王秀芳

（ 上海電動工具研究所（集團）有限公司　上海電動工具工程技術(shù)研究中心，上海　200233 ）

充電式工具鋰電池組凸點點焊技術(shù)研究

王秀芳

（ 上海電動工具研究所（集團）有限公司上海電動工具工程技術(shù)研究中心，上海200233 ）

通過充電式工具鋰電池組的生產(chǎn)工藝和不良類別統(tǒng)計，確定凸點點焊重要作用。運用DOE工具，以焊接強度為指標(biāo)，確定在特定壓力下的最優(yōu)焊接參數(shù)；通過焊接強度Cpk分析，驗證最優(yōu)焊接參數(shù)可靠性。

鋰電池組；電阻凸焊；DOE；焊接參數(shù)；焊接強度

0　引言

隨著行業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展和產(chǎn)業(yè)政策引導(dǎo)，充電式工具在電動工具市場的整體比重逐年提升，尤其以鋰電工具的發(fā)展極為迅速。從百得、牧田、博世、TTI等國際工具制造巨頭到國內(nèi)著名的如泉峰、寶時得等企業(yè)在開發(fā)充電式工具新品時都已將鋰離子電池作為其動力源的首選，越來越多的電動工具整機企業(yè)也在逐步跟進。所以，鋰電池組的品質(zhì)保證對電動工具開發(fā)與使用有著至關(guān)重要的意義。本文以此對電動工具鋰電池組凸點點焊技術(shù)作相關(guān)研究和分析。

1　工藝及問題

1.1 電動工具鋰電池組生產(chǎn)工藝

單節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)鋰電池電芯，受電壓和電流規(guī)格的限制以及電動工具要求供電電池需有充放電自動切換及相關(guān)安全二次保護回路的要求，無法直接向電動工具供電，通常需要將多個鋰電芯串聯(lián)及并聯(lián)后方可實現(xiàn)持續(xù)供電的功能。在實際生產(chǎn)過程中，通過金屬連接片將電芯正極或負極進行電阻熔接，以實現(xiàn)串并聯(lián)。同時，為了保護電池組產(chǎn)品回路安全并對電池組在使用中對充放電進行控制，還需要通過保護板來加以測控，所以還需要將連接好的鋰電池組與保護板進行焊接。圖1為通用鋰電池組生產(chǎn)工藝流程，圖2為實物產(chǎn)品形成示意。

圖1 電動工具鋰電池組生產(chǎn)工藝流程

圖2 電動工具鋰電池組產(chǎn)品形成示意

電動工具可充電鋰電池組通常由2節(jié)以上的單節(jié)電芯分別進行并聯(lián)或串聯(lián)后組成，使用鎳帶通過電阻點焊實現(xiàn)各鋰電池單節(jié)電芯的串并聯(lián)。

1.2 不良類別統(tǒng)計分析

作為實現(xiàn)電動工具移動攜帶性的一個關(guān)鍵部件，鋰電池組的品質(zhì)穩(wěn)定性、安全性已經(jīng)成為制造商開發(fā)產(chǎn)品以及消費者選購使用所考慮的重要因素之一。

鋰電池組的生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，生產(chǎn)過程中出現(xiàn)不良品的原因也千差萬別，原材料的質(zhì)量控制不良、點焊不良、焊接不良、組裝不良等都將直接影響成品質(zhì)量。表1和圖3為某公司2011年內(nèi)電動工具電池組發(fā)生的不良成本統(tǒng)計數(shù)據(jù)與分析。

表1　2011年電動工具電池組不良成本數(shù)據(jù)統(tǒng)計

從表1和圖3顯示，雖然點焊不良占總不良品的24%，排名第二；但由于點焊不良極可能造成電芯的報廢，質(zhì)量成本損失較大，所以在不良成本損失中，點焊不良造成的成本損失占總不良成本的60%，排名第一。由此可以看出，電阻點焊作為鋰電池組的生產(chǎn)過程中一道關(guān)鍵工序，其質(zhì)量及穩(wěn)定性將直接影響到整個電池組的質(zhì)量和使用壽命。

2　質(zhì)量與分析

電阻點焊是利用電極壓力在鋰電池電芯和連接鎳片之間形成電阻，焊接電源產(chǎn)生的電流通過時產(chǎn)生熱量，融化電芯的電極和連接鎳片完成焊接過程。通常，影響凸點點焊品質(zhì)的三個主要因素為：焊接電流、通電時間、電極預(yù)壓力，這也是凸點點焊最基本的焊接條件。設(shè)定合理最優(yōu)的焊接條件，并使這些條件參數(shù)保持穩(wěn)定，是獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的重要保證。

2.1 焊接電流

根據(jù)焦耳定律，電阻點焊的過程中產(chǎn)生熱量為Q=I2RT，焊接熱量Q正比于電流I的平方。凸點焊接每一焊點所需要電流比點焊同樣一個平面時小，但在凸點完全壓潰之前電流必須能使凸點熔化。當(dāng)焊接電流較小時，加熱量不足，易造成焊接不牢固或脫焊不良。隨著焊接電流的增加，焊點尺寸迅速擴大，但焊接電流過大，加熱過于強烈，焊點擴展速度大于塑性環(huán)擴展速度時，將會產(chǎn)生嚴重爆焊，及造成爆焊不良。因此，焊接電流的選擇非常重要，應(yīng)以不產(chǎn)生爆焊現(xiàn)象為前提。

2.2 通電時間

根據(jù)焦耳定律可知，焊接熱量Q正比于通電時間T。通電時間的長短同樣直接決定了焊接過程中的產(chǎn)熱量Q。隨著通電時間的加長，產(chǎn)熱量增加，但是并不會馬上產(chǎn)生飛濺，而是在短暫保持焊點強度后開始下降。

2.3 電極預(yù)壓力

預(yù)壓力也是點焊時的重要參數(shù)。預(yù)壓力是在通電前對待焊件施加的壓力，它的作用是清除待焊件之間的異物等，保證待焊件之間的緊密接觸從而產(chǎn)生接觸電阻R。預(yù)壓力過小，則電流密度大較易產(chǎn)生飛濺，焊點強度低；預(yù)壓力過大，則R過小，產(chǎn)生熱量Q不足，從而產(chǎn)生虛焊等不良現(xiàn)象。

3　焊接參數(shù)優(yōu)選

3.1 焊接參數(shù)值

凸點點焊過程中，焊接強度不夠?qū)斐呻姵亟M內(nèi)阻過大，電池?zé)o法正常供電，嚴重的焊接強度不夠，鎳帶脫落，造成電池組功能失效。反之，焊接過度將有可能導(dǎo)致電池芯電極蓋點穿，造成電芯漏液，引起電池組電路短路，甚至造成電池組燃燒或爆炸，直接影響使用者人身安全。

通過Minitab中DOE（Design of Experiment）工具，將焊接電流、焊接時間、焊接加壓力三因素設(shè)定為因子，以試驗的方法為手段，焊接強度為指標(biāo)進行分析，確定最優(yōu)的點焊參數(shù)，以此來提高凸點點焊的質(zhì)量。

試驗焊接對象為厚度0.2mm、凸點高度0.25mm的鎳帶和SDI INR18650-15MM鋰電池電芯，試驗設(shè)備采用米亞基（MIYACHI）焊接電源，使用微型拉力試驗機測試焊接強度（即焊點破壞拉力）。記錄100組鋰電池焊接使用的焊接參數(shù)及焊接強度，收集數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　試驗數(shù)據(jù)

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，通過DOE的分析，在壓力不變的情況下，可以得出當(dāng)前最優(yōu)的正負極點焊參數(shù)，如圖4、圖5所示：

圖4 電芯正極最優(yōu)點焊參數(shù)

圖5 電芯負極最優(yōu)點焊參數(shù)

圖示可見，最優(yōu)的點焊參數(shù)D=1時，理論上此參數(shù)下點焊10000個產(chǎn)品的拉力強度合格率應(yīng)該達到100%。從以上分析可知，在該焊接壓力條件下通過DOE方法得到的焊接電流和時間參數(shù)即當(dāng)前最優(yōu)焊接參數(shù)。

3.2 最優(yōu)點焊參數(shù)驗證

利用實驗數(shù)據(jù)作電芯正極、負極強度分布如圖6和7所示，作焊接參數(shù)和焊點強度關(guān)系如圖8和圖9所示。

圖6 電芯正極分布

圖7 電芯負極分布

如圖6所示，當(dāng)電流為2.7kA，時間為2.3ms時，點焊拉力強度大于148N，與圖4電芯正極最優(yōu)點焊參數(shù)所示符合（D=1時，最大點焊拉力強度為149.4N）；如圖7所示，當(dāng)電流為2.3kA，時間為2.7ms時，點焊拉力強度大于147.5N，與圖5電芯負極最優(yōu)點焊參數(shù)所示符合（D=1時，最大點焊拉力強度為149.9N）。

圖8 電芯正極關(guān)系

圖9 電芯負極關(guān)系

從圖8電芯正極關(guān)系中可以看出，當(dāng)電流為2.7kA，時間為2.3ms時，點焊拉力強度最大，所以電流為2.7kA，時間為2.3ms是電芯正極點焊參數(shù)的最優(yōu)參數(shù)；從圖9電芯負極關(guān)系可以看出，當(dāng)電流為2.3kA，時間為2.7ms時，點焊拉力強度最大，所以電流為2.3kA，時間為2.7ms是電芯負極點焊參數(shù)的最優(yōu)參數(shù)。

3.3 拉力強度分析

將DOE分析得出的最優(yōu)點焊參數(shù)設(shè)定點焊機，對點焊完成的電池組的拉力強度數(shù)據(jù)進行過程能力分析（Cpk），得到圖10和圖11。如上圖所示，得到的過程能力指數(shù)Cpk均大于1.33。由此說明，該點焊參數(shù)為最優(yōu)點焊參數(shù)。

圖10 電芯正極拉力強度Cpk分析

圖11 電芯負極拉力強度Cpk分析

4　結(jié)論

本文以鋰電池組生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)不良類別統(tǒng)計為基礎(chǔ)，確定了凸點點焊在鋰電池組生產(chǎn)過程中的重要地位。通過DOE分析的方法，找到最優(yōu)化的焊接參數(shù)，使用關(guān)系圖和分布圖初步驗證了最優(yōu)參數(shù)。最后通過焊接強度Cpk分析，確定了最優(yōu)焊接參數(shù)的可行性和可靠性。

［1］中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會. 電阻焊理論與實踐［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1994.

［2］謝冬生. 筆記本鋰離子電池組凸焊統(tǒng)計質(zhì)量控制研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2005.

Research on Projection Welding for Lithium Batteries of Rechargeable Tools

Wang Xiufang
SETRI （Group） Co.， Ltd. Shanghai Electric Tools Engineering Center， Shanghai 200233， China

Through the analysis of the production technology of lithium batteries and unqualified type in production process， this thesis confirms the importance of resistance welding during the producing of lithium batteries. By using DOE tools and taking the welding strength as target， the optimal welding parameters at a particular pressure is found. Finally， the optimal welding parameters are verified by welding strength CPK analysis.

Lithium batteries；Resistance projection welding； DOE； welding parameters；Welding strength

TG40 文獻識別碼：A

1674-2796（2016）03-0002-05

2016-04-02

王秀芳（1980—），女，大學(xué)專科，主要從事鋰電池質(zhì)量體系和現(xiàn)場質(zhì)量管理工作。