今天分享激光焊接技术在电动汽车-动力电池的应用情况，主要包括电池极耳-母线焊接、电池外壳焊接等，涉及Al-Fe、Al-Cu、Cu-Fe等异种材料焊接。
在全球气候变暖、温室气体减排的大背景下，新能源汽车尤其是电动汽车迅速崛起。其核心部件 - 电池系统的制造对焊接技术要求严苛，主要原因是电池系统结构复杂，包含多种材料且连接复杂，传统焊接方法如超声波焊接、电阻点焊等在应对电池电极材料（如铝、铜、钢）连接时存在局限性。例如，超声波焊接不适用于电动汽车常见的电池结构，电阻点焊因铝铜高导电性难以施焊。
激光焊接技术凭借其非接触、高能量密度、精准热输入控制以及易于自动化等特性，成为理想选择。可满足电池系统不同材料焊接需求，像电池电极与母线之间的铝钢、铜铝、铜钢焊接，以及铝/钢电池外壳焊接等，在保障连接可靠性、提升电池性能与安全性中发挥着关键作用。
①小型圆柱电池（如18650型），标准化尺寸、安全性和相对廉价的成本；
②大型棱柱电池，在能量密度和稳定性方面表现优异；
③软包聚合物电池，在充电时容易发生几何形状。
电池组由多个电池串联或串并联构成，通过母线进行连接，工作环境复杂，连接可靠性直接影响到电池系统的性能与安全。
主要利用高频振动（通常为20kHz及以上），在压力下使材料形成固态键合从而实现连接。
①该方法适用于薄箔、异种材料或高导电材料的焊接，主要应用于带状电池。
②电动汽车电池通常为圆柱形或棱柱形电池，在压力和振动共同作用下可能会破坏电池结构的完整性，因此超声波焊接不适用于电动车的电池焊接。
工作原理主要是对工件接触面施加压力，并通入大电流使零件局部熔化。但电动汽车电池常用材料为铝和铜，其具有高导电性和导热性的特点，使得电阻点焊难以对其进行焊接。
材料组合多：电池极耳材料常为铝、铜或钢，母线材料多为铜或铝，形成铝-铜、铝-钢、铜-钢等组合。
性能要求高：焊接处要确保低电阻、高导电性与良好的机械强度，以保障电池充放电效率与长期稳定性。
焊接难点：
①铝与钢热物性差异大，焊接时会形成脆性金属间化合物（IMC），如Fe₂Al₅、Fe₄Al₁₃等，影响接头微观结构、电性能和热性能，增加电池内阻、缩短服役寿命。
②焊接时需控制IMC生成。
①控制热输入：调节激光功率、焊接速度与脉冲参数（频率、占空比），平衡熔深与热影响区大小，减少IMC生成。
②优化脉冲波形：采用特殊脉冲波形改变热循环特性，如缓升缓降波形降低温度梯度与热应力，抑制快速冷却导致大量脆性IMCs生成。
①成分：选镍、硅基合金等中间层材料，因其与铝钢反应形成稳定相减IMC不利影响。镍改善润湿性与元素扩散，生成含镍IMCs韧性优于铝钢直接焊接产物；含硅中间层（如Al-Si合金）中Si影响Fe-Al IMCs生长，形成的Fe-Al-Si化合物优化接头力学性能，Si含量根据材料与工艺要求进行微调。
②厚度：数μm至数十μm厚度范围可有效调节IMC形成，提升接头性能与可靠性。
①磁场方向：垂直磁场抑制熔池中元素宏观扩散，改变对流与结晶形态，减少Fe、Al过度熔合形成脆性IMCs；平行磁场影响溶质微观扩散与晶界迁移，同时细化晶粒、优化IMC分布与取向。
②多场协同：联合磁场与超声，磁场协同超声振动细化晶粒、去除气孔夹杂、改善IMC结构。超声振动有助于破碎枝晶、均匀成分，磁场引导金属液流动与晶体生长方向，协同改善熔池凝固行为与组织均匀性，降低IMC脆性、提高接头韧性与导电性。
焊接难点：
铜和铝熔点、热导率、热膨胀系数不同，焊接形成Cu₂Al、Cu₄Al₃等多种IMC，影响焊缝微观结构与机械性能，需抑制其形成与生长。
①高焊接速度与低激光功率匹配，可减少热输入时长与强度，抑制IMC大量形成，如高速焊接时CuAl₂等化合物生成量显著降低。
②优化脉冲频率、占空比，改变Cu、Al原子扩散与反应动力学条件，使IMC生长有序、分布均匀，提升接头性能。
采用银、镍、锡基填充材料或特定合金焊丝，其在焊接中熔化填充间隙、稀释母材元素，减缓Cu、Al直接反应，减少脆性IMC生成。
如含锡填充材料，焊接形成Cu₆Sn₅和Cu₃Sn等相，改变接头组织形态，降低整体脆性、提升强度与韧性。
运用光束摆动、旋转或分束等调制技术，改变激光能量分布与作用方式。
焊接难点：
铜和钢物理性质差异大，激光焊接时易出现液相分离和热裂纹，如Cu渗入钢晶界导致热裂纹产生。
将激光偏向铜一侧，可够有效提升焊接质量。
在环形光束振荡的条件下对纯铜和不锈钢进行激光焊接，焊缝的抗裂性能够得到有效提升。
光束振荡与未振荡时相比，晶粒显著细化；在凝固过程中，晶粒边界数量的增加显著降低了应力集中，使得接头强度和变形得到了有效控制。
铝合金因热导率高、热膨胀系数大，焊接易现裂纹和孔隙等缺陷；表面氧化膜和杂质高温易分解，致使气体难以逸出导致孔隙产生。
激光焊接1060铝合金，采用垂直振荡优化焊缝表面，在半径为0.45mm时孔隙率降低91%。
光斑整形为四光束焊接，增大熔池小孔尺寸、稳定金属蒸汽、减少飞溅和孔隙，提升焊缝质量。
奥氏体不锈钢焊接易生热裂纹，与合金成分和杂质含量有关。通过调控工艺参数，可有效解决热裂纹问题。
启发：
① 目前常用的激光焊接波长多为1064nm，采用蓝激光/绿激光焊接异种材料可能有不错的效果。
【文献信息】
|
标题 |
Application of Laser Welding in Electric Vehicle Battery Manufacturing: A Review |
|---|---|
|
作者 |
Junbo Feng；Peilei Zhang；Hua Yan；Haichuan Shi；Qinghua Lu；Zhenyu Liu；Di Wu；Tianzhu Sun；Ruifeng Li；Qingzhao Wang |
|
DOI |
10.3390/coatings13081313 |
|
网址 |
免责声明：本公众号所分享的内容均来源于公开发表的学术期刊文章或书籍，旨在传播科学知识，促进学术交流，仅供科研学习参考，无任何商业用途。具体内容请以原文献为准，如需更详细的信息，请点击阅读原文或联系文章作者。
循迹再读