锂电池复合卷曲机切出极耳激光光路改进

2020-05-01侯磊

设备管理与维修 2020年5期

侯磊

（三星环新（西安）动力电池有限公司，陕西西安 710016）

0 引言

复合卷曲机（Multilab winder）是锂离子电池生产中重要且关键的设备之一，其主要任务是将电池正负极极片及隔离膜卷绕成软卷（J/R），切出极耳（notching）与卷绕一次完成，如图1 所示。但在切出极耳过程中，经常出现切断异常现象：如切不断、切极耳后的边角料（scrap）带入等问题，这时就必须停机检查激光反射镜片（bending mirror）是否污染，清洁或更换后重新对中（校准）光路，再测试正常后，设备恢复稼动。镜片（Mirror）清扫及光路校准程序复杂且耗时，正负极镜片共4 块清扫大约需要3 h，具体步骤：拆除镜片盖子，清扫或更换镜片，4 步法校准光路（2 次反射+2 次透射），安装镜片盖子，DOP（动态切割技术）Z 轴加工位置测试。

目前为防止切出极耳切断异常，编制了清扫计划，每月清扫1 次镜片，我厂共计26 台机，镜片清扫设备停机损失每年936 h。切出极耳维护任务繁重，设备停机损失多，设备稼动率低。因此改善切出极耳激光光路，具有重要意义。

1 切出极耳激光光路系统

切出极耳激光光路系统主要由激光发生器（laser）、准直仪（collimator）、反射镜片1/2（bending mirror 1/2）、扫描仪（scanner）以及光纤（fiber）组成，如图2 所示。

图1 切出极耳示意图

图2 切出极耳激光光路系统

激光发生器发射激光进入准直仪校直，经过两次45°镜片反射后到达扫描仪，扫描仪内的2 个振镜X、Y 控制角度，实现对电池极耳的动态切割（激光扫描+极板运动）。其中激光发生器在经过2次镜片反射时，光路裸露，容易被切割的粉尘及异物污染、灼伤，导致切出极耳切不断。由于镜片反射单元结构复杂，曾做过多次密封改善，收效甚微。

2 切出极耳激光光路优化改进

2.1 镜片去除

从大量切出极耳维修经验得出结论：导致切出极耳切不断最主要的问题就是镜片污染。镜片表面一旦被异物污染，激光照射到异物上，激光分散到镜片上的能量会加大，从而灼伤镜片表面镀膜，激光到达极片上的能量下降，导致切不断。因此去除镜片可从根本上杜绝镜片污染问题，设计新的激光光路如图3 所示。

2.2 光路校准机构设计

为保证切割精度，激光光路必须校准后使用，因此需要设计镜片去除后专用的光路校准机构，即光路JIG。其作用是调整Y轴及Z 轴，使得激光对准光靶中心小圆孔，最后通过X 轴滑台前进顶紧密封光路，激光校准方法如图4 所示。设计光路JIG的最大问题是解决光纤弯折空间过小的问题，1000 W 光纤要求最小弯折半径R≥150 mm，目前设备切出极耳部空间仅为120 mm。通过反复比较分析，优选方案，最终设计出可伸缩式滑台调整结构，光靶对中完成后，滑台前移顶进扫描仪，节约空间30 mm，保证光纤有足够的弯折空间。同时这样设计也可实现扫描仪-准直仪集成化，保证光路密封。

2.3 密封设计

密封在整个设计改造中至关重要，是成败的关键。设计三道密封，保证“绝对”密封。①准直仪、密封垫压紧密封；②扫描仪-准直仪连接部密封胶带密封；③镜片盒子、光纤、冷却水管以及防漏传感器出线口等全面胶带密封。

2.4 冷却水、光纤辅助改造

准直仪及QBH（光纤连接头）的冷却水路及光纤也需要相应的改造，从设备后侧移至设备前侧，冷却水管延长4～6 m。光纤需要特别防护，防止过度弯折，穿线时需增加套管防护。另外冷却水防泄漏盒子及传感器需一起移设。

2.5 Z 轴传感器调整及护罩改造

由于光路从前侧右边出线，因此必须考虑光纤干涉问题，将切出极耳护罩侧面切出缺口。为了减少缺口尺寸，统一美观，可调整Z 轴加工位置的上下限位传感器位置至较小范围，如图5所示。改造完成后，还要重新测试一下DOP，找出最佳的Z 轴切割位置。

3 改造效果及收益

采用新的切出极耳光路系统，激光切割能量下降30%，如图6 所示。因为经过1 次镜片反射，激光能量下降5%～10%，2次反射下降10%～20%，能量下降延长设备使用寿命；软卷投入不良率下降1.058×10-9（改善前后三个月对比数据），激光能量无衰减，切断效果好，带入少，不良率明显下降；镜片清扫设备损失减少：3 Hr×1 次/月×12 月×26 台=936 Hr；镜片备品消耗节俭金额：2000 元×100 块/年=20 万元（注：26 台每年平均镜片消耗100 块）。