鋰離子電池因其能量密度高、自放電低、壽命周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為電動(dòng)汽車最重要的電源。電動(dòng)汽車使用的電池主是圓柱電池和方殼電池。動(dòng)力電池系統(tǒng)通常采用電池-模塊-電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造，其中電池通常通過母排(busbar)連接。電池系統(tǒng)通常工作在惡劣的駕駛環(huán)境中，如振動(dòng)、高溫和可能的碰撞等。如何安全有效的焊接電池模塊中的成百上千的焊接點(diǎn)，關(guān)系到整個(gè)電池系統(tǒng)的可靠性和安全性。

激光焊接被認(rèn)為是最有前途的連接方法，因?yàn)樗哂袩崃考校附铀俣瓤?，熱效?yīng)小，焊接變形小，易于實(shí)現(xiàn)高效的自動(dòng)化和集成化等優(yōu)點(diǎn)，因此在動(dòng)力電池制造中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

圖1 電池包常用的模塊構(gòu)成(方殼電池和圓柱電池)

圖2 電池與母線排(busbar)連接示意圖

Laser-arc Hybrid Welding

電池的電極與母排的焊接是電池組生產(chǎn)過程中的重中之重。這里的焊接質(zhì)量將直接影響電池組的可靠性，對(duì)焊接效果有很高的要求。如果焊接強(qiáng)度較弱，電池組的內(nèi)阻會(huì)增加，從而影響電池組的正常供電。焊接熱量過高會(huì)導(dǎo)致電池芯的電極蓋被穿透，導(dǎo)致電解液泄漏和電池電路短路。電池外殼通常由鋁或者鋼制成，母線材料通常選擇鋁或者銅，因此電池與母排之間的焊接可以分為鋁與銅、鋁與鋼或者銅與鋼之間的焊接。他們之間焊接的問題和難點(diǎn)也各有不同。

然而，鋁母線排和電池鋼極之間的連接具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)殍F和鋁在熔點(diǎn)、導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)等熱物理性能上存在很大差異。此外，F(xiàn)e和Al之間的低溶解度導(dǎo)致形成脆性的金屬間化合物層，其中鐵和鋁在冶金上不相容，由此產(chǎn)生的熔焊容易形成有害的金屬間化合物(IMCs)。金屬間化合物(IMCs)的形成已被證明會(huì)導(dǎo)致多種焊接缺陷，如微裂紋和氣孔。Fe2Al5, Fe4Al13和FeAl2是富鋁相，F(xiàn)eAl和Fe3Al是富鐵相。富鋁IMC比富鐵IMC具有更強(qiáng)的硬度和脆性，因此焊接接頭之間更容易出現(xiàn)裂紋等缺陷。富鐵IMCs具有更好的韌性和延展性，可以減少裂紋的產(chǎn)生。然而，就吉布斯自由能而言，富鋁相的形成在熱力學(xué)上更有利于富鐵相的形成。Fe2Al5在熱力學(xué)上更穩(wěn)定，首先形成，然后是Fe4Al13、FeAl2、FeAl和FeAl3。IMCs通常是電阻性的，過多的IMCs會(huì)增加電池系統(tǒng)的內(nèi)阻，導(dǎo)致電池系統(tǒng)在充放電過程中產(chǎn)生更多的焦耳熱，影響電池系統(tǒng)的壽命。因此，在焊接過程中應(yīng)盡可能控制焊縫組織中IMC相的產(chǎn)生。

圖3 鋁鋼焊接常見的金屬間化合物

Yang等人發(fā)現(xiàn)鋁與鋼焊接時(shí)，應(yīng)控制熔深在一定范圍內(nèi)，低熔深時(shí)主要形成富鐵的Fe-Al IMCs。隨著熔深的增加，主要形成富鋁的Fe-Al IMC，使接頭的力學(xué)性能變差。Chen等人在焊接301不銹鋼和5754鋁合金時(shí)，加入垂直于焊接方向的磁場(chǎng)作用。他們發(fā)現(xiàn)，增加磁場(chǎng)抑制了C原子的擴(kuò)散，減小了奧氏體晶粒尺寸。增加磁場(chǎng)也能有效抑制接頭中Al的濃度，從而減小界面處IMC的裂紋和厚度，提高接頭的抗剪強(qiáng)度，降低接頭的硬度。

圖4 鋁/鋼焊縫界面層分析

Torkamany等人將0.8 mm厚的低碳鋼(st14)與2mm厚的5754鋁合金焊接在一起。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)脈沖激光的功率過高時(shí)，不利于焊縫的形成。當(dāng)功率較高時(shí)，增加了鋼和鋁的混合，增加了焊縫中鋁的含量，形成了更多的金屬間化合物。隨著熱輸入量的增加，增加激光脈沖的持續(xù)時(shí)間也會(huì)產(chǎn)生類似的效果。這些含有較多金屬間化合物的區(qū)域在熱應(yīng)力作用下形成裂紋。另一方面，減少激光脈沖的持續(xù)時(shí)間低于臨界水平導(dǎo)致缺熔合。提高焊接速度也會(huì)導(dǎo)致界面熔合不完全，降低接頭強(qiáng)度。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)峰值功率為1430 W，脈沖持續(xù)時(shí)間為5 ms，焊接速度為4 mm/s時(shí)。焊接質(zhì)量最好，此時(shí)金屬間化合物含量低，表面質(zhì)量高，連續(xù)界面層沒有明顯缺陷。

圖5 鋁/鋼焊接焊縫裂紋周圍的SEM圖

Sierra等人在焊接AA6016和DC04鋼時(shí)，為了提高鋁與鋼接頭在焊接時(shí)的力學(xué)性能，加入Al–12Si進(jìn)行激光填絲焊接，他們發(fā)現(xiàn)Si對(duì)Fe-Al金屬間化合物的生長(zhǎng)有一定的影響。焊縫中形成了具有較好力學(xué)性能的Fe-Al-Si金屬間化合物。Zhang等人也發(fā)現(xiàn)，以含Si的Al–5Si作為中間層激光焊接H220YD鋼與AA6016鋁時(shí)，可形成一定厚度的Al8Fe2Si、θ-Al13Fe4和ξ-Al2Fe金屬間化合物。當(dāng)厚度大于10μm時(shí)，接頭強(qiáng)度減小。Xia等人研究發(fā)現(xiàn)，在焊接6061-T6鋁和DP590鋼時(shí)，加入含Si的夾層可以有效降低激光焊接所需的激光功率，形成的含Si的金屬間化合物具有更高的強(qiáng)度和形狀，可以有效改善焊縫性能。

Cu與Al在焊接過程中可形成Cu2Al、Cu4Al3、CuAl、Cu9Al4等金屬間化合物。這些金屬間化合物的形成將極大地影響Cu與Al焊縫的顯微組織和力學(xué)性能。激光焊接具有能量密度高、焊接速度快、熱影響區(qū)窄等特點(diǎn)，可進(jìn)一步減少金屬間化合物的產(chǎn)生。此外，在焊接Cu和Al時(shí)，在接頭間填充銀、鎳、錫等填充材料也可有效減少脆性相的形成。

圖6 鋁/銅焊接常見的金屬間化合物

圖7 鋁/銅焊接焊縫區(qū)的SEM圖

Lee等人以純度為99.99%的Al和Cu作為電極樣品。采用鋁和銅作為搭接接頭的上部進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。焊縫中形成了大量的CuAl2，可見明顯的α(Cu)相、CuAl2相和Al + CuAl2相。以Al為上材焊接時(shí)，除熔銅滲透到Al熔體的區(qū)域外，銅均勻分布在整個(gè)區(qū)域。當(dāng)上層材料為Cu時(shí)，Cu混合區(qū)沿下層Al層分布，因?yàn)镃u混合比熔融Al重，所以向下擴(kuò)散。進(jìn)一步分析了焊接速度對(duì)焊接質(zhì)量的影響，他們發(fā)現(xiàn)在焊接速度為10 m/min時(shí)，焊縫中可以觀察到CuAl2、Cu9Al4和CuAl金屬間化合物。在較高的焊接速度為50 m/min時(shí)，金屬間化合物的形成受到抑制。此外，隨著焊接速度的增加，抗拉強(qiáng)度也有所增加，當(dāng)焊接速度為50 m/min時(shí)，頂部鋁的抗拉強(qiáng)度達(dá)到160 MPa，底部鋁的抗拉強(qiáng)度達(dá)到205 MPa。

圖8 鋁/銅搭接接頭EDS圖

Mai等人在焊接Cu和AA4047鋁時(shí)發(fā)現(xiàn)，將激光向鋁側(cè)移動(dòng)0.2 mm即可獲得無裂紋的焊縫，且焊縫硬度高于母材。Weigl等人采用AlSi12作為填充材料分別對(duì)純銅和純鋁進(jìn)行激光焊接。他們發(fā)現(xiàn)，焊縫中的AlSi12和CuSi3金屬間化合物均能提高接頭的延展性，且Si含量越高的AlSi12效果越好。

部分電池之間也可能是銅和鋼之間的焊接，銅和鐵因?yàn)槲锢硇阅艽嬖陲@著差異，特別是熔化溫度和導(dǎo)熱系數(shù)的差異，使得兩種金屬的焊接具有挑戰(zhàn)性。在Fe和Cu相圖中，在高溫下存在廣泛的亞穩(wěn)混相。在鋼銅激光焊接中，由于過冷的Fe-Cu液體分離成鐵銅液滴，液相分離是一個(gè)常見的特征。另一個(gè)主要問題是由于Cu滲入晶界，在鋼的焊接區(qū)或熱影響區(qū)出現(xiàn)熱裂紋。

圖9 銅/鋼之間焊接常見金屬間化合物

Mannucci等人將316L奧氏體不銹鋼與銅焊接，發(fā)現(xiàn)焊縫的拉伸性能主要取決于固體銅中熱影響區(qū)的形成。銅和不銹鋼的熔化區(qū)形狀極不對(duì)稱，焊縫中不銹鋼部分占比更大，由于馬蘭戈尼對(duì)流產(chǎn)生了兩個(gè)渦流，形成了沙漏形狀。316L不銹鋼側(cè)未形成熱影響區(qū)。焊縫的銅面幾乎是直的，并且有一個(gè)寬的熱影響區(qū)。在激光功率下，隨著激光功率的增加，熔化區(qū)Cu含量增加，但從未達(dá)到50%，這是因?yàn)镃u與316L相比具有非常高的熱擴(kuò)散率。只有激光偏移到銅側(cè)的焊接接頭性能較好。

Li等人發(fā)現(xiàn)不銹鋼與銅激光焊接的缺陷主要是由于不銹鋼熱影響區(qū)液化開裂和熔合區(qū)氣孔。由于熱影響區(qū)晶界處存在Fe-Cu化合物，影響了晶粒間的結(jié)合力，增加了焊縫裂紋的敏感性。他們發(fā)現(xiàn)液化裂縫的形成可以分為三個(gè)階段。第一階段，銅原子沿晶界不斷滲透，晶界處開始出現(xiàn)裂紋。在第二階段，F(xiàn)e-Cu化合物在晶界處積累，破壞了晶粒之間的結(jié)合強(qiáng)度，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。第三階段，隨著激光焊接過程中熱輸入的增加，熱應(yīng)力顯著增大，導(dǎo)致晶界處的小裂紋擴(kuò)展為大裂紋。裂紋長(zhǎng)度隨熱輸入的增加而增加。當(dāng)熱輸入達(dá)到125 KJ/m時(shí)，裂紋長(zhǎng)度開始減小。這是因?yàn)橛捎跍囟鹊倪M(jìn)一步升高，存在于裂紋中的熔融銅具有自愈特性。雖然存在這種自愈性，但在焊接過程中也應(yīng)減少熱輸入，以更好地控制焊接質(zhì)量。此外，他們還發(fā)現(xiàn)，氣孔主要是由于焊接過程中鎖眼的不穩(wěn)定性造成的，與熱影響區(qū)的液化開裂無關(guān)。焊接過程中，激光的焦點(diǎn)可以轉(zhuǎn)移到不銹鋼一側(cè)，這樣可以改變金屬液的流動(dòng)，增加攪拌效果，有助于消除氣孔。

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電池外殼的密封，特別是對(duì)于硬殼，需要高質(zhì)量的焊接，并且由于外殼較薄對(duì)熱輸入非常敏感，因此需要低熱輸入。電池殼的材料通常采用鋁或者不銹鋼制成。鋁合金因其重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、成型性好等優(yōu)點(diǎn)，因此采用鋁合金的更多。然而，鋁合金的焊接一直面臨著各種挑戰(zhàn)，因?yàn)殇X合金導(dǎo)熱性好，熱膨脹系數(shù)高，焊接難度大。鋁合金焊接通常伴隨著裂紋和氣孔等焊接缺陷。鋁合金表面的氧化膜(Al2O3)和其他有機(jī)雜質(zhì)在高溫下容易分解，提高了焊縫的氣孔敏感性。在高溫下，氫等氣相組分更易溶于熔池，更快的冷卻速度使其難以逸出并形成孔隙。

為了解決鋁合金焊接過程中存在的成形氣孔和焊接穩(wěn)定性差的問題，Wu等人提出了一種新的焊接方法。使用聚焦旋轉(zhuǎn)和垂直振蕩的光纖激光器焊接1060鋁合金。這種方法結(jié)合了焦點(diǎn)沿光束方向的垂直振蕩旋轉(zhuǎn)。他們發(fā)現(xiàn)，焊縫深度主要受激光垂直振蕩幅度的影響，焊縫外觀主要受激光焦點(diǎn)旋轉(zhuǎn)半徑的影響。在焊接過程中增加焦點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)可以有效地減少氣孔的形成，并且旋轉(zhuǎn)半徑越大，氣孔率越低。當(dāng)旋轉(zhuǎn)半徑為0~0.45mm時(shí)，孔隙率隨旋轉(zhuǎn)半徑的增大而減小。當(dāng)旋轉(zhuǎn)半徑為0.45mm時(shí)，焊縫氣孔率較非聚焦旋轉(zhuǎn)和非垂直振蕩降低91%。

圖12 鋁合金焊接焊縫截面圖

圖13 激光光斑整形及焊接過程圖

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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?；谀壳暗难芯浚瑢?duì)該領(lǐng)域未來的研究提出以下建議:

(1)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。

(2)在焊接過程中使用適當(dāng)?shù)闹虚g層或涂層來改變金屬構(gòu)件的形成，從而調(diào)節(jié)微觀組織，提高力學(xué)性能，降低電阻。

(3)目前激光仍以紅外波長(zhǎng)(1064 nm)為主，銅、鋁等金屬對(duì)該子波段的光具有較高的反射率，對(duì)藍(lán)光(450 nm)和綠光(515 nm)具有較高的吸收率。藍(lán)光和綠光激光器可用于焊接實(shí)驗(yàn)。