电芯极耳焊接用超声波焊接设备研究与设计

李旭阳 陈曜飞 刘艳理

苏州达牛新能源科技有限公司 江苏省苏州市 215024

1 概述

锰酸锂或多元复合材料体系软包电芯，单片有正、负两个极耳（电极片），正极耳是铝带，负极耳是铜带。传统方法是单片电芯堆叠成模组后，将极耳与汇流铝板用激光焊接的方式焊接成一体，由于铜和铝物理化学性能存在差异，无法将铜极耳与汇流铝板直接焊接在一起，因此要给铜极耳焊接一片铝带，通过转接的方法实现铜极耳与汇流铝板的激光焊接。该工序使得电芯前处理工序复杂，不仅增加了成本，也有转接带来的产品质量问题，可靠性降低。激光焊接接头由人工检测，效率低，而且检测方式带有一定的损伤性。

随着产品生产规模的增大和技术水平的提高，对于模组制造提出了更高的标准和要求，因此需要研发一种低成本、高可靠性的焊接工艺，实现正、负极耳的焊接，并与模组连接。超声波焊接技术可实现铜、铝直接焊接，具有成本低、焊接时间短、不需要任何助剂、焊接无火花、无辐射、无烟尘、对人体几乎无伤害、绿色环保安全、焊接过程稳定、所有焊接参数均可通过检测传感器和控制单元跟踪监控，不损伤工件等优点，还能提高生产率，降低生产成本，因此在产品大批量生产，生产工艺改进过程中，采用了超声波焊接技术，并研发了电芯极耳焊接超声波焊接设备，满足了质量、成本和产量等方面的要求。

2 模组制造工艺过程分析

模组制造的工艺过程是：第一道工序是把电芯折弯成要求的形状，如图1所示：

图1 电芯折弯前、后外形图

第二道工序是把电芯堆叠成模组，模组外形，如图2所示：

第三道工序是热熔包塑胶件。

第四道工序是采用超声波焊接工艺将U型连接片分别与两组电芯的铜极耳和铝极耳焊接在一起，实现模组的串联和并联。U型连接片如图3所示，焊接图如图4所示：

3 超声波焊接设备的组成与工作原理

在方案设计过程中，按照上述工艺过程，根据产量、产品合格率的要求，分析了电芯极耳焊接用超声波焊接设备的技术难点，考虑安全性、可靠性和操作性等要求，通过多个设计方案比较，做出的电芯极耳焊接用超声波焊接设备方案如图5所示。

图2 模组外形图

图3 U型连接片外形图

图4 U型连接片与两组电芯的铜极耳和铝极耳焊接示意图

图5 电芯极耳焊接用超声波焊接设备组成示意图

电芯极耳焊接用超声波焊接设备由工作台总成、定位夹紧机构、升降机构、进给机构、自动旋转机构、热熔单元、超声波焊接单元、控制单元和供电单元等组成。

电芯极耳焊接用超声波焊接焊接设备的工作程序是：人工把电芯堆叠成的模组放到上料平台上，以背面为基准定位，推到定位夹紧机构的平台上，手动操作夹紧工装把模组夹紧。然后启动控制单元，在控制单元的控制下，通过升降机构把模组（包括定位夹紧机构）升到包塑胶件热熔工位，热熔单元完成所有胶件热熔，热熔完成后模组返回到上料工位，人工检查热熔效果，然后进给机构和升降机构把模组移动到焊接工位，超声波焊机由气缸推动到焊接位置，把U型连接片与两组电芯的铜极耳和铝极耳焊接在一起，焊接完一组，模组由升降机构升起，依次焊接其余的极耳，直到结束。至此完成了模组极耳上半面的焊接，然后通过模组下的中空旋转机构，将模组旋转180度，按照上述方法，完成模组极耳下半面焊接。焊接结束后，在伺服单元的控制下，超声波焊机复位，模组返回到到上料工位，最后由人工松开夹紧工装，取下模组，一个模组热熔与焊接结束。

3.1 工作台总成

工作台总成为框架式结构，作为全套设备的基础构件，台面上安装定位夹紧机构、升降机构、进给机构、自动旋转机构、热熔单元和超声波焊接单元，控制单元和供电单元安装在工作台面下的柜体内。

3.2 定位夹紧机构

定位夹紧机构由基座、定位工件和夹紧工装等组成，实现模组的可靠定位与夹紧，为热熔和焊接做准备。定位准确与否直接影响到达焊接位置的精度，定位不准，难以保证焊接质量，所以在设计时作为关键部件，装配时按照设计要求，精心调试，保证定位精度。夹紧机构的设计具有同样的重要性，要保证模堆夹紧，但不能夹伤。定位夹紧机构通过基座安装在升降机构的平台上，在升降机构的带动下，可以上升到热熔或焊接工位，工作结束后，可以返回到初始位置。

3.3 升降机构

升降机构主要由平面导轨、滑块、丝杠螺母和伺服控制设备等组成，实现模组的升降，三维外形图如图6所示。

图6 升降机构示意图

升降机构设计的难点是要保证模堆及其支撑构件的质心尽可能靠近滑块，同时滑块与导轨有足够的接触长度，否则在模堆及其支撑构件的重力作用下，上升时有可能出现卡滞或是蠕动爬行，到位不平稳或是精度不准确，直接影响产品质量。热熔或焊接时，通过控制指令使模组上升到工作位置，热熔或焊接结束后，使模组复位。升降机构安装在工作台总成上，通过固定基座与工作台可靠固定。

3.4 进给机构

进给机构由导轨、丝杠螺母、滑块、伺服电机和控制器等组成，外形如图7所示：

图7 进给机构示意图

进给机构实现模组和升降机构的送进，焊接时，通过控制指令把模组送到对应位置，焊接结束后，使模组复位。

3.5 自动旋转机构

进给机构和上升机构把模堆送到焊接工位后，采用两台超声波焊机分别为下压和上压方式进行焊接，焊接时两台焊机互相交错，延时工作，模组间断性上移。单侧焊接完成后模组自动旋转180°，重复上述焊接过程。自动旋转机构主要由旋转气缸、控制阀、输气管路、气源和电气控制部分等组成，旋转部分结构图如图8所示：

模堆上面的极耳焊接完成后，焊机复位，在电气控制的指令下，输气阀门开启，旋转气缸工作，使模堆旋翻转180°，以便焊接下面的极耳。

3.6 热熔单元

热熔单元由热熔头和热熔进给两部分组成。模组到达热熔工位后，由热熔进给把热熔头送到热熔位置，热熔结束后，热熔进给使热熔头复位。

3.7 超声波焊接单元

超声波焊接单元由超声波焊机和进给部分组成。模组到达焊接工位后，进给部分把超声波焊机送到焊接位置，焊接结束后，进给部分使超声波焊机复位。超声波焊接和焊机是成熟技术，故不赘述。焊接过程如图9所示：

图8 自动旋转机构示意图

图9 电芯极耳焊接用超声波焊接设备组成示意图

焊接设备具有自动检测与报警功能，如果出现过焊、工艺参数变化、模组尺寸变化等情况，焊接设备会停止工作并报警示意，有效地降低了不合格率。

3.8 控制单元

控制单元由伺服控制、自动检测和安全报警三部分组成。

伺服控制是本套设备的控制核心，设备启动与停止、模组升降、进给与复位、热熔单元和焊机进给与复位、热熔或极耳焊接，均由控制单元控制。

检测部分由位置传感器、限位开关、限位器和探头等组成，确保模组准确到位与复位。

安全报警部分由联锁开关、传感器和蜂鸣器等组成，为了保证操作人员和设备安全而设计。模组没有夹紧，操作人员不在安全位置，设备不能上电；模组不到位，对应设备不能启动；工作结束后，设备有提示。

4 关键技术

4.1 定位精度

由于单片电芯的尺寸误差，堆叠成的模组不可避免地存在误差，并非任意面可以定位，定位若是不准，会给后续工序带来误差，难以保证产品精度，即就是产品的质量。因此必须在模组上选择能保证定位精度的面作为定位面，从而保证模组可靠定位并夹紧，为后续的热熔和焊接做准备。根据模组的具体状况与工况，选择模组背面作为定位面，该面有足够的长度和宽度，由模具加工成型，精度高。选择了模组定位面，对应的安装面和精度必须相适应，否则夹紧后位置产生变化，不能满足位置精度要求。

4.2 到位精度

模组通过进给机构和升降机构送到热熔或焊接工位，热熔单元或超声波焊机进给到热熔或焊接工位，两者到位是否准确，都会影响热熔或焊接质量，所以到位精度由综合误差决定。设计时通过计算尺寸链，给出能保证热熔和焊接质量的精度等级，并留有调整环节。加工过程严格控制工艺过程，满足设计要求。调试时按照调试要求，根据具体情况调整，满足精度要求后可靠固定，使其不能松动。

4.3 焊接参数设定

焊接质量取决于焊头的振幅、施加压力及焊接时间。焊接压力和时间可以调节，振幅由换能器和变幅杆决定。这三个量相互作用有个适宜值，能量超过适宜值时，焊接物易变形，若能量小，则不易焊牢，所加的压力也不能太大。

在理论分析计算的基础上，设备调试过程中，通过大量试验，分析比较，总结出了适合电芯极耳的焊接参数，保证了焊接质量。

5 结语

应用电芯极耳焊接用超声波焊接设备焊接铜极耳和铝极耳，与传统的激光焊接方式比较，由手工操作变为自动化工作，提高了生产效率，降低了操作人员的劳动强度；工作过程自动检测，产品优良率显著提高；节约了人力和经费，产生了巨大的经济效益；焊接过程中无辐射、无烟尘、不需要保护气体，无有害气体和粉尘排放，对人体几乎无伤害，绿色环保。