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新能源纽扣电池的激光焊接工艺解读

  新能源纽扣电池的激光焊接新工艺,纽扣电池也因体形较小,在各种微型电子产品中作为后备电源得到了广泛应用。目前广受关注的电子产品,如TWS(无线蓝牙)耳机、智能手表、智能音箱等所用到的电源,都是新型可充电式纽扣电池,在消费者对电子产品的高强续航力、高安全性和个性化需求下,各大电池厂商开始争相生产能量密度更高、规格多样、材料多样的新型可充电式纽扣电池。
 
  随着3C电子行业的纵深发展,对配套电池的装配与焊接精度、焊接质量都提出了更高要求,传统焊接加工技术很难达到新型纽扣电池的高标准焊接指标。相比之下,激光焊接技术能够满足纽扣电池的加工技术多样性,如异种材料(不锈钢、铝合金、铜、镍等)焊接、不规则的焊接轨迹、优秀的焊接外观、牢固的焊缝、更细致的焊接点以及更精准的定位焊接区域等。激光焊接技术不仅能提高产品焊接的一致性,而且还降低了焊接过程中对电池造成的伤害,成为新能源纽扣电池的最佳焊接工艺方式。
 
  新能源纽扣电池电芯正负极与不锈钢壳体之间的焊接
 
  此部位焊接工艺难度系数较高,负极铜箔厚度0.05mm,正极铝箔厚度0.05mm,不锈钢壳体厚度0.12——0.15mm,如果参数设置不合理,治具压合不到位或者操作不当,很容易造成虚焊、焊穿、不锈钢壳体外观面氧化变色等不良情况。
 
  所以,这里选用的焊接方式为精密MOPA激光点焊或者螺旋线焊接,在需要焊接的部位瞬间产生高温熔合,实现无接触焊接,精准定位,高效生产优质电池。
激光纽扣电池焊接
  图1:纽扣电池的负极(铜箔)与电池不锈钢壳体之间的焊接。

纽扣电池的正极(铝箔)与电池不锈钢壳体之间的焊接
  图2:纽扣电池的正极(铝箔)与电池不锈钢壳体之间的焊接。
 
  图1为纽扣电池电芯负极与不锈钢壳体的焊接成品图,负极为红铜箔。铜材的导电性很好,但是对于焊接而言,它为高反光材料,对激光的吸收率很低,不到10%;加上材料极薄,在受热区域面积过大、受热时间过长或者激光功率密度不够的情况下,铜箔极易变形,造成焊接不良,这在很大程度上增加了焊接工艺的难度。
 
  目前我们采用的MOPA激光焊接设备具有更高的能量密度,更容易达到材料吸收阈值,有效地避免了上述缺陷。如图1所示,单个焊接点的区域直径为0.25mm,以直径0.25mm的圆周为基准,将其平均分布为6等分。在MOPA激光高峰值、高速度、小脉宽、小受热面积的情况下,能很好地将铜箔跟不锈钢壳体紧密牢固地焊接在一起,并且不会引起铜箔变形。焊接效果放大后如图1中右图所示,焊点均匀,无虚焊,铜箔无变形,电池壳体背面无变色等不良情况,焊接牢固可靠。
 
  图2为纽扣电池电芯正极与不锈钢壳体的焊接成品图,正极为铝箔。铝材导电性较好,也属于高反光材料,对激光的吸收率较低,在20%左右。采用MOPA激光螺旋式焊接方式,焊接能量均匀,焊接点形状、熔深、牢固度一致性较好,外观平滑美观,无变形。焊接效果放大后如图2中右图所示,螺旋线焊接轨迹均匀,线条无虚焊,铝箔无变形,电池壳体背面无变色等不良情况,焊接牢固可靠,符合客户要求。
 
  新能源纽扣电池顶盖的密封焊接
 
  这个部位的焊接工艺有一定难度。纽扣电池顶盖是厚度为0.12——0.15mm的不锈钢材料,纽扣电池壳体与盖板连接处,加工后为厚度0.1mm的不锈钢材料。两块如此薄的材料进行密封焊接,且要求外观平整顺滑、无变形,对于传统焊接来说根本无法实现。
 
  此工序焊接难点在于材料极薄,如果焊接工艺参数设置不当,功率过大容易直接击穿电池壳,伤到内部电芯且材料极易变形,热影响区大;功率小了无法形成熔池达到焊接目的。
 
纽扣电池顶盖与壳体之间的激光密封焊接效果图。
图4:MOPA精密焊接机实现的纽扣电池引脚焊接图
 
  图5为使用QCW精密焊接机的焊接效果图,右图为单焊点局部放大图。
图5:QCW精密焊接机实现的纽扣电池引脚焊接图
图5:QCW精密焊接机实现的纽扣电池引脚焊接图
 
  使用这两款设备焊接引脚,焊点均匀稳定,外观美观,拉力强度牢固,均满足客户需求。这两款设备在焊接新能源纽扣电池方面,主要有如下优势:
 
  无电流通过电池,避免电池内部击穿;
 
  非接触焊接,避免加工物件因加压而变形;
 
  精密激光束瞬间加热,避免电池热损伤;
 
  焊接能量、时间均匀,焊接点形状大小、熔接深浅牢固一致,外观平滑美观,热影响区小;
 
  设备体积小、便携,可实现自动化,配合流水线作业。
 
  电子产品的高速发展,将对新型纽扣电池有着大量需求。MOPA激光精密焊接机和QCW精密激光焊接机,为新能源纽扣电池生产中的焊接需求,做好了准备。

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