電芯極耳焊接用超聲波焊接設(shè)備研究與設(shè)計(jì)

李旭陽 陳曜飛 劉艷理

蘇州達(dá)牛新能源科技有限公司 江蘇省蘇州市 215024

1 概述

錳酸鋰或多元復(fù)合材料體系軟包電芯，單片有正、負(fù)兩個(gè)極耳（電極片），正極耳是鋁帶，負(fù)極耳是銅帶。傳統(tǒng)方法是單片電芯堆疊成模組后，將極耳與匯流鋁板用激光焊接的方式焊接成一體，由于銅和鋁物理化學(xué)性能存在差異，無法將銅極耳與匯流鋁板直接焊接在一起，因此要給銅極耳焊接一片鋁帶，通過轉(zhuǎn)接的方法實(shí)現(xiàn)銅極耳與匯流鋁板的激光焊接。該工序使得電芯前處理工序復(fù)雜，不僅增加了成本，也有轉(zhuǎn)接帶來的產(chǎn)品質(zhì)量問題，可靠性降低。激光焊接接頭由人工檢測(cè)，效率低，而且檢測(cè)方式帶有一定的損傷性。

隨著產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模的增大和技術(shù)水平的提高，對(duì)于模組制造提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求，因此需要研發(fā)一種低成本、高可靠性的焊接工藝，實(shí)現(xiàn)正、負(fù)極耳的焊接，并與模組連接。超聲波焊接技術(shù)可實(shí)現(xiàn)銅、鋁直接焊接，具有成本低、焊接時(shí)間短、不需要任何助劑、焊接無火花、無輻射、無煙塵、對(duì)人體幾乎無傷害、綠色環(huán)保安全、焊接過程穩(wěn)定、所有焊接參數(shù)均可通過檢測(cè)傳感器和控制單元跟蹤監(jiān)控，不損傷工件等優(yōu)點(diǎn)，還能提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，因此在產(chǎn)品大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)工藝改進(jìn)過程中，采用了超聲波焊接技術(shù)，并研發(fā)了電芯極耳焊接超聲波焊接設(shè)備，滿足了質(zhì)量、成本和產(chǎn)量等方面的要求。

2 模組制造工藝過程分析

模組制造的工藝過程是：第一道工序是把電芯折彎成要求的形狀，如圖1所示：

圖1 電芯折彎前、后外形圖

第二道工序是把電芯堆疊成模組，模組外形，如圖2所示：

第三道工序是熱熔包塑膠件。

第四道工序是采用超聲波焊接工藝將U型連接片分別與兩組電芯的銅極耳和鋁極耳焊接在一起，實(shí)現(xiàn)模組的串聯(lián)和并聯(lián)。U型連接片如圖3所示，焊接圖如圖4所示：

3 超聲波焊接設(shè)備的組成與工作原理

在方案設(shè)計(jì)過程中，按照上述工藝過程，根據(jù)產(chǎn)量、產(chǎn)品合格率的要求，分析了電芯極耳焊接用超聲波焊接設(shè)備的技術(shù)難點(diǎn)，考慮安全性、可靠性和操作性等要求，通過多個(gè)設(shè)計(jì)方案比較，做出的電芯極耳焊接用超聲波焊接設(shè)備方案如圖5所示。

圖2 模組外形圖

圖3 U型連接片外形圖

圖4 U型連接片與兩組電芯的銅極耳和鋁極耳焊接示意圖

圖5 電芯極耳焊接用超聲波焊接設(shè)備組成示意圖

電芯極耳焊接用超聲波焊接設(shè)備由工作臺(tái)總成、定位夾緊機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、自動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、熱熔單元、超聲波焊接單元、控制單元和供電單元等組成。

電芯極耳焊接用超聲波焊接焊接設(shè)備的工作程序是：人工把電芯堆疊成的模組放到上料平臺(tái)上，以背面為基準(zhǔn)定位，推到定位夾緊機(jī)構(gòu)的平臺(tái)上，手動(dòng)操作夾緊工裝把模組夾緊。然后啟動(dòng)控制單元，在控制單元的控制下，通過升降機(jī)構(gòu)把模組（包括定位夾緊機(jī)構(gòu)）升到包塑膠件熱熔工位，熱熔單元完成所有膠件熱熔，熱熔完成后模組返回到上料工位，人工檢查熱熔效果，然后進(jìn)給機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)把模組移動(dòng)到焊接工位，超聲波焊機(jī)由氣缸推動(dòng)到焊接位置，把U型連接片與兩組電芯的銅極耳和鋁極耳焊接在一起，焊接完一組，模組由升降機(jī)構(gòu)升起，依次焊接其余的極耳，直到結(jié)束。至此完成了模組極耳上半面的焊接，然后通過模組下的中空旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，將模組旋轉(zhuǎn)180度，按照上述方法，完成模組極耳下半面焊接。焊接結(jié)束后，在伺服單元的控制下，超聲波焊機(jī)復(fù)位，模組返回到到上料工位，最后由人工松開夾緊工裝，取下模組，一個(gè)模組熱熔與焊接結(jié)束。

3.1 工作臺(tái)總成

工作臺(tái)總成為框架式結(jié)構(gòu)，作為全套設(shè)備的基礎(chǔ)構(gòu)件，臺(tái)面上安裝定位夾緊機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、自動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、熱熔單元和超聲波焊接單元，控制單元和供電單元安裝在工作臺(tái)面下的柜體內(nèi)。

3.2 定位夾緊機(jī)構(gòu)

定位夾緊機(jī)構(gòu)由基座、定位工件和夾緊工裝等組成，實(shí)現(xiàn)模組的可靠定位與夾緊，為熱熔和焊接做準(zhǔn)備。定位準(zhǔn)確與否直接影響到達(dá)焊接位置的精度，定位不準(zhǔn)，難以保證焊接質(zhì)量，所以在設(shè)計(jì)時(shí)作為關(guān)鍵部件，裝配時(shí)按照設(shè)計(jì)要求，精心調(diào)試，保證定位精度。夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有同樣的重要性，要保證模堆夾緊，但不能夾傷。定位夾緊機(jī)構(gòu)通過基座安裝在升降機(jī)構(gòu)的平臺(tái)上，在升降機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下，可以上升到熱熔或焊接工位，工作結(jié)束后，可以返回到初始位置。

3.3 升降機(jī)構(gòu)

升降機(jī)構(gòu)主要由平面導(dǎo)軌、滑塊、絲杠螺母和伺服控制設(shè)備等組成，實(shí)現(xiàn)模組的升降，三維外形圖如圖6所示。

圖6 升降機(jī)構(gòu)示意圖

升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是要保證模堆及其支撐構(gòu)件的質(zhì)心盡可能靠近滑塊，同時(shí)滑塊與導(dǎo)軌有足夠的接觸長(zhǎng)度，否則在模堆及其支撐構(gòu)件的重力作用下，上升時(shí)有可能出現(xiàn)卡滯或是蠕動(dòng)爬行，到位不平穩(wěn)或是精度不準(zhǔn)確，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。熱熔或焊接時(shí)，通過控制指令使模組上升到工作位置，熱熔或焊接結(jié)束后，使模組復(fù)位。升降機(jī)構(gòu)安裝在工作臺(tái)總成上，通過固定基座與工作臺(tái)可靠固定。

3.4 進(jìn)給機(jī)構(gòu)

進(jìn)給機(jī)構(gòu)由導(dǎo)軌、絲杠螺母、滑塊、伺服電機(jī)和控制器等組成，外形如圖7所示：

圖7 進(jìn)給機(jī)構(gòu)示意圖

進(jìn)給機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)模組和升降機(jī)構(gòu)的送進(jìn)，焊接時(shí)，通過控制指令把模組送到對(duì)應(yīng)位置，焊接結(jié)束后，使模組復(fù)位。

3.5 自動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

進(jìn)給機(jī)構(gòu)和上升機(jī)構(gòu)把模堆送到焊接工位后，采用兩臺(tái)超聲波焊機(jī)分別為下壓和上壓方式進(jìn)行焊接，焊接時(shí)兩臺(tái)焊機(jī)互相交錯(cuò)，延時(shí)工作，模組間斷性上移。單側(cè)焊接完成后模組自動(dòng)旋轉(zhuǎn)180°，重復(fù)上述焊接過程。自動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由旋轉(zhuǎn)氣缸、控制閥、輸氣管路、氣源和電氣控制部分等組成，旋轉(zhuǎn)部分結(jié)構(gòu)圖如圖8所示：

模堆上面的極耳焊接完成后，焊機(jī)復(fù)位，在電氣控制的指令下，輸氣閥門開啟，旋轉(zhuǎn)氣缸工作，使模堆旋翻轉(zhuǎn)180°，以便焊接下面的極耳。

3.6 熱熔單元

熱熔單元由熱熔頭和熱熔進(jìn)給兩部分組成。模組到達(dá)熱熔工位后，由熱熔進(jìn)給把熱熔頭送到熱熔位置，熱熔結(jié)束后，熱熔進(jìn)給使熱熔頭復(fù)位。

3.7 超聲波焊接單元

超聲波焊接單元由超聲波焊機(jī)和進(jìn)給部分組成。模組到達(dá)焊接工位后，進(jìn)給部分把超聲波焊機(jī)送到焊接位置，焊接結(jié)束后，進(jìn)給部分使超聲波焊機(jī)復(fù)位。超聲波焊接和焊機(jī)是成熟技術(shù)，故不贅述。焊接過程如圖9所示：

圖8 自動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖

圖9 電芯極耳焊接用超聲波焊接設(shè)備組成示意圖

焊接設(shè)備具有自動(dòng)檢測(cè)與報(bào)警功能，如果出現(xiàn)過焊、工藝參數(shù)變化、模組尺寸變化等情況，焊接設(shè)備會(huì)停止工作并報(bào)警示意，有效地降低了不合格率。

3.8 控制單元

控制單元由伺服控制、自動(dòng)檢測(cè)和安全報(bào)警三部分組成。

伺服控制是本套設(shè)備的控制核心，設(shè)備啟動(dòng)與停止、模組升降、進(jìn)給與復(fù)位、熱熔單元和焊機(jī)進(jìn)給與復(fù)位、熱熔或極耳焊接，均由控制單元控制。

檢測(cè)部分由位置傳感器、限位開關(guān)、限位器和探頭等組成，確保模組準(zhǔn)確到位與復(fù)位。

安全報(bào)警部分由聯(lián)鎖開關(guān)、傳感器和蜂鳴器等組成，為了保證操作人員和設(shè)備安全而設(shè)計(jì)。模組沒有夾緊，操作人員不在安全位置，設(shè)備不能上電；模組不到位，對(duì)應(yīng)設(shè)備不能啟動(dòng)；工作結(jié)束后，設(shè)備有提示。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 定位精度

由于單片電芯的尺寸誤差，堆疊成的模組不可避免地存在誤差，并非任意面可以定位，定位若是不準(zhǔn)，會(huì)給后續(xù)工序帶來誤差，難以保證產(chǎn)品精度，即就是產(chǎn)品的質(zhì)量。因此必須在模組上選擇能保證定位精度的面作為定位面，從而保證模組可靠定位并夾緊，為后續(xù)的熱熔和焊接做準(zhǔn)備。根據(jù)模組的具體狀況與工況，選擇模組背面作為定位面，該面有足夠的長(zhǎng)度和寬度，由模具加工成型，精度高。選擇了模組定位面，對(duì)應(yīng)的安裝面和精度必須相適應(yīng)，否則夾緊后位置產(chǎn)生變化，不能滿足位置精度要求。

4.2 到位精度

模組通過進(jìn)給機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)送到熱熔或焊接工位，熱熔單元或超聲波焊機(jī)進(jìn)給到熱熔或焊接工位，兩者到位是否準(zhǔn)確，都會(huì)影響熱熔或焊接質(zhì)量，所以到位精度由綜合誤差決定。設(shè)計(jì)時(shí)通過計(jì)算尺寸鏈，給出能保證熱熔和焊接質(zhì)量的精度等級(jí)，并留有調(diào)整環(huán)節(jié)。加工過程嚴(yán)格控制工藝過程，滿足設(shè)計(jì)要求。調(diào)試時(shí)按照調(diào)試要求，根據(jù)具體情況調(diào)整，滿足精度要求后可靠固定，使其不能松動(dòng)。

4.3 焊接參數(shù)設(shè)定

焊接質(zhì)量取決于焊頭的振幅、施加壓力及焊接時(shí)間。焊接壓力和時(shí)間可以調(diào)節(jié)，振幅由換能器和變幅桿決定。這三個(gè)量相互作用有個(gè)適宜值，能量超過適宜值時(shí)，焊接物易變形，若能量小，則不易焊牢，所加的壓力也不能太大。

在理論分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，設(shè)備調(diào)試過程中，通過大量試驗(yàn)，分析比較，總結(jié)出了適合電芯極耳的焊接參數(shù)，保證了焊接質(zhì)量。

5 結(jié)語

應(yīng)用電芯極耳焊接用超聲波焊接設(shè)備焊接銅極耳和鋁極耳，與傳統(tǒng)的激光焊接方式比較，由手工操作變?yōu)樽詣?dòng)化工作，提高了生產(chǎn)效率，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度；工作過程自動(dòng)檢測(cè)，產(chǎn)品優(yōu)良率顯著提高；節(jié)約了人力和經(jīng)費(fèi)，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益；焊接過程中無輻射、無煙塵、不需要保護(hù)氣體，無有害氣體和粉塵排放，對(duì)人體幾乎無傷害，綠色環(huán)保。