新能源動力鋰電池制造工藝焊接方法及工藝的合理選擇直接影響電池的成本、質(zhì)量、安全性和電池一致性。接下來，將介紹一下動力電池焊接的相關(guān)應(yīng)用技術(shù)。

1激光焊接原理

激光焊接是利用激光束優(yōu)異的方向性、高功率、高密度等特性運作，通過光路整形將激光束集中在小區(qū)域內(nèi)，用極短的時間在被焊接的部位形成能量高度集中的熱源區(qū)域，熔化被焊接物，從而產(chǎn)生牢固的焊點和焊縫。

2激光焊接類型
熱傳導焊接和深熔焊接

激光功率密度為105~106w/cm2，形成激光熱傳導焊接，激光功率密度為105~106w/cm2，形成激光深熔焊接。

穿透焊接方法和縫焊接方法

穿透焊接，連接片不需要打孔，加工步驟比較簡單。穿透焊接的熔深比縫焊的熔深要淺，可靠性相對降低。

穿透焊接需要功率較大的激光焊接機。

縫焊只需較小功率的激光焊接機?？p焊的熔深比穿透焊接的熔深要打，可靠性相對更好。但連接片需要打孔，加工難度相對復雜。

脈沖焊接和連續(xù)焊接

1)脈沖模式焊接

激光焊接時應(yīng)選擇合適的焊接波形。常用的脈沖波形有方波、尖峰波、雙峰波等。鋁合金表面對光的反射率太高。高強度激光束到達材料表面后，金屬表面的激光能量有60%-98%會因反射而損失，反射率會隨著表面溫度的變化而變化。一般來說，焊接鋁合金時最好選擇尖波和雙峰波。這種焊接波形后面部分脈寬比較長，可以有效地減少氣孔和裂紋。

脈沖激光焊接樣品

鋁合金對激光的反射率很高，為了防止激光束垂直入射后損壞激光聚焦鏡，所以在焊接過程中焊頭會偏移一個角度。焊點直徑和有效結(jié)合面的直徑隨著激光傾斜角度的增加而增加，激光傾斜角度為40度時，得到最大焊點和有效結(jié)合面。焊點熔深和有效熔深隨著激光傾斜角減少，大于60度時，有效焊接熔深下降到0。因此，將焊頭傾斜特定角度，可以適當增加焊接熔深和熔寬。

另外，焊接時以焊縫為邊界，將激光焊接斑點焊接到蓋子的65%、外殼的35%，可以有效地減少合蓋問題引起的炸火。

2)連續(xù)模式焊接
連續(xù)激光器焊接的過程與脈沖激光不同，不會出現(xiàn)忽冷忽熱，因此焊接時裂紋傾向不明顯。為了提高焊接質(zhì)量，采用連續(xù)激光器焊接，焊接表面光滑均勻，不飛濺，無缺陷，焊接內(nèi)部沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。在鋁合金焊接中，連續(xù)激光器焊接的優(yōu)點明顯比傳統(tǒng)焊接方法的生產(chǎn)效率高。與脈沖激光焊接相比，其可以解決焊接后產(chǎn)生的裂紋、氣孔、飛濺等缺陷，確保焊接后鋁合金的機械性能。焊接后不下陷，焊接后拋光量減少，可以降低生產(chǎn)成本，由于連續(xù)激光器的光斑較小，對工件的裝配精度要求較高。

連續(xù)激光焊接樣品

在新能源動力電池焊接中，焊接工藝技術(shù)人員根據(jù)客戶的電池材料、形狀、厚度、應(yīng)力要求等選擇合適的激光器和焊接工藝參數(shù)。包括焊接速度、波形、峰值、焊接頭傾斜角度等參數(shù)合理設(shè)置，以確保最終焊接效果滿足新能源動力電池制造商的要求。

3激光焊接優(yōu)勢

能量集中、焊接效率、加工精度高、焊接深度大。激光束可以很容易地聚焦、瞄準光學儀器，將其放置在與工件的適當距離處，可在工件周圍的夾具或障礙物之間重新引導，其他焊接方法則無法實現(xiàn)。

熱輸入量少，熱影響區(qū)小，工件殘余應(yīng)力和變形小。焊接能量可以精確控制，焊接效果穩(wěn)定，焊接質(zhì)量好。

非接觸焊接、通過光纖傳輸、可達性好、自動化程度高。焊接薄材料或細直徑導線時，沒有像電弧焊接一樣出現(xiàn)回熔的問題。動力電池遵循“輕便”原則，所以一般除了使用質(zhì)量較輕的鋁材料外，還要求薄，一般外殼、蓋子和底板基本要求在1.0 mm以下，主流動力電池制造商目前使用的鋁材料厚度都在0.8 mm左右。

輕松實現(xiàn)各種材料高強度焊接。特別是銅材料之間的焊接和鋁材料之間的焊接更有效。這也是將點鍍鎳焊接到銅材料上的唯一技術(shù)。

4激光焊接工藝難點

目前鋁合金材料的電池外殼占整個動力電池鋁材料90%以上。焊接的難點在于鋁合金對激光的反射率很高，焊接過程中氣孔敏感性很高，焊接時不可避免地會出現(xiàn)一些問題。其中最重要的是氣孔、熱裂紋和炸火。

鋁合金的激光焊接過程中容易產(chǎn)生氣孔，主要有氫氣孔和氣泡破裂產(chǎn)生的氣孔。由于激光焊接的冷卻速度太快，氫氣孔問題變得更加嚴重，激光焊接中因小孔塌陷而產(chǎn)生的孔洞比較多。

熱裂紋問題。鋁合金是典型的共晶型合金，焊接時容易產(chǎn)生熱裂紋。包括焊縫結(jié)晶裂紋和HAZ液化裂紋。焊接區(qū)組成偏析導致共晶分離，發(fā)生晶界熔化，應(yīng)力作用下晶界形成液化裂紋，降低焊接接頭性能。

飛濺問題。引起飛濺的因素很多，例如材料的清潔度、材料本身的純度、材料本身的特性等，起到?jīng)Q定性作用的是激光器的穩(wěn)定性。殼體表面不平整，氣孔，內(nèi)部氣泡。原因主要是光纖芯徑太小或激光能量設(shè)置太高。并不是一些激光設(shè)備供應(yīng)商宣傳的“光束質(zhì)量越好，焊接效果越好”，好的光束質(zhì)量適用于熔深較大的疊加焊接。使用合適的工藝參數(shù)才是解決焊接問題的最佳選擇。

其他難點

軟包極耳焊接，對焊接工藝的要求較高，必須按住極耳，保證焊接間隙?？捎肧形、螺旋形等復雜軌跡的高速焊接，在增加焊接結(jié)合面積的同時提高焊接強度。

圓柱電芯的焊接主要用于陽極（正極）的焊接，陰極（負極）部位的外殼薄，容易焊穿。目前，部分激光研發(fā)廠家采用的方案是只焊接正極，負極不焊接。

方形電池組合焊接時，極柱或連接片受到污染后，焊接連接片時污染物分解，容易產(chǎn)生焊接炸點，容易出現(xiàn)孔洞。極柱薄，下有塑料或陶瓷結(jié)構(gòu)件的電池容易焊接。極柱較小時，會焊偏至塑料燒損，容易形成爆點。建議不要使用多層連接片，因為層之間有縫隙，比較難焊牢固。

方形電池的焊接過程中最重要的步驟是外殼蓋的封裝，根據(jù)位置分為頂蓋和底蓋的焊接。一些電池制造商生產(chǎn)的電池體積不大，通過“拉深”工藝制作電池外殼，只需焊接頂蓋即可。

方形動力電池側(cè)焊樣品

方形電池焊接方法主要分為側(cè)面焊接和頂部焊接，其中側(cè)面焊接的主要優(yōu)點是對電芯的內(nèi)部的影響較小，飛濺物很難進入殼蓋內(nèi)部。由于焊接后可能會導致凸起，對后續(xù)組裝過程會有一定的影響，因此側(cè)面焊接工藝對激光器的穩(wěn)定性、材料表面的清潔度等要求非常高。而頂部焊接工藝只焊接一個面，對焊接設(shè)備集成的要求較低，量產(chǎn)簡單，但有兩個缺點。一個是焊接時會有飛濺進入電芯，另一個是殼體的加工要求高會導致成本增大的問題。

5焊接質(zhì)量影響因素
激光焊接是目前高端電池焊接推崇的主要方法。激光焊接是高能束激光照射工件的過程，是工作溫度急劇升高，工件熔化并重新連接，形成永久連接的過程。激光焊接的剪切強度和防撕裂強度都很好。電池焊接的好壞是典型的焊接質(zhì)量評價標準，其導電性、強度、氣密性、金屬疲勞和耐蝕性。

影響激光焊接質(zhì)量的因素很多。其中一些很容易波動，具有相當大的不穩(wěn)定性。如何正確設(shè)置和控制這些參數(shù)，以確保高速連續(xù)激光焊接中的焊接質(zhì)量，焊接成型的可靠性和穩(wěn)定性是關(guān)系到激光焊接技術(shù)實用化和產(chǎn)業(yè)化的重要問題。影響激光焊接質(zhì)量的主要因素分為焊接設(shè)備、工件狀態(tài)和工藝參數(shù)三個方面。

1)焊接設(shè)備
激光的質(zhì)量要求中最重要的是光束模式和輸出功率及穩(wěn)定性。光束模式是光束質(zhì)量的主要指標，光束模式順序越低，光束聚焦性能越好，光斑越小，同一激光功率下的功率密度越高，焊接深度越大。通常需要基本模式(TEM00)或低階模具。否則很難滿足高質(zhì)量激光焊接的要求。目前國產(chǎn)激光在光束質(zhì)量和功率輸出穩(wěn)定性方面用于激光焊接有困難。國外的話，激光的光束質(zhì)量和輸出功率穩(wěn)定性相當高，不會成為激光焊接的問題。光學系統(tǒng)中對焊接質(zhì)量影響最大的因素是焦鏡。常用焦距在127毫米(5英寸)到200毫米(7.9英寸)之間，焦距小有助于減少聚焦光束腰部斑點直徑，但太小的話，在焊接過程中容易受到污染和飛濺損傷。

波長越短，吸收率越高。一般是導電性能好的材料，反射率高。對于YAG激光器，銀的反射率為96%，鋁為92%，銅為90%，鐵為60%。溫度越高，吸收率越高，有線性關(guān)系。在普通表面涂抹磷酸鹽、炭黑、石墨等可以提高吸收率。

2)工件狀態(tài)
激光焊接需要加工工件的邊緣，以高精度組裝，光斑和焊縫嚴格配對，對于工件的原始組件精度和光斑對，在焊接過程中不能根據(jù)焊接熱變形進行更改。原因是激光光斑小，焊縫窄，通常不填充金屬。例如，因為組裝不嚴格，間距太大，梁不能通過縫隙融化母料，或者光斑和接縫的偏差稍大，就不能融合或焊接。因此，普通座椅對接安裝間隙和光斑對接偏差均不能大于0.1mm，錯誤的邊緣不能大于0.2mm。實際生產(chǎn)中，有時不能滿足這些要求，無法使用激光焊接技術(shù)。為了獲得良好的焊接效果，必須將允許對接的間隙和重疊的間隙控制在板厚的10%以內(nèi)。

成功的激光焊接需要焊接基板之間的密切接觸。為此，必須仔細固定零件以獲得最佳結(jié)果。在薄的極耳器材上很難做好。特別是因為，如果將極耳嵌入大型電池模塊或組件中，就很容易彎曲。

3)焊接參數(shù)
(1)對激光焊接模式及焊接成型穩(wěn)定性的影響焊接參數(shù)中最重要的是激光光斑的功率密度，它會影響焊接模式及焊接成型穩(wěn)定性。隨著激光光斑動力密度在小規(guī)模上的增大，分別是穩(wěn)定熱傳導焊接、模式不穩(wěn)定焊接、穩(wěn)定穿透焊接。

激光光斑的功率密度主要由光束模式和焦點鏡頭的焦距恒定時激光功率和光束焦點位置決定。激光功率密度與激光功率成正比。焦點位置的影響具有最佳值。當光束焦點位于工件表面以下特定位置(根據(jù)板厚度和參數(shù)在1 ~ 2mm范圍內(nèi))時，可獲得最佳焊接。偏離這個最佳焦點位置后，工件表面光斑增大，功率密度變小，焊接工藝形態(tài)變化到一定范圍。

焊接速度對焊接工藝形式和穩(wěn)定的影響沒有激光功率和焦點位置那么大。只有在焊接速度太大的情況下，熱輸入太小，無法維持穩(wěn)定的深焊接工藝。實際焊接時，應(yīng)根據(jù)焊接件的熔化要求選擇穩(wěn)定通過或穩(wěn)定熱傳導焊接，絕對應(yīng)避免模式不穩(wěn)定焊接。

(2)在深熔解焊接范圍內(nèi)，焊接參數(shù)對熔解的影響：在穩(wěn)定的熔解焊接范圍內(nèi)，激光功率越高，熔解越大，關(guān)系約為0.7平方。焊接速度越高，熔膠越淺。在特定激光功率和焊接速度條件下，當焦點處于最佳位置時，熔體最大，離開該位置時，熔體減少，模式不穩(wěn)定或熱傳導焊接可能會穩(wěn)定。

(3)氣體保護的影響，氣體保護的主要作用是在焊接過程中保護工件免受氧化。保護焦點鏡片免受金屬蒸汽污染和液滴濺射。分散高功率激光焊接產(chǎn)生的等離子體。冷卻工件，減少熱影響區(qū)域。

保護氣體通常使用氦或氦，表面質(zhì)量要求不高的也可以使用氮。產(chǎn)生等離子體的傾向大不相同。氦的電離電高，熱傳導快，因此在相同條件下產(chǎn)生等離子體的傾向比氬小，因此可以得到更大的溶解。隨著在一定范圍內(nèi)保護氣體流動的傾向增加，抑制等離子體的傾向增大，溶解增加，但增加到一定范圍后趨于平靜。

(4)各參數(shù)的可監(jiān)測性分析：在四個焊接參數(shù)中，焊接速度和保護氣體流動屬于容易監(jiān)測和穩(wěn)定的參數(shù)，激光功率和焦點位置在焊接過程中可能會波動，是難以監(jiān)測的參數(shù)。激光輸出的激光功率穩(wěn)定性高，容易監(jiān)控，但由于傳導光和焦點系統(tǒng)的損失，到達工件的激光功率會發(fā)生變化。這種損失與光學工件的質(zhì)量、使用時間和表面污染有關(guān)，因此不容易監(jiān)控，成為焊接質(zhì)量的不確定性。光束焦點位置對焊接參數(shù)中焊接質(zhì)量有很大影響，是最難監(jiān)測和控制的因素。在目前的生產(chǎn)中，需要通過人工調(diào)節(jié)和重復工藝試驗來確定適當?shù)慕裹c位置，以獲得理想的溶解。但是，由于焊接過程中工件變形、熱透鏡效果或空間曲線的多維焊接，焦點位置可能會發(fā)生變化，從而超出允許范圍。

在這兩種情況下，都應(yīng)采用高質(zhì)量、高穩(wěn)定性的光學元件，并經(jīng)常保持，以防止污染和保持清潔。相反，要開發(fā)激光焊接過程的實時監(jiān)測和控制方法，優(yōu)化參數(shù)，監(jiān)測到達工件的激光功率和焦點位置的變化，實現(xiàn)閉環(huán)控制，提高激光焊接質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性。

最后，請注意激光焊接是一個熔化過程。也就是說，在激光焊接過程中，兩個基底會溶化。這個過程很快，因為總熱量輸入很低。但是，由于這是熔化過程，焊接其他材料時，可以形成易碎的高電阻金屬間化合物。鋁銅組合特別容易形成金屬間化合物。這些化合物證明對微電子設(shè)備接頭的短期電氣性能和長期機械性能有負面影響。這些金屬間化合物對鋰電池長期性能的影響尚未確定。