46系大圓柱/ 刀片電池技術(shù)演進 如何攻破激光焊接“難關(guān)”

鋰電池的生產(chǎn)迭代已經(jīng)給激光設(shè)備帶來了明確的“增量”機會，能夠抓住技術(shù)領(lǐng)先的時間窗口，以激光創(chuàng)新工藝技術(shù)與現(xiàn)有所需設(shè)備進行耦合，將形成鋰電智能裝備企業(yè)新的價值來源。

激光以其高能量密度、高精準度、高柔性等優(yōu)點，已成為鋰電池裝配段自動化產(chǎn)線連接和密封段的重要“利器”。

目前，激光加工技術(shù)廣泛應(yīng)用在鋰電池制造的各環(huán)節(jié)，包括極片切割、極耳焊接、轉(zhuǎn)接片焊接、集流盤焊接、封口焊接、密封釘焊接、電芯清洗、殼體打碼、匯流排焊接、線束焊接、外振焊接等。隨著鋰電池行業(yè)高增速發(fā)展以及更精密的制造要求，鋰電激光設(shè)備市場需求進一步增加。

高工產(chǎn)業(yè)研究院（GGII）數(shù)據(jù)顯示，2022年我國鋰電激光設(shè)備市場規(guī)模約125億元，預(yù)計到2025年將增加至180億元，年復(fù)合增長率超過13%。

值得注意的是，著眼于產(chǎn)品性能、品質(zhì)質(zhì)量、生產(chǎn)效率、良率的提升，鋰電企業(yè)圍繞“圓柱、方形、軟包”全品類電池封裝工藝進行持續(xù)迭代升級。從當(dāng)下大圓柱、刀片電池、大軟包的形態(tài)演進就可見一斑。

這也意味著，鋰電池的生產(chǎn)迭代已經(jīng)給激光設(shè)備帶來了明確的“增量”機會，能夠抓住技術(shù)領(lǐng)先的時間窗口，以激光創(chuàng)新工藝技術(shù)與現(xiàn)有所需設(shè)備進行耦合，將形成鋰電智能裝備企業(yè)新的價值來源。

高工鋰電注意到，深圳中基深耕鋰電池自動化設(shè)備多年，始終以技術(shù)創(chuàng)新為導(dǎo)向，針對行業(yè)全品類電池的激光焊接痛點和難點問題，不斷加碼研發(fā)投入。近期在關(guān)鍵工序的激光焊接工藝與裝備方面取得了一系列突破性進展。

攻克大圓柱電芯激光焊接“瓶頸”

兼具單位體積容量更高、能量密度更大、輸出功率更強、制造成本更低等優(yōu)勢，以型號4680為代表的46系圓柱電池被稱為大圓柱電池，被認為是下一代圓柱電池的發(fā)展方向。

高效率高精度組裝線是大圓柱生產(chǎn)線的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，開發(fā)大圓柱電池高速全自動組裝線成為國內(nèi)外各鋰電池自動化裝配企業(yè)追求的目標。

然而，目前大圓柱正/負極集流盤、底殼穿透焊接等焊接工序是整個裝配線體中焊接時間相對較長的工藝，也是大圓柱高速裝配線體的瓶頸技術(shù)之一。

為此，深圳中基開發(fā)了基于飛行控制的激光焊接技術(shù)及裝備，并應(yīng)用于集流盤/全極耳穿透焊接中，有效減少了間隔停留時間，極大提高了整線焊接效率。

其背后的“密鑰”是：

1、通過轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤高速旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)過程中，振鏡系統(tǒng)自適應(yīng)跟隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動實施動態(tài)飛行焊接。

飛行轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)

2、針對飛行焊接的多軌跡、多角度實時軌跡路徑追蹤以及重復(fù)定位精度要求高等難題，深圳中基自研高速旋轉(zhuǎn)位置高精度動態(tài)補償算法和飛行焊控制系統(tǒng)，解決了高速下軌跡焊偏和焊接圖形畸變的問題。

飛行激光焊接控制系統(tǒng)

集流盤飛行激光焊接效果

該技術(shù)可大幅度減少激光器用量，集流盤焊接速度可達600mm/s以上，滿足200PPM以上超高速大圓柱裝配線焊接需求。此外，深圳中基開發(fā)了基于不同光源的集流盤激光焊接工藝系列技術(shù)，如YAG、QCW、環(huán)形激光、高功率綠光激光等，均可實現(xiàn)正/負集流盤高速焊接，滿足不同客戶的定制化需求。

集流盤激光焊接工藝系列技術(shù)

基于上述技術(shù)，7月18日，深圳中基為國內(nèi)B客戶研發(fā)與設(shè)計制造的120PPM 4680高速智能裝配線已正式通過客戶驗收成功交付。

擊破刀片電池側(cè)邊連續(xù)焊接“痛點”

?刀片電池作為方形鋁殼電池的一種特殊形式，因其長薄化顯著提升能量密度空間，成為方形電池的發(fā)展趨勢分支。

在制造過程中，頂蓋封口是方形鋁殼電池也是刀片電池中最難、最關(guān)鍵的一道焊接工藝。

在眾多焊接工藝中，封口焊縫的尺寸最長，焊接耗時最長，對過程穩(wěn)定性以及工藝可靠性都提出了非常高的要求，直接影響到裝配整線的整體效率和良率。

根據(jù)電池尺寸和結(jié)構(gòu)形式，方形鋁殼電池頂蓋封口焊接可以分為頂蓋立焊和頂蓋側(cè)焊兩種工藝。

常規(guī)刀片電池頂蓋采用的是側(cè)邊焊接，焊接方式為分段焊接，通過單個激光器分段焊接長短邊或通過配置兩個激光器，分別同時焊接長短邊實現(xiàn)滿焊。然而，此種焊接方式雖然控制簡單，但效率低下、成本過高，難以滿足高效率生產(chǎn)需求。

行業(yè)目前面臨的困境是，雖然側(cè)邊連續(xù)焊接可以顯著提升焊接效率，但是相對于分段焊，其焊接軌跡復(fù)雜，控制難度極大。

刀片電池連續(xù)側(cè)焊示意圖

針對上述技術(shù)難題，深圳中基開發(fā)了以下技術(shù)，解決了刀片電池頂蓋側(cè)邊連續(xù)焊接難題：

1、采用環(huán)形光斑連續(xù)激光光源確保焊縫熔深一致性和穩(wěn)定性；

2、以優(yōu)化激光焊接工藝為基礎(chǔ)，自研“4+1”運動速度與激光能量微分插補控制算法，開發(fā)側(cè)邊連續(xù)焊接控制系統(tǒng)，配合高響應(yīng)性硬件設(shè)備，實現(xiàn)激光能量與運動軌跡高度匹配。

側(cè)邊連續(xù)焊接系統(tǒng)及激光能量匹配算法

從焊接效果來看，焊縫直邊和轉(zhuǎn)角表面均光滑飽滿，焊縫熔深穩(wěn)定，平均焊接速度可達300mm/s以上?；诖?，深圳中基開發(fā)了高速激光連續(xù)側(cè)焊模塊和刀片電池頂蓋高速激光側(cè)邊焊接機，焊接效率較常規(guī)分段焊接機提升3-5倍以上。

側(cè)邊連續(xù)焊接效果

頂蓋激光側(cè)邊連續(xù)焊接裝備

方形電池高速封口焊接技術(shù)“攻關(guān)”

作為國內(nèi)鋰電池制造的主流方向，方形鋁殼電池具有強度高、內(nèi)阻小、壽命長、空間利用率高等特點。目前，常規(guī)尺寸方形鋁殼電池主要采用頂蓋立焊工藝，采用直線電機驅(qū)動，焊接速度達到150-200mm/s，滿足單線產(chǎn)能10-15PPM需求。

然而，隨著電池廠產(chǎn)出效率需求不斷提升，電池裝配線單線效率向20PPM關(guān)口邁進，對頂蓋封口焊接速度和良率提出了更高的要求，焊接速度需提升至300mm/s以上。

如何保證超高速運動狀態(tài)下，激光焊接過程的穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量成為行業(yè)重點研究方向。尤其是在焊接軌跡轉(zhuǎn)角位置，圓角半徑R通常小于5mm，超高速下圓角處向心加速度過大，極易造成鼓包、缺焊等缺陷。

針對上述難點，深圳中基開發(fā)了超高速激光立焊模塊和超高速頂蓋立焊激光焊接專機，設(shè)備效率滿足25PPM以上產(chǎn)能，平均焊接速度達到350mm/s，焊接外觀光滑飽滿，焊縫熔深一致性高，產(chǎn)品良率達到99.6%以上。

?電池頂蓋超高速激光立焊效果圖

在具體實現(xiàn)路徑上：

1、深圳中基通過全面提升電機性能和優(yōu)化機構(gòu)設(shè)計高速運動位置相應(yīng)能力和運行穩(wěn)定性；

2、自研“激光能量-速度自適應(yīng)匹配”控制算法，并開發(fā)了交互式能量-速度匹配軟件，通過算法擬合繪制的曲線達到功率隨速度的實時變化，實現(xiàn)了焊接全過程激光能量均勻輸出；3、開發(fā)了環(huán)形光斑激光封口焊接工藝，最大限度提升激光焊接過程穩(wěn)定性。

頂蓋立焊激光焊接裝備

持續(xù)創(chuàng)新 重視激光技術(shù)研發(fā)

實現(xiàn)上述激光焊接工藝與裝備的創(chuàng)新，源于深圳中基對于鋰電裝備領(lǐng)域激光應(yīng)用的高度重視。

據(jù)悉，為滿足新能源電池生產(chǎn)設(shè)備對于激光加工技術(shù)的重要訴求，深圳中基組建了以光學(xué)博士領(lǐng)銜的高素質(zhì)高水平激光技術(shù)研發(fā)團隊，并建立了800㎡激光和視覺研發(fā)實驗室，配備各類激光研發(fā)與試驗設(shè)備價值1000萬+。

目前，深圳中基已形成了激光裝備與控制軟件開發(fā)、模擬仿真分析、激光加工工藝研發(fā)、樣品分析測試等全面的激光技術(shù)研發(fā)能力，成為公司激光技術(shù)在鋰/鈉離子電池自動化裝備上的重要“利器”。

激光實驗室與自主開發(fā)激光裝備和軟件

綜上，深圳中基將基于在新能源電池激光焊接技術(shù)的突破，結(jié)合其在中段裝配自動化整線技術(shù)，進一步在產(chǎn)品矩陣及創(chuàng)新技術(shù)方面提升盈利能力價值，為客戶提供較全面的自動化生產(chǎn)裝備解決方案，充分擁抱動力及儲能兩大超級賽道。