引言

在現(xiàn)代海軍軍事行動(dòng)中，對(duì)深海水域潛艇的探測(cè)和跟蹤是至關(guān)重要的任務(wù)。數(shù)十年來(lái)，被動(dòng)式聲納浮標(biāo)一直是海軍執(zhí)行此類任務(wù)的主要手段。然而，隨著軍事技術(shù)的發(fā)展，帶有干擾裝置的靜態(tài)潛艇出現(xiàn)，這對(duì)聲納浮標(biāo)技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，主動(dòng)式聲納浮標(biāo)應(yīng)運(yùn)而生，它通過(guò)向水下發(fā)射聲脈沖信號(hào)并接收水下固態(tài)物體的反射信號(hào)來(lái)探測(cè)和跟蹤敵方潛艇。這種主動(dòng)式聲納浮標(biāo)具有探測(cè)范圍廣、工作時(shí)間長(zhǎng)的顯著優(yōu)勢(shì)，極大地提高了探測(cè)效果。

但這一優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮離不開(kāi)配套電池的支持，主動(dòng)式聲納浮標(biāo)對(duì)電池性能提出了更高要求，需要電池具備更大的比能量和比功率。傳統(tǒng)浮標(biāo)所使用的電池已無(wú)法滿足這一嚴(yán)苛的使用要求，而鋰電池憑借其獨(dú)特的各種特性，恰好能夠滿足此類特殊應(yīng)用場(chǎng)景的需求。在鋰電池組批產(chǎn)以滿足聲納浮標(biāo)使用的過(guò)程中，關(guān)鍵工藝的質(zhì)量把控成為了核心問(wèn)題，其直接關(guān)系到聲納浮標(biāo)能否穩(wěn)定、高效地發(fā)揮作用，而其中激光錫球焊錫機(jī)等先進(jìn)工藝設(shè)備和技術(shù)扮演著至關(guān)重要的角色，是提升整個(gè)鋰電池組質(zhì)量和性能的關(guān)鍵因素。

一、現(xiàn)有方案及質(zhì)量不穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)

（一）現(xiàn)有方案概述

本研究涉及六種規(guī)格的電池，它們分別選用不同規(guī)格的圓柱型單體電池串并連設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)思想與技術(shù)平臺(tái)基于現(xiàn)有武器型號(hào)用鋰電池技術(shù)。每只電池組由單體電池、鋁合金外殼、磁保持繼電器、減震墊等幾個(gè)部分構(gòu)成，主要技術(shù)指標(biāo)詳見(jiàn)表1。

（二）質(zhì)量不穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)分析

經(jīng)深入分析，現(xiàn)有方案及批量生產(chǎn)主要面臨以下風(fēng)險(xiǎn)：

1.指標(biāo)滿足性風(fēng)險(xiǎn)

在結(jié)構(gòu)指標(biāo)方面，雖然電池組尺寸目前能滿足指標(biāo)要求，但電池組重量余量卻存在問(wèn)題。尤其是C1、C2電池組基本沒(méi)有余量。在后續(xù)批量生產(chǎn)過(guò)程中，受到諸如單體一致性、裝配過(guò)程中的其他不可控因素影響，極易出現(xiàn)重量超差的質(zhì)量問(wèn)題，這種問(wèn)題一旦出現(xiàn)，極有可能導(dǎo)致批次性報(bào)廢。因此，在電池組設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，需要在保障性能的前提下，對(duì)重量指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。

2.批產(chǎn)工藝技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)

電池組生產(chǎn)工藝流程可簡(jiǎn)要通過(guò)圖1表示。在生產(chǎn)過(guò)程中，單體電池串聯(lián)焊接工藝和元器件焊接工藝是重要環(huán)節(jié)。目前，單體電池之間的串聯(lián)焊接采用手工點(diǎn)焊方式，操作人員需用雙手分別手持電極棒進(jìn)行操作。在批量生產(chǎn)時(shí)，這種人工操作方式存在諸多弊端。由于長(zhǎng)時(shí)間工作，人員容易疲勞、懈怠，進(jìn)而導(dǎo)致焊接缺陷。而且，此過(guò)程屬于特殊過(guò)程，焊接質(zhì)量不可檢測(cè)，這就如同埋下了一顆“質(zhì)量炸彈”，極易引發(fā)質(zhì)量隱患。根據(jù)樣機(jī)生產(chǎn)的實(shí)際效果來(lái)看，手工焊接方式對(duì)于C1、C2、C3、P1四種電池的串聯(lián)點(diǎn)焊并不適用。

主要原因在于，這四種單體電池正負(fù)極均有鎳帶引出，鎳帶底部帶有軟封裝結(jié)構(gòu)。在點(diǎn)焊過(guò)程中，容易因壓力不均勻而出現(xiàn)點(diǎn)穿、炸針、嚴(yán)重飛濺等現(xiàn)象，導(dǎo)致工藝質(zhì)量極不穩(wěn)定。此外，目前的元器件焊接主要依賴手工，隨著批量生產(chǎn)的推進(jìn)，生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量管控都將面臨新的難題，迫切需要引入自動(dòng)化焊接工藝來(lái)替代手工焊接。

二、質(zhì)量提升方案

本研究旨在通過(guò)多種途徑實(shí)現(xiàn)質(zhì)量提升，包括設(shè)計(jì)改進(jìn)、工藝改進(jìn)以及批產(chǎn)過(guò)程管控的加強(qiáng)，以滿足小批量生產(chǎn)需求，并提高批產(chǎn)產(chǎn)品的整體質(zhì)量水平。

（一）設(shè)計(jì)改進(jìn)與質(zhì)量提升

電池組的重量主要由單體電池、鋁合金外殼、磁保持繼電器、減震墊等部分組成。其中，單體電池重量固定，已無(wú)減重空間；繼電器、減震墊等所占重量較小，從這些方面入手減重難度較大。因此，減重的重點(diǎn)考慮方向是鋁合金外殼。

經(jīng)過(guò)充分調(diào)研和初步試驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)可采用尼龍+玻璃纖維復(fù)合非金屬材料替代鋁合金進(jìn)行殼體設(shè)計(jì)。這種復(fù)合材料的密度僅為鋁合金材料的一半，其加工可通過(guò)先進(jìn)的激光選區(qū)燒結(jié)成型技術(shù)實(shí)現(xiàn)。所采用的玻璃纖維/尼龍復(fù)合材料制備的外殼，主要成分是體積分?jǐn)?shù)為70%的尼龍和30%的玻璃纖維材料，具體性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

電池組需要經(jīng)歷運(yùn)輸振動(dòng)、沖擊、加速度、跌落試驗(yàn)等環(huán)境試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，玻璃纖維/尼龍復(fù)合材料外殼在跌落試驗(yàn)中表現(xiàn)良好，可以滿足使用要求。經(jīng)過(guò)計(jì)算，六種電池組在更改外殼材料后，重量余量均可超過(guò)15%，這一改進(jìn)基本杜絕了因設(shè)計(jì)造成的重量超差質(zhì)量問(wèn)題。

（二）工藝改進(jìn)與質(zhì)量提升

針對(duì)現(xiàn)有工藝存在的風(fēng)險(xiǎn)以及設(shè)計(jì)改進(jìn)后所需的新工藝方法，我們以大膽創(chuàng)新和充分驗(yàn)證為指導(dǎo)思路，通過(guò)引入新技術(shù)、新方法，推動(dòng)工藝從手工操作向自動(dòng)化、參數(shù)化方向發(fā)展，主要涉及以下工藝改進(jìn)：

1.玻璃纖維/尼龍復(fù)合材料增材制造技術(shù)

利用玻璃纖維/尼龍復(fù)合材料增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)電池組外殼的高效精密加工，其核心技術(shù)是激光選區(qū)燒結(jié)。該技術(shù)是利用激光對(duì)粉末材料進(jìn)行高溫熔融固化，并層層堆積，最終制造出實(shí)體產(chǎn)品。其工藝過(guò)程見(jiàn)圖2。

這種加工方式精度可達(dá)到0.05mm，加工速度可達(dá)48mm/h以上，具有效率高、省去開(kāi)模成本等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)精心選擇材料及配比、合理設(shè)定加工粉末厚度、科學(xué)設(shè)置三維數(shù)據(jù)切片方式，并利用高精度設(shè)備進(jìn)行工藝材料與參數(shù)的摸索和實(shí)物驗(yàn)證，結(jié)果表明該技術(shù)可滿足使用要求。它不僅保證了設(shè)計(jì)改進(jìn)的可行性，而且與鋁合金機(jī)加工相比成本接近，與模具注塑相比，可節(jié)省開(kāi)模費(fèi)用，加工周期縮短50%以上，加工費(fèi)用節(jié)約20%以上。

2.玻璃纖維/尼龍殼蓋超聲波封接技術(shù)

當(dāng)采用玻璃纖維/尼龍制作殼體與蓋后，原有的螺釘緊固方式已不適用于殼蓋連接，因?yàn)殚L(zhǎng)期使用后尼龍螺紋容易遭到破壞，從而失去緊固作用。因此，我們采用膠粘固定后再超聲波焊接的方式進(jìn)行殼蓋連接。其中，膠粘固定選用NQ704硅橡膠，它一方面在固化后能夠保護(hù)單體電池免受蓋擠壓或單體電池移位的影響，另一方面可保證殼蓋相對(duì)固定，防止在超聲波焊接時(shí)出現(xiàn)焊偏現(xiàn)象。超聲波焊接采用環(huán)形焊接方式，使圓形的蓋子與圓柱殼體的壁板在超聲波作用下熔接。所使用的超聲波焊接機(jī)具體參數(shù)如下：

輸出功率：3200W；

工作行程：75mm；

熔接時(shí)間：0.019.99s；

核心部件：1100W三合一聚能；

頻率：15KHz。

通過(guò)對(duì)該工藝參數(shù)進(jìn)行深入摸底與試驗(yàn)，試制樣品的樣件封接抗拉強(qiáng)度大于180N，展現(xiàn)出了較好的封接效果，大幅提高了電池組的殼蓋封接強(qiáng)度，保證了在各種環(huán)境條件下的封接質(zhì)量與可靠性。

（未完，接下篇）

審核編輯 黃宇