46系大圓柱/ 刀片電池技術(shù)演進(jìn) 如何攻破激光焊接“難關(guān)”

鋰電池的生產(chǎn)迭代已經(jīng)給激光設(shè)備帶來了明確的“增量”機(jī)會(huì)，能夠抓住技術(shù)領(lǐng)先的時(shí)間窗口，以激光創(chuàng)新工藝技術(shù)與現(xiàn)有所需設(shè)備進(jìn)行耦合，將形成鋰電智能裝備企業(yè)新的價(jià)值來源。

激光以其高能量密度、高精準(zhǔn)度、高柔性等優(yōu)點(diǎn)，已成為鋰電池裝配段自動(dòng)化產(chǎn)線連接和密封段的重要“利器”。

目前，激光加工技術(shù)廣泛應(yīng)用在鋰電池制造的各環(huán)節(jié)，包括極片切割、極耳焊接、轉(zhuǎn)接片焊接、集流盤焊接、封口焊接、密封釘焊接、電芯清洗、殼體打碼、匯流排焊接、線束焊接、外振焊接等。隨著鋰電池行業(yè)高增速發(fā)展以及更精密的制造要求，鋰電激光設(shè)備市場需求進(jìn)一步增加。

高工產(chǎn)業(yè)研究院（GGII）數(shù)據(jù)顯示，2022年我國鋰電激光設(shè)備市場規(guī)模約125億元，預(yù)計(jì)到2025年將增加至180億元，年復(fù)合增長率超過13%。

值得注意的是，著眼于產(chǎn)品性能、品質(zhì)質(zhì)量、生產(chǎn)效率、良率的提升，鋰電企業(yè)圍繞“圓柱、方形、軟包”全品類電池封裝工藝進(jìn)行持續(xù)迭代升級。從當(dāng)下大圓柱、刀片電池、大軟包的形態(tài)演進(jìn)就可見一斑。

這也意味著，鋰電池的生產(chǎn)迭代已經(jīng)給激光設(shè)備帶來了明確的“增量”機(jī)會(huì)，能夠抓住技術(shù)領(lǐng)先的時(shí)間窗口，以激光創(chuàng)新工藝技術(shù)與現(xiàn)有所需設(shè)備進(jìn)行耦合，將形成鋰電智能裝備企業(yè)新的價(jià)值來源。

高工鋰電注意到，深圳中基深耕鋰電池自動(dòng)化設(shè)備多年，始終以技術(shù)創(chuàng)新為導(dǎo)向，針對行業(yè)全品類電池的激光焊接痛點(diǎn)和難點(diǎn)問題，不斷加碼研發(fā)投入。近期在關(guān)鍵工序的激光焊接工藝與裝備方面取得了一系列突破性進(jìn)展。

攻克大圓柱電芯激光焊接“瓶頸”

兼具單位體積容量更高、能量密度更大、輸出功率更強(qiáng)、制造成本更低等優(yōu)勢，以型號4680為代表的46系圓柱電池被稱為大圓柱電池，被認(rèn)為是下一代圓柱電池的發(fā)展方向。

高效率高精度組裝線是大圓柱生產(chǎn)線的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，開發(fā)大圓柱電池高速全自動(dòng)組裝線成為國內(nèi)外各鋰電池自動(dòng)化裝配企業(yè)追求的目標(biāo)。

然而，目前大圓柱正/負(fù)極集流盤、底殼穿透焊接等焊接工序是整個(gè)裝配線體中焊接時(shí)間相對較長的工藝，也是大圓柱高速裝配線體的瓶頸技術(shù)之一。

為此，深圳中基開發(fā)了基于飛行控制的激光焊接技術(shù)及裝備，并應(yīng)用于集流盤/全極耳穿透焊接中，有效減少了間隔停留時(shí)間，極大提高了整線焊接效率。

其背后的“密鑰”是：

1、通過轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤高速旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)過程中，振鏡系統(tǒng)自適應(yīng)跟隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)施動(dòng)態(tài)飛行焊接。

飛行轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)

2、針對飛行焊接的多軌跡、多角度實(shí)時(shí)軌跡路徑追蹤以及重復(fù)定位精度要求高等難題，深圳中基自研高速旋轉(zhuǎn)位置高精度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償算法和飛行焊控制系統(tǒng)，解決了高速下軌跡焊偏和焊接圖形畸變的問題。

飛行激光焊接控制系統(tǒng)

集流盤飛行激光焊接效果

該技術(shù)可大幅度減少激光器用量，集流盤焊接速度可達(dá)600mm/s以上，滿足200PPM以上超高速大圓柱裝配線焊接需求。此外，深圳中基開發(fā)了基于不同光源的集流盤激光焊接工藝系列技術(shù)，如YAG、QCW、環(huán)形激光、高功率綠光激光等，均可實(shí)現(xiàn)正/負(fù)集流盤高速焊接，滿足不同客戶的定制化需求。

集流盤激光焊接工藝系列技術(shù)

基于上述技術(shù)，7月18日，深圳中基為國內(nèi)B客戶研發(fā)與設(shè)計(jì)制造的120PPM 4680高速智能裝配線已正式通過客戶驗(yàn)收成功交付。

擊破刀片電池側(cè)邊連續(xù)焊接“痛點(diǎn)”

?刀片電池作為方形鋁殼電池的一種特殊形式，因其長薄化顯著提升能量密度空間，成為方形電池的發(fā)展趨勢分支。

在制造過程中，頂蓋封口是方形鋁殼電池也是刀片電池中最難、最關(guān)鍵的一道焊接工藝。

在眾多焊接工藝中，封口焊縫的尺寸最長，焊接耗時(shí)最長，對過程穩(wěn)定性以及工藝可靠性都提出了非常高的要求，直接影響到裝配整線的整體效率和良率。

根據(jù)電池尺寸和結(jié)構(gòu)形式，方形鋁殼電池頂蓋封口焊接可以分為頂蓋立焊和頂蓋側(cè)焊兩種工藝。

常規(guī)刀片電池頂蓋采用的是側(cè)邊焊接，焊接方式為分段焊接，通過單個(gè)激光器分段焊接長短邊或通過配置兩個(gè)激光器，分別同時(shí)焊接長短邊實(shí)現(xiàn)滿焊。然而，此種焊接方式雖然控制簡單，但效率低下、成本過高，難以滿足高效率生產(chǎn)需求。

行業(yè)目前面臨的困境是，雖然側(cè)邊連續(xù)焊接可以顯著提升焊接效率，但是相對于分段焊，其焊接軌跡復(fù)雜，控制難度極大。

刀片電池連續(xù)側(cè)焊示意圖

針對上述技術(shù)難題，深圳中基開發(fā)了以下技術(shù)，解決了刀片電池頂蓋側(cè)邊連續(xù)焊接難題：

1、采用環(huán)形光斑連續(xù)激光光源確保焊縫熔深一致性和穩(wěn)定性；

2、以優(yōu)化激光焊接工藝為基礎(chǔ)，自研“4+1”運(yùn)動(dòng)速度與激光能量微分插補(bǔ)控制算法，開發(fā)側(cè)邊連續(xù)焊接控制系統(tǒng)，配合高響應(yīng)性硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)激光能量與運(yùn)動(dòng)軌跡高度匹配。

側(cè)邊連續(xù)焊接系統(tǒng)及激光能量匹配算法

從焊接效果來看，焊縫直邊和轉(zhuǎn)角表面均光滑飽滿，焊縫熔深穩(wěn)定，平均焊接速度可達(dá)300mm/s以上。基于此，深圳中基開發(fā)了高速激光連續(xù)側(cè)焊模塊和刀片電池頂蓋高速激光側(cè)邊焊接機(jī)，焊接效率較常規(guī)分段焊接機(jī)提升3-5倍以上。

側(cè)邊連續(xù)焊接效果

頂蓋激光側(cè)邊連續(xù)焊接裝備

方形電池高速封口焊接技術(shù)“攻關(guān)”

作為國內(nèi)鋰電池制造的主流方向，方形鋁殼電池具有強(qiáng)度高、內(nèi)阻小、壽命長、空間利用率高等特點(diǎn)。目前，常規(guī)尺寸方形鋁殼電池主要采用頂蓋立焊工藝，采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，焊接速度達(dá)到150-200mm/s，滿足單線產(chǎn)能10-15PPM需求。

然而，隨著電池廠產(chǎn)出效率需求不斷提升，電池裝配線單線效率向20PPM關(guān)口邁進(jìn)，對頂蓋封口焊接速度和良率提出了更高的要求，焊接速度需提升至300mm/s以上。

如何保證超高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，激光焊接過程的穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量成為行業(yè)重點(diǎn)研究方向。尤其是在焊接軌跡轉(zhuǎn)角位置，圓角半徑R通常小于5mm，超高速下圓角處向心加速度過大，極易造成鼓包、缺焊等缺陷。

針對上述難點(diǎn)，深圳中基開發(fā)了超高速激光立焊模塊和超高速頂蓋立焊激光焊接專機(jī)，設(shè)備效率滿足25PPM以上產(chǎn)能，平均焊接速度達(dá)到350mm/s，焊接外觀光滑飽滿，焊縫熔深一致性高，產(chǎn)品良率達(dá)到99.6%以上。

?電池頂蓋超高速激光立焊效果圖

在具體實(shí)現(xiàn)路徑上：

1、深圳中基通過全面提升電機(jī)性能和優(yōu)化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)高速運(yùn)動(dòng)位置相應(yīng)能力和運(yùn)行穩(wěn)定性；

2、自研“激光能量-速度自適應(yīng)匹配”控制算法，并開發(fā)了交互式能量-速度匹配軟件，通過算法擬合繪制的曲線達(dá)到功率隨速度的實(shí)時(shí)變化，實(shí)現(xiàn)了焊接全過程激光能量均勻輸出；3、開發(fā)了環(huán)形光斑激光封口焊接工藝，最大限度提升激光焊接過程穩(wěn)定性。

頂蓋立焊激光焊接裝備

持續(xù)創(chuàng)新 重視激光技術(shù)研發(fā)

實(shí)現(xiàn)上述激光焊接工藝與裝備的創(chuàng)新，源于深圳中基對于鋰電裝備領(lǐng)域激光應(yīng)用的高度重視。

據(jù)悉，為滿足新能源電池生產(chǎn)設(shè)備對于激光加工技術(shù)的重要訴求，深圳中基組建了以光學(xué)博士領(lǐng)銜的高素質(zhì)高水平激光技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，并建立了800㎡激光和視覺研發(fā)實(shí)驗(yàn)室，配備各類激光研發(fā)與試驗(yàn)設(shè)備價(jià)值1000萬+。

目前，深圳中基已形成了激光裝備與控制軟件開發(fā)、模擬仿真分析、激光加工工藝研發(fā)、樣品分析測試等全面的激光技術(shù)研發(fā)能力，成為公司激光技術(shù)在鋰/鈉離子電池自動(dòng)化裝備上的重要“利器”。

激光實(shí)驗(yàn)室與自主開發(fā)激光裝備和軟件

綜上，深圳中基將基于在新能源電池激光焊接技術(shù)的突破，結(jié)合其在中段裝配自動(dòng)化整線技術(shù)，進(jìn)一步在產(chǎn)品矩陣及創(chuàng)新技術(shù)方面提升盈利能力價(jià)值，為客戶提供較全面的自動(dòng)化生產(chǎn)裝備解決方案，充分擁抱動(dòng)力及儲能兩大超級賽道。