隨著電動(dòng)汽車(EV)行業(yè)需求的加快，動(dòng)力電池制造是目前正在經(jīng)歷實(shí)質(zhì)性增長(zhǎng)的熱門市場(chǎng)。媒體對(duì)電動(dòng)汽車市場(chǎng)的報(bào)道也是壓倒性的好處。有報(bào)道稱，通用汽車公司計(jì)劃到2025年銷售100萬(wàn)輛電動(dòng)汽車。也有報(bào)道稱，中國(guó)汽車制造商2020年銷售121萬(wàn)輛電動(dòng)汽車，2021年將增長(zhǎng)到200萬(wàn)輛。這不僅對(duì) 動(dòng) 力電池制造商有吸引力的市場(chǎng)，對(duì)提供電池焊接設(shè)備(尤其是激光焊接設(shè)備)的供應(yīng)商也是如此。隨著電動(dòng)汽車市場(chǎng)的迅速發(fā)展，激光行業(yè)已經(jīng)垂涎三尺。
電池焊接不是新的激光應(yīng)用。早在20世紀(jì)80年代末，國(guó)內(nèi)的一家激光焊接系統(tǒng)制造商就提供了連接電池對(duì)的固態(tài)激光系統(tǒng)。但是在電動(dòng)汽車出現(xiàn)之前，激光電池焊接應(yīng)用程序?qū)嶋H上已經(jīng)開始起飛。隨后的幾年里，埃隆馬斯克在電動(dòng)汽車方面取得了成功，電動(dòng)汽車成為激光焊接應(yīng)用中的熱門詞匯。(威廉莎士比亞、埃隆馬斯克、電動(dòng)汽車、電動(dòng)汽車、電動(dòng)汽車、電動(dòng)汽車、電動(dòng)汽車、電動(dòng)汽車)順便說(shuō)一下，2011年春天，我有幸在德國(guó)慕尼黑激光展上試運(yùn)行特斯拉跑車原型。這個(gè)鋰電池是用激光焊接的。
圖1顯示了圓柱形電池頂部用激光焊接的銅連接片。
據(jù)最近一篇報(bào)道，德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所(Fraunhofer ?ILT)正在努力為汽車行業(yè)建立一個(gè)高性能電池單元生產(chǎn)中心。Fraunhofer ?ILT的科學(xué)家們正在研究如何使用激光技術(shù)經(jīng)濟(jì)高效地連接各種材料，以便能夠高效可靠地制造電池裝置。為了能夠可靠地滿足未來(lái)電池容量的各種需求，可以將電池設(shè)備連接在一起，形成模塊和電池組等。
提高鋰離子電池的效率
在德國(guó)聯(lián)邦教育研究部(BMBF)贊助的名為HoLiB(生產(chǎn)鋰離子電池的高吞吐量工藝)的項(xiàng)目中，鋰離子電池的生產(chǎn)率比以前要高得多。Fraunhofer ?ILT正在開發(fā)和驗(yàn)證將陽(yáng)極和陰極連接到觸點(diǎn)3354避雷板的激光工藝。陽(yáng)極由銅制成，陰極由鋁制成，避雷板由這兩種材料制成，因此研究人員決定測(cè)試三種不同的光源：波長(zhǎng)450nm的藍(lán)光半導(dǎo)體激光器、波長(zhǎng)515nm的綠色光盤激光器和波長(zhǎng)1070nm的紅外光纖激光器。Fraunhofer ?ILT的研究助理Johanna ?Helm解釋說(shuō)：“通過三種光源測(cè)試可以將金屬薄片焊接在一起，工藝可靠?！蔽覀兡壳罢趯?duì)工藝窗口進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)避雷板進(jìn)行焊接測(cè)試?！薄?。使用具有多個(gè)站的轉(zhuǎn)盤，可以將20個(gè)正負(fù)極以0.1s的間隔放置在轉(zhuǎn)盤上，在2s內(nèi)放置20個(gè)正負(fù)極。轉(zhuǎn)盤的一個(gè)位置放置在極板上后，轉(zhuǎn)盤繼續(xù)快速旋轉(zhuǎn)，將極板放置在下一個(gè)位置。與此同時(shí)，已部署極點(diǎn)的車間的激光焊接過程可以在不損失時(shí)間的情況下開始。
納秒激光脈沖保護(hù)熱元件
在AiF項(xiàng)目MikroPuls中，科學(xué)家們正在研究如何更有效地連接電池設(shè)備，F(xiàn)raunhofer ?ILT正在開發(fā)利用納秒脈沖紅外光纖激光器連接銅、鋁、鋼的工藝。薄的電觸點(diǎn)對(duì)熱敏感，不能加熱太多，因此這些工藝可能會(huì)非常困難。在這里，平衡是非常重要的。焊接能量太少，連接缺乏機(jī)械穩(wěn)定性。如果施加的能量太多，電池的工作模式會(huì)受到影響或縮短壽命。Fraunhofer ?ILT的研究助理Elie ?Haddad表示：“快速M(fèi)ikroPuls流程是可以發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的地方，可以使用200瓦的最大平均功率進(jìn)行銅焊，對(duì)焊接的零件會(huì)產(chǎn)生一些熱影響?！?/p>
異種材料的可靠激光焊接
銅和鋁之間的異種材料焊接也是特別的挑戰(zhàn)。因?yàn)榻饘匍g階段的形成速度快，會(huì)惡化焊接質(zhì)量，形成高連接阻力，形成無(wú)法承受熱量造成的高損失或機(jī)械力的脆接頭。因此，有選擇地確定銅鋁焊接中的最佳參數(shù)具有重要作用，可以穩(wěn)定地生成具有一致焊接深度和高焊接質(zhì)量的異種材料接頭。
對(duì)軟包裝電池的銅鋁連接器和圓柱電池的銅鋼連接器進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明微脈沖焊接可以獲得與連續(xù)波(CW)焊接一樣好的連接器，能耗明顯減少，重復(fù)性高，金屬間相形也較少。但是微脈沖焊接的唯一缺點(diǎn)是焊接過程通常需要更長(zhǎng)的時(shí)間，因此有需要改進(jìn)的參數(shù)。
目前運(yùn)行的系統(tǒng)集成了一臺(tái)連續(xù)波光纖激光器和一臺(tái)納秒脈沖光纖激光器?？梢詥为?dú)控制兩個(gè)燈光。該系統(tǒng)不僅可以用于焊接材料，還可以用于去除材料，例如用于構(gòu)造曲面。
延伸閱讀：用于制造鋰離子電池的平臺(tái)激光焊接機(jī)和振鏡激光焊接機(jī)。