电阻焊与激光焊技术在手机锂电池制造工艺中的应用与发展

周志华

（江苏联合职业技术学院 无锡交通分院，无锡 214151）

0 引言

手机锂电池制造过程涉及的焊接技术十分广泛，如：钎焊、超声波焊、电阻焊和激光焊等。焊接方法与工艺的合理选用，不仅直接影响电池的质量可靠性与使用安全性，还决定着电池的生产成本。

目前，手机锂电池正不断向大容量、快速充电、长寿命和高安全性方向发展，对其制造过程中的焊接技术也提出了新的要求。主要问题是要针对电池装配与焊接过程的较高精度要求，解决不同材料、薄片和小尺寸的手机电池零件的焊接问题，同时，还要满足快速、大批量和牢固焊接，这样才能应用于企业的批量生产。在实际生产中，大部分手机锂电池常用的焊接方法是电阻焊[1]，精度要求较高的手机锂电池已经开始采用激光焊[2]，并且依靠各种类型的焊机、焊接夹具和辅助系统来实现。

1 电阻焊技术的应用

1.1 电阻焊技术特点

电阻焊分为点焊、缝焊和对焊。在手机锂电池生产中，主要采用点焊，点焊是利用柱状电极加压通电，在搭接工件接触面焊成一个焊点的焊接方法。

点焊时，先加压使两个工件紧密接触，然后接通电流。电流流过所产生的电阻热使局部金属被熔化形成液态熔核。断电后，继续保持压力或加大压力，使熔核在压力下凝固结晶，形成组织致密的焊点。焊完一个点后，电极（或工件）将移至另一点进行焊接。当焊接下一个点时，有一部分电流会流经已焊好的焊点，称为分流现象。分流将使焊接处电流减小，影响焊接质量，因此两个相邻焊点之间应有一定距离。

影响点焊质量的主要因素有焊接电流、通电时间、电极压力和工件表面清理情况等。点焊主要适用于厚度为4mm以下的薄板，每次焊一个点或一次焊多个点。

电阻焊虽然具有劳动条件好，不需另加焊接材料，操作简便，易实现机械化等优点；但也受到耗电量大、电极棒更换、被焊材料导电性能、适用的接头形式、以及可焊工件厚度（或断面尺寸）等因素的限制。

1.2 电阻焊技术在手机锂电池制造工艺中的应用

手机锂电池主要由电芯、保护线路板和胶壳组成[3]，在电芯的制造中、以及电芯与保护线路板的连接中，很多工序采用电阻焊，下面以某手机电极片焊接为例，电极片材料为镍、厚度约为0.15mm，可采用日本SEIWA、AVIO、MIYACHI点焊机，型号有ZH-32、ZH-50等，也可采用国产的金刚、海拓点焊机，型号有JG-23、WHT-728等。以型号WHT-728为例，焊机图片如图1所示，焊机参数主要如下，电源AC220V、50HZ，输出最大功率10KVA，预焊电流0-99A，焊接时间0-30s，焊接电流0-99A，焊接行25mm，适用于焊接厚度0.03-0.5mm的工件。焊后，电阻焊焊点如图2所示。

图1 WHT-728电阻焊机及电极棒

图2 电极片电阻焊焊点

从图1可以看出，电阻焊机的电极棒材料是铬铜合金，尽管耐高温、耐电弧烧蚀、强度高、导电和导热性好，但是，实际生产过程中，电极棒经过一段时间生产后，会有损耗，一旦电阻焊时出现飞溅，就需要专业人员来更换电击棒，经调试后再生产，对于自动化生产线来讲，更换的时间越长，更换次数越频繁，就越延误生产。

从图2可以看出，作为合格电阻焊产品的这个工件焊点，无论正面还是反面，是不标准的圆形，变形较大，尤其是正面，凹凸不平；焊点直径明显存在差异，误差接近1mm；焊点间距明显不一，有的间距大，有的几乎已经连在一起，只能满足连接的要求，无法达到较高精度下的形状规则、间距相同的要求。

对于锂电池生产中，不同材料的电阻焊，由于导电性、散热和变形等不同，为获得良好的焊接质量，主要采用过渡片来实现，具体如图3所示。保护线路板电极片材料为镍，在电芯极耳[4]中，正极材料为铝，负极材料为镍，采用的过渡片材料是镍。电芯极耳与过渡片、过渡片与保护线路板电极片之间均采用电阻焊，各焊两点完成连接，但也因此增加了装配与焊接工序、焊接材料、生产时间等，提高了生产成本。

1.3 实际生产中尚待解决的问题

图3 电芯极耳与保护线路板电阻焊采用过渡片示意图

1）不适用于异种材料焊接。首先，对于不同材料电阻焊时，要加上过渡片，造成所需焊接材料的增加；其次，由于过渡片的添加，造成装配与焊接工序的增加，人员、工时及设备等花费也随之加大。

2）电极棒需更换，耗材成本较高。首先，在大批量生产过程中，电阻焊机的电极棒不可避免存在磨损，再焊接时，就会产生飞溅，导致产品焊接质量不合格，因此，需要专业人员及时维修、更换与调试，与此同时，自动化生产线不得不停止，延误生产；其次，由于电极棒定期或不定期需要更换，而且电极棒价格较贵，提高了生产成本。

3）可能导致被焊元器件损毁。电阻焊时，要对被焊工件施加一定的压力，对于焊接塑性不够大的元器件，如保护线路板时，可能由于加压过大，导致保护线路板的损毁，对于企业来说，这类损耗不可忽视。

4）被焊件变形大。在锂电池的电阻焊过程中，尽管实现了被焊工件之间的快速、批量连接，但被焊工件变形大，无论从形状、尺寸和间距等方面，都不能达到一定的精度要求。

2 激光焊技术的应用

2.1 激光焊技术特点

激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，使金属熔化形成焊接。它是20世纪60年代之后发展起来的新兴技术，在手机锂电池制造工艺中的应用是在本世纪初。

激光焊接能够连接比较难焊的薄板合金材料，如铝合金与钛合金等，并且构件的变形小，接头质量高，重现性好。激光焊能够实施局部微小范围的加热，非常适于印刷电路板一类的电子器件的焊接[5]。激光焊特别适用于不同材料之间焊接，也可应用于极耳焊接[6]、负极焊接和外壳密封焊接等。

与传统焊接技术比较，激光焊具有能量密度高、焊接速度快、热影响区小和工件变形小等一系列优点，可以满足手机锂电池的特殊的焊接要求，但其设备价格较贵。

目前，国外的激光焊焊接设备[7]自动化程度高、生产率高，技术附加值也较高，价格昂贵，知名的激光焊设备主要有日本米亚基（MIYACHI）、德国通快等。国内激光焊设备技术水平有待突破，价格相对较低，知名的激光焊设备主要有：深圳大族激光、武汉华工激光等。

2.2 激光焊技术在手机锂电池制造工艺中的应用

在手机锂电池的焊接中，激光焊主要应用于电芯的制造、电芯与保护线路板的连接中，下面以某手机锂电池的电芯极耳与保护线路板极片的焊接为例，在电芯极耳中，正极材料为铝、厚度约为0.07mm，负极材料为镍、厚度约为0.12mm，保护线路板电极片材料为镍、厚度约为0.12mm。采用米亚基焊机，型号ML-2550A，焊接参数主要有：发振波长1064nm、最大额定输出400W、脉冲重复频率1-500pps、水冷等，并配套相应的图像处理系统[8]，具体如图4所示。焊后，激光焊焊点如图5所示。

图4 激光焊设备系统示意图

从图4中可以看出，激光焊机除了专用设备外，需要配套图像处理系统，对焊完的焊点进行检验，利用CCD数码相机的摄像功能，对已焊的焊点进行图像分析，与已设定的标准的激光焊点比较，从而判断被焊件的焊点是否合格，以确保合格率达100%。

图5 电极片与保护线路板激光焊焊点

从图5可以看出，作为合格激光焊产品的工件焊点，无论正极还是负极，圆形规则，大小均一，表面平整；焊点直径约为0.7mm，误差约为0.2mm；焊点间距均匀。

2.3 实际生产中尚待解决的问题

主要是激光焊价格较贵。首先，国内的激光焊机设备，价格从十几万至几十万不等，国外的激光焊设备，以日本米亚基焊机为例，价格一般要几十万。此外，还需要配套相应的画像处理系统，这套系统价格从4万到10多万不等，因此，对于生产厂商来说，投入较大。

3 电阻焊与激光焊技术的发展

从电阻焊与激光焊技术在手机锂电池的应用中，分析比较可以看出：电阻焊的优势在于设备价格较低，但不适用于异种材料焊接、电极棒更换与维修频率高、焊接材料损耗大、产品变形较大等问题。激光焊的优势在于适用于异种材料的焊接、焊材损耗小、被焊工件变形小、设备性能稳定且易操作和焊接质量好，但设备与配套图像处理系统价格较贵。

4 结束语

近年来，很多国内外手机锂电池生产厂商，在较为复杂的生产工序中，对于不同的工序、不同的被焊零件，采用了不同的焊接方法，但电阻焊技术以其较低成本的优势，仍是应用最普遍的。

随着新一代智能手机的问世，配套锂电池的装配与焊接的精度、质量均大幅提高，电阻焊很难满足这些要求。我国激光产业的正在快速发展，激光焊技术将有更大突破，设备价格也会进一步降低，这将降低激光焊在手机锂电池生产中的使用成本，促使更多的手机锂电池厂商将选择激光焊。因此，激光焊在手机锂电池的制造过程中将得到越来越广泛的应用，并形成新的发展趋势。

[1] 张立双, 张龙.微电阻焊技术在电池生产中的应用[J].电池, 2003, 33(6): 363-365.

[2] 张军.Li-ion电池的激光焊接[J].中国机械工程, 2001,12(z1): 213-215.

[3] 李建保, 李敬锋.新能源材料及其应用技术: 锂离子电池, 太阳能电池及温差电池[M].北京: 清华大学出版社,2005.

[4] 黄可龙, 王兆翔, 刘素琴.锂离子电池原理与关键技术[M].北京: 化学工业出版社, 2008.

[5] 王家淳.激光焊接技术的发展与展望[J].激光技术,2001, 25(1): 48-54.

[6] 衣思平, 许宝忠, 李梅, 张国顺.锂离子蓄电池极耳的激光自动焊接[J].电源技术, 2005, 29(2): 80-81.

[7] 张国顺, 王萌, 刘铁根, 李朝阳, 许宝忠.自动焊接技术在二次电池制造中的应用[J].中国激光, 2008, 35(11):1693-1696.

[8] 赵相兵, 李亮玉, 夏长亮, 符灵建.激光视觉焊缝跟踪系统图像处理[J].焊接学报, 2006, 27(12): 42-48.