方形铝壳锂电池拥有结构单一 ，抗冲击机能好 ，能量密度高 ，单体容量大等诸多利益 ，一向以来都是国内锂电造作和发展的重要方向 ，市场占比在40%以上。
方形铝壳锂电池结构如图1 ，由电芯（正负极片、隔阂）、电解液、壳体、顶盖等部件组成。
图1. 方形铝壳锂电池结构
方形铝壳锂电池在造作组装过程中 ，必要大量利用到激光焊接工艺 ，例如：电芯软衔接与盖板焊接、盖板封口焊接、密封钉焊接等等。激光焊接是方形动力电池的重要焊接步骤 ，归功于激光焊接拥有能量密度高 ，功率不变性好 ，焊接精度高 ，易于系统化集成等诸多利益 ，在方形铝壳锂电池出产工艺中 ，有不成代替的作用。
顶盖封口焊接焊缝是方形铝壳电池中尺寸最长的焊缝 ，也是焊接耗时最长的焊缝。近年来锂电造作行业高速发展 ，顶盖封口激光焊接工艺技术及其设备技术也在急剧发展 ，我们凭据设备的焊接速度机能分歧 ，将顶盖激光焊接设备及工艺或许划分为3个时期。别离是焊接速度<100mm/s的1.0时期（2015-2017） ，100-200mm/s的2.0时期（2017-2018） ，以及200-300mm/s的3.0时期（2019-）。下文将沿着时期蹊径介绍技术的发展：
1.顶盖激光焊接技术的1.0时期
焊接速度＜100mm/s2015-2017年 ，国内新能源汽车受政策驱动 ，起头发作 ，动力电池行业起头扩张 ，但国内企业技术沉淀、人才储蓄还相对较少 ，有关电池造作工艺和设备技术也在起步阶段 ，设备自动化水平相对较低 ，设备造作商刚起头关注动力电池造作并加大研发投入。在此阶段 ，行业内对方形电池激光封口设备的出产效能要求通常在6-10PPM ，设备规划通常使用1kw光纤激光器通过通常激光焊接头出射（如图2） ，由伺服平台电机或直线电机带头焊接头活动并进行焊接 ，焊接速度50-100mm/s。
图2 选取1kw激光器焊接电芯顶盖
在激光焊接工艺上 ，也正由于焊接速度相对较低 ，焊缝热循环功夫相对较长 ，熔池有足够的功夫流动和凝固 ，且 ；て迥芙虾玫母哺侨鄢 ，易获得表表光滑鼓满、一致性好的焊缝 ，如图3。
图3 顶盖低速焊接的焊缝成形
在设备上 ，固然出产效能不高 ，但设备结构相对较单一、不变性较好且设备造价低 ，很好的满足了该阶段行业发展的需要 ，为后续技术发展打下了基础。顶盖封口焊1.0时期固然有设备规划单一、成本低、不变性好蹬着点。但是其固有的局限也极度显著。设备上 ，电机驱动能力不能满足进一步提速的需要 ；工艺上 ，单纯通过提高焊接速度、激光功率输出来进一步提速会带来焊接过程的不不变和良率的降落：提速使得焊接热循环功夫缩短 ，金属的溶解过程更剧烈、飞溅加大、对杂质的适应会更差 ，更易形成飞溅孔洞 ，同时熔池凝固功夫的缩短 ，会导致焊缝容易表表粗糙、一致性降低。当激光光斑较幼时 ，热输入量不大 ，飞溅能够降低 ，但焊缝深宽比力大 ，焊缝熔宽不够 ；当激光光斑较大时 ，必要输入较大的激光功率 ，使焊缝宽度增大 ，但同时又会导致焊接飞溅增长 ，焊缝表表成型质量差。在该阶段的技术水平之下 ，进一步的提速意味着需以良率换效能 ，设备和工艺技术的升级要求成为行业性需要。
2.顶盖激光焊接技术的2.0时期
焊接速度200mm/s 2016年中国汽车动力电池装机量约30.8GWh ，2017年约36GWh ，而2018年迎来了进一步的发作 ，装机量达到57GWh ，同比增长57% ，新能源乘用车也出产近百万量 ，同比增长80.7%。装机量发作的背后是锂电造作产能的开释 ，新能源乘用车电池装机占比超50% ，也意味着行业对电池机能、质量的要求会越来越严格 ，随之提升的造作设备技术及工艺技术也进入了新的时期：为了满足单线产能要求 ，顶盖激光焊接设备必要产能提升到15-20PPM ，其激光焊接速度必要达到150-200mm/s ，所以在驱动电机上 ，各设备厂商均升级了直线电机平台 ，使其活动机构满足对矩形轨迹200mm/s匀速焊接的活动机能要求 ；但针对高速焊接情况下若何保障焊接质量 ，必要进一步工艺突破 ，行业内企业进行了诸多索求和钻研：相对1.0时期 ，2.0时期高速焊接所面对的问题是：选取通常的光纤激光器通过通常焊接头输出单点光源的规划 ，选型很难满足200mm/s的要求。在原有技术规划上 ，只能通过配置选项 ，调整光斑大幼 ，以及调整激光功率等根基参数来节造焊接成型成效：选取光斑较幼的配置时 ，焊接熔池匙孔藐幼 ，池状态不不变 ，焊缝熔宽也偏 ；而选取光斑较大的配置时 ，匙孔会增大 ，但是焊接功率显著的提高 ，飞溅和爆孔率显著提高。从理论上 ，若是想保障顶盖高速激光焊接的焊缝成形成效 ，必要满足以下一些要求：①焊缝拥有足够的宽度 ，且焊缝深宽比相宜 ，这就必要光源的热作用领域足够大 ，且焊接线能量在合理领域 ；②焊缝光滑 ，这必要焊缝在焊接过程中热循环功夫足够长 ，使熔池拥有足够的流动性 ，在 ；て谋 ；は潞阜炷坛晌饣慕鹗艉阜 ；③焊缝一致性好、气孔、孔洞少 ，这必要焊接过程中 ，激光不变的作用于工件上 ，高能束等离子体持续的产生 ，作用于熔池内部 ，熔池在等离子反作使劲下出产“匙孔” ，匙孔足够大且足够不变 ，使得天生的金属蒸汽和等离子体不易喷射和带出金属熔滴 ，形成飞溅 ，匙孔周围熔池也不易坍塌 ，卷入气体。即便焊接过程中遇异物烧损 ，爆炸式的开释气体 ，更大的匙孔也更利于爆炸性气体的开释 ，减幼金属飞溅和形成的孔洞。针对以上的几点 ，行业内的电池造作企业、设备造作企业都进行了各类尝试和实际：锂电造作在日本发展已有几十年 ，有关造作技术上先行一步。从有关公开专利能够搜索到 ，十余年前 ，日本松下株式会社就为相识决在激光焊接-铝这样的高反射金属时 ，熔深、熔宽及焊接速度都不够的问题 ，钻研了分歧波长、光学个性的多种激光混合输出进行焊接的技术。在光纤激光器技术尚未大量贸易利用的2004年 ，松下公司选取LD半导体激光与脉冲灯泵浦的YAG激光器进行混合输出（规划如图4所示）。
图4 多激规复合焊接技术的规划示意图及焊接头结构
利用光斑较幼的脉冲YAG激光器产生的高功率密度光斑作用于工件 ，天生焊接幼孔 ，以获得足够的焊接熔深 ，同时用LD半导体激光器提供CW陆续激光 ，对焊接的工件进行预热、对焊接过程中的熔池提供更多能量以获得较大焊接幼孔、增大焊缝宽度 ，并耽搁焊接幼孔关应功夫 ，援手熔池气体逸出 ，降低焊缝气孔率 ，如图5。
图5 复合激光焊接示意图
利用该技术 ，使用仅有几百瓦功率YAG激光器和LD激光器 ，即可对薄壳体的锂电池壳体进行80mm/s的高速焊接 ，焊接成效如图6。
图6 分歧工艺参数前提下的焊缝描摹
随着光纤激光器发展和鼓起 ，光纤激光器凭借其光束质量好、光电转换效能高、寿命长易守护、功率高档诸多利益 ，逐步大量取代了脉冲YAG激光器在激光金属加工中的利用。
因而 ，以上的激规复合焊接规划中的激光器组合演化为光纤激光器+LD半导体激光器 ，并同样通过特殊加工头同轴输出激光（焊接头如图7） ，其焊接过程中 ，激光作用机理一样。
图7 复合激光焊接头
该规划中 ，将脉冲YAG激光器更换为光束质量更好、功率更大、并且能够陆续输出的光纤激光器 ，大大提高焊接速度 ，同时获得较好的焊接质量（焊接成效如图8） ，该规划也因而受一些客户的青睐 ，目前该规划已经利用在动力电池顶盖封口焊的出产中 ，可达到200mm/s的焊接速度。
图8 复合激光焊接的顶盖焊缝表观
固然双波长激光焊接规划解决了高速焊接的焊缝不变性 ，满足了电芯顶盖高速焊接的焊缝质量要求 ，但是从设备和工艺的角度上 ，该规划也还存在一些问题。
首先 ，该规划硬件组成部门较为复杂 ，必要用到两台分歧类型激光器以及特殊的双波长激光焊接头 ，提高了设备投入成本、增大了设备守护难度 ，设备潜在故障点增多 ；
第二 ，选取的双波长激光焊接头 ，由多组镜片组成（见图4） ，功率损耗较通常焊接头要大 ，且必要将镜片地位调节至相宜地位 ，以保险双波长激光同轴输出、并聚焦在固定的焦平面上 ，持久高速运行 ，镜片的地位可能松动导致光路变动、影响焊接质量 ，必要人为再调试 ；
第三 ，焊接时 ，激光反射较严沉 ，易危险设备器件 ，出格是对不良品进行返建时 ，光滑的焊缝表表对激光进行大量反射 ，易造成激光器报警 ，必要调整加工参数进行返建。
为解决以上问题 ，得另辟蹊径 ，进行索求 ，在2017-2018年钻研了电芯顶盖的高频摆动激光焊接技术并推动到出产利用。激光束高频摆动焊接（以下简称摆动焊接）是目前200mm/s高速焊的另一种工艺。
相对于复合激光焊接规划 ，该规划硬件部门只必要一台通常光纤激光器 ，搭配一台摆动激光焊接头（如图9 IPG wobble摆动焊接头）。
图9 IPG的wobble摆动焊接头
焊接头内部拥有受电机驱动的反射镜片 ，可由法式节造激光依照设计的轨迹类型（通常有圆形、S形、8字形等）、摆幅及频率进行摆动 ，分歧的摆动参数 ，能够使焊接截面呈分歧状态及分歧尺寸（如图10）。
图10 分歧摆动轨迹下获得的焊缝
高频摆动焊接头在直线电机的带头下沿工件间隙进行焊接 ，凭据电芯壳体壁厚 ，选择相宜的摆动轨迹类型及幅度 ，焊接时 ，静态的激光束只会形成V字形焊缝截面 ，但在摆动焊接头的驱动下 ，光束黑点在焦平面上高速摆动 ，形成一个动态的、旋转的焊接匙孔 ，可获得相宜的焊缝深宽比 ；
旋转的焊接匙孔搅拌焊缝一方面援试禅体逸出削减了焊缝气孔 ，且对焊缝爆点针孔有肯定建复作用（见图12） ，另一方面焊缝金属的有序受热-冷却循环让焊缝表表呈规定有序的鱼鳞纹。
图11 摆动焊接焊缝成形
图12 在分歧摆动参数下 ，焊缝对油漆传染的适应性
以上几点 ，满足了顶盖高速焊接焊缝的三点基性质量要求 ，该规划还有其他利益：
①由于激光功率大部门注入到了动态匙孔中 ，对表散射激光削减 ，所以只需用较幼的激光功率 ，焊接热输入量相对较低（比复合焊接削减30%） ，削减了设备损耗及能源损耗 ；
②摆动焊接方式对工件装配质量适应性较高 ，削减了装配台阶等问题造成的不良 ；
③摆动焊接方式对焊缝孔洞拥有极强的建复作用 ，使用该规划建复电芯焊缝孔洞良率极高 ；
④系统单一 ，设备调试、守护单一。
3.顶盖激光焊接技术的3.0时期
焊接速度300mm/s
随着新能源补助的不休退坡 ，电池造作行业险些整个产业链陷入一片红海 ，行业也进入洗牌期 ，规模和技术优势的龙头企业所占比沉进一步增长。但与此同时 ，“提质、降本、增效”将会成为好多企业主旋律。
在低补助或无补助时期 ，只有实现技术的迭代升级 ，实现更高的出产效能 ，降低单个电池的造作成本、提高产品品质 ，能力在竞争中多一分胜算。
大族激光在电芯顶盖高速焊接技术上 ，持续维持钻研投入 ，除以上介绍的几种工艺步骤 ，还钻研了电芯顶盖的环形光斑激光焊接技术及振镜激光焊接技术等先进技术。
为了进一步实现出产效能的提高 ，索求300mm/s及更高速的顶盖焊接技术。大族激光在2017-2018年钻研了扫描振镜激光焊接封口 ，突破了振镜焊接时工件难以进行气体 ； ，焊缝表表成形成效差的技术难点 ，实现电芯顶盖400-500mm/s的激光焊接 ，对一个26148电池只需1秒钟。
但由于效能过高 ，与其匹配效能的配套设备开起事度极大 ，设备成本较高。故对该规划 ，未做进一步贸易化利用开发。
光纤激光器技术进一步发展 ，TRUMPF、nLIGHT、Coherent-Rofin、IPG等激光器公司 ，纷纷推出了可直接输出环形光斑的新型高功率光纤激光器 ，该类型激光器通过特殊的多层光纤 ，可输出点-环形激光光斑 ，并且光斑状态及功率散布可调节 ，如图13。
图13 分歧摆动轨迹下获得的焊缝
通过调节 ，可使激光功率密度散布呈点-环-帽形（spot-donut-tophat） ，nLIGHT公司也形象的把他们的这类激光定名为Corona（日冕） ，图14。
图14 可调节激光的光束（别离为：中心光 ，中心光+环形光、环形光 ，两个环形光）
我们在2018年也测试了多台该类型激光在铝壳电芯顶盖焊接上的利用 ，并以Corona激光器为基础 ，发展了电芯顶盖激光焊接的3.0工艺技术规划的钻研。Corona激光器在进行点-环形模式输出时 ，其输出光束的功率密度散布个性类似半导体+光纤激光器的复合输出。
在焊接过程中 ，拥有高功率密度的中心点光起到形成匙孔进行深熔焊 ，获得足够的焊接熔深（作用于复合焊规划中的光纤激光器输出类似） ，环形光提供更大热输入、增大匙孔 ，削减金属蒸汽、等离子体对匙孔边缘液态金属的冲击 ，降低由此造成的金属飞溅 ，并增长焊缝热循环功夫 ，援手熔池中气体有更长功夫逸出 ，提高高速焊接过程的不变性（作用类似于复合焊规划中的半导体激光器输出）。
在试验中 ，我们焊接了薄壁壳体电池 ，发显熹焊缝尺寸一致性较好 ，拥有较好的过程能力CPK ，如图18。
图18 壁厚0.8mm的电池顶盖焊表观（焊接速度300mm/s）
在硬件方面 ，分歧于复合焊规划的是 ，该规划单一 ，不必要两台激光器 ，不必要特殊的复合焊接头 ，只必要一个常见的通常高功率激光焊接头（由于只有一根光纤输出单一波长激光 ，镜片结构单一、无需调节、功率损耗低） ，使其调试和守护单一 ，其设备的不变性极大的提高。
图15 日冕与nLIGHT的Corona激光器
除了硬件规划上系统单一、满足电芯顶盖高速焊接工艺需要以表 ，该规划在工艺利用上还有其他利益。
试验中 ，我们在300mm/s的高速度下对电芯顶盖进行焊接 ，依然获得了优良的焊缝成形成效 ，并且 ，对于0.4、0.6、0.8mm几种分歧壁厚的壳体 ，只需通过单一的调节激光输出模式 ，即可优良的进行焊接 ，而对于双波长激规复合焊接规划 ，则必要调换焊接头或激光器的光学配置来实现 ，并带来较大的设备成本和调试功夫成本。
因而 ，点-环形光斑激光焊接规划不只能实现300mm/s的超高速顶盖焊接 ，提高动力电池的出产效能 ，对于必要频仍换型的电池造作企业 ，该规划还能极大的提高设备对产品的兼容性、缩短换型调试功夫。
图16 壁厚0.4mm的电池顶盖焊表观（焊接速度300mm/s）
图17 壁厚0.6mm的电池顶盖焊表观（焊接速度300mm/s）
图19 Corona激光器对薄壁电池焊接的焊缝熔深-过程能力
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激光器均有类似的光学输出个性 ，可利用于解决诸如：改善激光焊缝飞溅、改善焊缝表表质量、提高高速焊接不变性等问题。
4.总结
以上提及的多种规划 ，均在国内表锂电造作企业中利用于现实出产 ，由于投产功夫分歧、技术布景分歧而选择了分歧的工艺规划在行业中宽泛存在 ，但企业对效能、质量的要求是不休提高的 ，更多新的技术会很快被走在技术前沿的企业所利用。
中国新能源电池行业相对起步较晚 ，在国度政策驱动下飞速发展 ，有关技术在全产业链共同致力下不休进取 ，全面缩短与国际优良企业差距。作为国内锂电设备造作商 ，丽江英联达也在不休挖掘自己的优势领域 ，援手电池pack设备迭代升级 ，为新能源储能电池模组pack自动化出产提供更优质的解决规划。
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