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。

對于鋰電池正極鋁箔，可以選擇脈沖達到皮秒級的皮秒激光器，其可以通過進行種子源鎖模，獲得超窄脈沖信號 。同時皮秒激光器可以利用三倍頻技術，將 1064nm近紅外激光向 355nm 紫外光、532nm 綠光轉(zhuǎn)化，滿足多種類別材料加工需求，并在實現(xiàn)“冷加工”。

切割參數(shù)設置

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。

在應用 9.1W 皮秒激光器 532nm 綠光激光器切割鋁箔正負極片時，可以設定脈寬為10ps，切割速度為 1000mm/s，重復頻率為300kHz，縮小正極片熔融重新凝結(jié)區(qū)域，減弱熔融區(qū)下方亮白色 + 紅色 + 黃色熱影響帶，消除白色光亮層、紅色熱擴散層。根據(jù)結(jié)果進行切割參數(shù)的調(diào)整，將常溫輔助氣體變更為低溫輔助氣體等。

極耳激光焊接應用

焊接參數(shù)選擇

銅極耳厚度在 0.2～ 0.5mm 左右，鋁極耳焊接厚度在 0.2 ～0.6mm 左右。因此，在激光焊接極耳時，需要設定激光波長為 1064nm，激光功率為110W ～ 200W，光斑 28μm，激光掃描速度與脈沖頻率分別為 500mm/s、200kHz，重復頻率為 0.4 ～ 20MHz，脈沖寬度為 50～120ns。并控制極耳焊接縫隙寬度在 1.2～2.4mm內(nèi)，焊接縫隙深度在 1.2～1.8mm內(nèi)。同時保證極耳寬度精度與極耳間距精度、極耳高度精度均小于等于±0.15mm。

極耳激光焊接分析

激光功率對鋁鋁焊縫形貌的影響

鋁鋁焊接頭焊縫表面形貌主要分為母材區(qū)（BM）和焊縫區(qū)(Weld)兩個區(qū)域。保持焊接速度 55mm/s 不變，在激光功率為 550W 時，焊接頭焊縫表面的魚鱗紋比較清晰，且焊縫與母材的交界線也較為平直。當激光功率增加時，焊縫表面逐漸被燒蝕，且魚鱗紋形狀越來越不規(guī)范；在激光功率為 950W 時，焊縫表面的部分魚鱗紋形狀被嚴重破壞，產(chǎn)生了嚴重燒蝕現(xiàn)象。焊縫與母材的交接線也因激光功率地增加由平直線逐漸變成凹凸不平的曲線，當激光功率為 850W 和 950W 時，可明顯看到焊縫兩邊交接線出現(xiàn)鋸齒狀突起。當激光功率為 550W 時，此時激光功率不足，觀察焊縫截面形貌可知，上層鋁 1050剛剛?cè)鄞聦愉X 6061 才剛剛被熔化，上層鋁 1050 和下層鋁 6061 之間存在間隙易導致焊縫中焊縫中產(chǎn)生氣孔。當激光功率為 650W 時，此時激光剛好突破量下層 6061鋁片界面，形成較淺的熔深，此時產(chǎn)生的氣孔直徑約為 50μm。隨著激光功率地增加，焊縫的熔深不斷增加，焊接時產(chǎn)生的氣孔也越來越大且數(shù)量增加。這是因為焊縫熔池在激光功率增加時反應劇烈程度增加，使得氣孔產(chǎn)生的幾率增大，且深的熔深不利于氣孔溢出。當激光功率為950W時，可明顯看見在焊縫熔池中心處存在一個直徑約為200μm的氣孔。

激光功率對鋁鋁焊縫熔寬熔深的影響

保持焊接速度 55mm/s 不變，隨著激光功率地增加，鋁鋁焊接頭焊縫的熔寬及熔深均呈現(xiàn)上升趨勢。當激光功率為 550W 和 650W 時，焊縫的熔寬分別為1.38mm 和 1.39mm。這是因為初始功率太低，產(chǎn)生的熱量還不能滿足焊縫形成較大的熔寬。當激光功率增加至 950W 時，焊縫的熔寬逐漸增大且趨于平穩(wěn)，最大值為 1.53mm。原因是激光功率逐漸增大導致焊縫吸收的熱量增多，導致焊縫熔合線由焊縫中心向母材兩邊移動，焊縫熔寬有所增大[66]。當激光功率從 550W 增加到 850W 時，焊接頭焊縫的熔深也從 0.05mm 增加到了0.25mm，這是激光功率增加帶來的大量熱能所致。當功率達到 950W 時，焊縫的熔深突然增大到 0.42mm，原因是此時的激光功率密度為1.94?106W/cm2，激光焊接的方式為深熔焊，焊縫的熔池產(chǎn)生了匙孔，使激光束能量可以直接作用在匙孔底部，加大了能量向下傳遞的力度，使得焊縫熔深速增大至 0.42mm。

激光功率對鋁銅焊縫宏觀形貌的影響

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。

激光功率對銅鋁焊接頭熔寬熔深的影響

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。

焊接速度對鋁鋁焊縫宏觀形貌的影響

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。

焊接速度對鋁鋁焊接頭熔寬熔深的影響

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小；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。

焊接速度對鋁銅焊縫宏觀形貌的影響

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。

焊接速度對銅鋁焊接頭熔深熔寬的影響

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。

參考文獻：

[1] 江浪. 激光焊接在極耳焊接中的應用 [J]. 時代汽車, 2021, (24): 145-146.

[2] 肖禮軍. 新能源汽車電池極耳激光焊接焊縫成形及組織性能研究[D]. 上海應用技術大學, 2021. DOI:10.27801/d.cnki.gshyy.2021.000045.

[3] Yuan X，Liu X，Zuo J . The development of new energy vehicles for a sustainable future:

[4] 趙永金，廖萍，朱建新等.混合動力汽車用氫鎳電池組冷卻系統(tǒng)研究[J].電源技術，

2019，43(06):1010-1012+1016.

[5] 王記磊，楊坤，劉慶新等.新能源汽車用鋰離子動力電池單體選型方法[J].機械設計

與制造，2020(4):278-281.

[6] 李凌云.中國新能源汽車用鋰電池產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].電源技術，2020，

44(4):628-630.