动力电池外壳的激光自动化焊接技术研究_张健

收稿日期：２０１２－１０－１１； 收到修改稿日期：２０１３－０４－０２ 基金项目：国家 ８６３ 计划资助项目（项目编号：２０１２ＡＡ０４０２１０）；中央财政支持地方高校专项资金项目激光先进制造创新培养基地资助项目 （项目编号：５１０－Ｃ１０２９３）；广东省教育部产学研结合重点项目（项目编号：２０１０Ａ０９０２０００４８）．；广东省教育厅学科建设专项资助项目（项目编 号：ＣＸＺＤ１１３９）；华南理工大学国家金属材料近净成形工程技术研究中心开放基金资助项目（项目编号：２０１１００６） 作者简介：张健（１９８２－），男，博士研究生，主要从事激光及应用技术方面的研究。Ｅｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｊｉａｎ２００６２３＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ 导师简介：张庆茂 （１９６６ 年 －），男，博士，教授，主要从事激光先进制造技术方面的研究。Ｅｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｑｍ＠ｓｃｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ ＊ 通信作者：张庆茂，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｊｉａｎ２００６２３＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ
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（ｃ）
（ａ）
（ｂ）
图３ 系统调试界面 （ａ）程序运行界面（ｂ）Ｉ／Ｏ口状态界面（ｃ）运动监视界面
Ｆｉｇ．３ Ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ （ａ）ｐｒｏｇｒａｍ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ（ｂ）Ｉ／Ｏ ｐｏｒｔ ｓｔａｔｕｓ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ
（ｃ）ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ
技术相关文献发现，大部分都集中在电池本身性能 及电池组管理系统上，而对于电池外壳封装的研究 较少。而外壳封装的连续性、一致性却严重影响着 电池本身性能及电池组管理[5-7]。激光自动化焊接装 备作为保证电池封装连续性、一致性、高效性的方 法，研究是必要的。本文基于工业机器人，通过硬件 电路设计、软件调试、样品加工路径设计及程序调 试，研制出用于动力电池外壳封装的激光自动化装
（ａ）
（ｂ）
图２ Ｉ／Ｏ口外部电路原理图 （ａ）外部输入电路原理图（ｂ）外部输出电路原理图 Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｎ Ｉ／Ｏ ｐｏｒｔ
（ａ）ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｉｎｐｕｔ ｃｉｒｃｕｉｔ （ｂ）ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｏｕｔｐｕｔ ｃｉｒｃｕｉｔ
（ａ）
图１ 激光自动化焊接系统体系结构 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｅｄ ｌａｓｅｒ ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ
１．２ 激光自动化焊接系统具体实现 １．２．１ Ｉ／Ｏ口外部电路实现
为便于控制模块间协调工作及系统集成，基于 RV-3SD型机器人CR1D控制器I/O口进行外部电路 设计，如图2所示。其中图2（a）为外部输入，图2（b）为 外部输出。在图2（a）中，通过开关S复位与自锁产生 （ｂ） 的状态信号和触发信号分别控制伺服模块、内部程 序及IOENA操作权。在图2（b）中，通过内部程序产生 的 输 出 信 号 控 制 继 电 器 K，K 输 出 端 分 别 控 制 激 光 器、保护气、冷却、CCD监测等装置。
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备，并成功的对试样进行了自动化焊接。
1 激光自动化焊接系统
１．１ 动力电池外壳激光自动化焊接要求及总体结构 基于工业机器人的自动焊接系统实际上是一
种轨迹伺服控制系统，焊接过程中要求各设备之间 协调一致的配合[8-9]。包括机器人与焊接机、保护气 装置、激光头冷却装置、CCD在线监测装置等硬件的 配 合 ，以 及 焊 接 过 程 中 出 光 、出 气 、水 冷 、焦 距 、速 度、动作形式等与运动轨迹在程序上协调[10-13]。同时 还要具有可靠的人机交互功能。根据上述要求，设 计中采用分层递阶结构，又称水平结构或基于知识 的体系结构。它是将系统的各种模块分为若干层 次，使各层次上的模块具有不同的工作性能和操作 方式。典型的模型是Saridis提出的三层模型，即将整 个结构分为：管理层、协调层和执行层。系统设计中 采用Saridis三层模型结构，如图1所示。其中，管理层 相当于系统的头脑，管理整个系统的运行；协调层 通过硬件电路和软件程序控制，协调下层设备间、 上层与下层间工作；执行层执行确定的工作[8,13]。
图６ 焊接轨迹示意图 Ｆｉｇ．６ Ｔｈｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｄｉａｇｒａｍ
２．２ 试验结果及分析 图7为两组工艺参数下，不同焊接轨迹同一参
数下的焊缝宏观形貌。由图明显看出，沿波浪线轨 迹焊接的焊缝规则、光亮；上下底及腰处的焊缝一 致性、连续性好，且在腰处没有灼烧痕迹。而沿水平 线轨迹焊接的焊缝不规则、不光亮；上下底及腰处 的焊缝一致性、连续性不好；且在腰处灼烧严重、有 液滴飞溅、堆积，并在整条焊缝中伴随着熔液下榻、 平铺现象。由此可以得出，采用普通三维工作台水 平焊接，轨迹单一、灵活性差，不能满足复杂几何尺 寸电池外壳封装，采用研制出的激光自动化焊接装 备焦距可变、角度可调、灵活性强，能满足其封装， 并且产品连续性、一致性好，外观光亮、规则。另外 普通三维工作台的实际精度为0.05 mm左右，且电 池壳需单工位、正侧面分次焊接，效率低；而工业机 器人实际精度为0.01 mm，且可实现多工位、正侧面 一次成型焊接，效率高。在同一参数下，却是普通工 作台加工效率的 3 倍。
Abstract Based on the industrial robot, using hierarchical structure on the whole, and the control module is connected by external I/ O interface circuit and program coordination method, the automatic laser welding system is developed for automobile power battery packing. After debugging, welding experiments with complex geometrical size battery shell were carried out. With the same parameters, two different kind trajectories were used for welding and the effects of the two kind trajectories on welding shape and economy were analyzed. The results indicates that, the continuity and consistency of wavy welding is good, and robot automatic welding can realize multi-position continuous welding, the efficiency of this method is 3 times of the ordinary working bench. The development of automated laser welding system provides references for power battery packing. Key words laser technology； laser welding； robot welding； seam appearance； automatic
摘要 基于工业机器人，总体上采用分层递阶结构，控制模块间采用 I/O 口外部电路连接、程序协调的方法，研制出用于动力电
池外壳封装的激光自动化焊接系统。经调试后对具有复杂几何尺寸电池外壳进行焊接试验，在同一工艺参数下，采用两种不同
的轨迹进行焊接，对比分析两种焊接轨迹对焊缝成形的影响及经济性。实验结果表明，基于机器人自动化波浪线焊接的焊缝连
Ｚｈａｎｇ Ｊｉａｎ１， Ｚｈａｎｇ Ｗｅｉ１， Ｚｈａｎｇ Ｑｉｎｇｍａｏ１， Ｇｕｏ Ｌｉａｎｇ１，２， Ｌｉｕ Ｓｏｎｇｈａｏ （１Laboratory of Nanophotonic Functional Materials and Devices, Guangzhou, Guangdong ５１０００６, China； ２School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou, Guangdong ５１０６４１, China）
（2）研制出的激光自动化焊接装备焦距可变、角度 可调、灵活性强，能满足具有复杂几何尺寸的动力电池 的封装。产品连续性、一致性好，外观光亮、规则，且精 度、效率较高。
图５ 动力电池外壳 Ｆｉｇ．５ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｐｏｗｅｒ ｂａｔｔｅｒｙ ｓｈｅｌｌ
图 ７ 两种焊接轨迹的焊缝宏观形貌 Ｆｉｇ．７ Ｍａｃｒｏ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ
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3 结论
（1）采用分层递阶结构，研制出用于动力电池 外壳封装的激光自动化装备，并针对不同尺寸的动 力电池外壳，分别开发出坐式和倒挂式自动化装 备。且已用于实际生产。
续性、一致性较好，可实现多工位连续焊接，加工效率是普通工作台的 3 倍。设计实现的激光自动化焊接系统为我国动力电池
封装提供了参考。
关键词 激光技术； 激光焊接； 机器人焊接； 焊缝成形； 自动化
中图分类号：TG456.7
文献标识码：A
doi:10.3788/AL20133302.173
Study on Laser Automatic Welding Technology of Power Battery Shell
图４ 激光自动化焊接系统 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｅｄ ｌａｓｅｒ ｗｅｌｄｉｎｇ
2 动力电池焊接试验
２．１ 实验材料及方案 实 验 材 料 为 具 有 复 杂 几 何 尺 寸 的 3003 铝 合 金
动力电池外壳，如图5所示。加强筋处厚度为2 mm， 壳体厚度为1 mm，盖板厚度为1 mm。针对复杂几何 尺寸，实验在两组工艺参数下，采用两种不同的轨 迹同一参数焊接，并对其离线编程、示教写入数据， 以其中水平线轨迹类比普通三维工作台轨迹，波浪线 轨迹为机器人焊接轨迹。对比分析两种焊接轨迹对焊 缝成形的影响及生产成本。焊接轨迹如图6所示。在 图6（a）中光束始终与虚线成83 °角且与虚线离焦量 为0水平线焊接。图6（b）中光束始终与电池壳波浪 线成83 °角且与沿波浪离焦量为0波浪线焊接。
第 ３３ 卷 第 ２ 期 ２０１３ 年 ４ 月
应用激光
APPLIED LASER
Vol.33，No.2 April 2013
动力电池外壳的激光自动化焊接技术研究
张健 1*， 张卫 1， 张庆茂 1， 郭亮 1，2， 刘颂豪 1
（１ 广东省微纳光子功能材料与器件重点实验室， 广东 广州 ５１０００６； ２ 华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 ５１０６４１）
0 引言
动力电池是典型的新型清洁能源、电动车的核 心，也是当今世界的研究热点。在动力电池技术中， 其中外壳的封装是面临的重要问题，封装的连续 性、一致性严重影响着整套电池组的一致性、管理 性及安全性，封装的高效性又是各厂家追求的焦 点。然而激光自动化焊接装备是保证电池封装连续 性、一致性、高效性的最有效方法[1-4]。查阅动力电池
１．２．２ 程序控制实现及调试 对控制端口设定参数后，采用MELEFA-BASIC
V语言编制程序并调试系统，如图3所示。图3（a）为 程序运行界面，图3（b）为I/O口状态界面，图3（c）为 机器人运动监视界面。经调试后控制模块间工作协 调性较好，达到了设计要求。设计完成用于动力电 池外壳的激光自动化焊接系统如图4所示。系统中 焊接设备为瑞通LWS-300FK,机器人为三菱RV-3SD 型机器人。