摘要：介紹了方殼電池組匯流排激光焊接的基本原理、設(shè)備、焊接過程以及常見缺陷，設(shè)計了匯流排激光焊接的實驗方案，確認了焊接參數(shù)、實驗材料以及焊接質(zhì)量檢測方法。采用單因子驗證的方法，對某型號方殼電芯頂蓋與匯流排進行激光焊接實驗，研究了激光功率、離焦量、焊接速度等工藝參數(shù)對焊接外觀、熔深、熔寬的影響。研究結(jié)論為方殼電池匯流排激光焊接的參數(shù)優(yōu)化提供了有益的參考。

關(guān)鍵詞：方殼電池；激光焊接；工藝參數(shù)；熔深熔寬

中圖分類號：U466 收稿日期：2024-09-10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.11.024

1 前言

近年來，隨著新能源電動汽車替代傳統(tǒng)燃油汽車，大型電化學(xué)儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)削峰填谷以及光伏、風電等潮汐能源的廣泛配套應(yīng)用，動力電池、儲能電池得到快速發(fā)展、應(yīng)用。鋰離子電池在動力電池、儲能電池系統(tǒng)占據(jù)主要地位，其電池組電芯間連接主要通過激光焊接工藝實現(xiàn)。匯流排激光焊接質(zhì)量將直接影響電池組的結(jié)構(gòu)強度和導(dǎo)電性能。匯流排鋁合金激光煌接過程受匯流排和電芯頂蓋結(jié)構(gòu)、焊接設(shè)備、焊接工藝、焊接工裝、工藝參數(shù)等多個因素影響，批量生產(chǎn)方殼電池組的過程，為獲得穩(wěn)定可靠匯流排焊接質(zhì)量，需要對以上因素進行分析研究。

2 電池組匯流排激光焊接工藝

典型匯流排結(jié)構(gòu)由塑料支架、匯流鋁排、低壓采樣線束、線束連接器、溫度采樣器、電壓采樣點、固定塑料螺釘?shù)攘慵M成，采樣點與巴片通過超聲波焊接把低壓線束和匯流排連接。匯流排激光焊接是通過激光能量穿透匯流排上鋁巴、電芯頂蓋正負極極柱形成連接接頭的深熔焊過程。匯流排的激光焊接實現(xiàn)了方殼電池組電芯間的串聯(lián)，形成電池組模組層級的高壓回路：另外在低壓層面，通過連接匯流排的低壓線束，可采集到電芯實時電壓、電池組運行溫度，通過線束傳輸給電池管理系統(tǒng)進行監(jiān)控［1］。因此，為有效控制匯流排激光焊接質(zhì)量，需要對激光焊接深熔焊過程、激光焊接設(shè)備、激光焊接難點以及常見缺陷進行分析。

2.1 匯流排激光深熔焊過程

激光焊接具有熱輸入小、深寬比高、工件變形小、焊接精度高、焊接速度快等特點，在動力電池電芯鋁殼頂蓋、防爆閥、密封釘、轉(zhuǎn)接片以及電池模組中圍框、匯流排等方面廣泛應(yīng)用。采用激光輻射加熱工件表面，通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)擴散融化基材材料，控制設(shè)備激光功率、速度等參數(shù)，使工件熔化形成特定熔池實現(xiàn)對工件連接。激光焊接通?？梢酝ㄟ^連續(xù)或脈沖兩種激光束來完成，按其焊接形成過程分為激光深熔焊接和熱傳導(dǎo)焊接。

其中熱傳導(dǎo)焊接機理為：激光束照射到金屬表面產(chǎn)生熱量，以熱傳導(dǎo)的形式向內(nèi)部擴散，使得金屬熔化形成相應(yīng)熔池，液態(tài)金屬在冷卻凝固之后焊縫。激光深熔焊接工藝的機理為：當激光功率密度>109 W/cm2時，金屬通過吸收激光能量并轉(zhuǎn)化為熱能，金屬表面溫度瞬間升高，發(fā)生熔化直到發(fā)生汽化，同時產(chǎn)生大量的金屬蒸汽。金屬蒸汽快速從金屬熔池的表層逸出，在焊接區(qū)域形成一個等離子氣團形成附加壓力作用在熔池上，熔化金屬表面上具有反作用力使熔化的金屬表層沉降形成小凹坑。

隨著持續(xù)加熱，小凹坑深度加大直至凹坑底部出現(xiàn)“小孔”，金屬蒸汽與表面張力、重力相互平衡時，這些“小孔”停止沉降。當激光光束繼續(xù)向前移動時，“小孔”也向前移動?！靶】住敝車慕饘僖后w回到冷卻固化后形成焊縫，使焊接區(qū)域達到原子層級的結(jié)合，詳細過程如圖1所示。

2.2 匯流排激光焊接設(shè)備

激光焊接設(shè)備是集合了電子技術(shù)、激光技術(shù)、運動控制及數(shù)控技術(shù)等，主要由激光器、控制器、激光電源、光束輸送及焦距檢測系統(tǒng)、多自由度數(shù)字控制系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等構(gòu)成。激光器由脈沖氙燈在激光電源的控制下發(fā)光通過聚光腔來泵浦晶體、輸出鏡、全反鏡組成諸振腔，使晶體粒子數(shù)發(fā)生反轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生激光。光路變換系統(tǒng)將激光器產(chǎn)生的發(fā)散激光通過擴束鏡得到平行激光，再通過平場鏡聚焦至被焊工件。激光電源主要由主電源、觸發(fā)電路、控制電路、保護電路等組成，具有過壓、過流保護裝置av1Xt8PJhi5+HeQzbxN1gQ==，其電源、脈寬、頻率均可調(diào)，可以根據(jù)需要設(shè)置輸出波形，以便于焊接不同材料。振鏡掃描系統(tǒng)通過計算機控制反射鏡的反射角度，實現(xiàn)激光束的偏轉(zhuǎn)，使具有一定功率密度的激光聚焦光斑在加工材料上按所需的要求運動，達到焊接加工的目的［2］。焦距檢測系統(tǒng)則是通過測距儀進行測距并加以補償，確認煌接高度及離焦量出光焊接。激光器冷卻系統(tǒng)由水溫控制器、水壓檢測、水泵監(jiān)控等控制元件，可以實現(xiàn)可靠故障報警和故障保護。

匯流排激光焊接過程包括方殼電芯極柱尋址、匯流排及工裝裝配、激光出光埠接等過程。電芯極柱尋址是為獲取電池組電芯極柱中心點坐標。

首先以方殼電池組放置工裝上基準點為原點建立坐標系，通過焊前尋址相機對工裝固定點位，以及電芯極柱全部拍照，并自動識別電芯極柱孔以及基準點，通過構(gòu)建坐標系可獲取所有電芯極柱坐標以及基準點相對坐標。同時控制器計算出的坐標位置，可以計算電池組中所有電芯在XY平面直線度，根據(jù)激光焊接精度、匯流排尺寸、工裝尺寸可給定直線度上下限，設(shè)備判定直線度是否符合規(guī)格來決定是否進入焊接，超過上下限可能造成激光焊偏。

第二步人工安裝匯流排仿形定位工裝，后把匯流排放入仿形工裝中，并在兩端輸出極位置使用螺栓預(yù)擰緊進行預(yù)定位。

第三步激光出光焊接，人工裝配好匯流排電池組流入焊接工位，銅嘴自動下壓到匯流排鋁巴上，保證匯流排連接片與電芯極柱貼合無間隙。通過相機再次自動識別定位端板上定位點，與電芯極柱尋址定位點進行比較獲取偏移量，自動計算電芯極柱補償偏移量得到實際XY軸坐標。同時Z軸測距儀對每個極柱孔測距并加以補償，得到實際焊接高度和離焦量。

以上步驟完成，設(shè)備控制系統(tǒng)控制保護氣系統(tǒng)在銅嘴內(nèi)部充入氮氣制造無氧環(huán)境，避免煌接過程鋁合金材料發(fā)生氧化，保證焊縫質(zhì)量，進而激光按照設(shè)定點位軌跡進行連續(xù)激光焊接。

2.3 匯流排激光焊接難點

鋰離子方殼電池匯流排連接片主要由鋁合金材料制成，鋁和鋁合金激光焊接過程影響比較大的問題是鋁材質(zhì)對激光高反射率和鋁的高導(dǎo)熱性。焊接過程鋁及鋁合金對波長1 [μ]m的激光反射率為80%左右，因此需嚴格控制焊接起始焊接功率，達到熔化溫度后吸收率迅速提高可以超過90%，從而加速焊接熔化過程，因此在鋁合金激光焊接過程中需要監(jiān)控好激光的輸出功率，防止焊接過程激光功率不足造成虛焊，或激光功率過大焊穿電芯頂蓋極柱發(fā)生漏液甚至熱失控的風險。

鋁合金激光焊接過程中，隨著溫度升高，氫的溶解度急劇升高，焊接繼續(xù)進行已桿接位置焊縫快速冷卻，未及時逸出形成氣孔，同時鋁合金中硅、鎂等易揮發(fā)元素在激光焊接焊縫中更容易形成氣孔。表面氧化層以及電芯頂蓋極柱的腐蝕污染也影響電池匯流排焊接質(zhì)量的重要因素。因此在焊接前需要對方殼電芯極柱表面、匯流排鋁巴片使用酒精無塵紙清潔和處理，如機械打磨、化學(xué)清洗、激光去除減薄氧化層和污染層。

激光焊接能量輸入是焊接過程中施加到焊接區(qū)域的熱量，直接影響到焊接接頭焊縫的質(zhì)量和熱影響區(qū)的特性。當激光能量輸入過大時，匯流排焊接區(qū)域及其金屬周圍的溫度會顯著升高，使金屬材料處于過熱環(huán)境之中，金屬晶粒被“拉長”，可能降低焊接接頭的強度和韌性，導(dǎo)致煌縫裂紋的產(chǎn)生。焊接熱量過高時可能導(dǎo)致激光熔穿方殼電芯極柱，造成電解液泄露、甚至造成電芯內(nèi)短路而熱失控。當激光熱輸入過小，焊接區(qū)域溫度不足以使金屬充分熔化和融合，金屬間結(jié)合不充分，可能出現(xiàn)冷焊、未熔合或焊縫不連續(xù)甚至虛焊等問題。因激光能量通過激光發(fā)射出經(jīng)過光纖，進入振鏡系統(tǒng)，然后穿過焊接銅嘴工裝接觸到工件，此過程中振鏡保護鏡臟污、小孔等離子云、焊接銅嘴等都可能遮擋激光能量的傳輸路徑，因此在激光焊接中需要嚴格監(jiān)控激光的輸出功率，同時需要對傳輸過程的元件定期進行點檢和維護［3］。

2.4 匯流排激光焊接質(zhì)量及缺陷

電池包匯流排激光焊接質(zhì)量受焊接設(shè)備、工件接頭形式、工藝參數(shù)、工件來料質(zhì)量等因素影響。常見焊接質(zhì)量檢驗包括破壞性測試、非破壞性檢測和工藝性檢測。匯流排激光焊接常見缺陷有氣孔、裂紋、爆孔黑孔、咬邊下榻、焊縫偏移等缺陷。

a.氣孔。匯流排激光焊接過程中，熔池中氣體未在金屬凝固前及時上浮逸出，存留在焊縫中形成內(nèi)部氣孔。氣孔產(chǎn)生的主要原因如下：①鋁合金激光焊接時，鋁合金表面水分解產(chǎn)生氫，由于開始鋁及鋁合金表面溫度升高，進而氫的溶解度升高，隨著激光的移動和熔池金屬的冷卻溶解氫，在溫度下降過程中溶解度急劇下降，析出的氫來不及逸出聚集形成氫氣孔；②鋁合金中含有硅、鎂等微量元素，在激光作用下高溫蒸發(fā)損失導(dǎo)致氣孔；③激光焊接特點焊縫熔池深寬比大，激光束擺動時會引起熔池內(nèi)液態(tài)金屬波動，進一步導(dǎo)致小孔不穩(wěn)定性致使熔池內(nèi)液態(tài)金屬紊流產(chǎn)生小氣孔。在匯流排焊接前對匯流排電芯結(jié)合面預(yù)熱減少表面水分，采用氮氣氬氣等保護氣體保護、焊接前清潔焊接界面可以有效預(yù)防焊接氣孔的產(chǎn)生。

b.裂紋。激光焊接過程中，接頭局部區(qū)域金屬原子結(jié)合力受到破壞形成新界面產(chǎn)生焊縫內(nèi)部裂紋，其過程一般產(chǎn)生熱裂紋。匯流排鋁合金焊縫區(qū)域固態(tài)鋁金屬冷卻收縮，低熔點液態(tài)物質(zhì)不足導(dǎo)致不能及時填充收縮留下的空間，受到收縮產(chǎn)生應(yīng)力作用開裂產(chǎn)生裂紋。激光能夠產(chǎn)生凈化作用，減少低熔點物質(zhì)含量，降低熱裂紋出現(xiàn)概率，常見通過減少焊接熱輸入及降低焊接接頭位置焊接殘余應(yīng)力來預(yù)防裂紋。

c.爆孔黑孔。匯流排激光焊接深熔焊過程中，焊接速度快且鋁金屬融化冷卻過程快速，且由于小孔等離子體、保護氣體擾動，導(dǎo)致焊縫不穩(wěn)定。鋁合金受熱后劇烈反應(yīng)，由于水汽、電解液、膠水等雜質(zhì)影響導(dǎo)致熔池波動不穩(wěn)定，出現(xiàn)突發(fā)性大量汽化形成爆孔或焊縫凸起。若在焊接接頭界面的巴片或電芯極柱受到膠水、電解液等有機物污染時，有機物被高溫快速碳化且摻入熔池中，由于有機物與鋁的熔點不同，且小孔的熔池平衡性被破壞，大量氣體生成急劇擴張使熔池發(fā)生爆炸，周圍溶液無法在凝固前回填孔洞內(nèi)形成黑色孔洞。這種缺陷是由于焊接過程焊接速度過快、匯流排貼合界面被污染，因此適當增大激光器功率、降低焊接速度、嚴格清潔匯流排界面可以有效防止爆孔、黑孔缺陷。

d.咬邊下榻。匯流排焊接過程中，出現(xiàn)焊縫低于鋁合金母材表面的凹槽、溝槽稱為咬邊或者下榻。激光焊接為保證受熱充分、焊接可靠，匯流排鋁巴片和電芯極柱貼合間隙小于0.1 mm，鋁合金受熱熔融金屬因流動性好、表面張力小，為防止熔融金屬流竄，需要焊接連接位置形成一個相對密閉空間使熔融金屬被限制在特定區(qū)域內(nèi)，在限制失效時會造成焊縫下榻，咬邊下榻的主要原因：①電芯極柱和匯流排巴片間隙超規(guī)格，金屬熔融后下層金屬無有效承接，熔池下沉冷卻后形成焊縫與焊接面上下錯位；②激光功率過高、焊接速度過小、保護器流量過大也會導(dǎo)致匯流排鋁金屬在熔池兩側(cè)下榻?？刂茀R流排鋁片平面度、控制匯流排與極柱間隙、控制保護氣流速，可有效控制咬邊下榻。

e.焊縫偏移。出現(xiàn)焊縫偏移的主要因素如下：①電芯極柱孔、工裝定位點抓取時，位置抓取異常導(dǎo)致電池組極柱中心整體坐標偏移；②電芯極柱尋址數(shù)據(jù)傳輸補償異常，坐標位置錯誤導(dǎo)致焊接偏移；③匯流排與電芯極柱有銅嘴、蓋板等治具固定，焊接過程僅露出焊接區(qū)域，坐標偏移時激光偏移原位置至銅嘴內(nèi)壁或偏移到電芯極柱膠圈位置，造成焊縫偏移。通過提高相機拍照精度、設(shè)定相機坐標位置偏移規(guī)格、設(shè)定匯流排的焊接模板等可有效防止激光焊偏。

3 匯流排激光焊接參數(shù)試驗

3.1 試驗材料及設(shè)備

為驗證匯流排激光焊接參數(shù)，使用儲能280 ah方殼電芯鋁合金電芯頂蓋，搭配1 060鋁材厚度1.5 mm的匯流排作為焊接工件。設(shè)備為通快激光 TruDisk5 000型激光器、振鏡為通快PF033型號振鏡和庫卡六軸機器人組成。其技術(shù)參數(shù)如下：激光最大功率5 000 W，可連續(xù)調(diào)整功率120～5 000 W，光束質(zhì)量為4 mm·mrad，波長為1 030 nm，具備實時功率監(jiān)測、反饋。本次實驗焊接方式使用環(huán)形激光焊，芯環(huán)比75%，線寬1.8 mm，步長0.5 mm，焊接速度 80 mm/s，焊接功率4 800 W，離焦量-2 mm作為中心參數(shù)并使用控制變量法進行驗證。

3.2 焊接質(zhì)量金相檢測

本文研究焊接功率、焊接速度、離焦量等參數(shù)對于激光匯流排焊接質(zhì)量的影響，為有效對比和觀測焊接效果，采用破壞性檢測對焊縫位置進行切割并使用顯微鏡觀察金相熔深、熔寬。該型號的方殼電池組滿足產(chǎn)品強度、導(dǎo)電要求，焊接熔深規(guī)格為0.5～2.5 mm，焊接寬度為大于1.4 mm。為獲取金相數(shù)據(jù)，首先使用金相切割機對頂蓋巴片樣件焊縫橫截面進行剖切，通過研磨機對切面進行打磨、拋光、清除金屬毛刺，以便更好地測量焊縫數(shù)據(jù)。樣品研磨后，使用5%氫氧化鈉溶液對樣品進行表面處理，浸泡腐蝕5 min，水洗風干后使用調(diào)整金相顯微鏡倍率至7×對熔深熔寬進行觀察、標注尺寸，實驗獲得結(jié)果如圖2所示。

3.3 參數(shù)試驗結(jié)果分析

參數(shù)試驗結(jié)果如圖3所示。由圖3a可知，匯流排鋁巴接頭平均熔深、熔寬隨著激光功率的增大而逐漸增大，當激光功率在4 800 W時，接頭平均熔深達到1.6 mm，平均熔寬達到2.4 mm，熔深均值位于方殼電芯鋁極柱厚度3 mm的中值范圍。激光功率增加，單位面積接收到能量增大，加快鋁金屬的熔化，小孔熔池增大，從而焊縫接頭位置熔深熔寬變大。但過大焊接功率可能造成熔池不穩(wěn)定飛濺增加，產(chǎn)生焊接金屬顆粒，對方殼電池組絕緣性能造成危害。實際量產(chǎn)中焊接功率與焊接速度需匹配，過高的功率可導(dǎo)致熱量來不及吸收，導(dǎo)致焊縫熱裂紋、爆孔、焊穿；反之，功率過低可能熔深不足、虛焊。

離焦量是指激光焦點平面與匯流排巴片焊接區(qū)域平面的距離。由圖3b可知，匯流排的熔深與熔寬隨著離焦量的增加整體上呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，呈現(xiàn)波峰狀，在0離焦的位置熔深熔寬接近最大值。因為在焦點處光斑中心的功率密度很高，熔深熔寬最大；激光焦點遠離工件時（正離焦），激光的熱量分布相對較散，熔深會減小，熱量主要用于擴大熔寬，而不是深入熔池，因此熔深通常較低；當激光焦點靠近工件時（負離焦），熱量集中在較小區(qū)域內(nèi)，能夠更快速、集中地熔化金屬增加熔深，熔深通常較大，但熔寬可能較小；在離焦量為-4 mm時熔寬不足，在離焦量為-2 mm 情況下，熔深位于極柱厚度中值區(qū)間，更滿足實際焊接需求［4］。匯流排參數(shù)選擇離焦量時需考慮悍接速度、功率和材料等因素，既滿足熔深熔寬，又能保證良好的表面焊縫質(zhì)量。

由圖3c可知，隨著焊接速度從40 mm/s逐漸增加到100 mm/s時，匯流排巴片焊縫平均熔深熔寬均逐漸變小趨勢，平均熔深從3 mm下降到1 mm，平均熔寬從2.9 mm減小到2.1 mm。當激光焊接速度增加時，激光在巴片上停留時間減少，金屬沒有足夠時間熔化，且導(dǎo)致熱量擴散更快，導(dǎo)致熔深和熔寬減小，因此提高焊接速度通常會降低熔深和熔寬；相反，降低激光焊接速度使得激光在焊接區(qū)域時間增加，單位面積能量密度增加，可提高熔深和熔寬，但過慢的速度導(dǎo)致生產(chǎn)節(jié)拍降低、焊縫寬度擴大導(dǎo)致焊穿。

4 結(jié)語

本文介紹了方殼電池匯流排激光焊接原理、設(shè)備、焊接過程以及缺陷，以某型號方殼電芯頂蓋與匯流排進行實驗，研究了激光功率、離焦量、焊接速度等參數(shù)對焊接外觀、熔深、熔寬的影響。在其他焊接參數(shù)不變的情況下，隨著激光功率增大，焊縫的熔深、熔寬逐漸增大，功率為4 800 W熔深處于電芯極柱焊接中間值。匯流排熔深與熔寬隨著離焦量的增加整體上呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，呈現(xiàn)波峰狀，且在離焦量-2 mm時具備最好的焊接質(zhì)量；焊接速度從40 mm/s加至100 mm/s時，巴片焊縫的平均熔深熔寬均逐漸變小趨勢，在速度80 mm/s時焊接質(zhì)量節(jié)拍綜合最佳。

參考文獻：

[1]陸巍巍，陳晨曦，徐港來，等.動力電池連接片激光焊接虛焊原因分析與改善[J].機械制造文摘（焊接分冊），2024（2）：19-23.

[2]陽澤宇.3003鋁合金動力電池外殼磁脈沖焊接工藝與連接結(jié)構(gòu)研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2020.

[3]毛璟祺.鋰離子動力電池極耳磁脈沖連接數(shù)值模擬與工藝研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2020.

[4]楊洪剛，徐曉炯，韋祎，等.鍍銀銅導(dǎo)線與可伐合金連接片單面電阻點焊工藝仿真與實驗研究[J].熱加工工藝，2020，49（5）：159-161.

作者簡介：

周強，男，1990年生，工程師，研究方向為動力電池模組及電池包制造工藝。