中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：5月19日至21日，“第八屆中國國際儲(chǔ)能大會(huì)”在深圳隆重召開， 來自中國、美國、德國、英國、加拿大、西班牙、日本、韓國、澳大利亞等國和地區(qū)1500余位政府機(jī)構(gòu)、科研院所、行業(yè)組織、電力公司、新能源項(xiàng)目單位、系統(tǒng)集成商等代表出席本次大會(huì)。
大族激光科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司新能源裝備事業(yè)部總監(jiān)劉昊在儲(chǔ)能電池專場(chǎng)，以“電池制造中的激光焊接與焊接失效分析”為題，發(fā)表了精彩演講。
演講內(nèi)容如下：
劉昊：大家上午好！自我介紹，我是來自大族激光新能源裝備事業(yè)部的劉昊，感謝主辦方，中國國際儲(chǔ)能大會(huì)讓我們有為大家做報(bào)告的機(jī)會(huì)。
作為加入電池制造行業(yè)十多年的老兵，我們想在這里為大家介紹我們十幾年來的積累，我們?cè)诩す夂附臃矫娴膽?yīng)用情況、失效分析和質(zhì)量檢測(cè)的情況。剛才陽總從制造價(jià)值方面給出了思考，我的報(bào)告更加細(xì)節(jié)，做細(xì)節(jié)上的介紹。我的報(bào)告分為四部分，包括激光焊接、電池子早中的激光焊接、電池焊接失效分析和質(zhì)量提高和質(zhì)量檢測(cè)。
我們知道激光焊接發(fā)展了幾十年，現(xiàn)在在各個(gè)工業(yè)中開始有大規(guī)模應(yīng)用。我們采用加熱或者加壓，或者二者并用的方法，使工件產(chǎn)生原子間結(jié)合的一種連接。激光焊接其原理和其他的加熱焊接方式?jīng)]有太大的區(qū)別。
目前在應(yīng)用的是四大類激光器，一是固體脈沖激光體；現(xiàn)在占激光加工半壁江山的是光纖激光器，常見的模組、電芯都用這個(gè)進(jìn)行焊接；三是半導(dǎo)體激光器，有的電池廠開始測(cè)試我們的半導(dǎo)體焊接，進(jìn)行塑料焊接；四是MOPA光纖激光器。
大家是電池行業(yè)的，我們新能源裝備事業(yè)部跨自動(dòng)化、電池制造、激光加工幾大行業(yè)。在此給各位介紹一下激光焊接在十幾年來的發(fā)展情況和趨勢(shì)。其趨勢(shì)包括幾點(diǎn)：
第一，國產(chǎn)化，20多年前我們公司開始做激光器國產(chǎn)化。九幾年時(shí)，國內(nèi)激光器采用的是進(jìn)口激光器，現(xiàn)在3.4萬的打標(biāo)機(jī)，十幾年前需要進(jìn)口的，需要50-100萬。我們從打標(biāo)機(jī)開始起步。右圖是我們的國產(chǎn)化情況，目前小功率方面，國產(chǎn)激光器占據(jù)主導(dǎo)地位。在高功率激光器方面，還是國外激光器和廠商占主導(dǎo)地位。這幾年激光器加工產(chǎn)值到430億左右，經(jīng)過機(jī)構(gòu)評(píng)估我們?cè)趧?dòng)力電池制造中，設(shè)備產(chǎn)值大概是80-100億左右，每個(gè)機(jī)構(gòu)不太一樣。
第二，大功率激光器和特殊激光器應(yīng)用。幾年前，我們的應(yīng)用是現(xiàn)在市場(chǎng)上有什么激光器，我們針對(duì)激光器做應(yīng)用?，F(xiàn)在產(chǎn)業(yè)發(fā)展比較快，我們很多激光器是定制的，我們的電池廠、汽車廠有什么需求，需要什么特點(diǎn)的激光器，我們可以針對(duì)應(yīng)用開發(fā)特殊激光器。
電池制造中的激光焊接，為什么電池制造中大量使用激光焊接，特別在電池制造中后段，包括電芯、封裝、模組、Pack連接，大量使用激光焊接。因?yàn)槟壳凹す夂附邮俏ㄒ灰环N非接觸式、高精度、高效的焊接方式。比如電阻焊，需要隔一段時(shí)間換焊頭，精度不夠、需要壓緊焊接；傳統(tǒng)的弧焊、包括CMT焊接熱量又比較大，焊縫尺寸大，都不能實(shí)現(xiàn)激光焊接的優(yōu)點(diǎn)。目前來說激光焊接是有以上三個(gè)優(yōu)點(diǎn)的焊接方式，在制造電池過程中有大量的應(yīng)用。目前電池從電芯、模組到Pack有19個(gè)主要構(gòu)件部位，其中11個(gè)焊接目前必須用激光焊接；5個(gè)焊接可能用到激光焊接；3個(gè)焊接不會(huì)使用激光焊接。比如采用超聲波焊接來焊接電芯極耳等。
在方殼電池蓋板上有6-8處激光焊接，我們需要激光焊接密封，很重要的是方殼電池封口口?，F(xiàn)在有采用鎖螺絲的方式對(duì)連接片進(jìn)行連接，現(xiàn)在汽車行業(yè)沒有這樣的應(yīng)用。7、8年前很多公司測(cè)試過，采用鎖螺絲的方式，螺絲松動(dòng)，打火會(huì)造成很大的安全隱患。儲(chǔ)能采用固定安裝的方式，對(duì)這方面的考慮會(huì)比較少。
中間的圖是我們18650電池蓋帽上的焊接，特點(diǎn)是既要有強(qiáng)度，但強(qiáng)度不能太大。18650電池內(nèi)部發(fā)生短路，我需要焊點(diǎn)進(jìn)行脫落，造成內(nèi)外部的斷路，起到安全保護(hù)的作用。
焊接結(jié)構(gòu)件失效分析，包括激光焊接和其他的焊接方法。我們目前很多人對(duì)電池系統(tǒng)的失效模式有一個(gè)簡(jiǎn)單的概要，電芯失效、BMS失效、Pack電池模組的失效。從左往右看，事故常見的是起火，這幾年經(jīng)常見到大巴起火，原因是熱失控局部高溫，引燃汽車中的有機(jī)物、塑料、可燃物質(zhì)。從模組、BMS、電芯方面，有三大原因，標(biāo)紅的是有直接關(guān)系的。如匯流排失效，我們有其他焊接方式的輸出端，如果匯流排失效，可能會(huì)造成打火、局部高溫，引燃一些物質(zhì)。輸出端失效、熔斷器的失效，熔斷器失效可能不會(huì)造成高溫。如果同時(shí)有幾個(gè)東西失效，可能會(huì)造成問題。Pack箱體，很多公司用CMT和攪拌摩擦焊焊接，焊接過程中熱量比較大，箱體可能會(huì)變形。目前有很多公司做車身和Pack一體化，但目前量產(chǎn)的還相對(duì)少?？赡軣o法安裝，造成結(jié)構(gòu)件上有疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)。BMS失效中，第一個(gè)是檢測(cè)失效，造成過充過放。電池模組的采集線是電壓采集，加上BMS，從安全保護(hù)上有不完善，可能會(huì)造成過充過放爆炸起火。溫控失效、絕緣失效跟焊接的影響不大。電芯失效，目前是安全隱患最大的，它無法檢測(cè)或者避免，一旦內(nèi)部短路，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生高溫膨脹，三元電池非常危險(xiǎn)。單體漏液，電芯密封過程中沒有被檢查出來，會(huì)造成電芯漏液。
電芯密封失效，主要是密封失效，氣孔造成漏液。模組方面，有很多電池廠沒有注意到焊渣飛濺，我們的焊渣容易造成內(nèi)部磨損，導(dǎo)致Pack內(nèi)部失效或者局部線路的短路，這是很多公司沒有注意到的。我們針對(duì)這些問題有除塵和除焊渣的裝置。Pack方面也一樣，它也是焊接飛濺造成的內(nèi)部磨損，箱體密封件變形導(dǎo)致密封失效。
這是模組BSB焊穿造成漏液短路，這是撲滅后的電池，燒得面目全非。這是生產(chǎn)過程中的直接爆點(diǎn)，是明顯的漏液短路。很多電池在后期使用中產(chǎn)生疲勞和漏液，會(huì)給后面的使用造成安全隱患。BMS采集模組電壓溫度，目前行業(yè)內(nèi)有3種采集方式，最原始的是拿一根線做超聲波焊接，有一段時(shí)間流行鍵合，圖片是特斯拉鍵合工藝，更多的是采用激光焊接。超聲波有一個(gè)問題，在疲勞后特別是長期使用后，采集線端子容易脫落，這是超聲波焊接工藝，在連接端子頭部容易產(chǎn)生疲勞，造成破壞。鍵合的焊接強(qiáng)度沒問題，但鍵合的線容易斷裂。
前面談到失效問題，接下來談?wù)勅绾翁嵘附淤|(zhì)量和檢測(cè)焊接問題。工廠常用的質(zhì)量提升方法是DMAIC改進(jìn)，如過程質(zhì)量控制，只能提高過程能力，對(duì)于會(huì)出現(xiàn)的失效，它并沒有辦法。我們采用了特殊的激光焊接工藝提升焊接質(zhì)量，介紹我們這幾年來發(fā)展的技術(shù)。我們模組側(cè)板，開始采用單光束，后來才能雙光束，現(xiàn)在擺動(dòng)光束。從左往右可以看到，我們最早使用單光束時(shí)，氣孔比較多，現(xiàn)在采用激光焊接，氣孔數(shù)大概是1%以下。理想的焊縫是U型焊縫。
我們現(xiàn)在推廣的技術(shù)是電芯、電池封口，我們有幾代技術(shù)。第二代是復(fù)合激光焊接，第三代是擺動(dòng)激光焊接。電芯封口是一個(gè)爆點(diǎn)，造成漏液或者電池報(bào)廢，無法修補(bǔ)。我們做了擺動(dòng)，減少爆點(diǎn)和氣孔。下面是人為制造的雜質(zhì)在焊縫上，隨著頻率的增加，爆點(diǎn)越來越小。如果實(shí)際過程中有氣孔、雜質(zhì)，通過高速擺動(dòng)的方式可以對(duì)焊縫進(jìn)行修復(fù)。
現(xiàn)在在側(cè)板焊接上，良率是99.99%以上，我們還是有可能產(chǎn)生不良，需要我們后面的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)不良。最傳統(tǒng)的方式是采用視覺的技術(shù)，大概3-5年前比較流行，這種方式有一個(gè)缺點(diǎn)，只能通過表面判斷，表面拍照和標(biāo)準(zhǔn)模板進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)缺陷。對(duì)于有沒有焊和有沒有斷焊都可以檢驗(yàn)出來，對(duì)于爆點(diǎn)、局部虛焊無法很好的識(shí)別。在2D識(shí)別上加上3D技術(shù)，我們對(duì)三維輪廓進(jìn)行拍照，識(shí)別其缺陷。這個(gè)技術(shù)采用電阻式焊縫檢測(cè)，韓國廠商比較流行。我們檢測(cè)焊縫內(nèi)阻變化，判斷焊接情況。右上角可以看到正常焊縫，內(nèi)阻比較穩(wěn)定。人為設(shè)置了爆點(diǎn)和虛焊后，組織優(yōu)很大的波動(dòng)，通過波動(dòng)檢測(cè)焊接質(zhì)量情況。
剛才說的幾種方法是焊后檢測(cè)，這樣的話效率會(huì)有一定的影響。我們現(xiàn)在研究更多的是焊接過程中的檢測(cè)，我們?cè)谧鲑|(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，通過傳感器，分別檢測(cè)激光焊接回來的溫度信號(hào)、離子信號(hào)、激光信號(hào)，比如我們焊一個(gè)軟包極耳，等離子體相對(duì)穩(wěn)定，人為設(shè)置虛焊后，等離子體和激光都有波動(dòng)，人為設(shè)置焊穿爆點(diǎn)都有波動(dòng)情況，可以發(fā)現(xiàn)問題。判斷OK，直接下料。整個(gè)模組焊縫50個(gè)，單個(gè)波動(dòng)可能是某個(gè)極耳沒有壓緊，可以自動(dòng)重焊。
剛才的焊接過程質(zhì)量檢測(cè)只能檢測(cè)波動(dòng)異常，對(duì)于我們焊縫能焊多深，尺寸如何，這是沒辦法的?，F(xiàn)在最新的技術(shù)是激光光學(xué)相干成像原理，類似月球登月車登陸月球，登月車會(huì)向月球發(fā)送激光信號(hào)，得到反射波。OCT光學(xué)成像原理也是一樣的。這是我們的應(yīng)用情況，它可以直接檢測(cè)焊接熔深。我們把焊縫鋸開，看它焊得多深。下圖是焊縫切開的截面圖，測(cè)的波型和焊縫形狀一致，通過對(duì)比獲得實(shí)時(shí)熔深情況。我們可以設(shè)熔深上下限，如果熔深比較淺可以進(jìn)行報(bào)警。我們?cè)谶@一條焊縫上，起始點(diǎn)和收尾點(diǎn)有突起，藍(lán)色曲線跟實(shí)際產(chǎn)品有對(duì)應(yīng)的波動(dòng)。這是焊縫位置檢測(cè)，這是焊縫寬度和高度的檢測(cè)。
我們焊接的質(zhì)量和制造質(zhì)量更多是設(shè)計(jì)出來，而不是靠后期的改進(jìn)完成的。我們電池廠的設(shè)計(jì)研究院有時(shí)候直接設(shè)計(jì)一個(gè)東西，給工藝部、設(shè)備部、生產(chǎn)部、質(zhì)量部制造，工藝的前期評(píng)估不太完善。舉個(gè)例子，方殼電芯的極柱做得非常小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，留給我們焊接的地方非常小，給我們帶來很多麻煩。如果在設(shè)計(jì)中改善，我們的制造工藝會(huì)簡(jiǎn)單很多。如果大家在設(shè)計(jì)過程中有工藝方面的問題，可以到我們公司做加工測(cè)試，判斷可制造性。
最后簡(jiǎn)單介紹我們公司，我們公司有幾大板塊，包括激光加工、激光焊接、家光打標(biāo)、新能源鋰電設(shè)備。去年做到115億，整個(gè)行業(yè)的產(chǎn)值是430億，我們占25%以上的市場(chǎng)份額。我們專注于新能源行業(yè)的裝備制造，提供整線整車間交鑰匙工程努力，我們現(xiàn)在可以做到整線交鑰匙，特別是電池制造中后段，模組Pack制造方面，我們都可以做到整線交鑰匙工程。我們子公司在做電池制造前端設(shè)備。
我們的定位是做系統(tǒng)集成商，把車間工廠的設(shè)備進(jìn)行集成。這是我們做過的案例簡(jiǎn)介，這是鋁殼模組線，這是Pack線，這是子公司做的設(shè)備。大家這次來深圳，我們公司在深圳福永，如果大家有時(shí)間可以來我們公司參觀，謝謝！
