目前，新能源汽車的發(fā)展步入關(guān)鍵時(shí)期，動(dòng)力鋰電池目前產(chǎn)量缺乏，掃描振鏡激光焊接系統(tǒng)焊接速度快，強(qiáng)度高，焊接過程能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確定位，焊接過程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，振鏡系統(tǒng)安裝在機(jī)械手上，可實(shí)現(xiàn)靈活的遠(yuǎn)程焊接，具有較大的空間自由度，在焊接電池模組、電芯軟連接片、電池防爆閥等工序上都有應(yīng)用。

掃描振鏡激光焊接系統(tǒng)

掃描振鏡是一種優(yōu)良的矢量掃描器件，它是一種特殊的擺動(dòng)電機(jī)，基本原理是通電線圈在磁場(chǎng)中出現(xiàn)力矩，但振鏡不能像普通電機(jī)相同旋轉(zhuǎn)，只能偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角與電流成正比，與電流計(jì)相同，不同的是，鏡片取代了表針。

圖1為掃描振鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，該系統(tǒng)重要由激光器、擴(kuò)束鏡、反射鏡、電機(jī)底座、振鏡電機(jī)、X和Y反射鏡、F-THETA聚焦鏡組等幾大部分組成，其中X、Y軸反射鏡反射鏡和F-THETA聚焦鏡為該系統(tǒng)最重要的組成部分。激光束以脈沖或持續(xù)方式入射到振鏡上，兩個(gè)反射鏡可分別沿X、Y軸掃描，用計(jì)算機(jī)控制反射鏡的反射角度，實(shí)現(xiàn)激光束的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)待加工材料進(jìn)行焊接。普通聚焦鏡的焦平面為一曲面，無法保證焊接的均勻性，而F-THETA鏡的焦平面為一平面，該鏡組具有平場(chǎng)聚焦的效果，能在激光束的不同入射角方向（遠(yuǎn)場(chǎng)與近場(chǎng)）上獲得平整焦平面的聚焦效果，故可以使掃描系統(tǒng)的焦平面與待加工的工件表面相重合，能夠保證焊接的均勻性。

小功率激光掃描振鏡系統(tǒng)焊接應(yīng)用

小功率激光掃描振鏡焊接通常指使用1000W激光功率以下的，以Nd-YAG脈沖激光器或光纖激光器作為焊接光源，掃描振鏡作為輸出裝置的激光振鏡焊接系統(tǒng)；具有激光光斑移動(dòng)速度快（3000mm/s），定位精度高（0.001mm），焊接范圍大，無需水冷等特點(diǎn)，在IT、電池制造行業(yè)有大量應(yīng)用，其中18650電池及其模組制造中應(yīng)用最為廣泛，如圖2所示，包括：18650蓋帽防爆閥焊接、蓋帽鋁圈焊接、蓋帽-電芯極耳焊接，模組匯流片焊接等，幾乎18650電池制造的激光焊接都會(huì)采用掃描振鏡激光焊接系統(tǒng)。18650蓋帽-電芯極耳焊接通常是在自動(dòng)化流水線上完成，工件流轉(zhuǎn)到振鏡焊接頭下時(shí)，夾具壓緊工件，振鏡高速完成焊接，焊接時(shí)間僅需不到1秒，大族激光精密焊接事業(yè)部針對(duì)這些應(yīng)用開發(fā)了ST300高速時(shí)間分光激光焊接機(jī)，一臺(tái)ST300激光器可以同時(shí)搭配到幾臺(tái)振鏡焊接系統(tǒng)上，工作時(shí)可由激光器內(nèi)高速振鏡擺動(dòng)將每個(gè)脈沖激光分配輸出到各個(gè)振鏡系統(tǒng)上，充分利用了激光功率，如接到4臺(tái)振鏡系統(tǒng)上，1秒種可以完成4個(gè)以上的電池極耳焊接。圖2.d.中的18650模組匯流板是并聯(lián)模組中數(shù)十到數(shù)百個(gè)電池電極的裝置，通常有薄銅板和薄鎳板組成，要激光將兩者焊接到一起，焊點(diǎn)通常分布在50*30cm或更大的范圍上，使用振鏡系統(tǒng)焊接，激光光束可以以3000mm/s的速度快速在各個(gè)焊點(diǎn)間跳躍，比其他激光焊接方式快數(shù)倍。

a.蓋帽鋁圈焊接b.極耳-蓋帽焊接c.防爆閥焊接d.匯流板焊接

高功率激光振鏡掃描焊接系統(tǒng)

高功率激光振鏡焊接通常采用1000w及以上激光功率的激光器作為焊接激光光源，常搭配4000-6000w光纖激光器，可高速穿透焊接2-3mm鋁及鋁合金。更高的激光功率意味著鏡片要承受更高的熱量，這對(duì)鏡片材料、鏡片的鍍膜、散熱結(jié)構(gòu)、制造工藝和裝配工藝等都提出了極大要求。首先，由于鏡片要承受的功率很高，要鏡片本身具有很強(qiáng)的熱穩(wěn)定性，這就導(dǎo)致了鏡片肖材選擇很單一，無法利用多鐘折射率的肖材組合設(shè)計(jì)，所以高功率平場(chǎng)鏡頭及準(zhǔn)直鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)難度大大提高；其次為了承受更大能量的激光，鍍膜工藝的要求極為嚴(yán)格，要更為專業(yè)的鍍膜設(shè)備及更加合理的膜系；第三，由于激光功率很大，必然帶來系統(tǒng)的溫度升高，系統(tǒng)的冷卻是必須要解決的重中之重，既要確保光學(xué)部件、電器部件的工作溫度保持在合適的范圍內(nèi)，還要保證工作過程中的絕對(duì)可靠性及冷卻線路布置的合理性，水冷系統(tǒng)要反復(fù)試驗(yàn)和設(shè)計(jì)更改最終確認(rèn)最優(yōu)效果。經(jīng)過大量研發(fā)，2015年，大族激光精密焊接事業(yè)部推出了首臺(tái)自主研發(fā)的工業(yè)用高功率激光振鏡加工系統(tǒng)Dragon系列，圖3，Dragon系列適用與6kw及以下光纖激光器加工應(yīng)用，特別適用于動(dòng)力鋰電池模組的激光焊接。

Dragon系列高功率激光振鏡加工系統(tǒng)

高功率激光振鏡系統(tǒng)在動(dòng)力鋰電池制造中應(yīng)用及其特點(diǎn)

目前，新能源汽車的發(fā)展步入關(guān)鍵時(shí)期，動(dòng)力鋰電池目前產(chǎn)量缺乏，掃描振鏡激光焊接系統(tǒng)焊接速度快，強(qiáng)度高，焊接過程能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確定位，焊接過程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，振鏡系統(tǒng)安裝在機(jī)械手上，可實(shí)現(xiàn)靈活的遠(yuǎn)程焊接，具有較大的空間自由度，在焊接電池模組、電芯軟連接片、電池防爆閥等工序上都有應(yīng)用。

靈活的遠(yuǎn)程掃描焊接：高功率激光掃描振鏡系統(tǒng)通常會(huì)搭配焦距較大的F-THETA聚焦鏡頭，焦距通常不低于350mm，掃描范圍大。Dragon系列掃描振鏡加工系統(tǒng)通常搭配焦距達(dá)460mm的F-THETA聚焦鏡頭，焊接范圍達(dá)到220*180mm，在不移動(dòng)掃描振鏡系統(tǒng)的情況下，可在同一夾具中放置多個(gè)的電池頂蓋進(jìn)行電芯軟連接片焊接，焊接位置可通過軟件可視化編寫。安裝在機(jī)械手上的振鏡可以靈活焊接各種尺寸的電池模組，焊接范圍可達(dá)1-2m。圖4，Dragon掃描振鏡加工系統(tǒng)3秒內(nèi)完成了3個(gè)電池蓋板軟連接焊接。

高功率激光掃描振鏡焊接軟連接片

更快的光斑跳轉(zhuǎn)速度：由于掃描振鏡是由鏡片高速偏轉(zhuǎn)，使反射的激光光斑照射到不同位置，光斑運(yùn)動(dòng)速度可以達(dá)到3000mm/s，即從一個(gè)焊接位置跳到另外一個(gè)位置，速度可達(dá)一般的伺服電機(jī)平臺(tái)的10倍以上，極大的提的高了焊接效率，例如：焊接一個(gè)16個(gè)47178電芯的電池模組，32個(gè)電極連接片，在激光光點(diǎn)位置運(yùn)動(dòng)上伺服平臺(tái)要至少14秒，而由安裝在機(jī)械手上的Dragon掃描振鏡系統(tǒng)焊接，設(shè)備在光點(diǎn)位置運(yùn)動(dòng)上只要7秒，更大的模組更能體現(xiàn)其效率差別。

電池模組連接片的焊接

高速穩(wěn)定的焊接復(fù)雜軌跡：關(guān)于絲桿導(dǎo)軌式的伺服電機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)，高速下帶動(dòng)焊接頭運(yùn)動(dòng)復(fù)雜軌跡，在軌跡拐彎，特別是轉(zhuǎn)彎半徑小時(shí)，焊接頭的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)降低，從而造成了焊接過程的速度不穩(wěn)定，影響焊接效果。單振鏡焊接圓弧或其他復(fù)雜軌跡時(shí)就不會(huì)存在這些問題，比如在高功率激光振鏡系統(tǒng)焊接一些電芯軟連接片時(shí)（如圖6），激光可在200-300mm/s的速度下焊接圓形軌跡，一些模組上還會(huì)用到S形軌跡的方式進(jìn)行焊接。

電芯軟連接焊接效果

螺旋線型軌跡：作為高能束焊接，較大的焊縫深寬比是激光焊接的一大特點(diǎn)，但有時(shí)候我們不希望焊縫深寬比過大，例如，在進(jìn)行電池模組連接片焊接時(shí)，通常要焊縫有更大的寬度（以新增載流面積，），降低焊縫深度（以使用更薄的電池極柱，獲得更大的電芯空間。）采用螺旋線形軌跡焊接，通過光斑沿焊接方向高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可以在不改變外光路條件的情況下，獲得不同焊縫的深寬比。圖7顯示了在4000w激光功率下，100mm/s的焊接速度下，不同螺旋線軌跡參數(shù)下焊接獲得的不同焊縫截面效果。

在同一激光功率和焊接速度下，不同螺旋線參數(shù)焊接的效果

大焦距帶來的穩(wěn)定性:由于Dragon系列振鏡搭配的F-THETA鏡頭焦距為460mm，較大的焦距時(shí)其有較大的焦深（3-5mm），即在一定高度范圍內(nèi)焊接，工件都可以獲得穩(wěn)定的熔深，防止了工件高度偏差帶來的熔深不穩(wěn)定，圖8為，兩層1.5mm鋁板穿透焊接，工件在掃描振鏡的不同焦點(diǎn)位置下都能獲得的焊縫熔深、熔寬數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)上可以看出，在+2到-3mm范圍內(nèi)，焊縫熔深、熔寬變化不大。另外鏡頭在500mm以上的工作距離上，鏡頭鏡片不易受焊接飛濺影響，也帶來了更好的焊接穩(wěn)定性。