高功率环形激光在储能动力电池产品的应用与改善

高功率环形激光在储能动力电池产品的应用与改善【摘要】本文介绍高功率环形激光在储能锂离子电池极柱焊接和镍片焊接的应用场景及特点，侧重介绍了其主要参数及在焊渣粉尘控制的机理，对使用中的焊接不良进行了介绍和基本机理分析，包括针对性的改善控制措施。1.引言为实现我国2030年碳达峰2060年碳中和的双碳战略目标，储能动力电池获得了空前的快速成长，储能动力电池产品项目种类繁多，而激光焊接作为广泛应用于储能动力电池的技术工艺，已历经十年发展，在焊接中，基本上都采用的普通光纤激光器，一直存在着焊接飞溅导致热失控风险和高系铝焊缝裂纹的顽固问题，经多年参数工艺优化，取效甚微，近两年开始在主流电池厂导入的可调节环形光斑激光器，很好的解决了这一问题。2.环形光斑激光介绍主流品牌常用的是通快PFO智能振镜系统和IPGYLS-AMB光束模式可调激光器，通快第三代PFO智能振镜系统，扫描范围从二代的320*190扩大到了420*280，在单个扫描范围内可以覆盖更多焊接区域电芯，从而提高了焊接效率，足以匹配日渐推广的CTP技术中一个模组电池包多达百多个电芯的焊接节拍要求;更重要的是，环形激光在焊接过程焊渣控制方面性能卓越，相比普通激光，可以做到极少Particle，这个在锂电安全可靠性方面有显著进步，也解除了制约锂电快速发展的安全枷锁。2.1环芯可调技术简介：不同于传统光纤激光器的光束，环形激光是激光器内部产生一束光，通过一个契型分光装置而分成两束光，其中一束光进入内环，另外一束进入外环，也就是说环形激光器输出的光斑，是由中心光斑和一个外环形光斑组成，并且两个光斑都可以实现激光功率和出光时间的实时单独调节，从而使激光焊接工艺窗口变得更宽更灵活，匹配各种焊接介质和工艺需求。机理分析：外环光斑的前段对工件进行预热，而中心光斑用来形成焊接小孔，尔后用外环光斑的后段来稳定熔池，加速金属蒸汽溢出，稳定了匙孔前后壁动态性能，环形光束的能量改变了匙孔背部熔池的流动，熔池内部的涡流被外环能量抑制，熔池动态性能更加平稳,抑制气孔形成，从而减少飞溅、气孔等缺陷，光滑表面成型光滑平整，焊接一致性和焊接外观的完美，据测试，环形激光可减少飞溅80%以上。3.Busbar极柱焊和镍片焊接工艺Busbar极柱焊接是将单个电芯通过CCS焊接串并成组，一般是铝铝焊接，需要较高功率；镍片焊是将预先用回流焊成组的镍片和FPC，通过激光焊接将镍片和Busbar连接导通，用于电压温度采样4.焊接参数焊接参数一般是根据焊接材质和厚度，工艺需求，结合历史经验参数，通过设计DOE参数验证，依据不同功率/焊接速度/离焦量等参数下的焊接外观，焊接拉力和焊接熔深CPK来筛选最优参数，并加量验证确认，验证CPK须大于1.67。4.1焊接功率：锂电池Busbar极柱焊接和镍片共焊房可共用6000W激光器，也可单独给镍片1500W激光，通过DOE选定实际铝铝极柱焊接功率在4000+/-500W，镍片功率在1000+/-200W。4.2环形光斑芯环比：是环形光斑激光应用中一个关键参数，即内外光斑比率，内芯占比从10-90%连续可调，在实际应用中，应根据应用场景进行DOE实验验证，参数优化选出合适的芯环比是决定焊接质量&减少焊渣飞溅的关键，一般在55%-85%4.3焊接速度：基于CTP大电池包技术，一个模组/电池包往往有几十甚至百多电芯集合，考虑节拍平衡，所以激光焊接速度要求较快，要实现高速焊接，需要设计选型考虑激光振镜XY偏转运动、伺服运动机构、机器人运动、相机视觉处理等因素影响，而激光出光速度影响飞溅、驼峰和焊缝气孔的增加，速度过快会使熔池变浅，而过慢既影响节拍，又可能过度融化，甚至烧穿工件，引发安全可靠性问题。4.4离焦量：聚焦镜和工件的距离-焦距，离焦方式有两种：正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦，正负离焦所获得的熔池形状不同，激光焊接通常需要一定的离焦，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔，而离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀；基于动力电池和储能的移动性，提升焊接质量和可靠性，防止虚焊，深熔焊一般选负离焦，负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。离焦一般在-1与-4之间。4.5焊接线宽：焊接轨迹的重要参数，激光将按照设定线宽执行焊接，光从激光器中射出，激光起振后,会有一个或多个纵模产生,每个纵模的频率的范围就是激光的线宽。4.6焊接频率：激光出光频率，有的激光器品牌也叫步长，要实现可靠的激光密封焊接，对于激光光斑的叠加重合频率，一般要70%以上。4.7焊接轨迹：有圆形，直线型，方型，矩形，对称L型，W型，考虑效率，Busbar极柱一般是圆型，镍片一般是两条直线条，两条是确保连接强度和高的导通性。4.8焊接保护气流量：一般选用氩气和氮气等惰性气体来保护熔池防止氧化，保护聚焦透镜免受金属蒸汽污染和液体熔滴溅射，焊接前2S在焊接区域形成保护体，确保焊接质量和外观。5.常见极柱焊接&镍片焊接不良分析及改善措施5.1焊缝宽度不良：一般是指焊缝偏窄，主要起因是功率偏低，激光线宽偏窄，焊接速度过快，或者铜咀挡光，一是铜咀位置影响，二是铜咀焊渣粉尘积聚。5.2焊缝长度不良：是由于焊接轨迹图档参数，圆弧轨迹焊接主要是起弧收弧设置问题，焊缝起收弧没有重叠部分，甚至少于360︒，常规上一般设置超过360︒5.3余高不良：指焊缝凸起达到一定高度，焊缝不规则。5.4焊缝变色：主要是变黑色，可能是巴片有脏污或有非金属异物，需要焊接前用无尘纸清洁，也可能是保护气不纯，可以检测其纯度是否达到99.9%。5.5孔洞：可能是焊接材质异常或脏污，也可能焊偏离到非金属区，抑或保护气异常。5.6焊接面间隙：指巴片和极柱面有间隙，超过了规格，主要原因是铜咀未压紧，铜咀不平有缺口，弹簧及等高螺丝有卡顿，松动等异常，也可能是铜咀和输出极有干涉，压到输出极致使铜咀压不平。5.7焊缝下榻：指焊缝有下塌，不够饱满，影响导通电流和强度。5.8凹坑：有一定规格数量的凹坑和孔洞，影响焊接质量和导通性能。5.9飞溅：有焊接飞溅出来粘连在产品上的焊点状物，影响外观和品质风险，可能是芯环比设置问题，没有设置有效外环比率，没有除尘或除尘管破裂。5.10夹渣：残留在产品区域的焊渣或其他异物。5.11焊偏：没有在指定区域焊接，超越正常焊接区间，影响产品基本性能，并有烧坏电芯漏液的安全风险，可能原因是极柱寻址偏移量没有自动补偿，也可能是视觉捕捉错误。5.12虚焊:是最影响产品可靠性的一种常见不良，其失效机理主要是作用在焊接面的激光功率低，致使焊接融熔不透，根因有激光输出低或出光时间不足，焦距变化，测距异常，激光被挡，除尘抽气过大，粉尘烟尘挡光，焊接面污染，变质，材料异化，外观不明显的虚焊，其表象是焊缝发亮，鱼鳞纹较浅不明显。5.13未焊：就是未出激光，或者激光没有焊到正确位置，前者可能是通讯故障，PLC与激光控制器交互问题，激光振镜或冷水机或除尘有报警，自动程序无法启动，后者可能是图档错误或视觉捕捉错误。5.14焊接轨迹不良：PLC调用振镜焊接图档错误，或图档设置错误。5.15镍片焊接不良：镍片是两条并行直线轨迹，长度不良一般是长度轨迹图档设置偏短，或起弧收弧输出百分比设置问题；其他不良如贴合间隙不良，焊偏，气孔不良，焊缝发亮，发蓝，虚焊，和极柱焊不良有大部分的类同，但由于镍片铜咀结构和焊接轨迹功率不一样，材料不一样，所以失效模式与失效机理也有一定区别，要具体FA分析。6.焊接过程监控与质量检测随着激光检测技术的发展，配合环形激光焊接中激光功率检测和焊缝跟踪激光过程逐渐成熟，WDD在线熔深检测&缺陷检测技术，焊缝跟踪诊断系统等激光焊接质量检测模块，可在线检测激光焊接质量，焊前监测模式包括焊缝位置跟踪、检查到焊接表面的工作距离并在加工开始前查找缝隙、不良固定或不良装配；在焊接过程中，在匙孔底部实时监测记录焊缝熔深以防过浅或过度穿透，以及工艺不稳定性；焊后检查是对焊缝表面高度、焊道宽度和表面缺陷进行检查。7.结语应用数据也表明