激光焊接技术在动力电池制造业中的应用！

锂离子电池因其能量密度高、自放电低、寿命周期长等优点，已成为电动汽车最重要的电源。电动汽车使用的电池主是圆柱电池和方壳电池。动力电池系统通常采用电池-模块-电池包结构设计和制造，其中电池通常通过母排(busbar)连接。电池系统通常工作在恶劣的驾驶环境中，如振动、高温和可能的碰撞等。如何安全有效的焊接电池模块中的成百上千的焊接点，关系到整个电池系统的可靠性和安全性。

激光焊接被认为是最有前途的连接方法，因为它具有热量集中，焊接速度快，热效应小，焊接变形小，易于实现高效的自动化和集成化等优点，因此在动力电池制造中得到越来越广泛的应用。

图1 电池包常用的模块构成(方壳电池和圆柱电池)

图2 电池与母线排(busbar)连接示意图

Laser-arc Hybrid Welding

电池的电极与母排的焊接是电池组生产过程中的重中之重。这里的焊接质量将直接影响电池组的可靠性，对焊接效果有很高的要求。如果焊接强度较弱，电池组的内阻会增加，从而影响电池组的正常供电。焊接热量过高会导致电池芯的电极盖被穿透，导致电解液泄漏和电池电路短路。电池外壳通常由铝或者钢制成，母线材料通常选择铝或者铜，因此电池与母排之间的焊接可以分为铝与铜、铝与钢或者铜与钢之间的焊接。他们之间焊接的问题和难点也各有不同。

然而，铝母线排和电池钢极之间的连接具有挑战性，因为铁和铝在熔点、导热系数和热膨胀系数等热物理性能上存在很大差异。此外，Fe和Al之间的低溶解度导致形成脆性的金属间化合物层，其中铁和铝在冶金上不相容，由此产生的熔焊容易形成有害的金属间化合物(IMCs)。金属间化合物(IMCs)的形成已被证明会导致多种焊接缺陷，如微裂纹和气孔。Fe2Al5, Fe4Al13和FeAl2是富铝相，FeAl和Fe3Al是富铁相。富铝IMC比富铁IMC具有更强的硬度和脆性，因此焊接接头之间更容易出现裂纹等缺陷。富铁IMCs具有更好的韧性和延展性，可以减少裂纹的产生。然而，就吉布斯自由能而言，富铝相的形成在热力学上更有利于富铁相的形成。Fe2Al5在热力学上更稳定，首先形成，然后是Fe4Al13、FeAl2、FeAl和FeAl3。IMCs通常是电阻性的，过多的IMCs会增加电池系统的内阻，导致电池系统在充放电过程中产生更多的焦耳热，影响电池系统的寿命。因此，在焊接过程中应尽可能控制焊缝组织中IMC相的产生。

图3 铝钢焊接常见的金属间化合物

Yang等人发现铝与钢焊接时，应控制熔深在一定范围内，低熔深时主要形成富铁的Fe-Al IMCs。随着熔深的增加，主要形成富铝的Fe-Al IMC，使接头的力学性能变差。Chen等人在焊接301不锈钢和5754铝合金时，加入垂直于焊接方向的磁场作用。他们发现，增加磁场抑制了C原子的扩散，减小了奥氏体晶粒尺寸。增加磁场也能有效抑制接头中Al的浓度，从而减小界面处IMC的裂纹和厚度，提高接头的抗剪强度，降低接头的硬度。

图4 铝/钢焊缝界面层分析

Torkamany等人将0.8 mm厚的低碳钢(st14)与2mm厚的5754铝合金焊接在一起。他们发现，当脉冲激光的功率过高时，不利于焊缝的形成。当功率较高时，增加了钢和铝的混合，增加了焊缝中铝的含量，形成了更多的金属间化合物。随着热输入量的增加，增加激光脉冲的持续时间也会产生类似的效果。这些含有较多金属间化合物的区域在热应力作用下形成裂纹。另一方面，减少激光脉冲的持续时间低于临界水平导致缺熔合。提高焊接速度也会导致界面熔合不完全，降低接头强度。他们发现当峰值功率为1430 W，脉冲持续时间为5 ms，焊接速度为4 mm/s时。焊接质量最好，此时金属间化合物含量低，表面质量高，连续界面层没有明显缺陷。

图5 铝/钢焊接焊缝裂纹周围的SEM图

Sierra等人在焊接AA6016和DC04钢时，为了提高铝与钢接头在焊接时的力学性能，加入Al–12Si进行激光填丝焊接，他们发现Si对Fe-Al金属间化合物的生长有一定的影响。焊缝中形成了具有较好力学性能的Fe-Al-Si金属间化合物。Zhang等人也发现，以含Si的Al–5Si作为中间层激光焊接H220YD钢与AA6016铝时，可形成一定厚度的Al8Fe2Si、θ-Al13Fe4和ξ-Al2Fe金属间化合物。当厚度大于10µm时，接头强度减小。Xia等人研究发现，在焊接6061-T6铝和DP590钢时，加入含Si的夹层可以有效降低激光焊接所需的激光功率，形成的含Si的金属间化合物具有更高的强度和形状，可以有效改善焊缝性能。

Cu与Al在焊接过程中可形成Cu2Al、Cu4Al3、CuAl、Cu9Al4等金属间化合物。这些金属间化合物的形成将极大地影响Cu与Al焊缝的显微组织和力学性能。激光焊接具有能量密度高、焊接速度快、热影响区窄等特点，可进一步减少金属间化合物的产生。此外，在焊接Cu和Al时，在接头间填充银、镍、锡等填充材料也可有效减少脆性相的形成。

图6 铝/铜焊接常见的金属间化合物

图7 铝/铜焊接焊缝区的SEM图

Lee等人以纯度为99.99%的Al和Cu作为电极样品。采用铝和铜作为搭接接头的上部进行对比试验。焊缝中形成了大量的CuAl2，可见明显的α(Cu)相、CuAl2相和Al + CuAl2相。以Al为上材焊接时，除熔铜渗透到Al熔体的区域外，铜均匀分布在整个区域。当上层材料为Cu时，Cu混合区沿下层Al层分布，因为Cu混合比熔融Al重，所以向下扩散。进一步分析了焊接速度对焊接质量的影响，他们发现在焊接速度为10 m/min时，焊缝中可以观察到CuAl2、Cu9Al4和CuAl金属间化合物。在较高的焊接速度为50 m/min时，金属间化合物的形成受到抑制。此外，随着焊接速度的增加，抗拉强度也有所增加，当焊接速度为50 m/min时，顶部铝的抗拉强度达到160 MPa，底部铝的抗拉强度达到205 MPa。

图8 铝/铜搭接接头EDS图

Mai等人在焊接Cu和AA4047铝时发现，将激光向铝侧移动0.2 mm即可获得无裂纹的焊缝，且焊缝硬度高于母材。Weigl等人采用AlSi12作为填充材料分别对纯铜和纯铝进行激光焊接。他们发现，焊缝中的AlSi12和CuSi3金属间化合物均能提高接头的延展性，且Si含量越高的AlSi12效果越好。

部分电池之间也可能是铜和钢之间的焊接，铜和铁因为物理性能存在显著差异，特别是熔化温度和导热系数的差异，使得两种金属的焊接具有挑战性。在Fe和Cu相图中，在高温下存在广泛的亚稳混相。在钢铜激光焊接中，由于过冷的Fe-Cu液体分离成铁铜液滴，液相分离是一个常见的特征。另一个主要问题是由于Cu渗入晶界，在钢的焊接区或热影响区出现热裂纹。

图9 铜/钢之间焊接常见金属间化合物

Mannucci等人将316L奥氏体不锈钢与铜焊接，发现焊缝的拉伸性能主要取决于固体铜中热影响区的形成。铜和不锈钢的熔化区形状极不对称，焊缝中不锈钢部分占比更大，由于马兰戈尼对流产生了两个涡流，形成了沙漏形状。316L不锈钢侧未形成热影响区。焊缝的铜面几乎是直的，并且有一个宽的热影响区。在激光功率下，随着激光功率的增加，熔化区Cu含量增加，但从未达到50%，这是因为Cu与316L相比具有非常高的热扩散率。只有激光偏移到铜侧的焊接接头性能较好。

Li等人发现不锈钢与铜激光焊接的缺陷主要是由于不锈钢热影响区液化开裂和熔合区气孔。由于热影响区晶界处存在Fe-Cu化合物，影响了晶粒间的结合力，增加了焊缝裂纹的敏感性。他们发现液化裂缝的形成可以分为三个阶段。第一阶段，铜原子沿晶界不断渗透，晶界处开始出现裂纹。在第二阶段，Fe-Cu化合物在晶界处积累，破坏了晶粒之间的结合强度，导致裂纹的产生。第三阶段，随着激光焊接过程中热输入的增加，热应力显著增大，导致晶界处的小裂纹扩展为大裂纹。裂纹长度随热输入的增加而增加。当热输入达到125 KJ/m时，裂纹长度开始减小。这是因为由于温度的进一步升高，存在于裂纹中的熔融铜具有自愈特性。虽然存在这种自愈性，但在焊接过程中也应减少热输入，以更好地控制焊接质量。此外，他们还发现，气孔主要是由于焊接过程中锁眼的不稳定性造成的，与热影响区的液化开裂无关。焊接过程中，激光的焦点可以转移到不锈钢一侧，这样可以改变金属液的流动，增加搅拌效果，有助于消除气孔。

Laser-arc Hybrid Welding

电池外壳的密封，特别是对于硬壳，需要高质量的焊接，并且由于外壳较薄对热输入非常敏感，因此需要低热输入。电池壳的材料通常采用铝或者不锈钢制成。铝合金因其重量轻、强度高、耐腐蚀性好、成型性好等优点，因此采用铝合金的更多。然而，铝合金的焊接一直面临着各种挑战，因为铝合金导热性好，热膨胀系数高，焊接难度大。铝合金焊接通常伴随着裂纹和气孔等焊接缺陷。铝合金表面的氧化膜(Al2O3)和其他有机杂质在高温下容易分解，提高了焊缝的气孔敏感性。在高温下，氢等气相组分更易溶于熔池，更快的冷却速度使其难以逸出并形成孔隙。

为了解决铝合金焊接过程中存在的成形气孔和焊接稳定性差的问题，Wu等人提出了一种新的焊接方法。使用聚焦旋转和垂直振荡的光纤激光器焊接1060铝合金。这种方法结合了焦点沿光束方向的垂直振荡旋转。他们发现，焊缝深度主要受激光垂直振荡幅度的影响，焊缝外观主要受激光焦点旋转半径的影响。在焊接过程中增加焦点的旋转可以有效地减少气孔的形成，并且旋转半径越大，气孔率越低。当旋转半径为0~0.45mm时，孔隙率随旋转半径的增大而减小。当旋转半径为0.45mm时，焊缝气孔率较非聚焦旋转和非垂直振荡降低91%。

图12 铝合金焊接焊缝截面图

图13 激光光斑整形及焊接过程图

Laser-arc Hybrid Welding

激光焊接是一种能量密度高、无接触、热输入控制精确的焊接方法，可为电动汽车电池系统中异种材料之间的焊接提供可靠的可焊性。异种材料的激光焊接近年来取得了很大的进展。然而，无论对工艺参数进行优化或对各种接头结构进行改进，仍然会出现结合不完全、金属界面脆、腐蚀、气孔过多、开裂等冶金缺陷。这些缺陷影响了整个电动汽车电池系统的电气性能和安全性。因此，激光焊接技术要想在电动汽车电池的制造中得到广泛应用，还需要进一步的研究。基于目前的研究，对该领域未来的研究提出以下建议:

(1)由于电动汽车电池使用的材料厚度普遍较低，需要通过控制金属间化合物的厚度来优化工艺参数，准确控制热输入，提高焊接质量。例如，激光功率与焊接速度的匹配，以及适当的光束振荡频率。

(2)在焊接过程中使用适当的中间层或涂层来改变金属构件的形成，从而调节微观组织，提高力学性能，降低电阻。

(3)目前激光仍以红外波长(1064 nm)为主，铜、铝等金属对该子波段的光具有较高的反射率，对蓝光(450 nm)和绿光(515 nm)具有较高的吸收率。蓝光和绿光激光器可用于焊接实验。

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