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新能源動(dòng)力鋰電池制造工藝焊接方法及工藝的合理選擇直接影響電池的成本、質(zhì)量、安全性和電池一致性。接下來(lái)，將介紹一下動(dòng)力電池焊接的相關(guān)應(yīng)用技術(shù)。

1激光焊接原理

激光焊接是利用激光束優(yōu)異的方向性、高功率、高密度等特性運(yùn)作，通過(guò)光路整形將激光束集中在小區(qū)域內(nèi)，用極短的時(shí)間在被焊接的部位形成能量高度集中的熱源區(qū)域，熔化被焊接物，從而產(chǎn)生牢固的焊點(diǎn)和焊縫。

2激光焊接類型
熱傳導(dǎo)焊接和深熔焊接

激光功率密度為105~106w/cm2，形成激光熱傳導(dǎo)焊接，激光功率密度為105~106w/cm2，形成激光深熔焊接。

穿透焊接方法和縫焊接方法

穿透焊接，連接片不需要打孔，加工步驟比較簡(jiǎn)單。穿透焊接的熔深比縫焊的熔深要淺，可靠性相對(duì)降低。

穿透焊接需要功率較大的激光焊接機(jī)。

縫焊只需較小功率的激光焊接機(jī)?？p焊的熔深比穿透焊接的熔深要打，可靠性相對(duì)更好。但連接片需要打孔，加工難度相對(duì)復(fù)雜。

脈沖焊接和連續(xù)焊接

1)脈沖模式焊接

激光焊接時(shí)應(yīng)選擇合適的焊接波形。常用的脈沖波形有方波、尖峰波、雙峰波等。鋁合金表面對(duì)光的反射率太高。高強(qiáng)度激光束到達(dá)材料表面后，金屬表面的激光能量有60%-98%會(huì)因反射而損失，反射率會(huì)隨著表面溫度的變化而變化。一般來(lái)說(shuō)，焊接鋁合金時(shí)選擇尖波和雙峰波。這種焊接波形后面部分脈寬比較長(zhǎng)，可以有效地減少氣孔和裂紋。

脈沖激光焊接樣品

鋁合金對(duì)激光的反射率很高，為了防止激光束垂直入射后損壞激光聚焦鏡，所以在焊接過(guò)程中焊頭會(huì)偏移一個(gè)角度。焊點(diǎn)直徑和有效結(jié)合面的直徑隨著激光傾斜角度的增加而增加，激光傾斜角度為40度時(shí)，得到焊點(diǎn)和有效結(jié)合面。焊點(diǎn)熔深和有效熔深隨著激光傾斜角減少，大于60度時(shí)，有效焊接熔深下降到0。因此，將焊頭傾斜特定角度，可以適當(dāng)增加焊接熔深和熔寬。

另外，焊接時(shí)以焊縫為邊界，將激光焊接斑點(diǎn)焊接到蓋子的65%、外殼的35%，可以有效地減少合蓋問(wèn)題引起的炸火。

2)連續(xù)模式焊接
連續(xù)激光器焊接的過(guò)程與脈沖激光不同，不會(huì)出現(xiàn)忽冷忽熱，因此焊接時(shí)裂紋傾向不明顯。為了提高焊接質(zhì)量，采用連續(xù)激光器焊接，焊接表面光滑均勻，不飛濺，無(wú)缺陷，焊接內(nèi)部沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋。在鋁合金焊接中，連續(xù)激光器焊接的優(yōu)點(diǎn)明顯比傳統(tǒng)焊接方法的生產(chǎn)效率高。與脈沖激光焊接相比，其可以解決焊接后產(chǎn)生的裂紋、氣孔、飛濺等缺陷，確保焊接后鋁合金的機(jī)械性能。焊接后不下陷，焊接后拋光量減少，可以降低生產(chǎn)成本，由于連續(xù)激光器的光斑較小，對(duì)工件的裝配精度要求較高。

連續(xù)激光焊接樣品

在新能源動(dòng)力電池焊接中，焊接工藝技術(shù)人員根據(jù)客戶的電池材料、形狀、厚度、應(yīng)力要求等選擇合適的激光器和焊接工藝參數(shù)。包括焊接速度、波形、峰值、焊接頭傾斜角度等參數(shù)合理設(shè)置，以確保最終焊接效果滿足新能源動(dòng)力電池制造商的要求。

3激光焊接優(yōu)勢(shì)

能量集中、焊接效率、加工精度高、焊接深度大。激光束可以很容易地聚焦、瞄準(zhǔn)光學(xué)儀器，將其放置在與工件的適當(dāng)距離處，可在工件周圍的夾具或障礙物之間重新引導(dǎo)，其他焊接方法則無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

熱輸入量少，熱影響區(qū)小，工件殘余應(yīng)力和變形小。焊接能量可以精確控制，焊接效果穩(wěn)定，焊接質(zhì)量好。

非接觸焊接、通過(guò)光纖傳輸、可達(dá)性好、自動(dòng)化程度高。焊接薄材料或細(xì)直徑導(dǎo)線時(shí)，沒(méi)有像電弧焊接一樣出現(xiàn)回熔的問(wèn)題。動(dòng)力電池遵循“輕便”原則，所以一般除了使用質(zhì)量較輕的鋁材料外，還要求薄，一般外殼、蓋子和底板基本要求在1.0 mm以下，主流動(dòng)力電池制造商目前使用的鋁材料厚度都在0.8 mm左右。

輕松實(shí)現(xiàn)各種材料高強(qiáng)度焊接。特別是銅材料之間的焊接和鋁材料之間的焊接更有效。這也是將點(diǎn)鍍鎳焊接到銅材料上的技術(shù)。

4激光焊接工藝難點(diǎn)

目前鋁合金材料的電池外殼占整個(gè)動(dòng)力電池鋁材料90%以上。焊接的難點(diǎn)在于鋁合金對(duì)激光的反射率很高，焊接過(guò)程中氣孔敏感性很高，焊接時(shí)不可避免地會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題。其中最重要的是氣孔、熱裂紋和炸火。

鋁合金的激光焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生氣孔，主要有氫氣孔和氣泡破裂產(chǎn)生的氣孔。由于激光焊接的冷卻速度太快，氫氣孔問(wèn)題變得更加嚴(yán)重，激光焊接中因小孔塌陷而產(chǎn)生的孔洞比較多。

熱裂紋問(wèn)題。鋁合金是典型的共晶型合金，焊接時(shí)容易產(chǎn)生熱裂紋。包括焊縫結(jié)晶裂紋和HAZ液化裂紋。焊接區(qū)組成偏析導(dǎo)致共晶分離，發(fā)生晶界熔化，應(yīng)力作用下晶界形成液化裂紋，降低焊接接頭性能。

飛濺問(wèn)題。引起飛濺的因素很多，例如材料的清潔度、材料本身的純度、材料本身的特性等，起到?jīng)Q定性作用的是激光器的穩(wěn)定性。殼體表面不平整，氣孔，內(nèi)部氣泡。原因主要是光纖芯徑太小或激光能量設(shè)置太高。并不是一些激光設(shè)備供應(yīng)商宣傳的“光束質(zhì)量越好，焊接效果越好”，好的光束質(zhì)量適用于熔深較大的疊加焊接。使用合適的工藝參數(shù)才是解決焊接問(wèn)題的。

其他難點(diǎn)

軟包極耳焊接，對(duì)焊接工藝的要求較高，必須按住極耳，保證焊接間隙?？捎肧形、螺旋形等復(fù)雜軌跡的高速焊接，在增加焊接結(jié)合面積的同時(shí)提高焊接強(qiáng)度。

圓柱電芯的焊接主要用于陽(yáng)極（正極）的焊接，陰極（負(fù)極）部位的外殼薄，容易焊穿。目前，部分激光研發(fā)廠家采用的方案是只焊接正極，負(fù)極不焊接。

方形電池組合焊接時(shí)，極柱或連接片受到污染后，焊接連接片時(shí)污染物分解，容易產(chǎn)生焊接炸點(diǎn)，容易出現(xiàn)孔洞。極柱薄，下有塑料或陶瓷結(jié)構(gòu)件的電池容易焊接。極柱較小時(shí)，會(huì)焊偏至塑料燒損，容易形成爆點(diǎn)。建議不要使用多層連接片，因?yàn)閷又g有縫隙，比較難焊牢固。

方形電池的焊接過(guò)程中最重要的步驟是外殼蓋的封裝，根據(jù)位置分為頂蓋和底蓋的焊接。一些電池制造商生產(chǎn)的電池體積不大，通過(guò)“拉深”工藝制作電池外殼，只需焊接頂蓋即可。

方形動(dòng)力電池側(cè)焊樣品

方形電池焊接方法主要分為側(cè)面焊接和頂部焊接，其中側(cè)面焊接的主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)電芯的內(nèi)部的影響較小，飛濺物很難進(jìn)入殼蓋內(nèi)部。由于焊接后可能會(huì)導(dǎo)致凸起，對(duì)后續(xù)組裝過(guò)程會(huì)有一定的影響，因此側(cè)面焊接工藝對(duì)激光器的穩(wěn)定性、材料表面的清潔度等要求非常高。而頂部焊接工藝只焊接一個(gè)面，對(duì)焊接設(shè)備集成的要求較低，量產(chǎn)簡(jiǎn)單，但有兩個(gè)缺點(diǎn)。一個(gè)是焊接時(shí)會(huì)有飛濺進(jìn)入電芯，另一個(gè)是殼體的加工要求高會(huì)導(dǎo)致成本增大的問(wèn)題。

5焊接質(zhì)量影響因素
激光焊接是目前電池焊接推崇的主要方法。激光焊接是高能束激光照射工件的過(guò)程，是工作溫度急劇升高，工件熔化并重新連接，形成連接的過(guò)程。激光焊接的剪切強(qiáng)度和防撕裂強(qiáng)度都很好。電池焊接的好壞是典型的焊接質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其導(dǎo)電性、強(qiáng)度、氣密性、金屬疲勞和耐蝕性。

影響激光焊接質(zhì)量的因素很多。其中一些很容易波動(dòng)，具有相當(dāng)大的不穩(wěn)定性。如何正確設(shè)置和控制這些參數(shù)，以確保高速連續(xù)激光焊接中的焊接質(zhì)量，焊接成型的可靠性和穩(wěn)定性是關(guān)系到激光焊接技術(shù)實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化的重要問(wèn)題。影響激光焊接質(zhì)量的主要因素分為焊接設(shè)備、工件狀態(tài)和工藝參數(shù)三個(gè)方面。

1)焊接設(shè)備
激光的質(zhì)量要求中最重要的是光束模式和輸出功率及穩(wěn)定性。光束模式是光束質(zhì)量的主要指標(biāo)，光束模式順序越低，光束聚焦性能越好，光斑越小，同一激光功率下的功率密度越高，焊接深度越大。通常需要基本模式(TEM00)或低階模具。否則很難滿足高質(zhì)量激光焊接的要求。目前國(guó)產(chǎn)激光在光束質(zhì)量和功率輸出穩(wěn)定性方面用于激光焊接有困難。國(guó)外的話，激光的光束質(zhì)量和輸出功率穩(wěn)定性相當(dāng)高，不會(huì)成為激光焊接的問(wèn)題。光學(xué)系統(tǒng)中對(duì)焊接質(zhì)量影響的因素是焦鏡。常用焦距在127毫米(5英寸)到200毫米(7.9英寸)之間，焦距小有助于減少聚焦光束腰部斑點(diǎn)直徑，但太小的話，在焊接過(guò)程中容易受到污染和飛濺損傷。

波長(zhǎng)越短，吸收率越高。一般是導(dǎo)電性能好的材料，反射率高。對(duì)于YAG激光器，銀的反射率為96%，鋁為92%，銅為90%，鐵為60%。溫度越高，吸收率越高，有線性關(guān)系。在普通表面涂抹磷酸鹽、炭黑、石墨等可以提高吸收率。

2)工件狀態(tài)
激光焊接需要加工工件的邊緣，以高精度組裝，光斑和焊縫嚴(yán)格配對(duì)，對(duì)于工件的原始組件精度和光斑對(duì)，在焊接過(guò)程中不能根據(jù)焊接熱變形進(jìn)行更改。原因是激光光斑小，焊縫窄，通常不填充金屬。例如，因?yàn)榻M裝不嚴(yán)格，間距太大，梁不能通過(guò)縫隙融化母料，或者光斑和接縫的偏差稍大，就不能融合或焊接。因此，普通座椅對(duì)接安裝間隙和光斑對(duì)接偏差均不能大于0.1mm，錯(cuò)誤的邊緣不能大于0.2mm。實(shí)際生產(chǎn)中，有時(shí)不能滿足這些要求，無(wú)法使用激光焊接技術(shù)。為了獲得良好的焊接效果，必須將允許對(duì)接的間隙和重疊的間隙控制在板厚的10%以內(nèi)。

成功的激光焊接需要焊接基板之間的密切接觸。為此，必須仔細(xì)固定零件以獲得結(jié)果。在薄的極耳器材上很難做好。特別是因?yàn)?，如果將極耳嵌入大型電池模塊或組件中，就很容易彎曲。

3)焊接參數(shù)
(1)對(duì)激光焊接模式及焊接成型穩(wěn)定性的影響焊接參數(shù)中最重要的是激光光斑的功率密度，它會(huì)影響焊接模式及焊接成型穩(wěn)定性。隨著激光光斑動(dòng)力密度在小規(guī)模上的增大，分別是穩(wěn)定熱傳導(dǎo)焊接、模式不穩(wěn)定焊接、穩(wěn)定穿透焊接。

激光光斑的功率密度主要由光束模式和焦點(diǎn)鏡頭的焦距恒定時(shí)激光功率和光束焦點(diǎn)位置決定。激光功率密度與激光功率成正比。焦點(diǎn)位置的影響具有值。當(dāng)光束焦點(diǎn)位于工件表面以下特定位置(根據(jù)板厚度和參數(shù)在1 ~ 2mm范圍內(nèi))時(shí)，可獲得焊接。偏離這個(gè)焦點(diǎn)位置后，工件表面光斑增大，功率密度變小，焊接工藝形態(tài)變化到一定范圍。

焊接速度對(duì)焊接工藝形式和穩(wěn)定的影響沒(méi)有激光功率和焦點(diǎn)位置那么大。只有在焊接速度太大的情況下，熱輸入太小，無(wú)法維持穩(wěn)定的深焊接工藝。實(shí)際焊接時(shí)，應(yīng)根據(jù)焊接件的熔化要求選擇穩(wěn)定通過(guò)或穩(wěn)定熱傳導(dǎo)焊接，應(yīng)避免模式不穩(wěn)定焊接。

(2)在深熔解焊接范圍內(nèi)，焊接參數(shù)對(duì)熔解的影響：在穩(wěn)定的熔解焊接范圍內(nèi)，激光功率越高，熔解越大，關(guān)系約為0.7平方。焊接速度越高，熔膠越淺。在特定激光功率和焊接速度條件下，當(dāng)焦點(diǎn)處于位置時(shí)，熔體，離開(kāi)該位置時(shí)，熔體減少，模式不穩(wěn)定或熱傳導(dǎo)焊接可能會(huì)穩(wěn)定。

(3)氣體保護(hù)的影響，氣體保護(hù)的主要作用是在焊接過(guò)程中保護(hù)工件免受氧化。保護(hù)焦點(diǎn)鏡片免受金屬蒸汽污染和液滴濺射。分散高功率激光焊接產(chǎn)生的等離子體。冷卻工件，減少熱影響區(qū)域。

保護(hù)氣體通常使用氦或氦，表面質(zhì)量要求不高的也可以使用氮。產(chǎn)生等離子體的傾向大不相同。氦的電離電高，熱傳導(dǎo)快，因此在相同條件下產(chǎn)生等離子體的傾向比氬小，因此可以得到更大的溶解。隨著在一定范圍內(nèi)保護(hù)氣體流動(dòng)的傾向增加，抑制等離子體的傾向增大，溶解增加，但增加到一定范圍后趨于平靜。

(4)各參數(shù)的可監(jiān)測(cè)性分析：在四個(gè)焊接參數(shù)中，焊接速度和保護(hù)氣體流動(dòng)屬于容易監(jiān)測(cè)和穩(wěn)定的參數(shù)，激光功率和焦點(diǎn)位置在焊接過(guò)程中可能會(huì)波動(dòng)，是難以監(jiān)測(cè)的參數(shù)。激光輸出的激光功率穩(wěn)定性高，容易監(jiān)控，但由于傳導(dǎo)光和焦點(diǎn)系統(tǒng)的損失，到達(dá)工件的激光功率會(huì)發(fā)生變化。這種損失與光學(xué)工件的質(zhì)量、使用時(shí)間和表面污染有關(guān)，因此不容易監(jiān)控，成為焊接質(zhì)量的不確定性。光束焦點(diǎn)位置對(duì)焊接參數(shù)中焊接質(zhì)量有很大影響，是最難監(jiān)測(cè)和控制的因素。在目前的生產(chǎn)中，需要通過(guò)人工調(diào)節(jié)和重復(fù)工藝試驗(yàn)來(lái)確定適當(dāng)?shù)慕裹c(diǎn)位置，以獲得理想的溶解。但是，由于焊接過(guò)程中工件變形、熱透鏡效果或空間曲線的多維焊接，焦點(diǎn)位置可能會(huì)發(fā)生變化，從而超出允許范圍。

在這兩種情況下，都應(yīng)采用高質(zhì)量、高穩(wěn)定性的光學(xué)元件，并經(jīng)常保持，以防止污染和保持清潔。相反，要開(kāi)發(fā)激光焊接過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制方法，優(yōu)化參數(shù)，監(jiān)測(cè)到達(dá)工件的激光功率和焦點(diǎn)位置的變化，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，提高激光焊接質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性。

最后，請(qǐng)注意激光焊接是一個(gè)熔化過(guò)程。也就是說(shuō)，在激光焊接過(guò)程中，兩個(gè)基底會(huì)溶化。這個(gè)過(guò)程很快，因?yàn)榭偀崃枯斎牒艿?。但是，由于這是熔化過(guò)程，焊接其他材料時(shí)，可以形成易碎的高電阻金屬間化合物。鋁銅組合特別容易形成金屬間化合物。這些化合物證明對(duì)微電子設(shè)備接頭的短期電氣性能和長(zhǎng)期機(jī)械性能有負(fù)面影響。這些金屬間化合物對(duì)鋰電池長(zhǎng)期性能的影響尚未確定。