氫鎳及福鎳電池極柱與匯流排連接工藝研究

王春艷，張雪薇，鄧桂江

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

氫鎳及福鎳電池極柱與匯流排連接工藝研究

王春艷，張雪薇，鄧桂江

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

電池匯流排與極柱的連接在整個(gè)電源系統(tǒng)中起著重要作用，對(duì)其連接工藝的研究也有著較深遠(yuǎn)的意義。基于實(shí)際生產(chǎn)，對(duì)空間用氫鎳、福鎳電池極柱與匯流排連接工藝進(jìn)行了研究，提出了工藝優(yōu)化方案。電池在軌的穩(wěn)定運(yùn)行充分證明了該工藝方案的合理性與可靠性。

氫鎳電池；福鎳電池；匯流排；連接工藝

匯流排與極柱的連接使電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電流通過(guò)極柱輸出給負(fù)載，從而使整個(gè)負(fù)載平臺(tái)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，電池作為動(dòng)力能源的作用才能夠得以體現(xiàn)。本文基于實(shí)際生產(chǎn)，對(duì)空間用氫鎳、鎘鎳電池極柱與匯流排連接工藝進(jìn)行了研究，提出了工藝優(yōu)化方案。電池在軌的穩(wěn)定運(yùn)行充分證明了該工藝方案的合理性與可靠性。

1 電池極柱、匯流排連接結(jié)構(gòu)與材料特性

1.1 電池極柱與匯流排連接結(jié)構(gòu)

匯流排與極柱的連接使電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電流通過(guò)極柱輸出給負(fù)載，從而使整個(gè)負(fù)載平臺(tái)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，電池作為動(dòng)力能源的作用才能夠得以體現(xiàn)。因此，極柱與匯流排連接這一看似簡(jiǎn)單微小的工序其實(shí)在整個(gè)電源系統(tǒng)中起著重要的作用，故對(duì)極柱與匯流排連接工藝的研究有著深遠(yuǎn)意義。

電池匯流排是指電池極組內(nèi)正極、負(fù)極極耳引線的集合，分為正極匯流排與負(fù)極匯流排。空間用氫鎳、鎘鎳電池極柱結(jié)構(gòu)中與匯流排連接的部位為極柱桿，空間用氫鎳電池極柱與匯流排連接部位示意圖見(jiàn)圖1，空間用鎘鎳電池極柱與匯流排連接部位示意圖見(jiàn)圖2。

1.2 材料特性

圖1 氫鎳電池極柱與匯流排連接部位示意圖

圖2 福鎳電池極柱與匯流排連接部位示意圖

極柱桿材質(zhì)是牌號(hào)為N6的鎳棒，焊接部位厚度1～1.5 mm，電極極耳的材質(zhì)為N6鎳帶，厚度0.06～0.1 mm，數(shù)量為6～34片。純鎳是一種白色金屬，具有優(yōu)良的耐腐蝕性，較高的電真空性能和電磁控制性能，被廣泛應(yīng)用于化工、機(jī)械電子、食品等方面。N6具有很好的機(jī)械性能，在許多腐蝕環(huán)境中具有優(yōu)良的耐蝕性能，在苛性堿溶液中，由于鎳表面形成了極致密和堅(jiān)固的保護(hù)膜，甚至在高溫下也極穩(wěn)定，因此在堿性蓄電池中得到了廣泛應(yīng)用。

2 電池極柱與匯流排連接工藝及設(shè)備選擇

2.1 連接工藝選擇

材料連接工藝是制造工藝的重要組成部分，一般包括焊接工藝、機(jī)械連接工藝和膠接工藝。電池極柱與匯流排連接的目的是傳導(dǎo)電流，因此要求兩者之間必須有直接接觸面，故目前的電池制造領(lǐng)域多采用焊接工藝和機(jī)械連接工藝。機(jī)械連接工藝制造過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，但需要使用額外的零件來(lái)對(duì)兩個(gè)組件進(jìn)行緊固加壓，由于空間氫鎳、鎘鎳蓄電池有著嚴(yán)格的質(zhì)量要求，選用機(jī)械連接工藝不利于控制電池組質(zhì)量，故選擇焊接工藝作為空間用氫鎳、鎘鎳蓄電池極柱與匯流排的連接工藝。

在焊接工藝中，電阻點(diǎn)焊是一種高速、經(jīng)濟(jì)的連接方法，適用于制造可以采用搭接接頭，不要求氣密性，厚度一般小于3 mm的薄板構(gòu)件。相比電弧焊，電阻點(diǎn)焊對(duì)于施焊面積小的構(gòu)件能夠更準(zhǔn)確地定位；相比激光焊及電子束焊，電阻點(diǎn)焊設(shè)備精小輕便，生產(chǎn)能耗小，對(duì)生產(chǎn)環(huán)境要求不高，更為經(jīng)濟(jì)高效。綜合考慮樣件結(jié)構(gòu)、設(shè)施成本、焊接后的產(chǎn)品性能，空間氫鎳、鎘鎳電池極柱與匯流排連接選擇電阻點(diǎn)焊為最優(yōu)方案。

2.2 設(shè)備選擇

典型的電阻焊機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍見(jiàn)表1[1]。對(duì)比幾種典型電阻焊機(jī)，綜合考慮焊接材料、結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)環(huán)境，選擇單向交流電阻焊機(jī)作為焊接設(shè)備。

表1 電阻焊機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍

高溫合金的電阻率和高溫強(qiáng)度比不銹鋼大，因而需要較小的焊接電流和較大的電極壓力。為了減少高溫合金點(diǎn)焊時(shí)出現(xiàn)裂紋等缺陷，還應(yīng)盡量避免焊點(diǎn)過(guò)熱[2]。電極材料推薦采用3類電極合金，即電導(dǎo)率較低、硬度較高的合金，最終選擇點(diǎn)焊頭的材料為鉻鋯銅。

3 電池極柱與匯流排電阻點(diǎn)焊工藝優(yōu)化

3.1 焊接合格判定

焊接過(guò)程及焊點(diǎn)的合格判定包括以下3個(gè)方面：(1)焊接過(guò)程，焊接過(guò)程無(wú)嚴(yán)重飛濺和電極頭與試件嚴(yán)重粘連情況；(2)焊點(diǎn)外觀，目測(cè)焊點(diǎn)外觀熔核形成良好，焊點(diǎn)周圍金屬顏色無(wú)明顯變化、無(wú)明顯變形(壓痕過(guò)深)、無(wú)焊穿且無(wú)未焊透現(xiàn)象；(3)試件撕裂檢驗(yàn)，用兩只尖嘴鉗子分別夾住第一片引流條和匯流排進(jìn)行撕裂，再分別夾住兩邊匯流排進(jìn)行撕裂，兩次撕裂檢驗(yàn)的合格判據(jù)均為母材處撕裂而焊點(diǎn)不脫落、熔核形成良好。

3.2 焊接工藝參數(shù)優(yōu)化

電阻點(diǎn)焊加工工藝主要規(guī)范參數(shù)有焊接電流、焊接時(shí)間、電極壓力和電極頭端面尺寸。通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)，得到適應(yīng)產(chǎn)品特性的工藝方案。根據(jù)匯流排與極柱焊接部位尺寸及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇點(diǎn)焊下電極為平面電極，上電極為端面直徑為3 mm的錐頭電極。根據(jù)全面試驗(yàn)法初步探索出各型號(hào)電池極柱與匯流排點(diǎn)焊的工藝參數(shù)范圍，在合理的工藝參數(shù)范圍之內(nèi)，采取多次單因素試驗(yàn)法對(duì)各項(xiàng)工藝參數(shù)進(jìn)行拉偏試驗(yàn)，優(yōu)化工藝參數(shù)。在多次試驗(yàn)后，確定了氫鎳、鎘鎳電池匯流排與極柱點(diǎn)焊的參數(shù)范圍為：電極壓力0.15～0.25 MPa，預(yù)壓時(shí)間35～45周波，焊接電流2 300～4 300 A，焊接時(shí)間10～15周波。在該工藝參數(shù)范圍內(nèi)焊接，過(guò)程無(wú)嚴(yán)重飛濺和粘連情況，焊點(diǎn)外觀及撕裂檢驗(yàn)均符合要求，試件撕裂檢驗(yàn)照片見(jiàn)圖3。

圖3 焊點(diǎn)強(qiáng)度撕裂檢驗(yàn)結(jié)果示意圖

3.3 焊點(diǎn)分布優(yōu)化

在電池匯流排與極柱的焊接中，為了保證焊接的可靠性，避免單點(diǎn)失效，操作時(shí)要求焊接3～4點(diǎn)，考慮到分流的影響，為了保證焊點(diǎn)熔核尺寸一致，應(yīng)盡量增加焊點(diǎn)間距。由于尺寸的限制，考慮將焊點(diǎn)按照三角形排列，如圖4所示。

圖4 焊點(diǎn)分布示意圖

4 結(jié)論

每次開(kāi)機(jī)進(jìn)行點(diǎn)焊前以及焊接一定數(shù)量的電池后，均應(yīng)通過(guò)試件的焊接過(guò)程、焊點(diǎn)外觀及撕裂檢驗(yàn)情況確定及驗(yàn)證焊接參數(shù)，以保證電池焊接的可靠性及工序合格率。該工藝方案已應(yīng)用于多顆衛(wèi)星氫鎳、鎘鎳蓄電池產(chǎn)品，在軌電池組的穩(wěn)定運(yùn)行充分證明了匯流排與極柱點(diǎn)焊工藝方法可靠，參數(shù)選用合理。

[1]王敏.焊接手冊(cè)·焊接方法及設(shè)備[M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：428-433.

[2]冀春濤.焊接手冊(cè)·焊接方法及設(shè)備[M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：383.

Technical study of connection between busbar and pole of Ni-MH and Ni-Cd battery

WANG Chun-yan,ZHANG Xue-wei,DENG Gui-jiang
(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

The connection between the busbar and the pole of the battery plays an important role in the whole power system,therefore it is of profound significance to study the connection technique.Based on the practical production process, the connection technique for the busbar and the pole of Ni-MH and Ni-Cd battery was discussed and studied.Moreover,the optimization scheme was proposed.The reasonality and reliability of the above technique scheme were fully proved by the stable operation of the battery with the optimized busbar/pole connection.

Ni-MH battery;Ni-Cd battery;busbar;connection technique

TM 912.9

A

1002-087 X(2017)10-1439-02

2017-03-11

王春艷(1983—)，女，河北省人，工程師，主要研究方向?yàn)榭臻g用氫鎳、福鎳蓄電池組工藝。