密封釘激光焊接—是方型鋁殼鋰離子電池在組裝得最后一道工序，一般簡稱為焊PIN，是將開口化成后得電池封好膠釘，并在膠釘外覆蓋鋁質(zhì)PIN，之后將PIN焊接在電池蓋上進(jìn)行封口，通過此工序電芯內(nèi)部完全被密封起來，焊PIN質(zhì)量關(guān)系電池得密封程度，焊PIN不良會(huì)導(dǎo)致電池漏液、析鋰、電池外觀不良@。
目前市場上存在得一些激光器類型：包括連續(xù)型激光器、IPG公司QCW激光器、以及主流得YAG激光器、復(fù)合激光器、環(huán)形光斑激光器。但是在密封釘焊接中，YAG激光器是目前大眾一家。本文使用得焊PIN設(shè)備為IPG 1kW光纖激光封口機(jī)。
1.1焊縫質(zhì)量
焊接后焊縫質(zhì)量評價(jià)分為合格與不合格。不合格即不良類型得焊PIN，可分為兩類，其一為外觀不良，其二為強(qiáng)度及密封性不滿足要求。外觀不良主要表現(xiàn)在焊偏、砂眼（爆點(diǎn)）、焊PIN傾斜；焊接強(qiáng)度及密封不滿足要求主要表現(xiàn)為熔深不達(dá)標(biāo)、有裂縫或氣孔，致使電池漏液。圖1為焊PIN良品&不良品類型支持。
圖1 焊PIN良品＆不良品類型
1.2 工藝分析
根據(jù)焊PIN不良品類型，分析導(dǎo)致焊縫質(zhì)量問題得直接工藝原因，見表1。根據(jù)FTA分析將焊PIN不良?xì)w納為外觀問題及焊接強(qiáng)度問題，外觀類主要討論：焊接設(shè)備CCD拍照得準(zhǔn)確性、保護(hù)氣純度與流速設(shè)置、焊接區(qū)域得清潔度、焊接得機(jī)械配合得方式；焊接強(qiáng)度及密封性主要討論原材料得尺寸配合及鋁材成分及焊接工藝參數(shù)設(shè)計(jì)。
表1 導(dǎo)致焊縫質(zhì)量問題得直接工藝原因分析
1.3針對外觀類問題得工藝優(yōu)化
1.3.1 焊接設(shè)備CCD拍照得準(zhǔn)確性
通過調(diào)整CCD拍照參數(shù)，改善自動(dòng)循跡。CCD拍照用來采集焊接區(qū)域二維圖像，通過圖像采集系統(tǒng)中得三點(diǎn)定圓確定激光焊接軌跡及焊接位置，因此圖形采集照片質(zhì)量直接影響激光焊接軌跡。影響支持采集效果得因素主要有曝光度、灰度值和尋圓半徑。只要對應(yīng)調(diào)整上述參數(shù)，就能實(shí)現(xiàn)工藝優(yōu)化。
適當(dāng)提高曝光度可減少注液孔周圍磨損對軌跡得誤判，提高支持采集質(zhì)量；通過調(diào)整曝光度值，專業(yè)篩選出允許方案來盡專家消除注液孔處得磨損對焊接軌跡得影響，增加曝光度專業(yè)增加焊縫與注液孔/PIN之間得明暗對比，使焊縫處得軌跡更加清晰，從而提高焊接軌跡定位得準(zhǔn)確度。通過對比曝光參數(shù)為1.8、2.2、2.4、2.6得CCD采集圖像如圖2(a)～(d)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)曝光參數(shù)在2.4以上時(shí)專業(yè)有效消除注液孔處得磨損對焊接軌跡得影響，提高焊接軌跡定位得準(zhǔn)確度。
圖2 不同曝光度下得支持采集
在尋圓范圍內(nèi)通過灰度值得變化來確定焊接位置，參數(shù)得確定與曝光度有關(guān)；研究表明隨著曝光參數(shù)得增加，焊縫與注液孔/PN之間得灰度值差值逐漸增加(圖3)，說明增加曝光度專業(yè)增加焊縫與注液孔/PN之間得明暗對比,使焊縫處得軌跡更加清晰。在確定曝光度后，通過調(diào)整灰度值可尋找到允許得焊接軌跡，實(shí)驗(yàn)表明曝光度在2.4～2.6之間，灰度值在235以上時(shí)，圖像清晰，誤判最少。
圖3 灰度值與曝光參數(shù)得對應(yīng)關(guān)系圖
尋圓軌跡需要根據(jù)設(shè)定得蕞大半徑及最小半徑來進(jìn)行軌跡確認(rèn)，二者得差值越大，尋找得軌跡范圍就越大，就越容易受到污漬或蓋板反光干擾產(chǎn)生誤判；二者差值越小，軌跡范圍就越小，越不容易尋到軌跡，二者差值在4～8mm之間能夠達(dá)到允許狀態(tài)，我們選用得最小半徑為13.5 mm，蕞大半徑為19.5mm，差值為6mm。
1.3.2 保護(hù)氣與流量設(shè)置
保護(hù)氣種類與流量設(shè)置對焊接效果也會(huì)有影響，保護(hù)氣體有以下四項(xiàng)主要作用：
1）專業(yè)驅(qū)除表面@離子云，利于激光得吸收；
2）隔絕氧氣，防止表面熔融物被氧化，影響焊接質(zhì)量和外觀；
3）在同軸吹氣得同時(shí)，使焊接飛濺物不會(huì)飛濺到保護(hù)鏡片上；
4）形成有效氣幕屏障，隔絕空氣中得水分及工件氧化膜得水分在激光焊接時(shí)分解成氣體，減少氣孔產(chǎn)生
因此需要控制好氣流方向、壓力與流量；如果保護(hù)氣體形成湍流，焊縫專家會(huì)出現(xiàn)氣孔、焊裂、焊縫不均勻@缺陷。
激光焊焊接常用得保護(hù)氣有三種：氦氣、氬氣及氮?dú)狻?/p>
氦氣不易電離，可讓激光順利通過，光束能量可不受阻礙地直達(dá)工件表面，焊接速度快、焊接熔深好，不易產(chǎn)生氣孔，但價(jià)格比較貴。
氬氣價(jià)格較氦氣低，但它易受高溫金屬@離子體電離，雖然保護(hù)效果較好，結(jié)果卻屏蔽了部分光束射向工件，減少了焊接得有效激光功率，也損害焊接速度與熔深，使用氬氣保護(hù)氣得焊件表面外觀較光滑；
氮?dú)鈨r(jià)格低、電離較小、容易與部分元素反應(yīng)生成不穩(wěn)定化合物，影響焊接強(qiáng)度。
使用相同焊接工藝參數(shù)及同廠家同批次工件，用氮?dú)夂蜌鍤?純度99．9％)作保護(hù)氣分別進(jìn)行焊接。焊接后焊縫局部表觀放大支持見圖4。發(fā)現(xiàn)使用氮?dú)庾鞅Ｗo(hù)氣時(shí)，魚鱗紋相對粗糙不均勻，焊縫寬度一致性差；使用氬氣作保護(hù)氣體，焊口較平滑、魚鱗紋均勻提高，外觀明顯優(yōu)于使用氮?dú)夂附雍螽a(chǎn)品。
考慮到成本和效果，密封釘焊接選擇氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，采用同軸吹氣方式。
圖4 不同保護(hù)氣、氣壓、流量焊接效果圖
保護(hù)氣設(shè)置要適中，不可太大，也不可太小。太大了，使熔池由層流狀變?yōu)橥牧鳡?，使焊接表面凹凸不平；太小了，起不到保護(hù)得作用。
對比了兩種保護(hù)氣不同氣壓壓力、氣體流量對焊接得影響：使用氮?dú)庾鞅Ｗo(hù)氣，0.4 mPa下60 L/min焊接效果略好；使用氬氣保護(hù)氣，在不同氣體壓力和流量下，焊接效果沒有明顯差異，當(dāng)流量達(dá)到99 L/min時(shí)，魚鱗紋較為粗糙。
1.3.3焊接區(qū)域得清潔度
密封釘焊接常見污染物有：
1)殘留電液：注液殘留，清洗不徹底；
2)殘留水漬：清洗后烘干不徹底；
3)粉塵異物：勞保引入、原材料引入、設(shè)備雜質(zhì)引入。
4）其他制程異物，比如緩存時(shí)防止異物掉入電芯內(nèi)部貼得壓敏膠不當(dāng)導(dǎo)致得殘膠
通過分析可知，為保證焊接區(qū)域得清潔度，取決于清洗機(jī)噴淋強(qiáng)度、噴淋方向、提供適度得烘干溫度及風(fēng)速，同時(shí)避免外來雜質(zhì)得引入。
1.3.4機(jī)械配合方式
注液孔與鉚釘(注液孔內(nèi)徑、鉚釘外徑)尺寸配合有過盈配合和間隙配合兩種。過盈配合即注液孔凹槽最小直徑小于鉚釘直徑。過盈配合時(shí)，工件配合緊密，能夠抵消焊接過程中應(yīng)力積累，焊接過程PIN不容易歪斜，但此時(shí)焊接范圍小(圖5)。
圖5 過盈配合方式
過盈配合時(shí)需要焊接前壓膠塞和壓鉚釘，壓緊工位是氣動(dòng)裝置，動(dòng)作頻次高，容易傳導(dǎo)振動(dòng)，導(dǎo)致相鄰CCD糾偏系統(tǒng)微微顫抖，幅度較大時(shí)有專家使電池軌跡偏移而焊偏；過盈配合需要保證一定熔深，為保證密封效果一般采用60％以上得重疊率進(jìn)行激光焊接，此時(shí)激光熔深大小約在0.6～0.9mm，而注液孔凹臺深度約0.95～0.98mm之間；隨著重疊率得提高激光熔深逐漸增加，焊接位置與膠塞距離越來越近，加之過盈配合下壓膠塞、壓鉚釘過程中容易導(dǎo)致膠塞溢膠，激光很容易打穿膠釘帶來焊穿或形成砂眼(圖6)，電池漏液風(fēng)險(xiǎn)高；同時(shí)激光深熔焊接過程中產(chǎn)生得金屬蒸汽在過盈配合這種結(jié)構(gòu)下不易排出，也容易導(dǎo)致焊縫周圍產(chǎn)生砂眼／氣眼，該配合方式下得漏液比例高達(dá)0.26％。
圖6 過盈配合焊接打穿膠釘
間隙配合即注液孔凹槽最小直徑大于鉚釘直徑(圖7)，目前采用得大多是間隙配合方式，可省去壓膠塞、壓鉚釘步驟，無機(jī)械振動(dòng)源，減少焊偏幾率；激光焊接位置距膠釘密封位置較遠(yuǎn)，不易受到膠塞異物得影響，專業(yè)提高熔深，提高密封效果；同時(shí)深熔焊接中因金屬氣化產(chǎn)生得氣體能迅速排出，減少了焊接氣孔及砂眼；具有膠塞密封+PIN密封得雙重密封結(jié)構(gòu)且互不干擾，能夠有效減少漏液比例。
圖7 間隙配合方式
但是間隙配合得缺點(diǎn)是配合不夠緊密，當(dāng)焊接區(qū)域快速冷卻，已焊區(qū)域應(yīng)力積累，就會(huì)導(dǎo)致焊PIN傾斜，傾斜嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致焊縫露出造成不良。為解決焊PIN傾斜翹起得問題，優(yōu)化焊接模式：拍照進(jìn)行位置識別后，在連續(xù)焊接前增加三點(diǎn)定位預(yù)焊(每1200打點(diǎn)一次)，進(jìn)行焊接固定，同時(shí)降低預(yù)焊時(shí)期及收尾時(shí)期激光能量，防止焊接過程中由于應(yīng)力集中及PIN與蓋板得匹配性差造成得焊縫露出/焊后PIN傾斜(圖8)。
圖8 兩種焊接方式焊接效果對比
1.4針對焊接強(qiáng)度及密封性得工藝優(yōu)化
1.4.1焊件尺寸配合及來料成分
目前電池蓋板注液孔及PIN得尺寸，主要檢驗(yàn)電池蓋板注液孔尺寸、注液孔凹臺深度、PIN直徑尺寸。在材料供應(yīng)多元化得背景下，在這些檢驗(yàn)數(shù)據(jù)中，來自同一廠家測試數(shù)據(jù)一致性較好。在實(shí)際生產(chǎn)中還有一些未列入檢驗(yàn)得尺寸，其差異也會(huì)影響焊接效果，如凹臺傾斜角度，以及蓋板、PIN兩種材質(zhì)得雜質(zhì)含量。
圖9為以相同激光工藝（脈沖能量、鏡件距離、保護(hù)氣氛流量、焊接步進(jìn)速度、出光頻率@)焊接，廠家不同配件，其注液孔及PIN焊接效果差異圖。兩個(gè)廠家蓋板尺寸測量數(shù)據(jù)見表。由表2可見凹臺傾斜角度差異是影響焊PIN熔深得因素之一，應(yīng)列入控制項(xiàng)目。
此外鋁合金表面對激光反射能力強(qiáng)、導(dǎo)熱形成強(qiáng)且鋁合金對激光吸收能力差；此外表面存在氧化膜，因此熔點(diǎn)高，導(dǎo)致需要得焊接能量高；若合金中低沸點(diǎn)金屬M(fèi)g、Zn含量過高，會(huì)導(dǎo)致在汽化過程中未迅速排出而產(chǎn)生砂眼或焊坑，導(dǎo)致電池漏液。
圖9 不同廠家注液孔尺寸及PIN熔深支持
表2 不同廠家注液孔尺寸測量數(shù)據(jù)
1.4.2焊接工藝參數(shù)優(yōu)化
激光焊接主要參數(shù)包括波形圖、功率密度、焊接速度、保護(hù)氣體、離焦量。
波形參數(shù)對焊接效果有影響，焊接軌跡是激光在焊接位置得運(yùn)行軌跡，波形參數(shù)是激光能量與焊接時(shí)間得圖像，它影響不同位置得焊接熔深和焊接強(qiáng)度。由于鋁合金得光返比較高，固態(tài)時(shí)，80%得能量被反射。所以，需要在開始時(shí)激光功率急劇上升到峰值，使金屬熔化。熔化后得金屬液體，對激光吸收率較高，專業(yè)達(dá)到90%以上。（緩降模式）
影響激光能量和焊接時(shí)間得參數(shù)包括激光輸出功率、光斑直徑及焊接速度。
在激光脈沖頻率一定得情況下，通過改變焊接速度來確定重疊率。當(dāng)兩個(gè)焊點(diǎn)重疊率大于50%時(shí)，才能保證熔池得機(jī)械強(qiáng)度和氣密性。
重疊率=（焊縫寬度-點(diǎn)距）/焊縫寬度
焊接速度：焊接速度過快，重疊率低；同時(shí)機(jī)械振動(dòng)和速度過快更容易引起焊槍速度不穩(wěn)，影響焊接熔深，一般采用60％以上得重疊率進(jìn)行激光焊接(表3)，對應(yīng)焊接速度小于50 mm/s。
表3 重疊率與熔深得關(guān)系
激光實(shí)際輸出功率對焊接有影響，使用相同焊接速度及保護(hù)氣流量，實(shí)際輸出得功率越大，焊接材料能夠更多、更快速地進(jìn)行熔化及氣化，熔池瞬時(shí)得流動(dòng)性增加，形成得魚鱗紋分布更均勻，焊縫更平整。我們分別使用實(shí)際輸出功率780W和870w進(jìn)行焊接。780w功率焊紋較粗糙、魚鱗紋分布不均勻，焊縫寬度不一致、呈現(xiàn)波浪狀、觸感阻塞；而870 W功率焊紋光滑、魚鱗紋細(xì)膩、均勻，焊縫寬度一致、基本呈現(xiàn)直線狀，觸感平滑(圖10)。
圖10 不同焊接參數(shù)焊接效果圖
離焦量：焦點(diǎn)在工件上為0離焦，焦點(diǎn)在工件上方為正離焦，反之為負(fù)離焦。一般焊接時(shí)都不會(huì)在0離焦，0離焦飛濺比較大，光斑太小。
光斑直徑包含焦距和離焦量,焦距越小,能量越集中光束產(chǎn)出質(zhì)量越高；離焦量是指焦點(diǎn)到母材之間得距離。
結(jié)論以目前現(xiàn)有得激光封口設(shè)備來看CCD拍攝效果及焊接波形設(shè)置對焊偏有一定得影響；保護(hù)氣得種類和保護(hù)氣參數(shù)合理設(shè)定專業(yè)提升焊縫均勻一致性及寬度一致性；保證焊接區(qū)域得清潔度，減少雜質(zhì)異物引人，可有效降低焊渣產(chǎn)生得概率；機(jī)械配合方式上間隙配合優(yōu)于過盈配合，同時(shí)提出了一種新型得焊接模式，這種先點(diǎn)焊后連續(xù)焊得方式能夠在很大程度上解決間隙配合時(shí)焊PIN翹起得問題；增加注液孔凹臺傾角得尺寸管控能夠提升焊接熔深得一致性；焊接速度、輸出功率及光斑直徑是影響焊接強(qiáng)度得主要工藝參數(shù)。
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