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电池极耳的激光焊接夹具设计

对于小零件的加工,夹具应该追求通用性,从而满足大批量加工的需求,这次我们就来分享电池极耳的焊接夹具设计,看看这种小零件的工装思路。

(本文案例来自夹具侠网站,更多设计案例与分享讨论搜索夹具侠社区或公众号jiajoin)

在电池极耳盖帽焊接中,一般采用超声波焊接、电阻焊或者激光焊接方式。由于激光具有焊接效率高、热影响区域小、与工件非接触、方便自动化生产等特点,已经成为电池焊接行业的首选焊接方式。激光焊属于精密焊接方式,对工件本身的公差以及夹具的定位精度要求比较高。所以夹具需要根据工件的形状来专门设计,主要考虑定位和夹紧两方面,同时激光焊接过程中工件容易发生热形变,需要夹具具有一定的夹紧力来抵消部分热应力,一般选用气缸作为力源,通过调节气阀来调整夹紧力。激光焊接夹具的设计同时还需要考虑便于上、下料,实现自动化生产,提高生产效率。


一、激光焊接总体设计

1.1焊接产品描述

设计夹具可将圆柱电池的盖帽与镍片极耳焊接在一起。盖帽为铝合金材料(厚度0.2mm),极耳为镍基材料(厚度0.1mm),穿透镍片与盖帽焊接在一起,如图1所示。要求焊接12个点,强度达到20N。

图1 焊接产品组件


1.2激光焊方式

如图2所示。激光通过光纤传输,经过聚焦系统聚焦后,对工件进行加热焊接。

图2 激光焊接方案


1.3激光光路部分设计

搭配普通聚焦镜可以通过机构移动聚焦头从而实现在工件不动的情况下完成不同位置的多点点焊,但对移动机构的要求较高。搭配扫描振镜系统可以在工件不动的情况下,通过扫描振镜的X、Y扫描镜片对激光在平面上进行任意位置的导向,实现工件上不同位置的多点点焊。振镜焊接原理图及实物图如图3所示。

图3 扫描振镜结构示意图



二、焊接夹具设计

2.1夹具总体设计

为提高圆柱电池极耳盖帽的点焊效率、精度和成品率,采用光纤传导搭配扫描振镜焊接方式,并配以四工位的转盘夹具,激光焊接整体工作站如图4所示。激光器输出的激光采用两根光纤分时交替耦合,工作效率比单光纤耦合提高70%以上。

设备运行后,在焊接时转盘和压紧气缸组成的转盘机构停止运动,此时压紧气缸开始伸出,将夹紧部分撑开,人工将盖帽和圆柱电池放入随行夹具内。随行夹具放好后,压紧气缸缩回,此时压紧部分将上好料的随行夹具夹紧。上料过程中激光焊接已完成,然后驱动部分开始运动,继续下一个工位,如图5所示。整个工作台面由防护罩封住,防止激光辐射对人体的伤害。夹具组前端设置安全门,转盘停止时,安全门打开,人工上料,上料完成,防护门关闭,防止人工误操作。

图4 夹具整体示意图


2.2驱动部分设计

驱动部分采用电动旋转台,旋转台采用步进电机驱动,夹具转盘内设有原点定位机构。电动旋转台运动准确度高。

图5 夹具各组件示意图


2.3随行夹具设计

为加快生产效率,设计了一种专用的随行夹具,能够对盖帽进行定位。随行夹具采用仿形设计,将盖帽和圆柱电池固定在夹具内,夹具上部开有一小的缺口将镍带固定。随行夹具运动到焊接位置时,焊接下压部分会将其夹紧然后振镜扫描将产品焊接,焊接完成后焊接下压部分松开,驱动部分旋转一个工位,然后依此重复循环,随行夹具如图6所示。

图6 随行夹具示意图


2.4焊接下压部分设计

为获得较好的焊接效果,焊接时需对产品和随行夹具进行夹紧,下压示意图如图7a所示。文中所述焊接下压部分的连接块和压块材质均为高强度航空铝,航空铝牌号为7075,该材质强度高、对激光的反射率也很高。焊接下压部分结构如图7b所示,该部分采用高精度带导杆气缸驱动。焊接时在气缸作用下压块和被焊工件接触,故压块需要做避位处理,其结构如图7c所示。夹紧时通过减压阀调节气源压力间接控制气缸的压紧力。

图7 焊接下压机构组成


2.5夹紧部分设计

夹紧部分采用一楔形块机构,结构如图8a所示,其中,活动块a和活动块b是可以活动的且二者均有导向机构固定。当压紧气缸推进时,推动活动块a往前运动,活动块a推动活动块b往右运动从而将夹紧部分松开,方便人工放入随行夹具。当随行夹具放入夹紧部分后,压紧气缸缩回,此时夹紧部分零件活动块a和活动块b在导向回弹组件作用下开始夹紧随行夹具对其实现精确定位。导向回弹组件由一根光轴和一个弹簧组成。定位完成后,夹具转盘运动到焊接振镜下开始进行焊接,夹具夹紧部分细如图8b所示。

图8 夹具夹紧示意图




结语

采用高速振镜式激光焊接方式对电池的盖帽极耳进行焊接,具有效率高,焊接质量好等特点。转盘式多工位焊接夹具配合激光焊接,每个工位可以同时焊接两件产品,4个工位可以完成8件产品的焊接。产品的随行夹具满足人工快速上、下料,且上、下料和激光焊接过程可以同时进行,提高了生产效率

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