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高功率激光掃描振鏡焊接在動(dòng)力電池制造中的應(yīng)用

激光振鏡是一種優(yōu)良的矢量掃描器件,它是一種特殊的擺動(dòng)電機(jī),基本原理是通電線圈在磁場中產(chǎn)生力矩,但振鏡不能像普通電機(jī)一樣旋轉(zhuǎn),只能偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)角與電流成正比,與電流計(jì)一樣,不同的是,鏡片取代了表針。

為掃描振鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖,該系統(tǒng)主要由激光器、擴(kuò)束鏡、反射鏡、電機(jī)底座、振鏡電機(jī)、XY反射鏡、F-THETA聚焦鏡組等幾大部分組成,其中X、Y軸反射鏡反射鏡和F-THETA聚焦鏡為該系統(tǒng)最重要的組成部分。激光束以脈沖或連續(xù)方式入射到振鏡上,兩個(gè)反射鏡可分別沿X、Y軸掃描,用計(jì)算機(jī)控制反射鏡的反射角度,實(shí)現(xiàn)激光束的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)待加工材料進(jìn)行焊接。普通聚焦鏡的焦平面為一曲面,無法保證焊接的均勻性,而F-THETA鏡的焦平面為一平面,該鏡組具有平場聚焦的效果,能在激光束的不同入射角方向(遠(yuǎn)場與近場)上獲得平整焦平面的聚焦效果,故可以使掃描系統(tǒng)的焦平面與待加工的工件表面相重合,能夠保證焊接的均勻性。

小功率激光掃描振鏡焊接通常指使用1000W激光功率以下的,以Nd-YAG脈沖激光器或光纖激光器作為焊接光源,掃描振鏡作為輸出裝置的激光振鏡焊接系統(tǒng);具有激光光斑移動(dòng)速度快(3000mm/s),定位精度高(0.001mm),焊接范圍大,無需水冷等特點(diǎn),在IT、電池制造行業(yè)有大量應(yīng)用,其中18650電池及其模組制造中應(yīng)用最為廣泛,包括:18650蓋帽防爆閥焊接、蓋帽鋁圈焊接、蓋帽-電芯極耳焊接,模組匯流片焊接等,幾乎18650電池制造的激光焊接都會(huì)采用掃描振鏡激光焊接系統(tǒng)。18650蓋帽-電芯極耳焊接通常是在自動(dòng)化流水線上完成,工件流轉(zhuǎn)到振鏡焊接頭下時(shí),夾具壓緊工件,振鏡高速完成焊接,焊接時(shí)間僅需不到1秒,大族激光精密焊接事業(yè)部針對(duì)這些應(yīng)用開發(fā)了ST300高速時(shí)間分光激光焊接機(jī),一臺(tái)ST300激光器可以同時(shí)搭配到幾臺(tái)振鏡焊接系統(tǒng)上,工作時(shí)可由激光器內(nèi)高速振鏡擺動(dòng)將每個(gè)脈沖激光分配輸出到各個(gè)振鏡系統(tǒng)上,充分利用了激光功率,如接到4臺(tái)振鏡系統(tǒng)上,1秒種可以完成4個(gè)以上的電池極耳焊接。

激光振鏡

高功率激光振鏡焊接通常采用1000w及以上激光功率的激光器作為焊接激光光源,常搭配4000-6000w光纖激光器,可高速穿透焊接2-3mm鋁及鋁合金。更高的激光功率意味著鏡片需要承受更高的熱量,這對(duì)鏡片材料、鏡片的鍍膜、散熱結(jié)構(gòu)、制造工藝和裝配工藝等都提出了極大要求。

首先,由于鏡片需要承受的功率很高,需要鏡片本身具有很強(qiáng)的熱穩(wěn)定性,這就導(dǎo)致了鏡片肖材選擇很單一,無法利用多鐘折射率的肖材組合設(shè)計(jì),所以高功率平場鏡頭及準(zhǔn)直鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)難度大大提高;其次為了承受更大能量的激光,鍍膜工藝的要求極為嚴(yán)格,需要更為專業(yè)的鍍膜設(shè)備及更加合理的膜系;第三,由于激光功率很大,必然帶來系統(tǒng)的溫度升高,系統(tǒng)的冷卻是必須要解決的重中之重,既要確保光學(xué)部件、電器部件的工作溫度保持在合適的范圍內(nèi),還要保證工作過程中的絕對(duì)可靠性及冷卻線路布置的合理性,水冷系統(tǒng)需要反復(fù)試驗(yàn)和設(shè)計(jì)更改最終確認(rèn)最優(yōu)效果。

經(jīng)過大量研發(fā),2015年,大族激光精密焊接事業(yè)部推出了首臺(tái)自主研發(fā)的工業(yè)用高功率激光振鏡加工系統(tǒng)Dragon系列,,Dragon系列適用與6kw及以下光纖激光器加工應(yīng)用,特別適用于動(dòng)力電池模組的激光焊接。

目前,新能源汽車的發(fā)展步入關(guān)鍵時(shí)期,動(dòng)力電池目前產(chǎn)能缺乏,掃描振鏡激光焊接系統(tǒng)焊接速度快,強(qiáng)度高,焊接過程能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確定位,焊接過程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,振鏡系統(tǒng)安裝在機(jī)械手上,可實(shí)現(xiàn)靈活的遠(yuǎn)程焊接,具有較大的空間自由度,在焊接電池模組、電芯軟連接片、電池防爆閥等工序上都有應(yīng)用。

靈活的遠(yuǎn)程掃描焊接:高功率激光掃描振鏡系統(tǒng)通常會(huì)搭配焦距較大的F-THETA聚焦鏡頭,焦距通常不低于350mm,掃描范圍大。Dragon系列掃描振鏡加工系統(tǒng)通常搭配焦距達(dá)460mmF-THETA聚焦鏡頭,焊接范圍達(dá)到220*180mm,在不移動(dòng)掃描振鏡系統(tǒng)的情況下,可在同一夾具中放置多個(gè)的電池頂蓋進(jìn)行電芯軟連接片焊接,焊接位置可通過軟件可視化編寫。安裝在機(jī)械手上的振鏡可以靈活焊接各種尺寸的電池模組,焊接范圍可達(dá)1-2m。Dragon掃描振鏡加工系統(tǒng)3秒內(nèi)完成了3個(gè)電池蓋板軟連接焊接。

更快的光斑跳轉(zhuǎn)速度:由于掃描振鏡是由鏡片高速偏轉(zhuǎn),使反射的激光光斑照射到不同位置,光斑運(yùn)動(dòng)速度可以達(dá)到3000mm/s,即從一個(gè)焊接位置跳到另外一個(gè)位置,速度可達(dá)一般的伺服電機(jī)平臺(tái)的10倍以上,極大的提的高了焊接效率,例如:焊接一個(gè)16個(gè)47178電芯的電池模組,32個(gè)電極連接片,在激光光點(diǎn)位置運(yùn)動(dòng)上伺服平臺(tái)需要至少14秒,而由安裝在機(jī)械手上的Dragon掃描振鏡系統(tǒng)焊接,設(shè)備在光點(diǎn)位置運(yùn)動(dòng)上只需要7秒,更大的模組更能體現(xiàn)其效率差別。

高速穩(wěn)定的焊接復(fù)雜軌跡:對(duì)于絲桿導(dǎo)軌式的伺服電機(jī)平臺(tái)系統(tǒng),高速下帶動(dòng)焊接頭運(yùn)動(dòng)復(fù)雜軌跡,在軌跡拐彎,特別是轉(zhuǎn)彎半徑小時(shí),焊接頭的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)降低,從而造成了焊接過程的速度不穩(wěn)定,影響焊接效果。單振鏡焊接圓弧或其他復(fù)雜軌跡時(shí)就不會(huì)存在這些問題,比如在高功率激光振鏡系統(tǒng)焊接一些電芯軟連接片時(shí),激光可在200-300mm/s的速度下焊接圓形軌跡,一些模組上還會(huì)用到S形軌跡的方式進(jìn)行焊接。

螺旋線型軌跡:作為高能束焊接,較大的焊縫深寬比是激光焊接的一大特點(diǎn),但有時(shí)候我們不希望焊縫深寬比過大,例如,在進(jìn)行電池模組連接片焊接時(shí),通常需要焊縫有更大的寬度(以增加載流面積,),降低焊縫深度(以使用更薄的電池極柱,獲得更大的電芯空間。)采用螺旋線形軌跡焊接,通過光斑沿焊接方向高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),可以在不改變外光路條件的情況下,獲得不同焊縫的深寬比。圖7顯示了在4000w激光功率下,100mm/s的焊接速度下,不同螺旋線軌跡參數(shù)下焊接獲得的不同焊縫截面效果。

激光振鏡

大焦距帶來的穩(wěn)定性:由于Dragon系列振鏡搭配的F-THETA鏡頭焦距為460mm,較大的焦距時(shí)其有較大的焦深(3-5mm),即在一定高度范圍內(nèi)焊接,工件都可以獲得穩(wěn)定的熔深,避免了工件高度偏差帶來的熔深不穩(wěn)定,兩層1.5mm鋁板穿透焊接,工件在掃描振鏡的不同焦點(diǎn)位置下都能獲得的焊縫熔深、熔寬數(shù)據(jù),從數(shù)據(jù)上可以看出,在+2-3mm范圍內(nèi),焊縫熔深、熔寬變化不大。另外鏡頭在500mm以上的工作距離上,鏡頭鏡片不易受焊接飛濺影響,也帶來了更好的焊接穩(wěn)定性。

相較于傳統(tǒng)的激光焊接,激光振鏡激光焊接的最大優(yōu)點(diǎn)是不受電機(jī)速度限制,在振鏡頭的XY鏡片的快速擺動(dòng)下,可輕易在大范圍內(nèi)靈活實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)任意曲線的高速焊接,更能體現(xiàn)激光高速焊接的效率優(yōu)勢和工藝優(yōu)勢。特別是高功率激光掃描振鏡焊接系統(tǒng),越來越多的成為客戶大規(guī)模生產(chǎn)中設(shè)備的選擇,從模組焊接逐漸向其他電芯產(chǎn)品焊接應(yīng)用發(fā)展,相信在未來的動(dòng)力電池大規(guī)模制造中會(huì)有更加廣泛和普遍的應(yīng)用。