方形鋁殼鋰電池具有結(jié)構(gòu)簡單，抗沖擊性能好，能量密度高，單體容量大等諸多優(yōu)點，一直以來都是國內(nèi)鋰電制造和發(fā)展的主要方向，市場占比在40%以上。
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方形鋁殼鋰電池結(jié)構(gòu)如圖1，由電芯（正負極片、隔膜）、電解液、殼體、頂蓋等部件組成。
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方形鋁殼鋰電池在制造組裝過程中，需要大量應(yīng)用到激光焊接工藝，例如：電芯軟連接與蓋板焊接、蓋板封口焊接、密封釘焊接等等。
激光焊接是方形動力電池的主要焊接方法，歸功于激光焊接具有能量密度高，功率穩(wěn)定性好，焊接精度高，易于系統(tǒng)化集成等諸多優(yōu)點，在方形鋁殼鋰電池生產(chǎn)工藝中，有不可替代的作用。
附：英聯(lián)達3000w龍門連續(xù)振鏡激光焊接機
頂蓋封口焊接焊縫是方形鋁殼電池中尺寸最長的焊縫，也是焊接耗時最長的焊縫。近年來鋰電制造行業(yè)高速發(fā)展，頂蓋封口激光焊接工藝技術(shù)及其裝備技術(shù)也在快速發(fā)展，我們根據(jù)裝備的焊接速度性能不同，將頂蓋激光焊接設(shè)備及工藝大概劃分為3個時代。
分別是焊接速度<100mm/s的1.0時代（2015-2017），100-200mm/s的2.0時代（2017-2018），以及200-300mm/s的3.0時代（2019-）。下文將沿著時代路徑介紹技術(shù)的發(fā)展：?
2015-2017年，國內(nèi)新能源汽車受政策驅(qū)動，開始爆發(fā)，動力電池行業(yè)開始擴張，但國內(nèi)企業(yè)技術(shù)沉淀、人才儲備還相對較少，相關(guān)電池制造工藝和裝備技術(shù)也在起步階段，設(shè)備自動化程度相對較低，設(shè)備制造商剛開始關(guān)注動力電池制造并加大研發(fā)投入。
在此階段，行業(yè)內(nèi)對方形電池激光封口設(shè)備的生產(chǎn)效率要求通常在6-10PPM，設(shè)備方案通常使用1kw光纖激光器通過普通激光焊接頭出射（如圖2），由伺服平臺電機或直線電機帶動焊接頭運動并進行焊接，焊接速度50-100mm/s。
在激光焊接工藝上，也正由于焊接速度相對較低，焊縫熱循環(huán)時間相對較長，熔池有足夠的時間流動和凝固，且保護氣體能較好的覆蓋熔池，易獲得表面光滑飽滿、一致性好的焊縫，如圖3。
在設(shè)備上，雖然生產(chǎn)效率不高，但設(shè)備結(jié)構(gòu)相對較簡單、穩(wěn)定性較好且設(shè)備造價低，很好的滿足了該階段行業(yè)發(fā)展的需求，為后續(xù)技術(shù)發(fā)展打下了基礎(chǔ)。
頂蓋封口焊1.0時代雖然有設(shè)備方案簡單、成本低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。但是其固有的局限也十分明顯。設(shè)備上，電機驅(qū)動能力不能滿足進一步提速的需求；
工藝上，單純通過提高焊接速度、激光功率輸出來進一步提速會帶來焊接過程的不穩(wěn)定和良率的下降：提速使得焊接熱循環(huán)時間縮短，金屬的熔化過程更劇烈、飛濺加大、對雜質(zhì)的適應(yīng)會更差，更易形成飛濺孔洞，同時熔池凝固時間的縮短，會導(dǎo)致焊縫容易表面粗糙、一致性降低。
當激光光斑較小時，熱輸入量不大，飛濺可以降低，但焊縫深寬比較大，焊縫熔寬不夠；當激光光斑較大時，需要輸入較大的激光功率，使焊縫寬度增大，但同時又會導(dǎo)致焊接飛濺增加，焊縫表面成型質(zhì)量差。
在該階段的技術(shù)水平之下，進一步的提速意味著需以良率換效率，裝備和工藝技術(shù)的升級要求成為行業(yè)性需求。
2016年中國汽車動力電池裝機量約30.8GWh，2017年約36GWh，而2018年迎來了進一步的爆發(fā)，裝機量達到57GWh，同比增長57%，新能源乘用車也生產(chǎn)近百萬量，同比增長80.7%。
裝機量爆發(fā)的背后是鋰電制造產(chǎn)能的釋放，新能源乘用車電池裝機占比超50%，也意味著行業(yè)對電池性能、質(zhì)量的要求會越來越嚴格，隨之提升的制造裝備技術(shù)及工藝技術(shù)也進入了新的時代：
為了滿足單線產(chǎn)能要求，頂蓋激光焊接設(shè)備需要產(chǎn)能提升到15-20PPM，其激光焊接速度需要達到150-200mm/s，所以在驅(qū)動電機上，各設(shè)備廠商均升級了直線電機平臺，使其運動機構(gòu)滿足對矩形軌跡200mm/s勻速焊接的運動性能要求；
但針對高速焊接情況下如何保證焊接質(zhì)量，需要進一步工藝突破，行業(yè)內(nèi)企業(yè)進行了諸多探索和研究：
相對1.0時代，2.0時代高速焊接所面臨的問題是：采用普通的光纖激光器通過普通焊接頭輸出單點光源的方案，選型很難滿足200mm/s的要求。
在原有技術(shù)方案上，只能通過配置選項，調(diào)整光斑大小，以及調(diào)整激光功率等基本參數(shù)來控制焊接成型效果：采用光斑較小的配置時，焊接熔池匙孔細小，池形態(tài)不穩(wěn)定，焊縫熔寬也偏??；而采用光斑較大的配置時，匙孔會增大，但是焊接功率顯著的提高，飛濺和爆孔率顯著提高。
從理論上，如果想保證頂蓋高速激光焊接的焊縫成形效果，需要滿足以下一些要求：
①焊縫具有足夠的寬度，且焊縫深寬比合適，這就需要光源的熱作用范圍足夠大，且焊接線能量在合理范圍；
②焊縫光滑，這需要焊縫在焊接過程中熱循環(huán)時間足夠長，使熔池具有足夠的流動性，在保護氣的保護下焊縫凝固成為光滑的金屬焊縫；
③焊縫一致性好、氣孔、孔洞少，這需要焊接過程中，激光穩(wěn)定的作用于工件上，高能束等離子體持續(xù)的產(chǎn)生，作用于熔池內(nèi)部，熔池在等離子反作用力下生產(chǎn)“匙孔”，匙孔足夠大且足夠穩(wěn)定，使得生成的金屬蒸汽和等離子體不易噴射和帶出金屬熔滴，形成飛濺，匙孔周圍熔池也不易坍塌，卷入氣體。
即便焊接過程中遇異物燒損，爆炸式的釋放氣體，更大的匙孔也更利于爆炸性氣體的釋放，減小金屬飛濺和形成的孔洞。
針對以上的幾點，行業(yè)內(nèi)的電池制造企業(yè)、設(shè)備制造企業(yè)都進行了各種嘗試和實踐：
鋰電制造在日本發(fā)展已有幾十年，相關(guān)制造技術(shù)上先行一步。從相關(guān)公開專利可以搜索到，十余年前，日本松下株式會社就為了解決在激光焊接-鋁這樣的高反射金屬時，熔深、熔寬及焊接速度都不夠的問題，研究了不同波長、光學(xué)特性的多種激光混合輸出進行焊接的技術(shù)。
在光纖激光器技術(shù)尚未大量商業(yè)應(yīng)用的2004年，松下公司采用LD半導(dǎo)體激光與脈沖燈泵浦的YAG激光器進行混合輸出（方案如圖4所示）。
圖4?多激光復(fù)合焊接技術(shù)的方案示意圖及焊接頭結(jié)構(gòu)
利用光斑較小的脈沖YAG激光器產(chǎn)生的高功率密度光斑作用于工件，生成焊接小孔，以獲得足夠的焊接熔深，同時用LD半導(dǎo)體激光器提供CW連續(xù)激光，對焊接的工件進行預(yù)熱、對焊接過程中的熔池提供更多能量以獲得較大焊接小孔、增大焊縫寬度，并延長焊接小孔閉合時間，幫助熔池氣體逸出，降低焊縫氣孔率，如圖5。
應(yīng)用該技術(shù)，使用僅有幾百瓦功率YAG激光器和LD激光器，即可對薄殼體的鋰電池殼體進行80mm/s的高速焊接，焊接效果如圖6。
隨著光纖激光器發(fā)展和興起，光纖激光器憑借其光束質(zhì)量好、光電轉(zhuǎn)換效率高、壽命長易維護、功率高等諸多優(yōu)點，逐步大量取代了脈沖YAG激光器在激光金屬加工中的應(yīng)用。
因此，以上的激光復(fù)合焊接方案中的激光器組合演化為光纖激光器+LD半導(dǎo)體激光器，并同樣通過特殊加工頭同軸輸出激光（焊接頭如圖7），其焊接過程中，激光作用機理相同。
該方案中，將脈沖YAG激光器更換為光束質(zhì)量更好、功率更大、并且可以連續(xù)輸出的光纖激光器，大大提高焊接速度，同時獲得較好的焊接質(zhì)量（焊接效果如圖8），該方案也因此受一些客戶的青睞，目前該方案已經(jīng)應(yīng)用在動力電池頂蓋封口焊的生產(chǎn)中，可達到200mm/s的焊接速度。
雖然雙波長激光焊接方案解決了高速焊接的焊縫穩(wěn)定性，滿足了電芯頂蓋高速焊接的焊縫質(zhì)量要求，但是從設(shè)備和工藝的角度上，該方案也還存在一些問題。
首先，該方案硬件組成部分較為復(fù)雜，需要用到兩臺不同類型激光器以及特殊的雙波長激光焊接頭，提高了設(shè)備投入成本、增大了設(shè)備維護難度，設(shè)備潛在故障點增多；
第二，采用的雙波長激光焊接頭，由多組鏡片組成（見圖4），功率損耗較普通焊接頭要大，且需要將鏡片位置調(diào)節(jié)至合適位置，以保障雙波長激光同軸輸出、并聚焦在固定的焦平面上，長期高速運行，鏡片的位置可能松動導(dǎo)致光路變化、影響焊接質(zhì)量，需要人工再調(diào)試；
第三，焊接時，激光反射較嚴重，易損傷設(shè)備器件，特別是對不良品進行返修時，光滑的焊縫表面對激光進行大量反射，易造成激光器報警，需要調(diào)整加工參數(shù)進行返修。
為解決以上問題，得另辟蹊徑，進行探索，在2017-2018年研究了電芯頂蓋的高頻擺動激光焊接技術(shù)并推進到生產(chǎn)應(yīng)用。激光束高頻擺動焊接（以下簡稱擺動焊接）是目前200mm/s高速焊的另一種工藝。
相對于復(fù)合激光焊接方案，該方案硬件部分只需要一臺普通光纖激光器，搭配一臺擺動激光焊接頭（如圖9 IPG wobble擺動焊接頭）。
焊接頭內(nèi)部具有受電機驅(qū)動的反射鏡片，可由程序控制激光按照設(shè)計的軌跡類型（通常有圓形、S形、8字形等）、擺幅及頻率進行擺動，不同的擺動參數(shù)，可以使焊接截面呈不同形狀及不同尺寸（如圖10）。
高頻擺動焊接頭在直線電機的帶動下沿工件間隙進行焊接，根據(jù)電芯殼體壁厚，選擇合適的擺動軌跡類型及幅度，焊接時，靜態(tài)的激光束只會形成V字形焊縫截面，但在擺動焊接頭的驅(qū)動下，光束斑點在焦平面上高速擺動，形成一個動態(tài)的、旋轉(zhuǎn)的焊接匙孔，可獲得合適的焊縫深寬比；
旋轉(zhuǎn)的焊接匙孔攪拌焊縫一方面幫助氣體逸出減少了焊縫氣孔，且對焊縫爆點針孔有一定修復(fù)作用（見圖12），另一方面焊縫金屬的有序受熱-冷卻循環(huán)讓焊縫表面呈規(guī)則有序的魚鱗紋。
圖12 在不同擺動參數(shù)下，焊縫對油漆污染的適應(yīng)性
以上幾點，滿足了頂蓋高速焊接焊縫的三點基本質(zhì)量要求，該方案還有其他優(yōu)點：
①由于激光功率大部分注入到了動態(tài)匙孔中，對外散射激光減少，所以只需用較小的激光功率，焊接熱輸入量相對較低（比復(fù)合焊接減少30%），減少了設(shè)備損耗及能源損耗；
②擺動焊接方式對工件裝配質(zhì)量適應(yīng)性較高，減少了裝配臺階等問題造成的不良；
③擺動焊接方式對焊縫孔洞具有極強的修復(fù)作用，使用該方案修復(fù)電芯焊縫孔洞良率極高；
④系統(tǒng)簡單，設(shè)備調(diào)試、維護簡單。
隨著新能源補貼的不斷退坡，電池制造行業(yè)幾乎整個產(chǎn)業(yè)鏈陷入一片紅海，行業(yè)也進入洗牌期，規(guī)模和技術(shù)優(yōu)勢的龍頭企業(yè)所占比重進一步增加。但與此同時，“提質(zhì)、降本、增效”將會成為很多企業(yè)主旋律。
在低補貼或無補貼時期，只有實現(xiàn)技術(shù)的迭代升級，實現(xiàn)更高的生產(chǎn)效率，降低單個電池的制造成本、提高產(chǎn)品品質(zhì)，才能在競爭中多一分勝算。
大族激光在電芯頂蓋高速焊接技術(shù)上，繼續(xù)保持研究投入，除以上介紹的幾種工藝方法，還研究了電芯頂蓋的環(huán)形光斑激光焊接技術(shù)及振鏡激光焊接技術(shù)等先進技術(shù)。
為了進一步實現(xiàn)生產(chǎn)效率的提高，探索300mm/s及更高速的頂蓋焊接技術(shù)。大族激光在2017-2018年研究了掃描振鏡激光焊接封口，突破了振鏡焊接時工件難以進行氣體保護，焊縫表面成形效果差的技術(shù)難點，實現(xiàn)電芯頂蓋400-500mm/s的激光焊接，對一個26148電池只需1秒鐘。
但由于效率過高，與其匹配效率的配套設(shè)備開發(fā)難度極大，設(shè)備成本較高。故對該方案，未做進一步商業(yè)化應(yīng)用開發(fā)。
光纖激光器技術(shù)進一步發(fā)展，TRUMPF、nLIGHT、Coherent-Rofin、IPG等激光器公司，紛紛推出了可直接輸出環(huán)形光斑的新型高功率光纖激光器，該類型激光器通過特殊的多層光纖，可輸出點-環(huán)形激光光斑，并且光斑形狀及功率分布可調(diào)節(jié)，如圖13。
通過調(diào)節(jié)，可使激光功率密度分布呈點-環(huán)-帽形（spot-donut-tophat），nLIGHT公司也形象的把他們的這類激光命名為Corona（日冕），圖14。
圖14 可調(diào)節(jié)激光的光束（分別為：中心光，中心光+環(huán)形光、環(huán)形光，兩個環(huán)形光）
我們在2018年也測試了多臺該類型激光在鋁殼電芯頂蓋焊接上的應(yīng)用，并以Corona激光器為基礎(chǔ)，展開了電芯頂蓋激光焊接的3.0工藝技術(shù)方案的研究。Corona激光器在進行點-環(huán)形模式輸出時，其輸出光束的功率密度分布特性類似半導(dǎo)體+光纖激光器的復(fù)合輸出。
在焊接過程中，具有高功率密度的中心點光起到形成匙孔進行深熔焊，獲得足夠的焊接熔深（作用于復(fù)合焊方案中的光纖激光器輸出類似），環(huán)形光提供更大熱輸入、增大匙孔，減少金屬蒸汽、等離子體對匙孔邊緣液態(tài)金屬的沖擊，降低由此造成的金屬飛濺，并增長焊縫熱循環(huán)時間，幫助熔池中氣體有更長時間逸出，提高高速焊接過程的穩(wěn)定性（作用類似于復(fù)合焊方案中的半導(dǎo)體激光器輸出）。
在試驗中，我們焊接了薄壁殼體電池，發(fā)現(xiàn)其焊縫尺寸一致性較好，具有較好的過程能力CPK，如圖18。
圖18?壁厚0.8mm的電池頂蓋焊外觀（焊接速度300mm/s）
在硬件方面，不同于復(fù)合焊方案的是，該方案簡單，不需要兩臺激光器，不需要特殊的復(fù)合焊接頭，只需要一個常見的普通高功率激光焊接頭（由于只有一根光纖輸出單一波長激光，鏡片結(jié)構(gòu)簡單、無需調(diào)節(jié)、功率損耗低），使其調(diào)試和維護簡單，其設(shè)備的穩(wěn)定性極大的提高。
圖15?日冕與nLIGHT的Corona激光器
除了硬件方案上系統(tǒng)簡單、滿足電芯頂蓋高速焊接工藝需求以外，該方案在工藝應(yīng)用上還有其他優(yōu)點。
試驗中，我們在300mm/s的高速度下對電芯頂蓋進行焊接，仍然獲得了良好的焊縫成形效果，并且，對于0.4、0.6、0.8mm幾種不同壁厚的殼體，只需通過簡單的調(diào)節(jié)激光輸出模式，即可良好的進行焊接，而對于雙波長激光復(fù)合焊接方案，則需要變更焊接頭或激光器的光學(xué)配置來實現(xiàn)，并帶來較大的設(shè)備成本和調(diào)試時間成本。
因此，點-環(huán)形光斑激光焊接方案不但能實現(xiàn)300mm/s的超高速頂蓋焊接，提高動力電池的生產(chǎn)效率，對于需要頻繁換型的電池制造企業(yè)，該方案還能極大的提高設(shè)備對產(chǎn)品的兼容性、縮短換型調(diào)試時間。
圖16 壁厚0.4mm的電池頂蓋焊外觀（焊接速度300mm/s）
圖17?壁厚0.6mm的電池頂蓋焊外觀（焊接速度300mm/s）
圖19?Corona激光器對薄壁電池焊接的焊縫熔深-過程能力
除以上提及的nLIGHT公司的Corona激光器，IPG公司推出的AMB激光器、Coherent-Rofin公司推出的ARM激光器均有類似的光學(xué)輸出特性，可應(yīng)用于解決諸如：改善激光焊縫飛濺、改善焊縫表面質(zhì)量、提高高速焊接穩(wěn)定性等問題。
以上提及的多種方案，均在國內(nèi)外鋰電制造企業(yè)中應(yīng)用于實際生產(chǎn)，由于投產(chǎn)時間不同、技術(shù)背景不同而選擇了不同的工藝方案在行業(yè)中廣泛存在，但企業(yè)對效率、質(zhì)量的要求是不斷提高的，更多新的技術(shù)會很快被走在技術(shù)前沿的企業(yè)所應(yīng)用。
中國新能源電池行業(yè)相對起步較晚，在國家政策驅(qū)動下飛速發(fā)展，相關(guān)技術(shù)在全產(chǎn)業(yè)鏈共同努力下不斷進步，全面縮短與國際優(yōu)秀企業(yè)差距。作為國內(nèi)鋰電設(shè)備制造商，深圳英聯(lián)達也在不斷挖掘自己的優(yōu)勢領(lǐng)域，幫助電池pack設(shè)備迭代升級，為新能源儲能電池模組pack自動化生產(chǎn)提供更優(yōu)質(zhì)的解決方案。? ? ? ?
原文始發(fā)于微信公眾號（鋰電產(chǎn)業(yè)通）：鋁殼電池激光焊接技術(shù)詳解
