電池組已成為日常生活不可或缺的一部分，為越來越多的便攜式電子設(shè)備、無繩電動(dòng)工具、能量存儲(chǔ)以及混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車提供動(dòng)力。

極耳到端子的連接焊接是關(guān)鍵的電池組制造應(yīng)用之一。制造商需要滿足這些產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)要求的設(shè)備、系統(tǒng)和自動(dòng)化生產(chǎn)線。電阻和激光產(chǎn)品都非常適合集成到獨(dú)立或自動(dòng)化操作的生產(chǎn)線中。為了保持提供高質(zhì)量和產(chǎn)量所需的吞吐量，用戶必須清楚地了解哪種工藝最適合特定的電池組尺寸、接線片和端子材料、類型和厚度。此外，選定的工藝和集成解決方案應(yīng)包括工藝監(jiān)控、工藝數(shù)據(jù)管理和焊接質(zhì)量評(píng)估。

電池組基礎(chǔ)知識(shí)今天的電池組有多種配置。

電池組使用幾種不同的電池類型，包括圓柱形、棱柱形、超級(jí)電容器和軟包。材料連接要求因電池的具體類型、尺寸和容量而異。接線片到端子連接、內(nèi)部接線端子連接、接線片焊接、縫焊、填充端口焊接、短路保護(hù)、激光打標(biāo)和外部電氣連接是一些關(guān)鍵示例。圖 2 顯示了不同電池類型的典型連接要求。本文主要關(guān)注將接線片焊接到端子上。

圖 2：電池類型。

用于將接線片焊接到端子的電池組制造系統(tǒng)在大多數(shù)情況下，電池組制造商會(huì)從供應(yīng)商處收到單個(gè)電池，因此電池組制造的關(guān)鍵工藝步驟是使用集電板將單個(gè)電池連接在一起，該集電板由單個(gè)電池的接線片組成焊接在正極和負(fù)極端子上。此外，許多電池組將需要較少數(shù)量的集電板到母線連接。除了考慮材料、接頭幾何形狀、焊接通道、周期時(shí)間和預(yù)算外，選擇的焊接技術(shù)也會(huì)受到制造流程和生產(chǎn)的影響?；仡櫵羞@些因素通常會(huì)指向最適合應(yīng)用的連接技術(shù)方向：激光或電阻焊接。

光纖激光焊接激光焊接過程是非接觸式的，沒有耗材，并且一旦激光定位在焊接點(diǎn)位置就可以提供瞬時(shí)焊接。零件上的焊縫尺寸和位置可以針對(duì)每種應(yīng)用進(jìn)行嚴(yán)格控制和優(yōu)化，以提高強(qiáng)度和導(dǎo)電性。有許多運(yùn)動(dòng)選項(xiàng)可以針對(duì)每個(gè)制造環(huán)境進(jìn)行定制。

對(duì)于極耳到端子的焊接，光纖激光器可用于棱柱形、圓柱形和袋狀電池類型以及超級(jí)電容器。鋁和銅接線片材料的接線片厚度可以在 0.006 到 0.08 英寸之間變化，具體取決于電池的尺寸。光纖激光器能夠焊接多種材料組合，包括鋁對(duì)鋁、鋁對(duì)鋼、銅對(duì)鋼以及銅對(duì)鋁。無論材料組合和部件厚度如何，激光都不能穿透罐子或使電池過熱。選擇合適的光纖激光器、光斑尺寸、焊接參數(shù)選擇和控制焊接路徑，可以對(duì)零件的熔深和熱量進(jìn)行精細(xì)控制。

圖 3 顯示了一些用于接頭到端子焊接的常見異種材料組合的示例。對(duì)于搭接焊縫，接頭厚度最好比罐子厚度厚 50%。這提供了大的加工窗口和高產(chǎn)量。

圖 3：接頭到端子材料組合的焊接橫截面。

光纖激光源可以根據(jù)循環(huán)時(shí)間和生產(chǎn)量來調(diào)整尺寸并與適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)平臺(tái)相匹配。對(duì)于大批量生產(chǎn)系統(tǒng)，每次焊接的焊接時(shí)間可以小于 100 毫秒，而小批量生產(chǎn)系統(tǒng)每次焊接的時(shí)間約為 1 到 2 秒。

電阻焊電阻焊已在電池行業(yè)使用了 40 年。電阻焊系統(tǒng)的穩(wěn)步發(fā)展使用戶顯著提高了控制過程各個(gè)方面的能力。例如，引入具有基本閉環(huán)電氣模式的直流逆變電源提供了適應(yīng)次級(jí)電路變化的能力（從電源或變壓器負(fù)極的電纜連接到焊頭和零件返回正極）以專門解決零件電阻問題。此外，電容放電電源的極性切換可實(shí)現(xiàn)焊接熔核的平衡，最近還增加了位移和電極力測量，為制造商提供了更多工具來確保焊接質(zhì)量。

電阻焊是在各種類型和尺寸的電池上連接極耳的最具成本效益的方法，同時(shí)使用直流逆變器閉環(huán)和電容器放電電源。憑借快速上升時(shí)間、閉環(huán)反饋控制、極性切換以及位移和力傳感選項(xiàng)，可以對(duì)過程進(jìn)行微調(diào)和監(jiān)控，以確保高質(zhì)量和產(chǎn)量。

對(duì)于厚度不超過 0.0070 英寸的鎳片，該片無需修改即可焊接。超過這個(gè)厚度，為了防止電氣分流和過度的電極磨損，作為沖壓過程的一部分，在接頭中放置了一個(gè)槽和突起。這些突起不僅作為焊接的能量集中器，而且還大大增加了電極壽命。

電池組極耳焊接的重要方面是極耳和端子的厚度和材料。電阻焊非常適合焊接最大 0.015 英寸的鎳片材料。厚度和鎳或鋼包銅接頭材料約為 0.012 英寸。厚度到各種各樣的終端材料。焊接接頭或端子連接到母線通常不需要像接頭到端子焊接那樣的熱輸入控制穿透。材料、材料厚度和材料組合決定了最佳焊接技術(shù)。

了解為電池組制造選擇哪種技術(shù)電池組的產(chǎn)量是由消費(fèi)電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車的需求驅(qū)動(dòng)的。同樣，制造和連接需求取決于電池組的尺寸、母線的類型和厚度以及接頭和端子材料。激光和電阻技術(shù)都具有非常適合這些連接需求的特定功能。要實(shí)施高效可靠的生產(chǎn)電池組焊接系統(tǒng)，需要對(duì)技術(shù)和應(yīng)用有清晰的了解。

表 1 提供了一些關(guān)于可用方法和一些參數(shù)的指南，包括對(duì)各種電池組應(yīng)用的適用性。表 2 概述了電池組連接應(yīng)用和所需連接解決方案的關(guān)鍵組件。

電池組制造的系統(tǒng)解決方案 電池組制造的完整生產(chǎn)解決方案需要交付和支持所需的產(chǎn)品流程。系統(tǒng)必須考慮如何裝載和卸載包裝，未焊接部件在焊接之前和焊接過程中如何保持，以及系統(tǒng)是否向監(jiān)控軟件報(bào)告數(shù)據(jù)和信息以及報(bào)告到什么級(jí)別。

外殼激光和電阻焊的外殼要求完全不同；關(guān)鍵區(qū)別在于需要將激光器安裝在符合 ANSI 136.1 的 1 類不透光外殼中。這需要將整個(gè)系統(tǒng)封閉起來，并且除了用于設(shè)置和維護(hù)的檢修面板之外，還需要用于部分裝載和卸載的封閉門。對(duì)于電阻焊接系統(tǒng)，雖然可能沒有任何面板，但使用光幕來保護(hù)禁區(qū)。如果裝入外殼是自動(dòng)化的，則通常使用傳送帶。

運(yùn)動(dòng)為了支持使用傳送帶的在線生產(chǎn)，并最大限度地減少系統(tǒng)的物理占地面積，電阻焊頭或激光聚焦頭應(yīng)移動(dòng)，而包裝保持靜止。對(duì)于電阻焊接系統(tǒng)，決定焊頭或焊組是否移動(dòng)的決定性因素是所需焊接電纜的長度。增加焊接電纜的長度需要來自電源的額外電壓來推動(dòng)電流通過。這往往會(huì)將電纜長度限制在三到八英尺之間，具體取決于應(yīng)用和電源。

掃描頭正被用于越來越多的激光焊接運(yùn)動(dòng)解決方案。對(duì)于小批量應(yīng)用，掃描頭提供了具有成本效益的解決方案。對(duì)于大批量，掃描頭提供非常高速的運(yùn)動(dòng)，可用于最大限度地減少焊接時(shí)間和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定位時(shí)間。掃描頭還可以提供較大的焊接區(qū)域，某些配置可提供高達(dá)或大于 10 x 10 英寸的尺寸。（250 x 250-mm） 焊接區(qū)域。對(duì)于大包裝尺寸，這可以最大限度地減少焊接整個(gè)包裝所需的步驟數(shù)量，從而顯著縮短周期時(shí)間。例如，1 英寸掃描頭的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定位。（25-mm） 行程可在 10 至 20 ms 內(nèi)完成。

加工（僅用于激光焊接）加工材料的難易程度直接與接頭或母線的厚度以及隨后的剛度相關(guān)。具有高剛度的厚材料在夾緊壓力下不會(huì)變形，因此它與相當(dāng)簡單的工具保持接觸。然而，由于許多電池組的接片厚度小于 0.015 英寸，這意味著接片的剛度不足以簡單地夾緊。相反，它需要一個(gè)設(shè)計(jì)良好的工具來施加局部夾緊力，以確保緊密接觸但不會(huì)損壞零件。

隨著標(biāo)簽厚度的減小，工具變得更加關(guān)鍵。不建議焊接厚度小于 0.005 英寸（0.125 毫米）的接頭。激光焊接工具和零件定位的另一個(gè)關(guān)鍵因素是確保零件的焊接表面通常在 z 或垂直平面上保持在激光的焦點(diǎn)位置。這有時(shí)需要使用高度傳感器或視覺系統(tǒng)。

通信進(jìn)出系統(tǒng)的數(shù)據(jù)協(xié)議和控制取決于自動(dòng)化水平和制造環(huán)境。因此，需要用于通信控制軟件和數(shù)據(jù)管理的選項(xiàng)和靈活的平臺(tái)，以確保各種應(yīng)用程序中的可擴(kuò)展功能和性能。例如，智能工廠 和工業(yè) 4.0 行業(yè)計(jì)劃對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)容量和處理能力的要求遠(yuǎn)高于統(tǒng)計(jì)過程控制和機(jī)器監(jiān)控等方法的傳統(tǒng)用例。為了滿足這些需求，現(xiàn)代電池組裝系統(tǒng)配備了 EthernetIP、PROFINET 和 Modbus TCP/IP 等協(xié)議。這些基于以太網(wǎng)的協(xié)議為網(wǎng)絡(luò)可配置性、易于集成、無與倫比的數(shù)據(jù)傳輸速度和安全性以及網(wǎng)絡(luò)硬件和軟件的普遍可用性提供了現(xiàn)成的解決方案。

過程監(jiān)控即使在優(yōu)化過程之后，也存在一定的生產(chǎn)公差和設(shè)置因素會(huì)導(dǎo)致焊接缺陷。對(duì)于激光焊接，關(guān)鍵因素是零件裝配和保持激光在零件焊接界面的焦點(diǎn)。對(duì)于電阻焊，電極磨損是罪魁禍?zhǔn)住?/p>

電阻焊過程監(jiān)控產(chǎn)品范圍廣泛，可提供與電源或焊頭無關(guān)的關(guān)于焊接電氣特性、力和位移變化的信息。例如，可以在焊接脈沖的持續(xù)時(shí)間內(nèi)監(jiān)測焊接的動(dòng)態(tài)電阻、電壓或電流。此外，可以測量焊縫塌陷的速率以及整體焊縫塌陷。所有這些信息都可用于過程監(jiān)控。目前，收集數(shù)據(jù)，定義一組波形，然后在波形周圍放置限制或包絡(luò)。未來的技術(shù)可能會(huì)提供更好的工具來定義良好的焊接/不良焊接決策，并提供預(yù)測分析。

監(jiān)測激光焊接更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗且环N非接觸式過程，沒有電極接觸的好處。通常，監(jiān)測技術(shù)從焊接區(qū)域捕獲特定波長的光，這些光對(duì)應(yīng)于來自焊接羽流和鎖孔的紫外線、來自零件熱加熱的紅外線以及激光本身的背反射。通過適當(dāng)?shù)膫鞲泻头治?，這些信號(hào)可以用作過程監(jiān)控的基礎(chǔ)。

圖 5 顯示了用于電池組制造的集成系統(tǒng)的一些示例，包括傳送帶式自動(dòng)化電池、具有滅火部署的激光接頭焊接系統(tǒng)和電阻焊接系統(tǒng)。

圖 5：集成電池組制造解決方案。

審核編輯：郭婷