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

為了滿(mǎn)足車(chē)身輕量化的需求，動(dòng)力電池各部件一般采用鋁合金制造。鋁合金化學(xué)活潑性很強(qiáng)，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(qiáng)，在激光焊接時(shí)很容易產(chǎn)生爆點(diǎn)、氣孔和焊接裂紋等缺陷。此外，部分電極材料還會(huì)使用銅，此時(shí)鋁 － 銅異種材料焊接還會(huì)產(chǎn)生由脆性金屬間化合物導(dǎo)致的低強(qiáng)、開(kāi)裂等問(wèn)題。

動(dòng)力電池的模塊化設(shè)計(jì)對(duì)于單個(gè)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(duì)提升動(dòng)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(dòng)力電池生產(chǎn)線中，首先需要制造電池單體Cell，然后將多個(gè)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(gè)完整的pack， 如圖１所示。

圖1 動(dòng)力電池的模塊化設(shè)計(jì)

對(duì)于電池模組外部箱體，它是整個(gè)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(hào)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(chē)動(dòng)力電池箱體框架焊接過(guò)程

與電池箱體不同，動(dòng)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(huì)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(duì)接，接頭尺寸較小，需要可達(dá)性好、加工精度高的焊接方法進(jìn)行連接 。這時(shí)采用電弧焊或攪拌摩擦焊難以取得滿(mǎn)意的效果，而采用激光焊接具有較大的優(yōu)勢(shì) 。

激光熱源能量密度高、柔性高且可達(dá)性好，非常適合小尺寸電池零部件的加工。對(duì)于Al－Cu合金高反射率的問(wèn)題，利用小型脈沖激光的高峰值功率可實(shí)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(dòng)力電池的殼體、防爆閥、匯流排等零部件的加工過(guò)程 ，如圖3所示。

圖3 激光焊接在動(dòng)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(dòng)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(chǔ)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(qiáng)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(wèn)題是未熔透、氣孔、爆點(diǎn)和下榻，這些缺陷會(huì)降低電池的密封性。

圖4 動(dòng)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(dāng)?shù)暮附庸に?，通過(guò)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(guò)某一臨界值時(shí)，控制熔深達(dá)到特定值即可保證耐壓強(qiáng)度達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1 MPa。此外，焊接速度過(guò)快會(huì)導(dǎo)致脈沖點(diǎn)搭接不良出現(xiàn)虛焊，焊接速度過(guò)慢會(huì)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(diǎn)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(jìn)一步控制熔深、優(yōu)化焊縫成形。通過(guò)改變脈沖激光在時(shí)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(duì)比

針對(duì)氣孔問(wèn)題，電池外殼與蓋板的厚度很薄，脈沖激光連接時(shí)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(jī)編輯沒(méi)法插入鏈接，自己搜索）。通過(guò)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(jìn)一步減少氣孔，采用振鏡激光代替脈沖激光點(diǎn)焊，利用匙孔對(duì)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(wú)振鏡激光焊接焊縫對(duì)比

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

圖7 激光擺動(dòng)模式對(duì)接頭強(qiáng)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?zé)崾Э貢r(shí)發(fā)生爆炸 。當(dāng)電池內(nèi)部溫度異常，內(nèi) 部壓力升高到 1.0 ~ 1.2 MPa 時(shí)，防爆閥在壓力作用下被動(dòng)開(kāi)啟排除內(nèi)部氣體，避免壓力過(guò)高造成爆炸 。防爆閥在動(dòng)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(duì)激光的反射率高，且材料很薄，因此防爆閥在激光焊接過(guò)程中容易出現(xiàn)過(guò)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(dòng)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(guò)燒缺陷出現(xiàn)的原因是鋁合金對(duì)激光反射率高， 生產(chǎn)時(shí)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(guò)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(guò)前置尖峰可以提高鋁材對(duì)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(guò)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(diǎn)焊+縫焊）

對(duì)于炸孔缺陷，是由激光焊接過(guò)程中熔池內(nèi)的氣泡逸出所導(dǎo)致的 。一方面，動(dòng)力電池蓋板和防爆閥是厚度很薄的沖壓件，加工時(shí)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(shí)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(dá) 30 左右，焊接時(shí)極易產(chǎn)生熱變形翹曲，進(jìn)而導(dǎo)致它和頂蓋的裝配間隙中存在大量空氣 。焊接時(shí)這些殘留空氣受熱膨脹，噴出熔池會(huì)進(jìn)一步加劇形成炸孔缺陷的傾向 。為了解決這一 問(wèn) 題，一方面要加強(qiáng)焊前對(duì)蓋板和防爆閥的清洗，另一方面可以?xún)?yōu)化焊接順序，采用預(yù)先點(diǎn)焊＋縫焊的方式，通過(guò)點(diǎn)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(dòng)力電池蓋板上的 一 個(gè)圓形小孔 。在動(dòng)力電池殼體與蓋板完成連接后，通過(guò)注液孔向殼內(nèi)注入電解液。注液孔的密封焊接又稱(chēng)為焊 PIN，實(shí)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(guò)此工序電池內(nèi)部完全被密封起來(lái)， PIN 的焊接質(zhì)量直接關(guān)系電池的密封程度，焊 PIN 不良會(huì)導(dǎo)致電池漏液、外觀不良等問(wèn)題。焊 PIN 過(guò)程中的主要缺陷是焊偏導(dǎo)致的成形不良及類(lèi)似防爆閥的炸孔。

圖11 動(dòng)力電池注液孔密封焊接

鋁制 PIN 焊偏的問(wèn)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(guò)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(wèn)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(diǎn)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(dòng)力電池上設(shè)置有正極極柱和負(fù)極極柱，用于電能的輸出及與外部電路的連接 。其中，為了滿(mǎn)足高容量的使用需求，動(dòng)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(shí)其正負(fù)極柱與轉(zhuǎn)接塊之間的連接需要通過(guò)激光焊實(shí)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(wèn)題同樣是炸孔缺陷，其產(chǎn)生的原因和防爆閥的類(lèi)似 。極柱焊縫實(shí)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(kāi)熔池造成炸孔缺陷。在這一過(guò)程中，脈沖激光功率的快速變化進(jìn)一 步增加了形成炸孔的趨勢(shì) 。因此，除了加強(qiáng)焊前清洗，通過(guò)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(dá)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(duì)于電動(dòng)汽車(chē)而言，單個(gè)電池?zé)o論是輸出能力還 是容量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能支持行駛所需，實(shí)際驅(qū)動(dòng)汽車(chē)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(chēng)母排，它連接電池單元，將多個(gè)電池的輸出疊加到一處，因而可以滿(mǎn)足汽車(chē)動(dòng)力的高功率需要。匯流排與電池極耳的連接通過(guò)激光焊接實(shí)現(xiàn)，此處的焊接質(zhì)量將直接影響整個(gè)電池組的可靠性。在加工過(guò)程中，如果焊接不良，則會(huì)導(dǎo)致電池組內(nèi)部電阻增大，降低供電能力；如果焊接過(guò)度，則有可能對(duì)附近的電池殼體造成損傷，造成電解液泄露等問(wèn)題。

圖14 動(dòng)力電池極耳與匯流排的焊接接頭

動(dòng)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(shuí)家高壓連接這樣設(shè)計(jì)）異種接頭。焊接時(shí)的主要問(wèn)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(qiáng)度降低。

通過(guò)工藝優(yōu)化提升匯流排的焊接質(zhì)量，通過(guò)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(duì)于鋁合金薄板件焊接，氣孔通常是熔池卷入保護(hù)氣或氧化膜分解析氫造成的。通過(guò)加強(qiáng)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(duì)比準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)連續(xù)脈沖激光的焊縫本質(zhì)上是一個(gè)個(gè)單一焊點(diǎn)疊加而成，在相鄰焊點(diǎn)的重合處被熱量疊加，更容易產(chǎn)生氧化、氣孔和裂紋等問(wèn)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(shì)，為了達(dá)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(huì)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(duì)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(duì)焊接接頭的影響

采用納秒級(jí)脈沖激光器，通過(guò)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(duì)焊接接頭的影響

針對(duì)Al-Fe體系的極耳與匯流排，筆者團(tuán)隊(duì)基于納秒脈沖激光器也實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)連接。其中，納秒激光的掃描間距對(duì)于Al-Fe 異種接頭的強(qiáng)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(diǎn)處的熔深，進(jìn)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(qiáng)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(guò)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(xué)性能 。為了進(jìn)一步調(diào)控異種金屬的界面反應(yīng)， 提升Al-Fe接頭的力學(xué)性能，基于中間元素調(diào)控冶金反應(yīng)的思路（這個(gè)還需要引用論文?。?，焊接時(shí)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(kuò)散，減少脆性的Al- Fe金屬間化合物，提升接頭強(qiáng)度，如圖17 所示。

圖17 中間調(diào)控元素Cu對(duì)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(dòng)來(lái)改善接頭質(zhì)量。擺動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(qiáng)度和導(dǎo)電性的基礎(chǔ)上減少界面缺陷。

圖19 光斑尺寸對(duì)Al-Cu異種接頭強(qiáng)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(dòng)力電池的激光焊接問(wèn)題，通過(guò)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(guò)擺動(dòng)光束、脈沖波形調(diào)制等激光技術(shù)的幫助還可進(jìn)一步提升焊接質(zhì)量。然而，這些前端優(yōu)化只能為動(dòng)力電池焊接產(chǎn) 業(yè)的發(fā)展提供基礎(chǔ)支持，提高實(shí)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(lài)智能化焊接技術(shù)。

例如，動(dòng)力電池組在實(shí)際使用中通常還需要連接線路板，用于控制各個(gè)電池在統(tǒng)一頻率下工作。在裝配過(guò)程中，線路板難以直接觀察，人工操作無(wú)法精準(zhǔn)定位焊接位置。將機(jī)器視覺(jué)與激光，通過(guò)工業(yè)相機(jī)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法代替人工識(shí)別定位焊縫，其定位誤差小于0.05 mm。動(dòng)力電池極耳與匯流排的焊接質(zhì)量對(duì)激光加工距離十分敏感，激光頭到焊接面距離的波動(dòng)容易導(dǎo)致虛焊（離焦量），采用機(jī)器視覺(jué)測(cè)距實(shí)現(xiàn)精密跟蹤，保持加工距離不變，可以方便地解決這個(gè)問(wèn)題。

除了可以代替人工完成焊接，智能化技術(shù)還能進(jìn)一步幫助控制焊接過(guò)程，提升焊接質(zhì)量 。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè) 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(cè)系統(tǒng)也可以去看看）。脈沖激光焊接時(shí)間的閉環(huán)控制過(guò)程如圖20和圖21所示，利用反饋系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制激光器的脈沖時(shí)間，在鋁銅界面過(guò)度混合時(shí)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(qiáng)度。

圖20 脈沖激光焊接時(shí)間

智能激光焊接技術(shù)在焊接缺陷的識(shí)別中也有重要應(yīng)用。在大批量生產(chǎn)時(shí)，動(dòng)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(shí)別這些缺陷仍以人工檢測(cè)為主，存在檢測(cè)效率低和檢測(cè)精度差等問(wèn)題。智能化缺陷識(shí)別利用機(jī)器代替人眼對(duì)物體進(jìn)行檢測(cè)、測(cè)量、識(shí) 別，具有高精度，高效率和檢測(cè)穩(wěn)定等特點(diǎn)。利用工業(yè)相機(jī)組成的視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)電池極耳激光焊接的虛焊、焊偏、翻折等缺陷 ，其準(zhǔn)確率達(dá)到95％以上。在動(dòng)力電池的外殼焊接，防爆閥密封焊接等多個(gè)加工過(guò)程中，智能化缺陷識(shí)別都有望取代人工檢測(cè)，進(jìn)一步推動(dòng)行業(yè)發(fā)展。

圖21 脈沖激光焊接時(shí)間的閉環(huán)控制過(guò)程

4、結(jié)束語(yǔ)

(1) 目前動(dòng)力電池中激光焊接的主要問(wèn)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(qiáng)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(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，通過(guò)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(duì)動(dòng)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(zhǎng)等光束特性對(duì)焊接質(zhì)量都有顯著的影響，能進(jìn)一步消除焊接缺陷 。

(3) 隨著動(dòng)力電池市場(chǎng)和產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，為了提升激光焊接的效率，推廣智能化技術(shù)是大勢(shì)所趨。前端的焊接工藝優(yōu)化和技術(shù)升級(jí)為動(dòng)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(shí)別、缺陷識(shí)別、質(zhì)量監(jiān)測(cè)等為代表的智能化技術(shù)也是未來(lái)的研究熱點(diǎn)之一。