锂电池激光焊接机结构

锂电池激光焊接机结构图及技术解析

一、设备概述

锂电池激光焊接机是专用于锂电池极耳、壳体、密封钉等关键部位高精度焊接的自动化设备，其核心通过激光束实现非接触式焊接，具有热影响区小、焊速快、良品率高等优势。以下结合结构图解析其核心模块组成及功能。

二、主要结构模块详解

1. 激光发生器系统

– 光纤激光器：常用1μm波长光纤激光源（如500W-6kW），光束质量优，适配铜、铝等高反材料。

– 冷却单元：集成水冷机（温度精度±1℃），确保激光输出稳定性。

– 安全防护：配备红光指示器与急停开关，符合Class 1激光安全标准。

2. 光束传输与聚焦系统

– 扩束镜：调整光束直径，降低发散角。

– 振镜扫描头：高速XY轴振镜（速度≥10m/s），配合F-theta透镜实现多轨迹焊接。

– 准直镜组：确保光束平行度，焦点位置可调（0.1mm精度）。

3. 焊接工作台

– 三维运动平台：伺服电机驱动，重复定位精度±5μm，承载电池模组（最大200kg）。

– 夹具系统：气动/电动夹持，带压力传感器（0-50N可调），适应18650/方形/软包电池。

– 视觉定位：CCD相机（500万像素）+红外测温，实时纠偏（±0.02mm）。

4. 过程监控系统

– 等离子体监测：检测焊接溅射，触发参数自适应调整。

– 焊缝检测：线激光扫描仪测量熔深（0-2mm范围），不良品自动分拣。

5. 辅助系统

– 除尘装置：负压抽吸+HEPA过滤（效率99.97%），处理焊接烟尘。

– 屏蔽气路：氩气/氮气保护（流量0-20L/min），防止金属氧化。

三、典型焊接工艺参数

| 焊接部位| 激光功率 | 脉宽| 频率 | 保护气体 |

||-|–|-|-|

| 铝极耳 | 800W | 5ms | 200Hz | 氩气 |

| 钢壳体密封 | 3kW| CW模式 | – | 氮气 |

四、技术优势

1. 高兼容性：通过更换夹具与程序可焊接不同电芯型号（如4680圆柱电池）。

2. 智能闭环控制：基于Pyrometer实时温度反馈，动态调节功率（响应时间<10ms）。 3. 低能耗设计：比传统弧焊节能40%，电光转换效率>30%。

五、应用场景

– 动力电池：特斯拉4680电池组Busbar焊接

– 储能电池：方壳电池盖板气密性焊接

– 3C电池：聚合物电池极耳多点点焊

结语

该设备通过模块化设计实现高柔性生产，未来将向多激光协同焊接、AI工艺优化方向发展。结构图中的子系统协同作业，体现了精密机械、光学、自动化的深度集成。

（注：实际结构图需标注各组件尺寸、接口尺寸及关键公差信息，此处为文字描述框架。）

锂电池激光焊接机结构原理

一、概述

锂电池激光焊接机是一种利用高能量激光束对锂电池极耳、壳体、密封钉等部件进行精密焊接的专用设备。其核心优势在于非接触加工、热影响区小、焊接速度快、精度高（可达微米级），尤其适用于高导电性材料（如铜、铝）和异种金属的连接，满足动力电池对高安全性与一致性的要求。

二、设备核心结构

1. 激光发生器系统

– 光纤激光器：主流选择（如IPG YLS系列），波长1070nm，功率1-6kW连续可调，电光转换效率＞30%，光束质量（M²＜1.1）。

– 脉冲激光器：用于薄片焊接（如电池极耳），脉宽0.1-20ms，频率1-500Hz可调。

– 冷却系统：闭环水冷机，控温精度±0.5℃，确保激光输出稳定性。

2. 光学传输系统

– QBH光纤接口：低损耗传输，弯曲半径＞150mm。

– 振镜扫描系统：采用Galvo电机，扫描速度达10m/s，配合F-theta透镜实现动态聚焦（焦距误差＜5μm）。

– 准直聚焦模块：准直镜焦距100-150mm，聚焦镜焦距80-200mm，光斑直径20-100μm可调。

3. 运动控制系统

– 多轴联动平台：XYZ三轴直线电机（重复定位精度±1μm）+双轴旋转台（±0.01°），搭配EtherCAT总线控制。

– 视觉定位系统：500万像素CCD相机，搭配Halcon算法实现特征点识别（精度±5μm）。

4. 焊接辅助系统

– 保护气路：氩气/氮气闭环控制，流量10-20L/min，纯度99.999%。

– 实时监测：Pyrometer红外测温（300-1500℃范围，采样率1kHz）+等离子体传感器。

5. 电池专用夹具

– 气动夹持机构（压力0.2-0.5MPa）+陶瓷定位块，适应18650/21700/软包电池的快速换型。

三、工作原理

1. 激光-材料相互作用

激光束通过多光子吸收效应在金属表面形成匙孔（Keyhole），深宽比可达10:1。铝材吸收率约8%（1064nm波长时），需采用蓝光激光（450nm）或表面处理提升吸收率。

2. 焊接模式选择

– 连续焊：用于壳体密封（速度80-120mm/s，熔深0.3-1.2mm）。

– 脉冲焊：极耳焊接（单点能量5-20J，重叠率30-50%）。

– 摆动焊：铜铝异种金属连接，采用∞字形轨迹（振幅0.2-0.5mm）。

3. 工艺控制要点

– 铝焊接需前倾5-15°避免反射损伤光学元件。

– 铜焊接采用高频调制（20-50kHz）抑制飞溅。

– 层叠极片焊接需压力控制（50-100N）确保层间接触。

四、关键技术指标

– 焊接良率：≥99.9%（通过在线AOI检测）

– 熔深一致性：CV值＜3%（CPK＞1.67）

– 电阻增量：＜5μΩ（铜-铜焊接）

– 气密性：氦检漏率＜1×10⁻⁹ Pa·m³/s

五、发展趋势

1. 复合焊接技术：激光-MIG复合焊解决5系铝合金裂纹问题。

2. 智能闭环控制：基于深度学习的熔池动态调节（如通快BrightLine Weld技术）。

3. 超快激光应用：皮秒激光用于集流体焊接，热输入降低90%。

该设备通过精密光机电一体化设计，实现锂电池焊接的“零缺陷”制造，是动力电池产线不可或缺的核心装备。随着4680大圆柱电池的普及，对激光焊接的穿透深度（需达8mm）和效率（≥200PPM）提出更高要求。

锂电池激光焊接机结构组成

锂电池激光焊接机是一种高精度、高效率的自动化设备，广泛应用于锂电池的电芯、极耳、壳体、盖板等关键部件的焊接。其结构组成主要包括激光发生器、光学系统、机械运动系统、控制系统、冷却系统、辅助系统及安全防护系统等。以下对各部分进行详细说明：

1. 激光发生器

激光发生器是焊接机的核心部件，负责产生高能量密度的激光束。常见的激光器类型包括：

– 光纤激光器：波长1064nm，光束质量好、效率高，适用于薄板材料的精密焊接。

– Nd:YAG激光器：适用于高反射材料（如铝、铜）的焊接。

– 半导体激光器：能量转换效率高，但功率较低，多用于小型电池焊接。

激光器的功率范围通常为50W-1000W，根据电池材料（如铜、铝、不锈钢）和厚度选择适配功率。

2. 光学系统

光学系统用于引导和聚焦激光束，确保能量精准作用于焊接部位，主要包括：

– 扩束镜：调整激光束直径，改善光束质量。

– 反射镜：改变激光路径，通常采用高反射率的镀金或镀介质膜镜片。

– 聚焦镜：将激光束聚焦到微米级光斑（常用焦距100-200mm），提升能量密度。

– 振镜系统（选配）：通过高速振镜实现多轴动态扫描，适用于复杂轨迹焊接。

部分设备配备同轴视觉系统（CCD摄像头），实时监控焊接位置并进行纠偏。

3. 机械运动系统

负责工件的定位和运动控制，确保焊接精度，通常由以下模块组成：

– 工作台：多采用伺服电机驱动的XYZ三轴线性模组，重复定位精度可达±0.01mm。

– 夹具：定制化设计，用于固定电池电芯、极耳等工件，避免热变形。

– 旋转轴（选配）：用于圆柱形电池壳体的环缝焊接。

高精度导轨、滚珠丝杠和减速机构是运动系统的关键部件。

4. 控制系统

集成软硬件，协调各部件运行：

– PLC/工控机：执行焊接程序，控制运动轨迹和激光参数。

– 人机界面（HMI）：触摸屏操作，可设置功率、速度、脉冲频率等参数。

– 实时监测模块：通过红外测温或光电传感器检测焊接质量，反馈调节参数。

部分高端设备支持AI算法，自动优化焊接工艺。

5. 冷却系统

激光器和光学元件长时间工作会产生高热，需通过冷却维持稳定性：

– 水冷机：循环去离子水冷却激光器，控温精度±1℃。

– 风冷模块：辅助冷却光学镜片和电子元件。

冷却系统通常配备流量报警和温度保护功能。

6. 辅助系统

– 除尘装置：抽吸焊接产生的金属蒸气与飞溅物，保持工作环境清洁。

– 保护气体系统：通过喷嘴吹送氩气或氮气，防止焊缝氧化（尤其针对铝材）。

– 自动上料机构（选配）：与生产线对接，实现连续化生产。

7. 安全防护系统

– 激光防护罩：封闭工作区域，防止激光辐射泄漏。

– 急停按钮：突发情况下快速切断电源。

– 光栅传感器：检测人员靠近时自动暂停激光输出。

符合CE或GB7247.1激光安全标准。

总结

锂电池激光焊接机的结构设计以高精度、高稳定性和自动化为目标，各系统协同工作以满足动力电池、消费类电池等不同场景的焊接需求。随着技术发展，智能化（如视觉引导、数字孪生）和模块化设计正成为行业趋势。