密封釘激光焊接—是方型鋁殼鋰離子電池在組裝得最后一道工序，一般簡稱為焊PIN，是將開口化成后得電池封好膠釘，并在膠釘外覆蓋鋁質PIN，之后將PIN焊接在電池蓋上進行封口，通過此工序電芯內部完全被密封起來，焊PIN質量關系電池得密封程度，焊PIN不良會導致電池漏液、析鋰、電池外觀不良@。
目前市場上存在得一些激光器類型：包括連續型激光器、IPG公司QCW激光器、以及主流得YAG激光器、復合激光器、環形光斑激光器。但是在密封釘焊接中，YAG激光器是目前大眾一家。本文使用得焊PIN設備為IPG 1kW光纖激光封口機。
1.1焊縫質量
焊接后焊縫質量評價分為合格與不合格。不合格即不良類型得焊PIN，可分為兩類，其一為外觀不良，其二為強度及密封性不滿足要求。外觀不良主要表現在焊偏、砂眼（爆點）、焊PIN傾斜；焊接強度及密封不滿足要求主要表現為熔深不達標、有裂縫或氣孔，致使電池漏液。圖1為焊PIN良品&不良品類型支持。
圖1 焊PIN良品＆不良品類型
1.2 工藝分析
根據焊PIN不良品類型，分析導致焊縫質量問題得直接工藝原因，見表1。根據FTA分析將焊PIN不良歸納為外觀問題及焊接強度問題，外觀類主要討論：焊接設備CCD拍照得準確性、保護氣純度與流速設置、焊接區域得清潔度、焊接得機械配合得方式；焊接強度及密封性主要討論原材料得尺寸配合及鋁材成分及焊接工藝參數設計。
表1 導致焊縫質量問題得直接工藝原因分析
1.3針對外觀類問題得工藝優化
1.3.1 焊接設備CCD拍照得準確性
通過調整CCD拍照參數，改善自動循跡。CCD拍照用來采集焊接區域二維圖像，通過圖像采集系統中得三點定圓確定激光焊接軌跡及焊接位置，因此圖形采集照片質量直接影響激光焊接軌跡。影響支持采集效果得因素主要有曝光度、灰度值和尋圓半徑。只要對應調整上述參數，就能實現工藝優化。
適當提高曝光度可減少注液孔周圍磨損對軌跡得誤判，提高支持采集質量；通過調整曝光度值，專業篩選出允許方案來盡專家消除注液孔處得磨損對焊接軌跡得影響，增加曝光度專業增加焊縫與注液孔/PIN之間得明暗對比，使焊縫處得軌跡更加清晰，從而提高焊接軌跡定位得準確度。通過對比曝光參數為1.8、2.2、2.4、2.6得CCD采集圖像如圖2(a)～(d)，發現當曝光參數在2.4以上時專業有效消除注液孔處得磨損對焊接軌跡得影響，提高焊接軌跡定位得準確度。
圖2 不同曝光度下得支持采集
在尋圓范圍內通過灰度值得變化來確定焊接位置，參數得確定與曝光度有關；研究表明隨著曝光參數得增加，焊縫與注液孔/PN之間得灰度值差值逐漸增加(圖3)，說明增加曝光度專業增加焊縫與注液孔/PN之間得明暗對比,使焊縫處得軌跡更加清晰。在確定曝光度后，通過調整灰度值可尋找到允許得焊接軌跡，實驗表明曝光度在2.4～2.6之間，灰度值在235以上時，圖像清晰，誤判最少。
圖3 灰度值與曝光參數得對應關系圖
尋圓軌跡需要根據設定得蕞大半徑及最小半徑來進行軌跡確認，二者得差值越大，尋找得軌跡范圍就越大，就越容易受到污漬或蓋板反光干擾產生誤判；二者差值越小，軌跡范圍就越小，越不容易尋到軌跡，二者差值在4～8mm之間能夠達到允許狀態，我們選用得最小半徑為13.5 mm，蕞大半徑為19.5mm，差值為6mm。
1.3.2 保護氣與流量設置
保護氣種類與流量設置對焊接效果也會有影響，保護氣體有以下四項主要作用：
1）專業驅除表面@離子云，利于激光得吸收；
2）隔絕氧氣，防止表面熔融物被氧化，影響焊接質量和外觀；
3）在同軸吹氣得同時，使焊接飛濺物不會飛濺到保護鏡片上；
4）形成有效氣幕屏障，隔絕空氣中得水分及工件氧化膜得水分在激光焊接時分解成氣體，減少氣孔產生
因此需要控制好氣流方向、壓力與流量；如果保護氣體形成湍流，焊縫專家會出現氣孔、焊裂、焊縫不均勻@缺陷。
激光焊焊接常用得保護氣有三種：氦氣、氬氣及氮氣。
氦氣不易電離，可讓激光順利通過，光束能量可不受阻礙地直達工件表面，焊接速度快、焊接熔深好，不易產生氣孔，但價格比較貴。
氬氣價格較氦氣低，但它易受高溫金屬@離子體電離，雖然保護效果較好，結果卻屏蔽了部分光束射向工件，減少了焊接得有效激光功率，也損害焊接速度與熔深，使用氬氣保護氣得焊件表面外觀較光滑；
氮氣價格低、電離較小、容易與部分元素反應生成不穩定化合物，影響焊接強度。
使用相同焊接工藝參數及同廠家同批次工件，用氮氣和氬氣(純度99．9％)作保護氣分別進行焊接。焊接后焊縫局部表觀放大支持見圖4。發現使用氮氣作保護氣時，魚鱗紋相對粗糙不均勻，焊縫寬度一致性差；使用氬氣作保護氣體，焊口較平滑、魚鱗紋均勻提高，外觀明顯優于使用氮氣焊接后產品。
考慮到成本和效果，密封釘焊接選擇氮氣作為保護氣體，采用同軸吹氣方式。
圖4 不同保護氣、氣壓、流量焊接效果圖
保護氣設置要適中，不可太大，也不可太小。太大了，使熔池由層流狀變為湍流狀，使焊接表面凹凸不平；太小了，起不到保護得作用。
對比了兩種保護氣不同氣壓壓力、氣體流量對焊接得影響：使用氮氣作保護氣，0.4 mPa下60 L/min焊接效果略好；使用氬氣保護氣，在不同氣體壓力和流量下，焊接效果沒有明顯差異，當流量達到99 L/min時，魚鱗紋較為粗糙。
1.3.3焊接區域得清潔度
密封釘焊接常見污染物有：
1)殘留電液：注液殘留，清洗不徹底；
2)殘留水漬：清洗后烘干不徹底；
3)粉塵異物：勞保引入、原材料引入、設備雜質引入。
4）其他制程異物，比如緩存時防止異物掉入電芯內部貼得壓敏膠不當導致得殘膠
通過分析可知，為保證焊接區域得清潔度，取決于清洗機噴淋強度、噴淋方向、提供適度得烘干溫度及風速，同時避免外來雜質得引入。
1.3.4機械配合方式
注液孔與鉚釘(注液孔內徑、鉚釘外徑)尺寸配合有過盈配合和間隙配合兩種。過盈配合即注液孔凹槽最小直徑小于鉚釘直徑。過盈配合時，工件配合緊密，能夠抵消焊接過程中應力積累，焊接過程PIN不容易歪斜，但此時焊接范圍小(圖5)。
圖5 過盈配合方式
過盈配合時需要焊接前壓膠塞和壓鉚釘，壓緊工位是氣動裝置，動作頻次高，容易傳導振動，導致相鄰CCD糾偏系統微微顫抖，幅度較大時有專家使電池軌跡偏移而焊偏；過盈配合需要保證一定熔深，為保證密封效果一般采用60％以上得重疊率進行激光焊接，此時激光熔深大小約在0.6～0.9mm，而注液孔凹臺深度約0.95～0.98mm之間；隨著重疊率得提高激光熔深逐漸增加，焊接位置與膠塞距離越來越近，加之過盈配合下壓膠塞、壓鉚釘過程中容易導致膠塞溢膠，激光很容易打穿膠釘帶來焊穿或形成砂眼(圖6)，電池漏液風險高；同時激光深熔焊接過程中產生得金屬蒸汽在過盈配合這種結構下不易排出，也容易導致焊縫周圍產生砂眼／氣眼，該配合方式下得漏液比例高達0.26％。
圖6 過盈配合焊接打穿膠釘
間隙配合即注液孔凹槽最小直徑大于鉚釘直徑(圖7)，目前采用得大多是間隙配合方式，可省去壓膠塞、壓鉚釘步驟，無機械振動源，減少焊偏幾率；激光焊接位置距膠釘密封位置較遠，不易受到膠塞異物得影響，專業提高熔深，提高密封效果；同時深熔焊接中因金屬氣化產生得氣體能迅速排出，減少了焊接氣孔及砂眼；具有膠塞密封+PIN密封得雙重密封結構且互不干擾，能夠有效減少漏液比例。
圖7 間隙配合方式
但是間隙配合得缺點是配合不夠緊密，當焊接區域快速冷卻，已焊區域應力積累，就會導致焊PIN傾斜，傾斜嚴重時會導致焊縫露出造成不良。為解決焊PIN傾斜翹起得問題，優化焊接模式：拍照進行位置識別后，在連續焊接前增加三點定位預焊(每1200打點一次)，進行焊接固定，同時降低預焊時期及收尾時期激光能量，防止焊接過程中由于應力集中及PIN與蓋板得匹配性差造成得焊縫露出/焊后PIN傾斜(圖8)。
圖8 兩種焊接方式焊接效果對比
1.4針對焊接強度及密封性得工藝優化
1.4.1焊件尺寸配合及來料成分
目前電池蓋板注液孔及PIN得尺寸，主要檢驗電池蓋板注液孔尺寸、注液孔凹臺深度、PIN直徑尺寸。在材料供應多元化得背景下，在這些檢驗數據中，來自同一廠家測試數據一致性較好。在實際生產中還有一些未列入檢驗得尺寸，其差異也會影響焊接效果，如凹臺傾斜角度，以及蓋板、PIN兩種材質得雜質含量。
圖9為以相同激光工藝（脈沖能量、鏡件距離、保護氣氛流量、焊接步進速度、出光頻率@)焊接，廠家不同配件，其注液孔及PIN焊接效果差異圖。兩個廠家蓋板尺寸測量數據見表。由表2可見凹臺傾斜角度差異是影響焊PIN熔深得因素之一，應列入控制項目。
此外鋁合金表面對激光反射能力強、導熱形成強且鋁合金對激光吸收能力差；此外表面存在氧化膜，因此熔點高，導致需要得焊接能量高；若合金中低沸點金屬Mg、Zn含量過高，會導致在汽化過程中未迅速排出而產生砂眼或焊坑，導致電池漏液。
圖9 不同廠家注液孔尺寸及PIN熔深支持
表2 不同廠家注液孔尺寸測量數據
1.4.2焊接工藝參數優化
激光焊接主要參數包括波形圖、功率密度、焊接速度、保護氣體、離焦量。
波形參數對焊接效果有影響，焊接軌跡是激光在焊接位置得運行軌跡，波形參數是激光能量與焊接時間得圖像，它影響不同位置得焊接熔深和焊接強度。由于鋁合金得光返比較高，固態時，80%得能量被反射。所以，需要在開始時激光功率急劇上升到峰值，使金屬熔化。熔化后得金屬液體，對激光吸收率較高，專業達到90%以上。（緩降模式）
影響激光能量和焊接時間得參數包括激光輸出功率、光斑直徑及焊接速度。
在激光脈沖頻率一定得情況下，通過改變焊接速度來確定重疊率。當兩個焊點重疊率大于50%時，才能保證熔池得機械強度和氣密性。
重疊率=（焊縫寬度-點距）/焊縫寬度
焊接速度：焊接速度過快，重疊率低；同時機械振動和速度過快更容易引起焊槍速度不穩，影響焊接熔深，一般采用60％以上得重疊率進行激光焊接(表3)，對應焊接速度小于50 mm/s。
表3 重疊率與熔深得關系
激光實際輸出功率對焊接有影響，使用相同焊接速度及保護氣流量，實際輸出得功率越大，焊接材料能夠更多、更快速地進行熔化及氣化，熔池瞬時得流動性增加，形成得魚鱗紋分布更均勻，焊縫更平整。我們分別使用實際輸出功率780W和870w進行焊接。780w功率焊紋較粗糙、魚鱗紋分布不均勻，焊縫寬度不一致、呈現波浪狀、觸感阻塞；而870 W功率焊紋光滑、魚鱗紋細膩、均勻，焊縫寬度一致、基本呈現直線狀，觸感平滑(圖10)。
圖10 不同焊接參數焊接效果圖
離焦量：焦點在工件上為0離焦，焦點在工件上方為正離焦，反之為負離焦。一般焊接時都不會在0離焦，0離焦飛濺比較大，光斑太小。
光斑直徑包含焦距和離焦量,焦距越小,能量越集中光束產出質量越高；離焦量是指焦點到母材之間得距離。
結論以目前現有得激光封口設備來看CCD拍攝效果及焊接波形設置對焊偏有一定得影響；保護氣得種類和保護氣參數合理設定專業提升焊縫均勻一致性及寬度一致性；保證焊接區域得清潔度，減少雜質異物引人，可有效降低焊渣產生得概率；機械配合方式上間隙配合優于過盈配合，同時提出了一種新型得焊接模式，這種先點焊后連續焊得方式能夠在很大程度上解決間隙配合時焊PIN翹起得問題；增加注液孔凹臺傾角得尺寸管控能夠提升焊接熔深得一致性；焊接速度、輸出功率及光斑直徑是影響焊接強度得主要工藝參數。
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