在電動汽車中，動力電池是核心部件之一。動力電池為汽車提供動力，在很大程度上決定了汽車的使用性、可靠性和安全性。無論是電池單元還是電池組，其生產(chǎn)制造的過程中都大量應(yīng)用激光焊接技術(shù)。

為了滿足車身輕量化的需求，動力電池各部件一般采用鋁合金制造。鋁合金化學活潑性很強，表面極易形成氧化膜，而且線膨脹系數(shù)較大，導(dǎo)熱性能極強，在激光焊接時很容易產(chǎn)生爆點、氣孔和焊接裂紋等缺陷。此外，部分電極材料還會使用銅，此時鋁 － 銅異種材料焊接還會產(chǎn)生由脆性金屬間化合物導(dǎo)致的低強、開裂等問題。

動力電池的模塊化設(shè)計對于單個電池及電池組的焊接都提出了極高的要求，提高激光焊接的質(zhì)量對提升動力電池的壽命和可靠性具有重要意義。

1、激光焊接應(yīng)用位置

在動力電池生產(chǎn)線中，首先需要制造電池單體Cell，然后將多個單元組裝為電池組Module，最后為電池組添加熱管理等附加裝置并封入支撐箱體形成一個完整的pack， 如圖１所示。

圖1 動力電池的模塊化設(shè)計

對于電池模組外部箱體，它是整個電池模組的承力部件，一般由若干型材拼接而成，其材料一般是5系或6系的鋁合金，也有部分型號采用鎂合金。電池箱體的焊接以電弧焊（MIG，CMT）或攪拌摩擦焊為主，如圖 2所示 。

圖2 典型的汽車動力電池箱體框架焊接過程

與電池箱體不同，動力電芯和電池組的制造采用1系(1050，1060 等) 或 3(3003 等) 鋁合金， 它們具有更好的可塑性、耐蝕性和導(dǎo)電性等性能 。除 了鋁合金，部分零件還會采用紫銅制造。這些零部件的厚度一般在1 mm左右，其接頭形式主要包括搭接疊焊和對接，接頭尺寸較小，需要可達性好、加工精度高的焊接方法進行連接 。這時采用電弧焊或攪拌摩擦焊難以取得滿意的效果，而采用激光焊接具有較大的優(yōu)勢 。

激光熱源能量密度高、柔性高且可達性好，非常適合小尺寸電池零部件的加工。對于Al－Cu合金高反射率的問題，利用小型脈沖激光的高峰值功率可實現(xiàn)薄板零件的高質(zhì)量連接 。激光焊接技術(shù)廣泛用于動力電池的殼體、防爆閥、匯流排等零部件的加工過程 ，如圖3所示。

圖3 激光焊接在動力電池行業(yè)的主要應(yīng)用

2、激光焊接應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 電池殼體與蓋板焊接

動力電池的殼體和蓋板起到封裝電解液和支撐電極材料的作用，為電能的儲存和釋放提供穩(wěn)定的密閉環(huán)境，其焊接質(zhì)量直接決定電池的密封性及耐壓強度，從而影響電池的壽命和安全性能。電池殼體主要采 用 Al3003 鋁合金，其厚度一般在 0.3-0.5mm 之間，一般采用復(fù)合激光或者環(huán)形激光焊接 。殼體與蓋板的連接位置如圖4所示，該處的激光焊縫的主要質(zhì)量問題是未熔透、氣孔、爆點和下榻，這些缺陷會降低電池的密封性。

圖4 動力電池殼體與蓋板連接部位示意圖

未熔透和下塌產(chǎn)生的原因是采用了不恰當?shù)暮附庸に嚕ㄟ^工藝優(yōu)化可以解決。在脈沖峰值功率不變的情況下，焊縫熔深隨脈寬的增大逐漸增大（增加熱輸入），而只有脈寬超過某一臨界值時，控制熔深達到特定值即可保證耐壓強度達到行業(yè)標準1 MPa。此外，焊接速度過快會導(dǎo)致脈沖點搭接不良出現(xiàn)虛焊，焊接速度過慢會導(dǎo)致熱裂紋傾向增大，將焊接速度保持在10 ~ 20 mm／s的范圍內(nèi)可以保證穩(wěn)定的熔深（信息有點老，最新速度300-400mm/s） 。在工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)上，采用脈沖波形優(yōu)化的策略進一步控制熔深、優(yōu)化焊縫成形。通過改變脈沖激光在時域上的能量分布，能減少了燒損和裂紋，控制焊縫下塌，提升焊縫的承壓效果，如圖5所示。

圖5 脈沖激光矩形波與預(yù)熱保溫波形焊接效果對比

針對氣孔問題，電池外殼與蓋板的厚度很薄，脈沖激光連接時處于熱導(dǎo)焊模式，氣孔主要是氧化膜或水汽分解導(dǎo)致的冶金型氣孔 （往期文章回顧：分析｜鋰電池激光焊接氣孔缺陷分析及改善，手機編輯沒法插入鏈接，自己搜索）。通過優(yōu)化工藝，降低激光功率并提高焊接速度，氣孔率最多降低到 1.1％ 。為了進一步減少氣孔，采用振鏡激光代替脈沖激光點焊，利用匙孔對熔池的攪拌作用可以加快氣泡逸出，可以有效減少內(nèi)部氣孔含量，如圖6所示。

圖6 有無振鏡激光焊接焊縫對比

在優(yōu)化焊接工藝的基礎(chǔ)上，采用激光擺動模式（擺動可以有效降低熱輸入又不減少功率密度）對于鋁合金接頭強度的影響。在常用的直線形擺動、∞形擺動和8形等模式中，8形擺動的焊接接頭具有最高的抗拉強度，同時其焊縫區(qū)域晶粒明顯細化，如圖 7 所示。

圖7 激光擺動模式對接頭強度的影響

2.2 電池防爆閥密封焊接

防爆閥是確保電池安全的重要部件，可有效地防止電池熱失控時發(fā)生爆炸 。當電池內(nèi)部溫度異常，內(nèi) 部壓力升高到 1.0 ~ 1.2 MPa 時，防爆閥在壓力作用下被動開啟排除內(nèi)部氣體，避免壓力過高造成爆炸 。防爆閥在動力電池的蓋板上，如圖 8 所示，它是一種純鋁質(zhì)( 1060或3003 ) 圓形薄片 ，厚度在0.08 ~ 0.1 mm之間 。由于鋁材對激光的反射率高，且材料很薄，因此防爆閥在激光焊接過程中容易出現(xiàn)過燒穿孔或者炸孔，導(dǎo)致其失去控制電池內(nèi)部壓力的功能。

圖8 動力電池防爆閥焊接位置

圖9 前置尖峰的指數(shù)形式衰減激光脈沖波形

過燒缺陷出現(xiàn)的原因是鋁合金對激光反射率高， 生產(chǎn)時往往采用較高的激光功率，而防爆閥的厚度太小，很容易熔穿（熱輸入過大） 。其解決方案通常是選擇合適的焊接工藝參數(shù)，控制熱輸入。采用帶有前置尖峰并以指數(shù)形式衰減的波形，通過前置尖峰可以提高鋁材對激光的吸收率，而后續(xù)的指數(shù)衰減波可防止功率密度過高導(dǎo)致的穿孔，如圖9所示（另外也可以提高光束質(zhì)量）。

圖10 防爆閥的優(yōu)化焊接順序（預(yù)先點焊+縫焊）

對于炸孔缺陷，是由激光焊接過程中熔池內(nèi)的氣泡逸出所導(dǎo)致的 。一方面，動力電池蓋板和防爆閥是厚度很薄的沖壓件，加工時容易殘留沖壓油、清潔液等 。在高功率密度的激光作用下， 這些液體極易汽化并上浮到熔池表面，爆裂的同時產(chǎn)生大量飛濺并在焊縫表面留下凹坑，形成炸孔；另一方 面，防爆閥的寬厚比一般可達 30 左右，焊接時極易產(chǎn)生熱變形翹曲，進而導(dǎo)致它和頂蓋的裝配間隙中存在大量空氣 。焊接時這些殘留空氣受熱膨脹，噴出熔池會進一步加劇形成炸孔缺陷的傾向 。為了解決這一 問 題，一方面要加強焊前對蓋板和防爆閥的清洗，另一方面可以優(yōu)化焊接順序，采用預(yù)先點焊＋縫焊的方式，通過點焊固定預(yù)防翹曲變形，減少炸孔缺陷，如圖10所示。

2.3 電池注液孔密封焊接

注液孔是預(yù)留在動力電池蓋板上的 一 個圓形小孔 。在動力電池殼體與蓋板完成連接后，通過注液孔向殼內(nèi)注入電解液。注液孔的密封焊接又稱為焊 PIN，實際生產(chǎn)中完成注液后要先用膠釘封住注液孔，然后在膠釘外覆蓋鋁質(zhì) PIN，把 PIN 焊接在蓋板上完成封口，如 圖 11 所示 。經(jīng)過此工序電池內(nèi)部完全被密封起來， PIN 的焊接質(zhì)量直接關(guān)系電池的密封程度，焊 PIN 不良會導(dǎo)致電池漏液、外觀不良等問題。焊 PIN 過程中的主要缺陷是焊偏導(dǎo)致的成形不良及類似防爆閥的炸孔。

圖11 動力電池注液孔密封焊接

鋁制 PIN 焊偏的問題主要是由熱變形導(dǎo)致的。鋁制的PIN厚度很低，在激光熱源的作用下被迅速加熱。在冷卻過程中，已焊接區(qū)域由于應(yīng)力積累發(fā)生變形，未焊區(qū)域傾斜翹起，導(dǎo)致最終全部焊接后鋁 PIN 向一側(cè)翹起。優(yōu)化激光焊接順序解決這一問題（控制熱變形）， 將原本鋁 PIN 密封焊縫由閉合環(huán)縫形式轉(zhuǎn)變?yōu)槿c定位＋縫焊的模式，大大降低了鋁 PIN 側(cè)偏的可能性。

2.4 電池極柱焊接

動力電池上設(shè)置有正極極柱和負極極柱，用于電能的輸出及與外部電路的連接 。其中，為了滿足高容量的使用需求，動力電池一般需要串聯(lián)或者并聯(lián)成電池組使用，電池成組時其正負極柱與轉(zhuǎn)接塊之間的連接需要通過激光焊實現(xiàn)，如圖 12所示。

圖12 極柱的激光焊

電池極柱激光焊的主要問題同樣是炸孔缺陷，其產(chǎn)生的原因和防爆閥的類似 。極柱焊縫實質(zhì)上是鋁轉(zhuǎn)接塊和極柱的配合面，鋁塊孔直徑僅為6 mm左右，此 處極易殘留沖壓油、清潔劑等雜質(zhì) 。高能量密度的激光造成焊件溫度激增，導(dǎo)致極柱處殘留的雜質(zhì)快速汽化，氣泡逸出并克服熔池表面張力離開熔池造成炸孔缺陷。在這一過程中，脈沖激光功率的快速變化進一 步增加了形成炸孔的趨勢 。因此，除了加強焊前清洗，通過優(yōu)化激光功率變化也能減少炸孔缺陷 。將常用的“一道焊”方式更改為兩道焊，利用低功率的第一次焊接預(yù)熱材料并排出氣體，利用高功率的第二 次焊接使熔深達到要求，如圖13所示。

圖13 工藝優(yōu)化前后的激光功率變化曲線

2.5 極耳與匯流排的焊接

對于電動汽車而言，單個電池無論是輸出能力還 是容量都遠遠不能支持行駛所需，實際驅(qū)動汽車的是電池組。電池組由大量電池單元串、并聯(lián)而成，這其中核心部件是匯流排。匯流排又稱母排，它連接電池單元，將多個電池的輸出疊加到一處，因而可以滿足汽車動力的高功率需要。匯流排與電池極耳的連接通過激光焊接實現(xiàn)，此處的焊接質(zhì)量將直接影響整個電池組的可靠性。在加工過程中，如果焊接不良，則會導(dǎo)致電池組內(nèi)部電阻增大，降低供電能力；如果焊接過度，則有可能對附近的電池殼體造成損傷，造成電解液泄露等問題。

圖14 動力電池極耳與匯流排的焊接接頭

動力電池的極耳與匯流排一般是由鋁或銅材料制造而成，如圖14所示，因此匯流排的焊接接頭形式一般是Al-Al同種或者 Al-Cu，Al-Fe（誰家高壓連接這樣設(shè)計）異種接頭。焊接時的主要問題是氣孔、熱裂紋及異種金屬界面脆性金屬間化合物導(dǎo)致的強度降低。

通過工藝優(yōu)化提升匯流排的焊接質(zhì)量，通過改變激光功率、焊接速度、光束傾角和離焦量能減少焊接缺陷并獲得良好的焊縫成形。對于鋁合金薄板件焊接，氣孔通常是熔池卷入保護氣或氧化膜分解析氫造成的。通過加強焊接清洗并在合適的工藝區(qū)間內(nèi)增大焊接速度可以減少匯流排焊縫中的氣孔。

除了工藝優(yōu)化，優(yōu)化激光光源本身的特性亦可提升焊接質(zhì)量。對比準連續(xù)脈沖激光器和單模連續(xù)激光器的焊接效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)單模連續(xù)激光焊接效果要明顯優(yōu)于準連續(xù)脈沖激光，采用單模激光具有更大的工藝窗口且效率更高 。其原因是準連續(xù)脈沖激光的焊縫本質(zhì)上是一個個單一焊點疊加而成，在相鄰焊點的重合處被熱量疊加，更容易產(chǎn)生氧化、氣孔和裂紋等問題。而連續(xù)激光功率輸出穩(wěn)定，更 容易獲得質(zhì)量均一的焊縫。然而，由于鋁、銅合金的反射率較高，脈沖激光的高峰值功率具有天然優(yōu)勢，為了達到相同的焊接效果，需要使用平均功率更高的連續(xù)激光和更好的光束質(zhì)量，因而會大大增加生產(chǎn)成本。

采用515 nm的綠光激光器焊接銅片。鋁、銅等高反材料對于短波激光具有更高的吸收率，因此能取得更好的焊接效果。

圖15 納秒激光掃描間距對焊接接頭的影響

采用納秒級脈沖激光器，通過超快螺旋線掃描的方式焊接 Al?Cu 異種接頭，超短的激光脈沖能有效控制異種金屬的界面反應(yīng)。

圖16脈沖頻率對焊接接頭的影響

針對Al-Fe體系的極耳與匯流排，筆者團隊基于納秒脈沖激光器也實現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)連接。其中，納秒激光的掃描間距對于Al-Fe 異種接頭的強度有重要影響。掃描間距直接影響了焊接接頭處的熱量積累，如圖15所示，從而改變焊點處的熔深，進而決定了界面處Al和Fe元素的混合程度和最終金屬間化合物的分布，接頭強度因此發(fā)生變化。此外，脈沖頻率與Al-Cu異種接頭中的氣孔率顯著相關(guān)，如圖16所示， 通過優(yōu)化脈沖頻率能減少焊縫中的氣孔缺陷，提升接頭的力學性能 。為了進一步調(diào)控異種金屬的界面反應(yīng)， 提升Al-Fe接頭的力學性能，基于中間元素調(diào)控冶金反應(yīng)的思路（這個還需要引用論文?。?，焊接時在Al-Fe接頭界面處加入Cu箔，異種金屬界面的冶金反應(yīng)體系由原先的Al-Fe二元變?yōu)锳l-Cu-Fe 三元。Cu元素的存在能有效抑制Al和Fe元素在界面處的擴散，減少脆性的Al- Fe金屬間化合物，提升接頭強度，如圖17 所示。

圖17 中間調(diào)控元素Cu對Al-Fe接頭元素分布的影響

分別在Al-Fe和Al-Cu搭接接頭連續(xù)激光焊接中引入光束擺動來改善接頭質(zhì)量。擺動激光能夠調(diào)制焊接區(qū)域的熱量分布，抑制界面的金屬間化合物層，并降低裂紋敏感 性，如圖18所示。擺動激光焊接Al-Cu異種接頭的承載能力大大提升。

圖18 不同圓形擺動幅度下Al-Fe搭接接頭承載力

調(diào)節(jié)了Al-Cu 搭接接頭激光焊 的光斑尺寸，如圖19所示，發(fā)現(xiàn)減小光斑尺寸有利于降低熱輸入，從而抑制界面脆性金屬間化合物，可以在保證強度和導(dǎo)電性的基礎(chǔ)上減少界面缺陷。

圖19 光斑尺寸對Al-Cu異種接頭強度和導(dǎo)電性能的影響

3、智能焊接技術(shù)的應(yīng)用

面向動力電池的激光焊接問題，通過各種工藝優(yōu)化可以顯著減少焊接缺陷。在此基礎(chǔ)上，通過擺動光束、脈沖波形調(diào)制等激光技術(shù)的幫助還可進一步提升焊接質(zhì)量。然而，這些前端優(yōu)化只能為動力電池焊接產(chǎn) 業(yè)的發(fā)展提供基礎(chǔ)支持，提高實際生產(chǎn)率，保證電池制造的連續(xù)性、一致性和高效性還需要依賴智能化焊接技術(shù)。

例如，動力電池組在實際使用中通常還需要連接線路板，用于控制各個電池在統(tǒng)一頻率下工作。在裝配過程中，線路板難以直接觀察，人工操作無法精準定位焊接位置。將機器視覺與激光，通過工業(yè)相機和機器學習算法代替人工識別定位焊縫，其定位誤差小于0.05 mm。動力電池極耳與匯流排的焊接質(zhì)量對激光加工距離十分敏感，激光頭到焊接面距離的波動容易導(dǎo)致虛焊（離焦量），采用機器視覺測距實現(xiàn)精密跟蹤，保持加工距離不變，可以方便地解決這個問題。

除了可以代替人工完成焊接，智能化技術(shù)還能進一步幫助控制焊接過程，提升焊接質(zhì)量 。動態(tài)監(jiān)測 Al-Cu 搭接接頭脈沖激光焊接的等離子體發(fā)射光譜，依據(jù)光譜信息確定界面處鋁銅元素的混合情況 （激光在線監(jiān)測系統(tǒng)也可以去看看）。脈沖激光焊接時間的閉環(huán)控制過程如圖20和圖21所示，利用反饋系統(tǒng)動態(tài)控制激光器的脈沖時間，在鋁銅界面過度混合時立刻結(jié)束脈沖，從而減少界面脆性金屬間化合物，提高接頭強度。

圖20 脈沖激光焊接時間

智能激光焊接技術(shù)在焊接缺陷的識別中也有重要應(yīng)用。在大批量生產(chǎn)時，動力電池上各處焊縫很容易出現(xiàn)焊穿、焊偏、虛焊等缺陷。目前識別這些缺陷仍以人工檢測為主，存在檢測效率低和檢測精度差等問題。智能化缺陷識別利用機器代替人眼對物體進行檢測、測量、識 別，具有高精度，高效率和檢測穩(wěn)定等特點。利用工業(yè)相機組成的視覺系統(tǒng)檢測電池極耳激光焊接的虛焊、焊偏、翻折等缺陷 ，其準確率達到95％以上。在動力電池的外殼焊接，防爆閥密封焊接等多個加工過程中，智能化缺陷識別都有望取代人工檢測，進一步推動行業(yè)發(fā)展。

圖21 脈沖激光焊接時間的閉環(huán)控制過程

4、結(jié)束語

(1) 目前動力電池中激光焊接的主要問題是氣孔、裂紋、成形不良、炸孔等焊接缺陷。這些缺陷導(dǎo)致電池組強度降低、密封性和導(dǎo)電性下降，引發(fā)電池爆炸、漏液和發(fā)熱等一系列安全問題。針對這些問題，通過調(diào)整激光焊接的功率、脈沖寬度、焊接速度、離焦量等參數(shù)可以有效減少缺陷。

(2) 在工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)上，探索了激光光源特性對動力電池焊接質(zhì)量的影響。激光脈沖波形、光斑直徑、光束路徑、光束質(zhì)量、激光波長等光束特性對焊接質(zhì)量都有顯著的影響，能進一步消除焊接缺陷 。

(3) 隨著動力電池市場和產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴大，為了提升激光焊接的效率，推廣智能化技術(shù)是大勢所趨。前端的焊接工藝優(yōu)化和技術(shù)升級為動力電池激光焊接的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，而智能化技術(shù)則是其推廣和應(yīng)用的重要工具。以激光焊接路徑規(guī)劃、焊縫識別、缺陷識別、質(zhì)量監(jiān)測等為代表的智能化技術(shù)也是未來的研究熱點之一。