动力方壳锂离子电池在组装的最后一道工序,要进行密封钉激光焊接。
为了保证激光焊接的优率,在焊接之前,要进行注液口的清洁。清洁
一般采用无纺布浸润 DMC(电解液溶剂)擦拭,或者用激光清洗机对
注液口表面进行雕刻,使表面金属和电解液结晶物气化,来达到清洁
的作用。一般锂电工厂制造过程中,会同时使用这两种方式清洁。甚
至为了达到更高的优率,不惜增加一道人工作业工序清洁注液口。用棉签蘸 DMC,对注液口表面及边角处清洁。

密封钉

密封钉焊接机
所有的这些方法,都是因为密封钉焊接是方壳电池组装的最后一道工
序,要想方设法提高本工序优率。这也是市面上,为什么在密封钉焊接工序还一直采用脉冲激光焊接,而少用连续激光焊接的原因。当然随着激光焊接技术的提高,现在也有一些锂电厂开始使用连续激光焊接,比如现在的光纤激光焊接、复合激光焊接、环形光斑激光焊接等
密封钉主流的焊接方式:脉冲激光焊接,包括激光器组成、焊接参数设置、工艺要求、品质管控等介绍。
固体激光器:
固体激光器由工作物质、泵浦源、全反射镜、部分反射镜、冷却水组成。泵浦源以一定脉冲方式发出光束,激励激光物质,使其受激辐射产生相同的光子。工作介质的两头是两块平行的反射镜,沿轴向传播的光束可以在两块反射镜来回反射,被放大形成激光束,激光从部分反射镜输出。两块反射镜和工作物质一起构成了谐振腔,冷却水在谐振腔和冷水机之间循环冷却。固体激光器以掺钕钇石榴石(Nd3+:YAG)激光器为代表。
密封钉焊接设备组成:
脉冲激光焊接设备介绍
脉冲激光焊接设备由以下几个单元模块组成,包括设备整体框架、激光器、冷水机、除尘机等组成。下面分别介绍这几个单元模块:
整体框架
框架承载着所有焊接工装,属于非标自动化设备。国内做的比较好的厂家如利元亨智能装备、先导智能、联赢激光等厂家。
激光器
激光器选用YAG 600W/500W激光器,峰值功率可以达到9kW以上。单脉冲能量大于50J,频率为100Hz可调,激光波动率小于±3%。冷却方式为水冷或者风冷,具体冷却方式看应用场合。

激光器一体
冷水机
冷水机的作用是给激光工作物质冷却降温,激光工作物质在连续工作时,温度很高,需要外界冷却水冷却。冷却水使用去离子水,对电阻率有要求。冷水机分两部分,一部分是去离子水,给激光工作物质降温,联通到激光腔体内,将晶体浸泡在水里,达到冷却作用。另一部分是对去离子水降温,一般锂电工厂采用水冷方式。即通过厂房的冷冻水,冷却水水温14℃~21℃,将去离子水温度带走。如果是试制线,或者是设备机械厂,则采用风冷方式,节约厂房暖通建设成本。

冷水机
除尘机
激光焊接过程会产生烟尘,烟尘对作业环境污染大,也会污染产品、设备工装等。除尘方式采用负压吸尘作用,就如同家里清洁地毯的除尘机原理相同。为了达到除尘效果,对末端的除尘风速有要求,通常大于15m/s。吸尘罩采用同轴方式,固定在激光头上。由于粉尘中含有大量铝粉,在吸入除尘机内聚*会集**有安全隐患,所以现在除尘机需要配备喷粉装置,对安全等级也有要求。

除尘机
焊接参数设置:激光缝焊主要参数包括波形图、功率密度、保护气体、离焦量。
A、波形图:波形图由于铝合金的光返比较高,固态时,80%的能量被反射。所以,需要在开始时激光功率急剧上升到峰值,使金属熔化。熔化后的金属液体,对激光吸收率较高,可以达到90%以上。如下是激光波形峰值缓降模式。在开始时,立即上升到峰值,而后只需要较小的功率平台。

波形图界面
B、 功率密度:
如上所述,为了减少激光反射,激光需要在焊接初始达到峰值,使金属达到熔点。根据热传导方程,可求得使金属熔融时需要的能量密度q(W/cm2):
q =0.886TK/( ατ)1/2
式中,T为温度,℃;K为导热系数;α为热扩散系数;τ为脉宽,s。
密封钉焊接材质为铝,当加热到熔点Tm=660℃时,需要功率密度为q1=4.1*104W/cm2;当加热到沸点Tv=2062℃时,需要功率密度为q2=1.3*105W/cm2;当功率密度超过q3=8.6*105W/cm2时,金属液体产生剧烈蒸发。
C、保护气体有以下四方面的作用:1)可以驱除表面等离子云,利于激光的吸收;2)隔绝氧气,防止表面熔融物被氧化,影响焊接质量和外观;3)在同轴吹气的同时,使焊接飞溅物不会飞溅到保护镜片上;4)熔池的常见缺陷是气孔,气孔的产生一部分是空气中的水分和工件氧化膜的水分在激光焊接时分解成气体。保护气设置要适中,不可太大,也不可太小。太大了,使熔池由层流状变为湍流状,使焊接表面凹凸不平;太小了,起不到保护的作用。
在激光脉冲频率一定的情况下,通过改变焊接速度来确定重叠率。如下是密封钉缝焊示意图,当两个焊点重叠率大于50%时,才能保证熔池的机械强度和气密性。重叠率=(焊缝宽度-点距)/焊缝宽度重叠率如果小于50%,那么在重叠区的熔宽就小于焊点最大的宽度,即不满足工艺的熔宽要求。
密封钉工艺要求:
A、有效熔深范围熔深标准 0.6-1.0mm,熔宽标准0.8-1.5mm,才能保证焊接的强度和气密性。
B、金相测试:
a,切割:将顶盖固定好,用砂轮机对顶盖样品进行切割,沿着密封钉一半处切割,得到熔池的横截面。
b,打磨:将切割下来的剖切面放在打磨机打磨,用手握住,尽量保持样品与砂纸垂直,这样打磨出来的样品剖切面平面度好,便于显微镜观察。打磨至剖切面的熔池大致肉眼可见即可。
c,腐蚀:使用氢氟酸,用棉签沾少许,涂于切面处。腐蚀10s后,剖切面的熔池肉眼就清晰可见。
d,检测:放在金相显微镜进行检测,调好焦距,光线,直至清洗可见。
品质要求
1)外观要求
表面要求光滑整洁,没有凹坑,黑点,翘起、裂纹、针孔,炸点等不良。
2)气密性检测
在密封钉焊接之前,通过注液口对电芯注入氦气,然后再进行密封钉焊接。注入氦气的电芯,放在密闭的腔体里,氦检设备对密闭腔体抽负压至40Pa时,检测密闭腔体的氦分子量,来判定密封钉焊后电芯的气密性是否良好。