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锂电池点焊机焊接极耳的一些质量分析

超声波焊在实际焊接过程中。既没有电阻焊等方法的电流通过被焊工件,也没有诸如电弧焊那样的电弧产生。更不像激光焊那样需要较大的能量将母材熔化。同时。超声波焊接不存在受热传导与电阻率等因素的影响.对于不同厚度的非铁金属箔、片都能有效地进行焊接,尤其是保证对铝、铜箔片的焊接质量。更能突出其焊接优势。因此,超声波焊接工艺在锂电池生产中得到了广泛应用。

 


超声波焊接质量好坏直接关系到锂电池的整体性能、良品率及电池使用寿命。但是,在实际生产过程中。由于受设备稳定性、操作方法及原材料等因素影响,给产品焊接的一致性带来了一定困难。笔者采用质量系统分析方法对影响锂电池超声波焊接质量的各方面因素进行分析。找出了保证焊接质量的方法,从而保证了产品焊接的稳定性和一致性。

 

 

1超声波焊接原理
超声波焊接是通过换能器将高频电磁振荡能转换为相同频率的机械振动能,再经过变幅器、焊头,将弹性机械振动能均衡地传递到被焊工件上。工件在弹性振动能和静压力的共同作用下将机械动能转换为工件间的摩擦功。其物理效应表现为超声波振动瞬间激活金属晶格中的粒子.使金属箔、片相接
合处的分子相互渗透而牢固地连接,从而实现工件在固态下的焊接。图1为超声波焊接原理图。

 

 

 

 

QC七大手法之一——鱼骨圈分析法列举影响焊
接质量的因素采用鱼骨图列举人、机、料、法、环5个环节在锂电池实际生产中影响极耳超声波焊焊接质量的各个因素。并结合实际生产过程重点分析焊机的稳定性、焊头、焊座磨损、定位工装、材料硬度、锂电池极耳对齐度改善及员工操作等因素对超声波焊接质量的影响。锂电池极耳超声波焊接质量影响因素如图2所示。


3影响极耳焊接质量因素分析及应对措施

3.1超声波焊机稳定性对比
目前。公司内有A和B两家公司生产的超声波焊机,对于铝极耳的焊接效果基本一致。但对于铜极耳焊接,A公司的焊机焊后出现拉力测试不合格
的频次较高,而B公司生产的焊机焊后拉力测试结果比较稳定。两家公司的焊机均采用时间焊接模式即焊接时间固定.通过调整振幅、压力来满足焊缝
强度要求。两家公司生产的超声波焊机在实际生产中的输出功如图3所示。

 

 

PK
通过对比不难发现。B公司焊机输出稳定性明显好于A公司的。这也充分说明A公司焊机频繁出现焊缝拉力测试不合格与焊机实际输出不稳定有所对应,因此,为保证锂电池铜极耳焊接质量稳定,实际生产中已经全部采用B公司生产的焊机。
3.2焊头、焊座使用周期固定化焊头、焊座在生产过程中随焊接次数的增加。其磨损程度不断加大,当任何一个磨损较严重时,焊接能量输出功不再稳定,同时,焊缝拉力测试会出现不合格现象,此时只能调节焊接工艺参数,加大能量输出才能满足焊缝强度的要求。但这种做法维持时间较短,且会增加焊缝强度不合格的隐患;因此,根据焊机输出数据及焊缝强度确认,在确保焊接工艺参数不再进行调整的情况下。确定焊头、焊座的使用寿命。当任何一方的焊接次数达到规定要求后。尽管未出现输出数据异常也必须更换焊头或焊座,以确保焊接质量的可靠,从而避免疑似异常品,进而降低焊接成本。

3.3定位工装影响
原有的手工操作方式为操作人员一手持电池盖。另一手持极组,如图4a所示,随意性较大,经常出现焊点偏移、漏焊、焊断等异常现象。直接影响产
品的良品率,同时会造成电池性能的一致性较差。针对此问题,专门设计出符合该产品的定位工装(图4b),既固定了锂电池盖,又将极组进行定位。该极组定位工装可前后、左右及上下各角度进行调整,确保了焊点位置的一致性,进而提高了产品焊接的稳定性和一致性,避免了人为因素的干扰,为生产的稳定提供了保障。

 


3.4材料硬度的影响
超声波焊接所需功率P(W)取决于工件的厚度艿(mm)和材料的硬度H(HV),并可确定为下式:
(
式中:K为比例系数。从式(1)可知,被焊工件的硬度越高、厚度越大,其焊接时所需功率就越大。但在实际应用中.对超声波功率的测量比较困难,因此,常用振幅来表示功率的大小,则焊机的功率计算公式转化为:

式中:u为摩擦系数;S为焊点面积;F为静压力;A为振幅;.,为振动频率。从上述2个关系式中可以看出。当焊接工艺参数设定完成后,理论输出功率应该一致,但在实际过程中,材料硬度、厚度不均都会对实际焊接功率的输出产生影响。进而影响焊接质量。图5为铜极耳曾经出现过焊缝强度较弱时对连接引片进行维氏硬度测试结果,其数值高于本公司的规定,因此,为确保焊接效果。笔者已经将连接引片硬度作为必检项目,抽样出现硬度不合格的原材料不再投人生产线使用。

 

 


3.5极耳对齐度标准优化
单体锂电池内部由多个极组包裹而成。每个极组有1对极耳。即铝极耳和铜极耳,同性极耳在同一侧,分别与电池盖的连接引片进行焊接,由于是多极耳组合焊接,同性极耳之间的上下错位(图6a)势必造成焊接面厚度差异,根据3.4中的计算公式,焊接试件厚度差异对焊缝强度影响很大,因此,极耳对齐度成为影响焊接效果的重要因素。基于此问题,笔者对前序极组卷绕工位进行设备调整、工艺标准优化及质量管控。改变原来极耳对齐度差异较大现象(图6b),确保极耳一致性,为焊接质量的稳定性提供了必要保障。

 


我的观点
3.6操作规程可视化
原有操作工艺比较简单,且重点细节不突出。加之对新员工培训不到位等问题.使得员工在操作手法上比较随意.同时员工对极耳焊接这道重点工序认识不够,从而影响焊接效果。针对上述情况,本公司重新编制了实用性较强的可视的典型工艺。对每一细节步骤均有明确规定.同时加强对员工的培训,使其养成良好的操作习惯,从而大大降低了人为因素对锂电池极耳焊接质量的干扰。

4.结语
通过对上述锂电池内部结构超声波焊接重要影响因素的论证分析,并通过采取有效的改进措施,焊接质量的稳定性明显提升,异常品出现频次明显下降。从而使本公司电池受焊接影响的性能指标得到有效控制,进而提升了电池整体性能的一致性和可靠性。超声波焊接具有无电弧、无电流、无高温过热、无焊接飞溅等优点,对极耳焊后对锂电池性能的影响小,同时能够很好地焊接采用其他焊接方法难以焊接的铜、铝箔片,其焊接效果得到普遍认可,已经成为锂电池行业中必不可少的焊接工艺。


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