锂电行业极耳激光焊接应用与浅析

锂电行业极耳激光焊接应用与浅析

新能源汽车动力电池作为驱动能源，其质量好坏直接影响到新能源汽车的使用寿命。激光加工技术已成为发展最快的高新技术之一，为传统制造业改造提供了充足支持。相较于传统极耳焊接、极片切割模式而言激光切割模式可以实现自动化操作，并解决毛刺、露白、掉粉等一系列问题。激光焊接具有较高的能量密度、较快的焊接速度以及较小的加热区域，适用于对焊接变形及精度要求较高的新能源汽车动力电池模组生产中。动力电池极耳部分（厚度为0.3mm 的TU1铜镀镍片和1050铝合金片）要与模组两侧汇流排（Busbar，6061铝合金）焊接在一起。这类材料使用传统焊接方式时，很容易在焊接过程中产生裂纹和变形，影响电池质量。

极耳激光切割应用

设备选型

对于锂电池负极铜箔，可以选择 1064nmMOPA 型光纤激光器，其峰值功率密度为 2.4×106W/mm2 ，可以通过对种子源的电进行调制，在兆赫兹工作频率内实现几纳米到几十纳米的“窄脉宽”切割。

对于锂电池正极铝箔，可以选择脉冲达到皮秒级的皮秒激光器，其可以通过进行种子源锁模，获得超窄脉冲信号 。同时皮秒激光器可以利用三倍频技术，将 1064nm近红外激光向 355nm 紫外光、532nm 绿光转化，满足多种类别材料加工需求，并在实现“冷加工”。

切割参数设置

在应用 1064nmMOPA 型光纤激光器切割 8.0μm 铜箔（锂电池负极）时，可以设定脉宽为20ns，工作频率与单脉冲能量分别为760kHz、0.13mJ，改善铜箔切割毛刺问题，并将毛刺尺寸控制在 10μm 内，同时减少锂电池铜箔极片切割飞溅、熔融层尺寸误差。部分情况下，为了减少熔融层“鱼鳞纹”现象，也可以将脉冲频率进行进一步提高，杜绝熔融重新凝结层。需要注意的是，在将脉宽一定、调高平均功率的同时，还需要根据激光器聚焦需要，调整焦点光斑直径为 60μm，调整铜箔切割时振镜走笔速度为 800mm/s。

在应用 9.1W 皮秒激光器 532nm 绿光激光器切割铝箔正负极片时，可以设定脉宽为10ps，切割速度为 1000mm/s，重复频率为300kHz，缩小正极片熔融重新凝结区域，减弱熔融区下方亮白色 + 红色 + 黄色热影响带，消除白色光亮层、红色热扩散层。根据结果进行切割参数的调整，将常温辅助气体变更为低温辅助气体等。

极耳激光焊接应用

焊接参数选择

铜极耳厚度在 0.2～ 0.5mm 左右，铝极耳焊接厚度在 0.2 ～0.6mm 左右。因此，在激光焊接极耳时，需要设定激光波长为 1064nm，激光功率为110W ～ 200W，光斑 28μm，激光扫描速度与脉冲频率分别为 500mm/s、200kHz，重复频率为 0.4 ～ 20MHz，脉冲宽度为 50～120ns。并控制极耳焊接缝隙宽度在 1.2～2.4mm内，焊接缝隙深度在 1.2～1.8mm内。同时保证极耳宽度精度与极耳间距精度、极耳高度精度均小于等于±0.15mm。

极耳激光焊接分析

激光功率对铝铝焊缝形貌的影响

铝铝焊接头焊缝表面形貌主要分为母材区（BM）和焊缝区(Weld)两个区域。保持焊接速度 55mm/s 不变，在激光功率为 550W 时，焊接头焊缝表面的鱼鳞纹比较清晰，且焊缝与母材的交界线也较为平直。当激光功率增加时，焊缝表面逐渐被烧蚀，且鱼鳞纹形状越来越不规范；在激光功率为 950W 时，焊缝表面的部分鱼鳞纹形状被严重破坏，产生了严重烧蚀现象。焊缝与母材的交接线也因激光功率地增加由平直线逐渐变成凹凸不平的曲线，当激光功率为 850W 和 950W 时，可明显看到焊缝两边交接线出现锯齿状突起。当激光功率为 550W 时，此时激光功率不足，观察焊缝截面形貌可知，上层铝 1050刚刚熔穿，而下层铝 6061 才刚刚被熔化，上层铝 1050 和下层铝 6061 之间存在间隙易导致焊缝中焊缝中产生气孔。当激光功率为 650W 时，此时激光刚好突破量下层 6061铝片界面，形成较浅的熔深，此时产生的气孔直径约为 50μm。随着激光功率地增加，焊缝的熔深不断增加，焊接时产生的气孔也越来越大且数量增加。这是因为焊缝熔池在激光功率增加时反应剧烈程度增加，使得气孔产生的几率增大，且深的熔深不利于气孔溢出。当激光功率为950W时，可明显看见在焊缝熔池中心处存在一个直径约为200μm的气孔。

激光功率对铝铝焊缝熔宽熔深的影响

保持焊接速度 55mm/s 不变，随着激光功率地增加，铝铝焊接头焊缝的熔宽及熔深均呈现上升趋势。当激光功率为 550W 和 650W 时，焊缝的熔宽分别为1.38mm 和 1.39mm。这是因为初始功率太低，产生的热量还不能满足焊缝形成较大的熔宽。当激光功率增加至 950W 时，焊缝的熔宽逐渐增大且趋于平稳，最大值为 1.53mm。原因是激光功率逐渐增大导致焊缝吸收的热量增多，导致焊缝熔合线由焊缝中心向母材两边移动，焊缝熔宽有所增大。当激光功率从 550W 增加到 850W 时，焊接头焊缝的熔深也从 0.05mm 增加到了0.25mm，这是激光功率增加带来的大量热能所致。当功率达到 950W 时，焊缝的熔深突然增大到 0.42mm，原因是此时的激光功率密度为1.94×106W/cm2，激光焊接的方式为深熔焊，焊缝的熔池产生了匙孔，使激光束能量可以直接作用在匙孔底部，加大了能量向下传递的力度，使得焊缝熔深速增大至 0.42mm。

激光功率对铝铜焊缝宏观形貌的影响

保持焊接速度不变，当激光功率为 1000W 时，焊缝表面的鱼鳞纹中发现部分未熔化的铜，说明此时的激光功率较低，达不到上层铜全部熔化的焊接要求；当激光功率为 1100W 时，此时铜铝焊接头表面焊缝的鱼鳞纹均匀光滑，较为清晰，且焊缝与母材交界线较为平直。当激光功率为 1300W 和 1400W 时，铜铝焊接头焊缝表面烧损严重，鱼鳞纹已经消失，热影响区与母材交界线出现凹凸不平的缺口。观察铜铝焊接头焊缝截面形貌，当功率为 1000W 时，我们可以看到熔池内铜铝发生反应，焊缝由黑色阴影处（下）和铜铝混合处（上）两部分构成，发生了明显的“铝侵入铜”的现象，并伴有微小的气孔产生。随着激光功率增加，焊缝中阴影部分面积增加，且“铝侵入铜”的现象也越来越明显，且容易在焊缝中形成气孔。这是因为激光功率增加导致熔池熔深和熔池中的铝元素增加，故铜铝反应也就越剧烈，“铝侵入铜”的现象就越明显。当激光功率为 1400W 时，可以看到焊缝没有了阴影部分，但更多的铝元素进入了上层铜中去，焊缝整体呈灰白色，且分布着大小不均的气孔。

激光功率对铜铝焊接头熔宽熔深的影响

保持焊接速度 55mm/s 不变，铜铝焊接头焊缝的熔宽和熔深都与激光功率呈正相关，且熔深与激光功率的线性相关性更强。当激光功率从 1000W 增加到1300W 时，焊缝的熔深迅速从 0.21mm 增加到 0.68mm，而焊缝的熔宽从起始的 1.51mm逐渐增加到 1.61mm 后趋于平稳，这是因为此阶段产生的热量基本上用来增加焊缝熔深了，用来扩展熔合线的能量较少，故熔宽增加增加缓慢。当激光功率为 1400W 时，焊缝熔深的增大的速率放缓，熔深增而大至 0.76mm，熔宽却增大突然至 1.68mm。这是因为在焊接过程中，随着激光功率增加，焊缝熔池上方的焊接材料蒸气以及等离子体会逐渐增多，吸收了照射激光地部分能量，减缓了熔池熔深增大速率，却增强了对焊缝熔池表面的辐射作用，使得焊缝表面熔宽增大。

焊接速度对铝铝焊缝宏观形貌的影响

铝铝焊接头焊缝表面形貌可以看出，当焊接速度为 25mm/s 时，此时焊缝表面的鱼鳞纹较为密集，焊缝区与母材区的交界线弯曲突起，不平滑。此时当焊接速度越慢，焊接头摆动速度一定，单位时间内移动的距离短，在该段长度范围内摆动的次数越多，形成的鱼鳞纹也就越密集，且热输入较大，焊缝区与母材区的交界线不规范。当焊接速度逐渐增大时，焊缝表面的鱼鳞纹密集程度开始减弱，焊缝区与母材区的交界线逐渐变得平直，这是因为焊接速度增加，单位时间内焊接头移动的距离增加，焊接头在该段长度范围内摆动的次数减少，单位时间内焊缝中的热输入减少，焊缝区与母材区的交界线处的熔池条件得到改善，交界线变得平直。从铝铝焊接头焊缝截面形貌中可以看出，当焊接速度为 25mm/s 时，焊缝拥有最深的焊缝熔深，但此时焊缝中气孔数量较多。这是因为在相同的激光功率下，较低焊接速度对应的焊接热输入较大，导致焊缝熔池加深，气孔溢出焊缝表面时间也就越长，气孔留在焊缝中的机率就越大。当焊接速度增加时，焊接头焊缝的熔深逐渐减小，焊缝中气孔的数量逐渐减少。在焊接速度为 55mm/s 时，焊缝中气孔的数量最少，气孔直径最小。当焊接速度继续增加时，焊缝截面形貌状态出现恶化，气孔直径变大。这是因为过大的焊接速度使得激光在焊缝中停留的相对时间变短，熔池得深度变浅，熔池在冷却时气泡来不及所导致。因此焊接速度过快和过慢都不行，只有选择合适的焊接速度，才能减少焊缝中气孔的数量。

焊接速度对铝铝焊接头熔宽熔深的影响

保持激光功率 700W 不变，随着焊接速度的不断增加，铝铝焊接头焊缝区的熔宽和熔深都不断降低。当焊接速度从 25mm /s 增加到 65mm/s 时，铝铝焊接头焊缝熔宽从 1.54mm 减小到 1.49mm，熔深从 0.24mm 减小到 0.17mm。由公式（3-1）可知，当焊接速度增加时，对应的激光焊接热输入会减少，熔池在单位长度上吸收激光能量变少，所能熔化的金属量减少，故焊缝表面的熔宽会减小；与此同时，焊接速度增加使得激光在焊接时激光地穿透能力减弱，焊缝的熔深也会减少。

焊接速度对铝铜焊缝宏观形貌的影响

铜铝焊接头焊缝表面形貌可以看出，当焊接速度为 25mm/s 时，此时铜铝焊接头焊缝表面的鱼鳞纹较为密集。当焊接速度逐渐增大时，焊缝表面的鱼鳞纹密集程度开始减弱。特别的，当焊接速度为 65mm/s 时，此时焊缝表面的鱼鳞纹已经消失，取而代之的是摆动焊接头摆动焊接的轨迹，但由于焊接速度太快，焊接热输入不足，焊缝表面还有部分铜为被熔化。当焊接速度为 25mm/s 时，铜铝焊接头截面焊缝拥有最深的熔深，此时熔化的铜层下出现少量“铝侵入铜”的现象，焊缝中心处有一处气孔，且在焊缝熔池两边下角由黑色的阴影区域。当焊接速度逐渐增加时，铜铝焊接头的熔深逐渐降低，焊缝中“铝侵入铜”程度减小，焊缝中气孔数量开始增多。这是因为焊接速度增加，焊缝熔池变浅，熔池中的铝元素减少，焊缝中产生气孔来不及逸出排除造成气孔数量相对增多。当焊接速度增加到 65mm/s 时，此时激光刚刚熔穿上层铜，只熔化下层铝上极少部分，此时几乎没有“铝侵入铜”现象发生。

焊接速度对铜铝焊接头熔深熔宽的影响

保持激光功率 900W 不变，当焊接速度增加，铜铝焊接头焊缝熔宽和熔深与激光功率均呈负相关性。当焊接速度从 25mm/s 增加 65mm/s 到时，铜铝焊接头焊缝熔宽从 1.525mm 减小到 1.445mm，焊缝的熔深从 0.226mm 减小到 0.102mm。焊接速度地增加导致焊接热输入输入严重不足，是焊缝的熔深和熔宽不断减少的主要原因。