张文燕1 李可2
1. 上海君屹工业自动化股份有限公司 上海 201619；
2. 华东师范大学 上海 200241
摘 要 新能源动力电池模组外壳焊接是新能源电池模组装配工艺中的关键工艺，焊接质量的优劣将直接决定产品的整体质量。本系统用于新能源电池模组的端板与侧板之间的激光焊接，通过研发工业机器人系统、激光焊接系统、机器视觉系统、柔性高精度模组定位系统，实现了设备对不同型号的动力电池模组高精度定位、自主装配、模组型号智能识别、焊接参数自动获取、焊缝位置自主识别、焊接位置实时调整、焊缝质量实时监控等功能，充分发挥了设备的智能化优势，推动了新能源电池设备的发展。
关键词 动力电池；激光发生器；侧板焊接；机器视觉；柔性高精度
Research and Development of Laser Welding Intelligent Equipment for New Energy Vehicle Power Battery Side Plate Zhang Wen-yan1, Li Ke2
1. Shanghai Junyi Industrial Automation Co., Ltd., Shanghai 201619, China
2. East China Normal University, Shanghai 200241, China
Abstract Shell welding of new energy power battery module is a key process in the assembly process of new energy battery module, and the welding quality will directly determine the overall quality of the product. This system is used for laser welding between the end plate and side plate of new energy battery module, through the research and development of industrial robot system, laser welding system, machine vision system, flexible high-precision module positioning system, the equipment realizes the high-precision positioning, independent assembly, module model intelligent identification, welding parameters automatic acquisition, weld position independent identification, welding position real-time adjustment, weld quality real-time monitoring and other functions for different types of power battery modules, gives full play to the intelligent advantages of the equipment, and promotes the development of new energy battery equipment.
Key words power battery; laser generator; side plate welding; machine vision; flexibility and high-precision
引言
随着新能源汽车的蓬勃发展和动力电池的扩产直接推动了电池装备系统的快速发展。激光加工技术因其
自身的技术优势，在锂电池行业的电芯和模组等激光焊接发挥着日益重要的作用[1]。目前国内外将机器人激光焊接技术主要用于汽车制造，对于动力电池的应用较少。因此将基于机器人技术的激光焊接加工工艺等新技术应用于新能源汽车的动力电池制造显得尤为迫切。基于机器人技术的激光焊接既能满足动力电池加工过程中的各项严苛要求，契合我国新能源汽车快速发展的节奏，又能够更好满足动力电池的稳定性、安全性的要求。
1 激光焊接设备总体设计
根据动力电池侧板焊接工艺的要求，需要将端板和侧板紧密地贴合在一起并进行焊接。如图1所示，端部和侧板需要通过机器人进行上料，并使用专用设备进行定位，采用6kW激光焊
新能源汽车电池接机实现端板和侧板的自动焊接。
图1 动力电池模组示意图
动力电池生产线除了对制造精度要求高以外，还要求有较高的自动化、智能化。根据动力电池的产品多样性的特点，需要把不同型号的电池模组的电芯、端板、各类长度的侧板等进行自动配组和装配，并自动进行侧板与端板之间的激光焊接及检测。该装备通过机器人实现柔性装配，通过输送带实现各工位之间的物料快速、准确、稳定传输，利用MES和传感器系统实现各生产数据的实时采集，生产状态的实时监控，从而达到高合格率和高生产效率的高标准要求。
本装备主要包含：工业机器人系统、MES系统、柔性高精度模组定位系统，机器视觉系统，激光焊接系统。在此设备中工业机器人系统和定位工装系统在MES系统的协调指挥下，实现对不同类型的动力电池模组的高精度定位、自主装配，型号智能识别，焊接参数自动调取，焊缝位置自主识别，焊接位置实时调整，焊缝质量实时监控、生产状态自动上传等功能。充分发挥了智能设备的优势，自动化率达到了100%。
模组的侧板的焊接质量直接影响着电池的合格率，如果焊接不合格会造成电池耐压性不够或者密封性不达标，会直接影响到电池的安全性，因此侧板激光焊接装备是动力电池模组生产线中的关键工位之一，该设备设计效果图如图2
所示。
图2 侧板激光焊接设备示意图
2 工业机器人系统
侧板激光焊接装备研发采用工业机器人系统IRB6700-200/2.6，（图3），由于该工业机器人具有高度柔性化，高精度等特点，能够满足对动力电池模组的精密焊接，焊接重复定位精度达到±0.05mm，能够实现对动力电池铝壳体360°全方位
焊接需求。
图3 工业机器人系统
3 激光焊接系统
由于激光焊接技术具有工件的热影响区较小，焊缝小，焊接尺寸精度高；焊接方式属于非接触性焊接，无需加外力，产品变形小；焊接质量高；效率高，易于实现智能化生产等优点[2-3]。
侧板激光焊接装备研发配置6kW激光接系统（图4）采用全铝激光焊接技术，实现对动力电池模组铝外壳的封装焊接，采用的激光稳定性好，激光输入功率与输出功率波动≤50W，保证了焊接的高速、平稳、安全可靠。针对动力电池模组传统焊接技术存在的诸多问题，采用高精度的激光焊接代替以往的CMT焊接，实现了焊接强度高、焊接速度快，产品变形小，焊缝尺寸稳定目的，焊接后无须后续工序处理，焊缝强度、韧性相当于甚至超过母材。
激光焊接头采用D30摆动激光焊接头，该激光焊接头最大承受功率为6kW，具有激光束摆动和焊缝追踪功能，能够提供圆形，一字型，八字形等多种搬动方式，最大频率1kHz，能够
改善焊缝内部和外观质量。
图4 激光焊接系统
图5 激光焊接头系统
4 机器视觉系统
机械视觉系统作为一种智能检测系统，主要通过仿生人类视觉功能，进行客观事务的辨别的技术，它不仅仅的扩展“眼睛”的功能，最主要的还是其综合与决策功能由采集获得的图片，进行一系列处理、分析并加以综合，将结果用于实际定位和测量[4]。本装备主要应用于新能源动力锂电池侧板焊接，焊接节拍要求较高，设备智能化程度高，结构高度复杂，串联机构间的累积误差较大，若只采用机器人带激光头进行焊接，难以保证较高的焊接精度及较高的良品率要求，因此引入机器视觉系统，来实现焊缝的实时采集，实时跟踪和实时调整，满足焊接的高精度、高质量的要求。
侧板激光焊接装备研发了机器视觉系统与工业机器人系统技术，采用0.04mm定位精度的3D机器视觉系统（图6），通过视觉扫描焊缝位置，对焊缝进行扫描或者拍照测距，计算出焊缝的宽度，以及相对的高度差，采集焊缝区域信息生成3D焊缝位置坐标，并能将位置坐标数据传送给机器人，机器人通过焊缝位置坐标，进行激光焊接轨迹的补偿运算，实现机器视觉引导机器人根据实际焊缝位置进行自适应焊接。保证焊接位置的准确性，同时将焊缝间隙大的产品进行排除。
实现轨迹监控下的工业机器人系统和焊接系统的应用，实现机器视觉处理图像并补偿机器人焊接轨迹，有效提高了焊接精度，解决了焊接缺陷导致的产品不良，大幅度提高焊接质量和系统稳定性，使产品合格率从传统CMT焊接的70%提高到99.9%
，大大提高了产品焊接合格率。图6 机器视觉系统
5 柔性高精度模组定位系统
柔性高精度模组定位系统（图7）能够兼容不同长度，不同高度的动力电池模组。各种类型的动力电池模组的组装和焊接工艺能够能实现智能切换，设备实现了完全自动化生产。
图7 高精度柔性模组定位装系统
柔性高精度模组定位系统研究采用伺服电缸通过施加压力的方式实现对模组的长度的控制。伺服电缸在加压过程中通过距离传感器和压力传感器的信号反馈，在保证压紧模组的同时，又能防止模组在加压过程中过压。行业要求模组尺寸公差保证在0.1MM以内的标准，同时考虑到模组兼容长短，所以选择采用滚轮压制的形式，在模组加压时，对模组电芯的极柱和模组顶部也进行加压，放置模组在长度方向加压过程中顶部凸起，保证模组装配要求的平面度。
由于采用伺服压紧系统，设备可以通过压力传感器，自动识别定位状态。实现了兼容多种长度的动力电池模组产品的外壳焊接。通过机器人进行产品的搬运，装载。通过固定扫码识别产品信息，通过MES系统向焊接系统下发的焊接工艺，智能焊接设备自动调用焊接程序进行焊接，焊接状态实时监控，焊接数据实时上传，实现无人化，全自动化智能焊接。
采用双工位模组定位系统，焊接工作站实现了机器人系统对一套模组定位系统进行产品装配，机器人激光焊接系统对另一套模组定位系统内的产品进行激光焊接，实现了焊接工作站持续不间断焊接，大大提高了激光焊接设备和机器人的利用率，可35s生产处一个产品；对比传统设备需100s生产出一个产品，大大提高生产效率。
6 结束语
动力电池侧板激光焊接智能装备针对市场需求和用户要求，通过智能机器人的激光焊接工艺技术的创新性应用，结合柔性工装系统、机器视觉、激光焊接系统等技术的交融创新，突破动力电池装备系统的技术瓶颈，成功开发了新能源动力电池激光焊接装备系统。本项目实现了机器视觉系统与机器人激光焊接系统完美融合，同时在柔性化工装设备的助力下，提升了焊接系统的智能化、柔性化，极大地提升了设备的应用领域，具有较为广阔的应用空间和市场前景。
参考文献
[1] 祁剑明.锂电池激光焊接机自动化生产线中的关键技术研究[J].数码设计,2019(10):166.
[2] SONG D F, HU SH S.MA L. Development of laser-based welding of aluminimum alloy in auto industry[J].Lectric Welding Machine,2007,37(7):1-5.
[3] SANCHEZ-AMAYA J M,DUFFT G. Hot cracking in Al-Mg-Si alloy laser welding-operating parameters and their effects[J]. Materials Science and Engineering,2005,A395(1/2):1-9.
[4] Marom R, Amalraj S F, Leifer N, et al. A review of advanced and practical lithium battery materials[J]. Journal of Materials Chemist ry,2011,21(27):9938-9954.
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