第一作者：馮俊博

通訊作者：張培磊

通訊單位：上海工程技術(shù)大學(xué)

合作單位：英國(guó)華威大學(xué)、江蘇科技大學(xué)、上海三一重機(jī)公司

1論文導(dǎo)讀

近日，上海工程技術(shù)大學(xué)張培磊教授領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)，在《Coatings》期刊的“Application of Laser Processing Technology in Automobile Manufacturing”特刊上受邀發(fā)表題為“Application of Laser Welding in Electric Vehicle Battery Manufacturing: A Review”的綜述論文。該論文全面回顧了目前激光焊接技術(shù)在新能源汽車電池的應(yīng)用所面臨的技術(shù)難點(diǎn)和解決辦法。該論文獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市揚(yáng)帆計(jì)劃、中國(guó)博士后自然科學(xué)基金、上海市 III 類高峰學(xué)科—材料科學(xué)與工程等基金的支持。

2 全文概述

電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)由各種不同的材料組成，每個(gè)電池系統(tǒng)包含數(shù)百個(gè)電池。電池系統(tǒng)中需要連接的部件很多，焊接往往是最有效和最可靠的連接方法。激光焊接具有非接觸式、能量密度高、熱輸入控制準(zhǔn)確、自動(dòng)化容易等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是電動(dòng)汽車電池制造的理想選擇。但是用于電池電極的金屬材料和用于連接電池的母排所用材料并不相同，因此需要將不同的材料有效地焊接在一起。而將不同的材料焊接在一起伴隨著各種困難和挑戰(zhàn)，最主要的就是焊接中形成的金屬間化合物，其中一些會(huì)影響接頭的微觀結(jié)構(gòu)、電氣和熱性能。本文綜述了不同材料電池母排與電池極之間以及相同材料電池外殼之間激光焊接的挑戰(zhàn)和最新進(jìn)展。討論了接頭的微觀組織、金相缺陷和力學(xué)性能。

3 圖文分析

圖1 不同類型的電池：圓柱電池、方殼電池、軟包電池。在（a）基于軟包電池和（b）基于圓柱形電池的模塊制造過程中制作的片到母排接頭的示意圖。

圖2 5057鋁/301不銹鋼激光焊接加入垂直焊接方向磁場(chǎng)（B）作用。焊縫中兩組界面形態(tài)：(a)B =0和（b）B=240mT;焊縫-鋁界面層的線掃描區(qū)域和分析:：（c）B =0和（d）B =240mT。

圖3 A5052鋁/201不銹鋼激光焊接時(shí)，加入鎳箔層與不加入鎳箔層的接頭微觀結(jié)構(gòu)。（a）帶鎳箔的接頭的橫截面，（b）不帶鎳箔的接頭的橫截面，（c）界面微觀結(jié)構(gòu)和（d）焊縫區(qū)的XRD圖譜。

圖4 6061鋁/SUS3010S不銹鋼激光焊接前加入激光清洗，激光清洗后在不銹鋼表面形成鱗片坑。掃描速度分別為（a） 3000 mm/s、（b）5000 mm/s、（c）7000 mm/s 和（d） 0 mm/s 時(shí)的界面形態(tài)。（e） 不同掃描速度下焊后的焊接接頭的焊縫區(qū)長(zhǎng)度。

圖5 1050鋁/鋼激光焊接時(shí)，對(duì)激光加入擺動(dòng)。擺動(dòng)幅度為0.2-1.2mm的焊縫宏觀形貌結(jié)構(gòu)。

圖6 99.99%純鋁/99.99純銅激光焊接，分別采用銅在上和鋁在上進(jìn)行搭接焊接。(a)焊接試樣的掃描電鏡圖像；(b,c)在焊接速度為400 mm/s時(shí)示Al和Cu分布的EDS映射圖像(b) Al為上層、(c) Cu為上層。

圖7 純銅/不銹鋼激光焊接時(shí)，加入環(huán)形光束振蕩。(a)沒有加入光束振蕩的焊接微觀結(jié)構(gòu)以及焊接接頭抗拉強(qiáng)度曲線，(b)加入振幅為0.5mm，頻率為250Hz的環(huán)形光束振蕩，焊接微觀結(jié)構(gòu)以及焊接接頭抗拉強(qiáng)度曲線。

圖8 純銅/316L奧氏體不銹鋼焊接，焊接時(shí)分別將激光在銅和不銹鋼一側(cè)進(jìn)行偏移：(a)鋼側(cè)偏移0.4mm的焊縫形貌圖，(b)偏移0mm的焊縫形貌圖，(c)偏移銅側(cè)0.2mm的焊縫形貌圖。

圖9 鋁/鋁接頭時(shí)在光束振蕩的基礎(chǔ)上加入光束整形，將單個(gè)激光光斑分成四個(gè)功率相等的單光束。（a）多聚焦形成的四個(gè)光斑的激光功率分布示意圖;（b）激光光斑作用于熔池的示意圖; （c）單點(diǎn)焦點(diǎn)光束焊接。（d）多焦點(diǎn)光束焊接 [紅色：當(dāng)前鎖孔大小;綠色：當(dāng)前熔池大小]。

4 結(jié)論展望

綜上所述，激光焊接是一種能量密度高、無接觸、熱輸入控制精確的焊接方法，可為電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)中異種材料之間的焊接提供可靠的可焊性。異種材料的激光焊接近年來取得了很大的進(jìn)展。然而，無論采用不同的激光光源，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化或?qū)Ω鞣N接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，仍然會(huì)出現(xiàn)結(jié)合不完全、金屬界面脆、腐蝕、氣孔過多、開裂等冶金缺陷。這些缺陷影響了整個(gè)電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)的電氣性能和安全性。因此，激光焊接技術(shù)要想在電動(dòng)汽車電池的制造中得到廣泛應(yīng)用，還需要進(jìn)一步的研究。基于目前的研究，對(duì)該領(lǐng)域未來的研究提出以下建議:由于電動(dòng)汽車電池使用的材料厚度普遍較低，需要通過控制金屬間化合物的厚度來優(yōu)化工藝參數(shù)，準(zhǔn)確控制熱輸入，提高焊接質(zhì)量。例如，激光功率與焊接速度的匹配，以及適當(dāng)?shù)墓馐袷庮l率。在焊接過程中使用適當(dāng)?shù)闹虚g層或涂層來改變金屬間化合物的形成，從而調(diào)節(jié)微觀組織，提高力學(xué)性能，降低電阻。目前激光仍以紅外波長(zhǎng)(1064 nm)為主，銅、鋁等金屬對(duì)該波段的光具有較高的反射率，而對(duì)藍(lán)光(450 nm)和綠光(515 nm)具有較高的吸收率?？梢圆捎盟{(lán)光和綠光激光器焊接實(shí)驗(yàn)。迄今為止，激光焊接異種材料接頭的力學(xué)性能分析大多是對(duì)接頭的靜態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行分析，對(duì)接頭的疲勞性能研究較少。由于電動(dòng)汽車在道路上經(jīng)常伴隨著顛簸，因此這些接頭在循環(huán)荷載下的性能非常重要。因此，有必要對(duì)接頭的力學(xué)性能進(jìn)行更多的研究。

5 引用本文

Feng, J.; Zhang, P.; Yan, H.; Shi, H.; Lu, Q.; Liu, Z.; Wu, D.; Sun, T.; Li, R.; Wang, Q. Application of Laser Welding in Electric Vehicle Battery Manufacturing: A Review.Coatings2023,13, 1313.