電阻焊與激光焊技術(shù)在手機(jī)鋰電池制造工藝中的應(yīng)用與發(fā)展

周志華

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 無(wú)錫交通分院，無(wú)錫 214151）

0 引言

手機(jī)鋰電池制造過(guò)程涉及的焊接技術(shù)十分廣泛，如：釬焊、超聲波焊、電阻焊和激光焊等。焊接方法與工藝的合理選用，不僅直接影響電池的質(zhì)量可靠性與使用安全性，還決定著電池的生產(chǎn)成本。

目前，手機(jī)鋰電池正不斷向大容量、快速充電、長(zhǎng)壽命和高安全性方向發(fā)展，對(duì)其制造過(guò)程中的焊接技術(shù)也提出了新的要求。主要問(wèn)題是要針對(duì)電池裝配與焊接過(guò)程的較高精度要求，解決不同材料、薄片和小尺寸的手機(jī)電池零件的焊接問(wèn)題，同時(shí)，還要滿足快速、大批量和牢固焊接，這樣才能應(yīng)用于企業(yè)的批量生產(chǎn)。在實(shí)際生產(chǎn)中，大部分手機(jī)鋰電池常用的焊接方法是電阻焊[1]，精度要求較高的手機(jī)鋰電池已經(jīng)開(kāi)始采用激光焊[2]，并且依靠各種類型的焊機(jī)、焊接夾具和輔助系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1 電阻焊技術(shù)的應(yīng)用

1.1 電阻焊技術(shù)特點(diǎn)

電阻焊分為點(diǎn)焊、縫焊和對(duì)焊。在手機(jī)鋰電池生產(chǎn)中，主要采用點(diǎn)焊，點(diǎn)焊是利用柱狀電極加壓通電，在搭接工件接觸面焊成一個(gè)焊點(diǎn)的焊接方法。

點(diǎn)焊時(shí)，先加壓使兩個(gè)工件緊密接觸，然后接通電流。電流流過(guò)所產(chǎn)生的電阻熱使局部金屬被熔化形成液態(tài)熔核。斷電后，繼續(xù)保持壓力或加大壓力，使熔核在壓力下凝固結(jié)晶，形成組織致密的焊點(diǎn)。焊完一個(gè)點(diǎn)后，電極（或工件）將移至另一點(diǎn)進(jìn)行焊接。當(dāng)焊接下一個(gè)點(diǎn)時(shí)，有一部分電流會(huì)流經(jīng)已焊好的焊點(diǎn)，稱為分流現(xiàn)象。分流將使焊接處電流減小，影響焊接質(zhì)量，因此兩個(gè)相鄰焊點(diǎn)之間應(yīng)有一定距離。

影響點(diǎn)焊質(zhì)量的主要因素有焊接電流、通電時(shí)間、電極壓力和工件表面清理情況等。點(diǎn)焊主要適用于厚度為4mm以下的薄板，每次焊一個(gè)點(diǎn)或一次焊多個(gè)點(diǎn)。

電阻焊雖然具有勞動(dòng)條件好，不需另加焊接材料，操作簡(jiǎn)便，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化等優(yōu)點(diǎn)；但也受到耗電量大、電極棒更換、被焊材料導(dǎo)電性能、適用的接頭形式、以及可焊工件厚度（或斷面尺寸）等因素的限制。

1.2 電阻焊技術(shù)在手機(jī)鋰電池制造工藝中的應(yīng)用

手機(jī)鋰電池主要由電芯、保護(hù)線路板和膠殼組成[3]，在電芯的制造中、以及電芯與保護(hù)線路板的連接中，很多工序采用電阻焊，下面以某手機(jī)電極片焊接為例，電極片材料為鎳、厚度約為0.15mm，可采用日本SEIWA、AVIO、MIYACHI點(diǎn)焊機(jī)，型號(hào)有ZH-32、ZH-50等，也可采用國(guó)產(chǎn)的金剛、海拓點(diǎn)焊機(jī)，型號(hào)有JG-23、WHT-728等。以型號(hào)WHT-728為例，焊機(jī)圖片如圖1所示，焊機(jī)參數(shù)主要如下，電源AC220V、50HZ，輸出最大功率10KVA，預(yù)焊電流0-99A，焊接時(shí)間0-30s，焊接電流0-99A，焊接行25mm，適用于焊接厚度0.03-0.5mm的工件。焊后，電阻焊焊點(diǎn)如圖2所示。

圖1 WHT-728電阻焊機(jī)及電極棒

圖2 電極片電阻焊焊點(diǎn)

從圖1可以看出，電阻焊機(jī)的電極棒材料是鉻銅合金，盡管耐高溫、耐電弧燒蝕、強(qiáng)度高、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性好，但是，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，電極棒經(jīng)過(guò)一段時(shí)間生產(chǎn)后，會(huì)有損耗，一旦電阻焊時(shí)出現(xiàn)飛濺，就需要專業(yè)人員來(lái)更換電擊棒，經(jīng)調(diào)試后再生產(chǎn)，對(duì)于自動(dòng)化生產(chǎn)線來(lái)講，更換的時(shí)間越長(zhǎng)，更換次數(shù)越頻繁，就越延誤生產(chǎn)。

從圖2可以看出，作為合格電阻焊產(chǎn)品的這個(gè)工件焊點(diǎn)，無(wú)論正面還是反面，是不標(biāo)準(zhǔn)的圓形，變形較大，尤其是正面，凹凸不平；焊點(diǎn)直徑明顯存在差異，誤差接近1mm；焊點(diǎn)間距明顯不一，有的間距大，有的幾乎已經(jīng)連在一起，只能滿足連接的要求，無(wú)法達(dá)到較高精度下的形狀規(guī)則、間距相同的要求。

對(duì)于鋰電池生產(chǎn)中，不同材料的電阻焊，由于導(dǎo)電性、散熱和變形等不同，為獲得良好的焊接質(zhì)量，主要采用過(guò)渡片來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體如圖3所示。保護(hù)線路板電極片材料為鎳，在電芯極耳[4]中，正極材料為鋁，負(fù)極材料為鎳，采用的過(guò)渡片材料是鎳。電芯極耳與過(guò)渡片、過(guò)渡片與保護(hù)線路板電極片之間均采用電阻焊，各焊兩點(diǎn)完成連接，但也因此增加了裝配與焊接工序、焊接材料、生產(chǎn)時(shí)間等，提高了生產(chǎn)成本。

1.3 實(shí)際生產(chǎn)中尚待解決的問(wèn)題

圖3 電芯極耳與保護(hù)線路板電阻焊采用過(guò)渡片示意圖

1）不適用于異種材料焊接。首先，對(duì)于不同材料電阻焊時(shí)，要加上過(guò)渡片，造成所需焊接材料的增加；其次，由于過(guò)渡片的添加，造成裝配與焊接工序的增加，人員、工時(shí)及設(shè)備等花費(fèi)也隨之加大。

2）電極棒需更換，耗材成本較高。首先，在大批量生產(chǎn)過(guò)程中，電阻焊機(jī)的電極棒不可避免存在磨損，再焊接時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生飛濺，導(dǎo)致產(chǎn)品焊接質(zhì)量不合格，因此，需要專業(yè)人員及時(shí)維修、更換與調(diào)試，與此同時(shí)，自動(dòng)化生產(chǎn)線不得不停止，延誤生產(chǎn)；其次，由于電極棒定期或不定期需要更換，而且電極棒價(jià)格較貴，提高了生產(chǎn)成本。

3）可能導(dǎo)致被焊元器件損毀。電阻焊時(shí)，要對(duì)被焊工件施加一定的壓力，對(duì)于焊接塑性不夠大的元器件，如保護(hù)線路板時(shí)，可能由于加壓過(guò)大，導(dǎo)致保護(hù)線路板的損毀，對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，這類損耗不可忽視。

4）被焊件變形大。在鋰電池的電阻焊過(guò)程中，盡管實(shí)現(xiàn)了被焊工件之間的快速、批量連接，但被焊工件變形大，無(wú)論從形狀、尺寸和間距等方面，都不能達(dá)到一定的精度要求。

2 激光焊技術(shù)的應(yīng)用

2.1 激光焊技術(shù)特點(diǎn)

激光焊接是將高強(qiáng)度的激光束輻射至金屬表面，通過(guò)激光與金屬的相互作用，使金屬熔化形成焊接。它是20世紀(jì)60年代之后發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)，在手機(jī)鋰電池制造工藝中的應(yīng)用是在本世紀(jì)初。

激光焊接能夠連接比較難焊的薄板合金材料，如鋁合金與鈦合金等，并且構(gòu)件的變形小，接頭質(zhì)量高，重現(xiàn)性好。激光焊能夠?qū)嵤┚植课⑿》秶募訜幔浅＿m于印刷電路板一類的電子器件的焊接[5]。激光焊特別適用于不同材料之間焊接，也可應(yīng)用于極耳焊接[6]、負(fù)極焊接和外殼密封焊接等。

與傳統(tǒng)焊接技術(shù)比較，激光焊具有能量密度高、焊接速度快、熱影響區(qū)小和工件變形小等一系列優(yōu)點(diǎn)，可以滿足手機(jī)鋰電池的特殊的焊接要求，但其設(shè)備價(jià)格較貴。

目前，國(guó)外的激光焊焊接設(shè)備[7]自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)率高，技術(shù)附加值也較高，價(jià)格昂貴，知名的激光焊設(shè)備主要有日本米亞基（MIYACHI）、德國(guó)通快等。國(guó)內(nèi)激光焊設(shè)備技術(shù)水平有待突破，價(jià)格相對(duì)較低，知名的激光焊設(shè)備主要有：深圳大族激光、武漢華工激光等。

2.2 激光焊技術(shù)在手機(jī)鋰電池制造工藝中的應(yīng)用

在手機(jī)鋰電池的焊接中，激光焊主要應(yīng)用于電芯的制造、電芯與保護(hù)線路板的連接中，下面以某手機(jī)鋰電池的電芯極耳與保護(hù)線路板極片的焊接為例，在電芯極耳中，正極材料為鋁、厚度約為0.07mm，負(fù)極材料為鎳、厚度約為0.12mm，保護(hù)線路板電極片材料為鎳、厚度約為0.12mm。采用米亞基焊機(jī)，型號(hào)ML-2550A，焊接參數(shù)主要有：發(fā)振波長(zhǎng)1064nm、最大額定輸出400W、脈沖重復(fù)頻率1-500pps、水冷等，并配套相應(yīng)的圖像處理系統(tǒng)[8]，具體如圖4所示。焊后，激光焊焊點(diǎn)如圖5所示。

圖4 激光焊設(shè)備系統(tǒng)示意圖

從圖4中可以看出，激光焊機(jī)除了專用設(shè)備外，需要配套圖像處理系統(tǒng)，對(duì)焊完的焊點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)，利用CCD數(shù)碼相機(jī)的攝像功能，對(duì)已焊的焊點(diǎn)進(jìn)行圖像分析，與已設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)的激光焊點(diǎn)比較，從而判斷被焊件的焊點(diǎn)是否合格，以確保合格率達(dá)100%。

圖5 電極片與保護(hù)線路板激光焊焊點(diǎn)

從圖5可以看出，作為合格激光焊產(chǎn)品的工件焊點(diǎn)，無(wú)論正極還是負(fù)極，圓形規(guī)則，大小均一，表面平整；焊點(diǎn)直徑約為0.7mm，誤差約為0.2mm；焊點(diǎn)間距均勻。

2.3 實(shí)際生產(chǎn)中尚待解決的問(wèn)題

主要是激光焊價(jià)格較貴。首先，國(guó)內(nèi)的激光焊機(jī)設(shè)備，價(jià)格從十幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)不等，國(guó)外的激光焊設(shè)備，以日本米亞基焊機(jī)為例，價(jià)格一般要幾十萬(wàn)。此外，還需要配套相應(yīng)的畫像處理系統(tǒng)，這套系統(tǒng)價(jià)格從4萬(wàn)到10多萬(wàn)不等，因此，對(duì)于生產(chǎn)廠商來(lái)說(shuō)，投入較大。

3 電阻焊與激光焊技術(shù)的發(fā)展

從電阻焊與激光焊技術(shù)在手機(jī)鋰電池的應(yīng)用中，分析比較可以看出：電阻焊的優(yōu)勢(shì)在于設(shè)備價(jià)格較低，但不適用于異種材料焊接、電極棒更換與維修頻率高、焊接材料損耗大、產(chǎn)品變形較大等問(wèn)題。激光焊的優(yōu)勢(shì)在于適用于異種材料的焊接、焊材損耗小、被焊工件變形小、設(shè)備性能穩(wěn)定且易操作和焊接質(zhì)量好，但設(shè)備與配套圖像處理系統(tǒng)價(jià)格較貴。

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，很多國(guó)內(nèi)外手機(jī)鋰電池生產(chǎn)廠商，在較為復(fù)雜的生產(chǎn)工序中，對(duì)于不同的工序、不同的被焊零件，采用了不同的焊接方法，但電阻焊技術(shù)以其較低成本的優(yōu)勢(shì)，仍是應(yīng)用最普遍的。

隨著新一代智能手機(jī)的問(wèn)世，配套鋰電池的裝配與焊接的精度、質(zhì)量均大幅提高，電阻焊很難滿足這些要求。我國(guó)激光產(chǎn)業(yè)的正在快速發(fā)展，激光焊技術(shù)將有更大突破，設(shè)備價(jià)格也會(huì)進(jìn)一步降低，這將降低激光焊在手機(jī)鋰電池生產(chǎn)中的使用成本，促使更多的手機(jī)鋰電池廠商將選擇激光焊。因此，激光焊在手機(jī)鋰電池的制造過(guò)程中將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，并形成新的發(fā)展趨勢(shì)。

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