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激光焊接-在電池電芯模組制造中的應用
閱讀：669 發布時間：2021-9-26自1990 年問世以來，鋰電池因其能量密度高、電壓高、環保、壽命長以及可快速充電等優點，深受 3C 數碼、動力工具等行業的青睞，其對新能源汽車行業的貢獻尤為突出。作為提供新能源汽車動力來源的鋰電池產業，市場潛力巨大，是國家戰略發展的重要一環，預計未來 5-10 年，產業規模有望突破 1600 億元。
動力電池作為新能源汽車的核心部件，其品質直接決定了整車性能。鋰電池制造設備一般為前端設備、中端設備、后端設備三種，其設備精度和自動化水平將會直接影響產品的生產效率和一致性。而激光加工技術作為一種替代傳統焊接技術已廣泛應用于鋰電制造設備之中。
本文通過激光在動力電池行業中的應用情況，闡述了激光焊接的工藝特點，分析了鋁合金激光焊接難點以及焊接模式對焊接質量的影響，列舉了方形動力電池及電池PACK 工藝特點及設備發展趨勢。
激光焊接工藝
從鋰電池電芯的制造到電池 PACK 成組，焊接都是一道很重要的制造工序，鋰電池的導電性、強度、氣密性、金屬疲勞和耐腐蝕性，是典型的電池焊接質量評價標準。
焊接方法和焊接工藝的選用，將直接影響電池的成本、質量、安全以及電池的一致性。在眾多焊接方式中，激光焊接以如下優勢脫穎而出 ：首先，激光焊接能量密度高、焊接變形小、熱影響區小，可以有效地提高制件精度，焊縫光滑無雜質、均勻致密、無需附加的打磨工作；其次，激光焊接可精確控制，聚焦光點小，高精度定位，配合機械手臂易于實現自動化，提高焊接效率，減少工時，降低成本 ；另外，激光焊接薄板材或細徑線材時，不會像電弧焊接那樣容易受到回熔的困擾。
電池的結構通常包含多種材料，如鋼、鋁、銅、鎳等，這些金屬可能被制成電極、導線，或是外殼 ；因此，無論是一種材料之間或是多種材料之間的焊接，均對焊接工藝提出了較高要求。激光焊接的工藝優勢就在于可以焊接的材質種類廣泛，能夠實現不同材料之間的焊接。
工藝難點
動力電池電芯的制造由于遵循“輕便”原則，通常會采用較“輕”的鋁材質，而且還要做得更“薄”，一般殼、蓋、底的厚度基本都要求達到 1.0mm 以下，目前一些主流廠家的基本材料厚度均在 0.8mm 左右。據統計，鋁合金材料的電池殼體占整個動力電池的 90% 以上。
鋁材焊接的難點在于鋁合金對激光束的高初始反射率及其本身的高導熱性，使得鋁合金在未熔化前對激光的吸收率低，由于鋁的電離能低，焊接過程中光致等離子體不易于擴散，使得焊接穩定性差。另外，焊接過程中合金元素的燒損，使鋁合金焊接接頭的力學性能下降。由于焊接過程中氣孔敏感性高 , 焊接時不可避免地會出現一些問題缺陷，其中最主要的是氣孔和熱裂紋。鋁合金的激光焊接過程中產生的氣孔主要有兩類 ：氫氣孔和匙孔破滅產生的氣孔。由于激光焊接的冷卻速度太快，氫氣孔問題更加嚴重，并且在激光焊接中還多了一類由于小孔的塌陷而產生的孔洞。
熱裂紋問題。鋁合金屬于典型的共晶型合金，焊接時容易出現熱裂紋，包括焊縫結晶裂紋和 HAZ 液化裂紋，由于焊縫區成分偏析會發生共晶偏析而出現晶界熔化，在應力作用下會在晶界處形成液化裂紋，降低焊接接頭的性能。
炸火（也稱飛濺）問題。引起炸火的因素很多，如材料的清潔度、材料本身的純度、材料自身的特性等，而起決定性作用的則是激光器的穩定性。殼體表面凸起、氣孔、內部氣泡，究其原因，主要是光纖芯徑過小或者激光能量設置過高所致。
針對以上出現的問題，尋找到合適的工藝參數才是解決問題的關鍵。
焊接模式分析
（1）脈沖模式焊接
脈沖激光器常用的脈沖波形有方波、尖峰波、雙峰波等幾種，由于鋁合金表面對光的反射率太高，焊接時應選擇合適的焊接波形。當高強度激光束入射到材料表面，金屬表面將會有 60%~98% 的激光能量因反射而損失掉，且反射率隨物件表面的溫度而變化。一般焊接鋁合金時**選擇尖形波和雙峰波，這兩種焊接波形后面緩降部分脈寬較長，能夠有效地減少氣孔和裂紋的產生。
由于鋁合金對激光的反射率較高，為了防止激光束垂直入射造成垂直反射而損害激光聚焦鏡，焊接過程中通常將焊接頭偏轉一定角度。焊點直徑和有效結合面的直徑，隨激光傾斜角的增大而增大，當激光傾斜角度為 40°時，獲得**的焊點及有效結合面。焊點熔深和有效熔深隨激光傾斜角減小，當激光傾斜角度大于 60°時，其有效焊接熔深降為零。所以傾斜焊接頭到一定角度，可以適當增加焊縫熔深和熔寬。另外在焊接時，以焊縫為界，需將激光焊斑偏蓋板 65%、殼體 35% 進行焊接，這樣能有效減少因合蓋問題導致的炸火。
（2）連續模式焊接
連續激光器焊接由于其受熱過程不像脈沖驟冷驟熱，焊接時裂紋傾向不是很明顯，為了改善焊縫質量，采用連續激光器焊接，焊縫表面平滑均勻，無飛濺，無缺陷，焊縫內部未發現裂紋。在鋁合金焊接方面，連續激光器優勢明顯 ：與傳統焊接方式相比，生產效率高，且無需填絲 ；與脈沖激光焊相比，可以解決其在焊后產生的缺陷，如裂紋、氣孔、飛濺等，保證鋁合金在焊后有良好的機械性能；焊后不會凹陷，拋光打磨量減少，節約生產成本，但是因為連續激光器光斑較小，所以對工件的裝配精度要求較高。
在動力電池焊接過程中，焊接工藝技術人員會根據電池材料、形狀、厚度、拉力要求等選擇合適的激光器和焊接工藝參數，包括焊接速度、波形、峰值、焊頭傾斜角度等來設置合理的焊接工藝參數，以保證最終的焊接效果滿足動力電池廠家的要求。
方形電池焊接
在方型電池的焊接工藝中，最重要的工序是殼蓋的封裝，方形電池外殼的封口辦法一般是在電池頂部有一個長方形蓋板，板上帶有正極輸入端，將蓋板塞入外殼與口平齊，然后用激光將蓋板與外殼之間的長方形縫隙以脈沖或者連續激光焊接的方式，焊好密封即可。
方形電池的焊接方式主要分為側焊和頂焊，其中側焊的主要好處是對電芯內部的影響較小，飛濺物不會輕易進入殼蓋內側。由于焊接后可能會導致凸起，這對后續工藝的裝配會有些微影響，因此側焊工藝對激光器的穩定性、材料的潔凈度等要求*。而頂焊工藝由于焊接在一個面上，對焊接設備集成要求比較低。
目前，動力電池立焊接方式是業內廣為青睞的焊接方式，立焊只需一個收口節點，便可大大降低側焊接四個收口節點的側漏風險，而且有利于量產。武漢逸飛激光設備有限公司的“高速電池殼體激光立焊接設備”，實現了99.5% 以上的焊接良品率和 12PPM 的生產效率。
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