新能源汽車動力電池，作為新能源汽車的驅(qū)動能源，其質(zhì)量好壞直接影響到新能源汽車的使用壽命。激光加工技術已成為發(fā)展最快的高新技術之一，為傳統(tǒng)制造業(yè)改造提供了充足支持。相較于傳統(tǒng)極耳焊接、極片切割模式而言激光切割模式可以實現(xiàn)自動化操作，并解決毛刺、露白、掉粉等一系列問題。激光焊接具有較高的能量密度、較快的焊接速度以及較小的加熱區(qū)域，適用于對焊接變形及精度要求較高的新能源汽車動力電池模組生產(chǎn)中。動力電池極耳部分（厚度為0.3mm 的TU1銅鍍鎳片和1050鋁合金片）要與模組兩側(cè)匯流排（Busbar，6061鋁合金）焊接在一起。這類材料使用傳統(tǒng)焊接方式時，很容易在焊接過程中產(chǎn)生裂紋和變形，影響電池質(zhì)量。

極耳激光切割應用

設備選型

對于鋰電池負極銅箔，可以選擇 1064nmMOPA 型光纖激光器，其峰值功率密度為 2.4×10⁶W/mm2 ，可以通過對種子源的電進行調(diào)制，在兆赫茲工作頻率內(nèi)實現(xiàn)幾納米到幾十納米的“窄脈寬”切割。

在應用 1064nmMOPA 型光纖激光器切割 8.0μm 銅箔（鋰電池負極）時，可以設定脈寬為20ns，工作頻率與單脈沖能量分別為760kHz、0.13mJ，改善銅箔切割毛刺問題，并將毛刺尺寸控制在 10μm 內(nèi)，同時減少鋰電池銅箔極片切割飛濺、熔融層尺寸誤差。部分情況下，為了減少熔融層“魚鱗紋”現(xiàn)象，也可以將脈沖頻率進行進一步提高，杜絕熔融重新凝結(jié)層。需要注意的是，在將脈寬一定、調(diào)高平均功率的同時，還需要根據(jù)激光器聚焦需要，調(diào)整焦點光斑直徑為 60μm，調(diào)整銅箔切割時振鏡走筆速度為 800mm/s。

極耳激光焊接分析

保持焊接速度不變，當激光功率為 1000W 時，焊縫表面的魚鱗紋中發(fā)現(xiàn)部分未熔化的銅，說明此時的激光功率較低，達不到上層銅全部熔化的焊接要求；當激光功率為 1100W 時，此時銅鋁焊接頭表面焊縫的魚鱗紋均勻光滑，較為清晰，且焊縫與母材交界線較為平直。當激光功率為 1300W 和 1400W 時，銅鋁焊接頭焊縫表面燒損嚴重，魚鱗紋已經(jīng)消失，熱影響區(qū)與母材交界線出現(xiàn)凹凸不平的缺口。觀察銅鋁焊接頭焊縫截面形貌，當功率為 1000W 時，我們可以看到熔池內(nèi)銅鋁發(fā)生反應，焊縫由黑色陰影處（下）和銅鋁混合處（上）兩部分構(gòu)成，發(fā)生了明顯的“鋁侵入銅”的現(xiàn)象，并伴有微小的氣孔產(chǎn)生。隨著激光功率增加，焊縫中陰影部分面積增加，且“鋁侵入銅”的現(xiàn)象也越來越明顯，且容易在焊縫中形成氣孔。這是因為激光功率增加導致熔池熔深和熔池中的鋁元素增加，故銅鋁反應也就越劇烈，“鋁侵入銅”的現(xiàn)象就越明顯。當激光功率為 1400W 時，可以看到焊縫沒有了陰影部分，但更多的鋁元素進入了上層銅中去，焊縫整體呈灰白色，且分布著大小不均的氣孔。

保持焊接速度 55mm/s 不變，銅鋁焊接頭焊縫的熔寬和熔深都與激光功率呈正相關，且熔深與激光功率的線性相關性更強。當激光功率從 1000W 增加到1300W 時，焊縫的熔深迅速從 0.21mm 增加到 0.68mm，而焊縫的熔寬從起始的 1.51mm逐漸增加到 1.61mm 后趨于平穩(wěn)，這是因為此階段產(chǎn)生的熱量基本上用來增加焊縫熔深了，用來擴展熔合線的能量較少，故熔寬增加增加緩慢。當激光功率為 1400W 時，焊縫熔深的增大的速率放緩，熔深增而大至 0.76mm，熔寬卻增大突然至 1.68mm。這是因為在焊接過程中，隨著激光功率增加，焊縫熔池上方的焊接材料蒸氣以及等離子體會逐漸增多，吸收了照射激光地部分能量，減緩了熔池熔深增大速率，卻增強了對焊縫熔池表面的輻射作用，使得焊縫表面熔寬增大。

鋁鋁焊接頭焊縫表面形貌可以看出，當焊接速度為 25mm/s 時，此時焊縫表面的魚鱗紋較為密集，焊縫區(qū)與母材區(qū)的交界線彎曲突起，不平滑。此時當焊接速度越慢，焊接頭擺動速度一定，單位時間內(nèi)移動的距離短，在該段長度范圍內(nèi)擺動的次數(shù)越多，形成的魚鱗紋也就越密集，且熱輸入較大，焊縫區(qū)與母材區(qū)的交界線不規(guī)范。當焊接速度逐漸增大時，焊縫表面的魚鱗紋密集程度開始減弱，焊縫區(qū)與母材區(qū)的交界線逐漸變得平直，這是因為焊接速度增加，單位時間內(nèi)焊接頭移動的距離增加，焊接頭在該段長度范圍內(nèi)擺動的次數(shù)減少，單位時間內(nèi)焊縫中的熱輸入減少，焊縫區(qū)與母材區(qū)的交界線處的熔池條件得到改善，交界線變得平直。從鋁鋁焊接頭焊縫截面形貌中可以看出，當焊接速度為 25mm/s 時，焊縫擁有最深的焊縫熔深，但此時焊縫中氣孔數(shù)量較多。這是因為在相同的激光功率下，較低焊接速度對應的焊接熱輸入較大，導致焊縫熔池加深，氣孔溢出焊縫表面時間也就越長，氣孔留在焊縫中的機率就越大。當焊接速度增加時，焊接頭焊縫的熔深逐漸減小，焊縫中氣孔的數(shù)量逐漸減少。在焊接速度為 55mm/s 時，焊縫中氣孔的數(shù)量最少，氣孔直徑最小。當焊接速度繼續(xù)增加時，焊縫截面形貌狀態(tài)出現(xiàn)惡化，氣孔直徑變大。這是因為過大的焊接速度使得激光在焊縫中停留的相對時間變短，熔池得深度變淺，熔池在冷卻時氣泡來不及所導致。因此焊接速度過快和過慢都不行，只有選擇合適的焊接速度，才能減少焊縫中氣孔的數(shù)量。

保持激光功率 700W 不變，隨著焊接速度的不斷增加，鋁鋁焊接頭焊縫區(qū)的熔寬和熔深都不斷降低。當焊接速度從 25mm /s 增加到 65mm/s 時，鋁鋁焊接頭焊縫熔寬從 1.54mm 減小到 1.49mm，熔深從 0.24mm 減小到 0.17mm。由公式（3-1）可知，當焊接速度增加時，對應的激光焊接熱輸入會減少，熔池在單位長度上吸收激光能量變少，所能熔化的金屬量減少，故焊縫表面的熔寬會減??；與此同時，焊接速度增加使得激光在焊接時激光地穿透能力減弱，焊縫的熔深也會減少。

銅鋁焊接頭焊縫表面形貌可以看出，當焊接速度為 25mm/s 時，此時銅鋁焊接頭焊縫表面的魚鱗紋較為密集。當焊接速度逐漸增大時，焊縫表面的魚鱗紋密集程度開始減弱。特別的，當焊接速度為 65mm/s 時，此時焊縫表面的魚鱗紋已經(jīng)消失，取而代之的是擺動焊接頭擺動焊接的軌跡，但由于焊接速度太快，焊接熱輸入不足，焊縫表面還有部分銅為被熔化。當焊接速度為 25mm/s 時，銅鋁焊接頭截面焊縫擁有最深的熔深，此時熔化的銅層下出現(xiàn)少量“鋁侵入銅”的現(xiàn)象，焊縫中心處有一處氣孔，且在焊縫熔池兩邊下角由黑色的陰影區(qū)域。當焊接速度逐漸增加時，銅鋁焊接頭的熔深逐漸降低，焊縫中“鋁侵入銅”程度減小，焊縫中氣孔數(shù)量開始增多。這是因為焊接速度增加，焊縫熔池變淺，熔池中的鋁元素減少，焊縫中產(chǎn)生氣孔來不及逸出排除造成氣孔數(shù)量相對增多。當焊接速度增加到 65mm/s 時，此時激光剛剛?cè)鄞┥蠈鱼~，只熔化下層鋁上極少部分，此時幾乎沒有“鋁侵入銅”現(xiàn)象發(fā)生。

保持激光功率 900W 不變，當焊接速度增加，銅鋁焊接頭焊縫熔寬和熔深與激光功率均呈負相關性。當焊接速度從 25mm/s 增加 65mm/s 到時，銅鋁焊接頭焊縫熔寬從 1.525mm 減小到 1.445mm，焊縫的熔深從 0.226mm 減小到 0.102mm。焊接速度地增加導致焊接熱輸入輸入嚴重不足，是焊縫的熔深和熔寬不斷減少的主要原因。

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