接速度快，強度高，焊接過程能夠實現(xiàn)準確定位，焊接過程易于實現(xiàn)自動化，振鏡系統(tǒng)安裝在機械手上，可實現(xiàn)靈活的遠程焊接，具有較大的空間自由度，在焊接電池模組、電芯軟連接片、電池防爆閥等工序上都有應用。
掃描振鏡激光焊接系統(tǒng)
掃描振鏡是一種優(yōu)良的矢量掃描器件，它是一種特殊的擺動電機，基本原理是通電線圈在磁場中出現(xiàn)力矩，但振鏡不能像普通電機相同旋轉，只能偏轉，偏轉角與電流成正比，與電流計相同，不同的是，鏡片取代了表針。
圖1為掃描振鏡系統(tǒng)的結構示意圖，該系統(tǒng)重要由激光器、擴束鏡、反射鏡、電機底座、振鏡電機、X和Y反射鏡、F-THETA聚焦鏡組等幾大部分組成，其中X、Y軸反射鏡反射鏡和F-THETA聚焦鏡為該系統(tǒng)最重要的組成部分。激光束以脈沖或持續(xù)方式入射到振鏡上，兩個反射鏡可分別沿X、Y軸掃描，用計算機控制反射鏡的反射角度，實現(xiàn)激光束的偏轉運動對待加工材料進行焊接。普通聚焦鏡的焦平面為一曲面，無法保證焊接的均勻性，而F-THETA鏡的焦平面為一平面，該鏡組具有平場聚焦的效果，能在激光束的不同入射角方向（遠場與近場）上獲得平整焦平面的聚焦效果，故可以使掃描系統(tǒng)的焦平面與待加工的工件表面相重合，能夠保證焊接的均勻性。
小功率激光掃描振鏡系統(tǒng)焊接應用
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
小功率激光掃描振鏡焊接通常指使用1000W激光功率以下的，以Nd-YAG脈沖激光器或光纖激光器作為焊接光源，掃描振鏡作為輸出裝置的激光振鏡焊接系統(tǒng)；具有激光光斑移動速度快（3000mm/s），定位精度高（0.001mm），焊接范圍大，無需水冷等特點，在IT、電池制造行業(yè)有大量應用，其中18650電池及其模組制造中應用最為廣泛，如圖2所示，包括：18650蓋帽防爆閥焊接、蓋帽鋁圈焊接、蓋帽-電芯極耳焊接，模組匯流片焊接等，幾乎18650電池制造的激光焊接都會采用掃描振鏡激光焊接系統(tǒng)。18650蓋帽-電芯極耳焊接通常是在自動化流水線上完成，工件流轉到振鏡焊接頭下時，夾具壓緊工件，振鏡高速完成焊接，焊接時間僅需不到1秒，大族激光精密焊接事業(yè)部針對這些應用開發(fā)了ST300高速時間分光激光焊接機，一臺ST300激光器可以同時搭配到幾臺振鏡焊接系統(tǒng)上，工作時可由激光器內高速振鏡擺動將每個脈沖激光分配輸出到各個振鏡系統(tǒng)上，充分利用了激光功率，如接到4臺振鏡系統(tǒng)上，1秒種可以完成4個以上的電池極耳焊接。圖2.d.中的18650模組匯流板是并聯(lián)模組中數(shù)十到數(shù)百個電池電極的裝置，通常有薄銅板和薄鎳板組成，要激光將兩者焊接到一起，焊點通常分布在50*30cm或更大的范圍上，使用振鏡系統(tǒng)焊接，激光光束可以以3000mm/s的速度快速在各個焊點間跳躍，比其他激光焊接方式快數(shù)倍。
a.蓋帽鋁圈焊接b.極耳-蓋帽焊接c.防爆閥焊接d.匯流板焊接
高功率激光振鏡掃描焊接系統(tǒng)
高功率激光振鏡焊接通常采用1000w及以上激光功率的激光器作為焊接激光光源，常搭配4000-6000w光纖激光器，可高速穿透焊接2-3mm鋁及鋁合金。更高的激光功率意味著鏡片要承受更高的熱量，這對鏡片材料、鏡片的鍍膜、散熱結構、制造工藝和裝配工藝等都提出了極大要求。首先，由于鏡片要承受的功率很高，要鏡片本身具有很強的熱穩(wěn)定性，這就導致了鏡片肖材選擇很單一，無法利用多鐘折射率的肖材組合設計，所以高功率平場鏡頭及準直鏡的光學設計難度大大提高；其次為了承受更大能量的激光，鍍膜工藝的要求極為嚴格，要更為專業(yè)的鍍膜設備及更加合理的膜系；第三，由于激光功率很大，必然帶來系統(tǒng)的溫度升高，系統(tǒng)的冷卻是必須要解決的重中之重，既要確保光學部件、電器部件的工作溫度保持在合適的范圍內，還要保證工作過程中的絕對可靠性及冷卻線路布置的合理性，水冷系統(tǒng)要反復試驗和設計更改最終確認最優(yōu)效果。經過大量研發(fā)，2015年，大族激光精密焊接事業(yè)部推出了首臺自主研發(fā)的工業(yè)用高功率激光振鏡加工系統(tǒng)Dragon系列，圖3，Dragon系列適用與6kw及以下光纖激光器加工應用，特別適用于動力鋰電池模組的激光焊接。
Dragon系列高功率激光振鏡加工系統(tǒng)
高功率激光振鏡系統(tǒng)在動力鋰電池制造中應用及其特點
目前，新能源汽車的發(fā)展步入關鍵時期，動力鋰電池目前產量缺乏，掃描振鏡激光焊接系統(tǒng)焊接速度快，強度高，焊接過程能夠實現(xiàn)準確定位，焊接過程易于實現(xiàn)自動化，振鏡系統(tǒng)安裝在機械手上，可實現(xiàn)靈活的遠程焊接，具有較大的空間自由度，在焊接電池模組、電芯軟連接片、電池防爆閥等工序上都有應用。
靈活的遠程掃描焊接：高功率激光掃描振鏡系統(tǒng)通常會搭配焦距較大的F-THETA聚焦鏡頭，焦距通常不低于350mm，掃描范圍大。Dragon系列掃描振鏡加工系統(tǒng)通常搭配焦距達460mm的F-THETA聚焦鏡頭，焊接范圍達到220*180mm，在不移動掃描振鏡系統(tǒng)的情況下，可在同一夾具中放置多個的電池頂蓋進行電芯軟連接片焊接，焊接位置可通過軟件可視化編寫。安裝在機械手上的振鏡可以靈活焊接各種尺寸的電池模組，焊接范圍可達1-2m。圖4，Dragon掃描振鏡加工系統(tǒng)3秒內完成了3個電池蓋板軟連接焊接。
高功率激光掃描振鏡焊接軟連接片
更快的光斑跳轉速度：由于掃描振鏡是由鏡片高速偏轉，使反射的激光光斑照射到不同位置，光斑運動速度可以達到3000mm/s，即從一個焊接位置跳到另外一個位置，速度可達一般的伺服電機平臺的10倍以上，極大的提的高了焊接效率，例如：焊接一個16個47178電芯的電池模組，32個電極連接片，在激光光點位置運動上伺服平臺要至少14秒，而由安裝在機械手上的Dragon掃描振鏡系統(tǒng)焊接，設備在光點位置運動上只要7秒，更大的模組更能體現(xiàn)其效率差別。
電池模組連接片的焊接
高速穩(wěn)定的焊接復雜軌跡：關于絲桿導軌式的伺服電機平臺系統(tǒng)，高速下帶動焊接頭運動復雜軌跡，在軌跡拐彎，特別是轉彎半徑小時，焊接頭的運動速度會降低，從而造成了焊接過程的速度不穩(wěn)定，影響焊接效果。單振鏡焊接圓弧或其他復雜軌跡時就不會存在這些問題，比如在高功率激光振鏡系統(tǒng)焊接一些電芯軟連接片時（如圖6），激光可在200-300mm/s的速度下焊接圓形軌跡，一些模組上還會用到S形軌跡的方式進行焊接。
電芯軟連接焊接效果
螺旋線型軌跡：作為高能束焊接，較大的焊縫深寬比是激光焊接的一大特點，但有時候我們不希望焊縫深寬比過大，例如，在進行電池模組連接片焊接時，通常要焊縫有更大的寬度（以新增載流面積，），降低焊縫深度（以使用更薄的電池極柱，獲得更大的電芯空間。）采用螺旋線形軌跡焊接，通過光斑沿焊接方向高速旋轉運動，可以在不改變外光路條件的情況下，獲得不同焊縫的深寬比。圖7顯示了在4000w激光功率下，100mm/s的焊接速度下，不同螺旋線軌跡參數(shù)下焊接獲得的不同焊縫截面效果。
在同一激光功率和焊接速度下，不同螺旋線參數(shù)焊接的效果
大焦距帶來的穩(wěn)定性:由于Dragon系列振鏡搭配的F-THETA鏡頭焦距為460mm，較大的焦距時其有較大的焦深（3-5mm），即在一定高度范圍內焊接，工件都可以獲得穩(wěn)定的熔深，防止了工件高度偏差帶來的熔深不穩(wěn)定，圖8為，兩層1.5mm鋁板穿透焊接，工件在掃描振鏡的不同焦點位置下都能獲得的焊縫熔深、熔寬數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)上可以看出，在+2到-3mm范圍內，焊縫熔深、熔寬變化不大。另外鏡頭在500mm以上的工作距離上，鏡頭鏡片不易受焊接飛濺影響，也帶來了更好的焊接穩(wěn)定性。
