自動激光焊接在鋰電池制造中的應(yīng)用

中圖分類號：TG409；TM912 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號:1003-5168(2025)13-0097-04

DOI:10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.13.020

Application of Automated Laser WeldinginLithiumBattery Manufacturing

GUO Yinghao (Xiamen Haichen Energy Storage Technology Co.，Ltd.， Xiamen ， China)

Abstract:[Purposes] This study aims to explore the application value and optimization approaches of automatic laser welding technology in lithium battery manufacturing.[Methods] By introducing the fundamented principles of laser welding and the composition of automated systems，in conjunction with the lithium batery manufacturing process，this study focuses on analyzing optimization measures for cell welding and tab connection processes.This study also examines the impact of welding technology on battery safety，welding precision，and quality control，while evaluating the role of automated systems in improving production eficiency.[Findings] The study demonstrates that automated laser welding can ffectively enhance welding precision and joint quality，improve battery safety performance，and through integrated automation，significantly increase both processing speed and production line stability.[Conclusions] As acritical technology in lithium battery manufacturing，automated laser welding can achieve efficient and standardized manufacturing processes while ensuring quality and performance.This technology provides robust technical support forthe electric vehicle and energy storage industries，demonstrating significant potential forfuture application.

Keywords:automated; laser welding; lithiumbatteries

0 引言

作為能源存儲和電力驅(qū)動的核心部件，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電動汽車、儲能系統(tǒng)、智能電子設(shè)備等多個領(lǐng)域。鋰電池的性能、可靠性及使用壽命，直接受到隨著全球?qū)η鍧嵞茉葱枨蟮牟粩嘣黾樱囯姵仄渲圃爝^程中各項工藝的控制影響，特別是在電池組裝環(huán)節(jié)中，焊接技術(shù)是關(guān)鍵的連接工藝之一，起到了至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的焊接技術(shù)，如電焊和超聲波焊接，盡管在一定程度上滿足了生產(chǎn)需求，但在焊接精度、速度、質(zhì)量控制和焊接后電池性能穩(wěn)定性等方面仍存在諸多局限。因此，研究和引入更加高效、精確的焊接技術(shù)，成為提高鋰電池整體制造質(zhì)量和生產(chǎn)效率的迫切需求。

1自動激光焊接技術(shù)概述

1.1 激光焊接原理

激光焊接將高能量激光束作為熱源，通過激光與被焊接材料表面相互作用產(chǎn)生局部高溫，將材料加熱至熔化狀態(tài)，從而實現(xiàn)熔池的形成和焊接接頭的連接。在鋰電池制造過程中，激光焊接通常采用光束聚焦技術(shù)，將激光東通過光纖傳輸至精確的焊接位置，激光束照射到金屬表面后被局部吸收，產(chǎn)生的熱能使焊接材料局部熔化，在熔池冷卻后形成堅固的接頭。由于激光束具有極高的能量密度，能夠在極短的時間內(nèi)提供高效的熱輸入，激光焊接能夠在較小的熱影響區(qū)內(nèi)進行焊接，這對鋰電池中熱敏感的材料具有重要意義，能夠有效避免傳統(tǒng)焊接方式中可能引起的電池材料性能下降或熱失控間題。激光焊接的精度和控制性尤為突出，能夠?qū)崿F(xiàn)微小部件的高精度焊接，這對于鋰電池的電池片和極耳的連接至關(guān)重要，確保焊接點的電氣穩(wěn)定性和機械強度，防止在后續(xù)使用過程中出現(xiàn)斷裂或短路，激光焊接原理如圖1所示。

1.2 自動化焊接系統(tǒng)的構(gòu)成

自動化焊接系統(tǒng)通常包括激光源、光學(xué)傳輸系統(tǒng)、焊接頭、定位與跟蹤系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及反饋監(jiān)測系統(tǒng)。激光源是自動化焊接系統(tǒng)的核心，常采用光纖激光器或固體激光器，其輸出激光功率可根據(jù)焊接需求進行調(diào)節(jié)，確保焊接過程中的熱輸入精準(zhǔn)控制。光學(xué)傳輸系統(tǒng)則負責(zé)將激光束從激光源傳遞至焊接部位，一般通過光纖或鏡頭進行聚焦與導(dǎo)向，以保證激光束的穩(wěn)定性和方向準(zhǔn)確性。焊接頭是與被焊接工件直接接觸的部件，配備有冷卻系統(tǒng)以避免焊接過程中過熱，同時具備精確的控制功能，可以調(diào)節(jié)激光束的焦距和位置以適應(yīng)不同的焊接需求。定位與跟蹤系統(tǒng)是自動化焊接系統(tǒng)的重要組成部分，通常包括機器人臂、伺服電機和視覺引導(dǎo)系統(tǒng)，通過實時追蹤焊接工件的位置與姿態(tài)，實現(xiàn)高精度的焊接定位。

2自動激光焊接在鋰電池制造中的應(yīng)用

2.1電池片焊接技術(shù)

自動激光焊接技術(shù)憑借其高能量密度、精確的熱輸入控制和優(yōu)異的焊接質(zhì)量，已成為電池片焊接的重要手段。激光焊接系統(tǒng)通過激光束的聚焦與掃描，能夠精準(zhǔn)地將電池片中的電極與電池連接片進行高效焊接。與傳統(tǒng)焊接技術(shù)相比，激光焊接具有較小的熱影響區(qū)和極低的變形風(fēng)險，能夠有效避免過熱導(dǎo)致電池性能下降的問題。在鋰電池的生產(chǎn)中，電池片的焊接一般采用激光焊接與合適的輔助設(shè)備配合，實現(xiàn)對電池片接點的精準(zhǔn)定位與焊接，保證接觸電阻低、焊縫均勻且無裂紋。激光焊接設(shè)備通過調(diào)整激光功率、脈沖寬度及焊接速度等參數(shù)，精確控制熱輸人，確保焊接過程中的熱積累最小化，從而避免熱應(yīng)力導(dǎo)致的焊接缺陷。在自動化系統(tǒng)中，通過精確控制激光功率與作用時間來實現(xiàn)最佳的焊接效果。電池片焊接中的熱輸入見式(1)。

式中： Q 為焊接熱輸入； P 為激光功率； χ_t 為焊接時間；A為焊接面積。通過調(diào)節(jié)激光功率 P 和焊接時間t，可實現(xiàn)不同厚度電池片的最佳焊接效果。為了保證焊接質(zhì)量，熱影響區(qū)的控制至關(guān)重要，過大的熱輸入會導(dǎo)致電池片材料熱損傷，從而影響電池的安全性和壽命。

在焊接過程中進行實時質(zhì)量監(jiān)測，特別是焊接質(zhì)量的反饋控制，對于實現(xiàn)高精度焊接至關(guān)重要。采用基于實時傳感器數(shù)據(jù)的算法可以對焊接質(zhì)量進行動態(tài)調(diào)整。設(shè)定焊接質(zhì)量函數(shù) f(Q，T) 來反映焊接質(zhì)量與熱輸人及焊接時間的關(guān)系，其中 Q 表示熱輸人，T為焊接溫度。此質(zhì)量函數(shù)可以通過最小化偏差來實現(xiàn)實時修正，見式（2）

式中： Q_i 和 T_i 分別為當(dāng)前焊接過程中的熱輸人和溫度; Q_target 和 T_target 為目標(biāo)值。此算法通過實時調(diào)整焊接參數(shù)，使每次焊接都能接近目標(biāo)質(zhì)量要求。應(yīng)用這一算法后，焊接過程的偏差會逐步減小，從而提升焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性與一致性。根據(jù)此算法，激光焊接過程中的熱輸人和溫度可得到精確控制，從而有效提高電池片焊接的效率和可靠性。

2.2 極耳連接工藝優(yōu)化

極耳是電池正負極的電氣連接部件，其焊接質(zhì)量直接影響電池的電氣性能與機械穩(wěn)定性。通過精確調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，可以優(yōu)化極耳的連接工藝，提高接頭的強度與電氣導(dǎo)通性。在實際操作中，焊接熱輸入與焊接速度之間的關(guān)系，見式(3)。

Q=P?t

式中： Q 為焊接所需的熱量； P 為激光功率； Φ_t 為焊接時間。焊接過程中，熱量的分布影響著熔池的形成及焊接接頭的質(zhì)量，因此，需要精準(zhǔn)控制功率與時間的匹配。此外，激光束的聚焦距離也對焊接結(jié)果有顯著影響，激光束聚焦后的熱輸入密度的計算見式(4)。

式中： I 為焊接點的熱輸人密度； P 為激光功率； d 為激光束直徑。為確保極耳與電池片之間的優(yōu)質(zhì)連接，必須保持激光束的熱輸人密度與材料的吸熱特性匹配，使焊接過程中材料的熔化層均勻、過熱區(qū)域最小化。為了實時監(jiān)測并優(yōu)化焊接過程，可以引人一種基于反饋控制的實時算法，該算法通過不斷調(diào)整激光功率與焊接時間，保持焊接過程中的熱輸入在最優(yōu)范圍內(nèi)，具體見式（5）。

式中： U(k) 為第 k 時刻的控制輸入（即激光功率與時間的調(diào)節(jié)）； e^(k) 為當(dāng)前時刻的誤差（即目標(biāo)溫度與實際溫度之間的偏差）； α 為增益系數(shù)，用于調(diào)節(jié)誤差 e(k) 對控制信號的影響程度。在焊接過程中，該算法根據(jù)實時反饋信息不斷調(diào)整控制輸人，以確保焊接過程中的熱量精確分配[1]

2.3 激光焊接對電池安全性的影響

在激光焊接過程中，激光束的高能量密度在瞬間將焊接部位加熱至熔點，并迅速完成材料連接，但如果熱輸人控制不當(dāng)，可能導(dǎo)致電池?zé)崾Э貑栴}，進而引發(fā)熱擴散或短路事故。焊接過程中，激光束的高能量密度能夠迅速融化電池片的焊接點并固化形成穩(wěn)定的焊縫，在焊接區(qū)形成低接觸電阻，減少電池內(nèi)部因接觸電阻過大而引發(fā)的熱積累，降低因電流過載引起的電池?zé)崾Э仫L(fēng)險。熱影響區(qū)的控制尤為關(guān)鍵，若熱影響區(qū)過大，容易引起材料性能劣化或極耳與電池片之間的接觸不良，增加電池發(fā)生內(nèi)短路的風(fēng)險。為了提高電池的安全性，激光焊接系統(tǒng)需要精確控制焊接參數(shù)，通過實時反饋監(jiān)測系統(tǒng)不斷優(yōu)化焊接參數(shù)，減少焊接過程中的熱輸人與熱積累，從而降低熱失控的風(fēng)險[2]。

2.4焊接精度提升與質(zhì)量控制

為了確保焊接過程的高精度，激光焊接系統(tǒng)通常依賴于高精度的激光束聚焦和定位技術(shù)，通過優(yōu)化激光功率、焊接速度及焦點位置，精確控制熱輸入和熱影響區(qū)，以避免過度熔化或缺陷產(chǎn)生。高精度的定位系統(tǒng)通常由精密伺服驅(qū)動器和激光束調(diào)整裝置組成，確保激光束能夠?qū)?zhǔn)焊接部位，避免焊接偏差導(dǎo)致的電池內(nèi)部不穩(wěn)定問題。此外，焊接頭的位置與速度在整個焊接過程中的實時調(diào)整對于控制焊接精度具有至關(guān)重要的作用。為了進一步提升焊接精度，自動化焊接系統(tǒng)還結(jié)合了在線監(jiān)測技術(shù)，如激光測距儀、溫度傳感器及圖像識別系統(tǒng)，實時反饋焊接過程中的偏差，并通過反饋回路自動調(diào)節(jié)參數(shù)確保質(zhì)量穩(wěn)定[3]

2.5自動化焊接系統(tǒng)的生產(chǎn)效率提升

自動化焊接系統(tǒng)采用先進的激光源和多軸機械臂，通過自動化的工藝控制和實時監(jiān)控，確保每個焊接過程的精確執(zhí)行和持續(xù)穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)人工焊接相比，自動化焊接系統(tǒng)能夠在更短的時間內(nèi)完成更多的焊接任務(wù)，并且在連續(xù)生產(chǎn)過程中保持焊接質(zhì)量的一致性，避免了人為操作帶來的誤差與不穩(wěn)定性。在鋰電池的制造過程中，自動化焊接系統(tǒng)能夠根據(jù)生產(chǎn)需求自動調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，確保焊接工藝的高效性及精確度，并最大限度地減少時間浪費和資源消耗[4]。焊接系統(tǒng)的高效運行不僅提升了生產(chǎn)節(jié)奏，而且通過優(yōu)化激光束的掃描路徑與焊接軌跡，使得每次焊接操作都能在最短時間內(nèi)完成，顯著提高了生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。典型自動化焊接系統(tǒng)生產(chǎn)效率的提升數(shù)據(jù)見表1。

由表1可知，自動化焊接系統(tǒng)通過提升焊接速度，提高焊接精度，增加生產(chǎn)合格率，以及減少設(shè)備停機時間，在整體生產(chǎn)效率上取得了顯著提升。此外，實時數(shù)據(jù)采集和過程控制確保了生產(chǎn)線的穩(wěn)定性和持續(xù)優(yōu)化，不僅縮短了生產(chǎn)周期，還大幅提升了產(chǎn)能。通過這一系列改進，自動化焊接系統(tǒng)極大地推動了鋰電池制造業(yè)的高效運作和規(guī)模化生產(chǎn)[5]

3技術(shù)應(yīng)用測試

在該試驗中，所使用的數(shù)據(jù)集是通過實驗室實際采集的實測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)集用于實驗系統(tǒng)的功能測試，以評估焊接精度、生產(chǎn)效率、合格率等關(guān)鍵性能指標(biāo)。數(shù)據(jù)集一共包含了1000個焊接點的實時數(shù)據(jù)，每條數(shù)據(jù)代表一次焊接操作的全過程，包括焊接過程中的各項參數(shù)和結(jié)果。本次試驗的測試共進行了5次，數(shù)據(jù)是通過不同的焊接速度設(shè)定對焊接精度、焊接合格率、生產(chǎn)效率等指標(biāo)的綜合評估所得。試驗未做特別的分組，因為每組試驗的焊接速度是唯一變量，而其他變量（如焊接設(shè)備類型、操作環(huán)境等)保持一致。在試驗過程中，主要測試了幾個關(guān)鍵性能指標(biāo)。焊接速度表示激光焊接的操作速率，直接影響焊接效率和精度；焊接精度衡量激光焊接過程中的精確度，影響電池的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；焊接合格率表示成功焊接并滿足質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的焊接比例；每小時焊接電池數(shù)量反映了生產(chǎn)效率，即單位時間內(nèi)能完成的焊接任務(wù)數(shù)量；設(shè)備停機時間代表焊接設(shè)備在1h內(nèi)的停機和故障時間，直接影響生產(chǎn)的連續(xù)性；每個焊接點的時間衡量單個焊接任務(wù)的持續(xù)時間，影響生產(chǎn)節(jié)奏。測試數(shù)據(jù)見表2。

由表2可知，隨著焊接速度的增加，焊接精度和合格率均呈現(xiàn)明顯提高。焊接合格率從 97.85% 提升至 99.25% ，焊接精度從 51.72μm 提升至 43.12μm 說明高速激光焊接的精度和穩(wěn)定性得到顯著增強。在焊接效率方面，隨著焊接速度的提升，每小時焊接電池數(shù)量也顯著增加，從205個提升至230個，表明生產(chǎn)效率隨焊接速度的增加得到明顯提高。設(shè)備停機時間和每個焊接點時間則呈現(xiàn)下降趨勢，尤其在焊接速度較快時，設(shè)備的連續(xù)工作能力增強，生產(chǎn)節(jié)奏更快，停機時間大幅減少。

4結(jié)語

隨著科技的不斷進步，激光源、焊接設(shè)備、視覺定位系統(tǒng)及過程控制技術(shù)不斷創(chuàng)新，自動激光焊接在鋰電池制造中的應(yīng)用前景愈加廣闊。研究表明，將自動激光焊接技術(shù)應(yīng)用在鋰電池制造中，通過優(yōu)化相關(guān)工藝，提高焊接精度，使其不僅在提升產(chǎn)品質(zhì)量，確保生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本方面具有重要作用，也將在推動行業(yè)技術(shù)進步與產(chǎn)業(yè)升級，以及優(yōu)化電池性能和安全性等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

參考文獻：

[1]張永光.鋰電池模組導(dǎo)電排激光焊接缺陷及影響因素分析[J].焊接技術(shù)，2024，53（7)：136-140.

[2]趙宇龍.激光焊接技術(shù)在動力電池制造中的應(yīng)用[J].世界制造技術(shù)與裝備市場，2022(3):64-68.

[3]徐俊飛，簡運琪，吳勇華，等.鋰電池極耳激光擺動焊接工藝研究[J].機械制造，2024，62(4)：56-61.

[4徐愛國，朱寶立，張恒東，等.某動力型鋰電池制造企業(yè)職業(yè)病危害調(diào)查[J].職業(yè)衛(wèi)生與應(yīng)急救援，2023，41(6):736-739，756.

[5]劉佳萌.基于鋰電池制造工藝及質(zhì)量檢驗過程的研究[J].化工設(shè)計通訊，2024，50(6)：102-104.

（欄目編輯：孫艷梅）