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(jì)了匯流排激光焊接的實(shí)驗(yàn)方案，確認(rèn)了焊接參數(shù)、實(shí)驗(yàn)材料以及焊接質(zhì)量檢測方法。采用單因子驗(yàn)證的方法，對某型號(hào)方殼電芯頂蓋與匯流排進(jìn)行激光焊接實(shí)驗(yàn)，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(hào)：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(dòng)汽車替代傳統(tǒng)燃油汽車，大型電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)在電網(wǎng)削峰填谷以及光伏、風(fēng)電等潮汐能源的廣泛配套應(yīng)用，動(dòng)力電池、儲(chǔ)能電池得到快速發(fā)展、應(yīng)用。鋰離子電池在動(dòng)力電池、儲(chǔ)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(shí)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(qiáng)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(gè)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(jìn)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(diǎn)、固定塑料螺釘?shù)攘慵M成，采樣點(diǎn)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(fù)極極柱形成連接接頭的深熔焊過程。匯流排的激光焊接實(shí)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(shí)時(shí)電壓、電池組運(yùn)行溫度，通過線束傳輸給電池管理系統(tǒng)進(jìn)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(diǎn)以及常見缺陷進(jìn)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(diǎn)，在動(dòng)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(kuò)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(shí)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(jī)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(kuò)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(jī)理為：當(dāng)激光功率密度>109 W/cm2時(shí)，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(shí)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(gè)等離子氣團(tuán)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(shí)，這些“小孔”停止沉降。當(dāng)激光光束繼續(xù)向前移動(dòng)時(shí)，“小孔”也向前移動(dòng)。“小孔”周圍的金屬液體回到冷卻固化后形成焊縫，使焊接區(qū)域達(dá)到原子層級的結(jié)合，詳細(xì)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(yùn)動(dòng)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(kuò)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(hù)電路等組成，具有過壓、過流保護(hù)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(jì)算機(jī)控制反射鏡的反射角度，實(shí)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(yùn)動(dòng)，達(dá)到焊接加工的目的［2］。焦距檢測系統(tǒng)則是通過測距儀進(jìn)行測距并加以補(bǔ)償，確認(rèn)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(shí)現(xiàn)可靠故障報(bào)警和故障保護(hù)。

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(diǎn)坐標(biāo)。

首先以方殼電池組放置工裝上基準(zhǔn)點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，通過焊前尋址相機(jī)對工裝固定點(diǎn)位，以及電芯極柱全部拍照，并自動(dòng)識(shí)別電芯極柱孔以及基準(zhǔn)點(diǎn)，通過構(gòu)建坐標(biāo)系可獲取所有電芯極柱坐標(biāo)以及基準(zhǔn)點(diǎn)相對坐標(biāo)。同時(shí)控制器計(jì)算出的坐標(biāo)位置，可以計(jì)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(jìn)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(jìn)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(dòng)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(jī)再次自動(dòng)識(shí)別定位端板上定位點(diǎn)，與電芯極柱尋址定位點(diǎn)進(jìn)行比較獲取偏移量，自動(dòng)計(jì)算電芯極柱補(bǔ)償偏移量得到實(shí)際XY軸坐標(biāo)。同時(shí)Z軸測距儀對每個(gè)極柱孔測距并加以補(bǔ)償，得到實(shí)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(hù)氣系統(tǒng)在銅嘴內(nèi)部充入氮?dú)庵圃鞜o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(jìn)而激光按照設(shè)定點(diǎn)位軌跡進(jìn)行連續(xù)激光焊接。

2.3 匯流排激光焊接難點(diǎn)

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(yán)格控制焊接起始焊接功率，達(dá)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(fēng)險(xiǎn)。

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(jìn)行已桿接位置焊縫快速冷卻，未及時(shí)逸出形成氣孔，同時(shí)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(jī)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(dāng)激光能量輸入過大時(shí)，匯流排焊接區(qū)域及其金屬周圍的溫度會(huì)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(qiáng)度和韌性，導(dǎo)致煌縫裂紋的產(chǎn)生。焊接熱量過高時(shí)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(dāng)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(jìn)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(hù)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(yán)格監(jiān)控激光的輸出功率，同時(shí)需要對傳輸過程的元件定期進(jìn)行點(diǎn)檢和維護(hù)［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(yàn)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(shí)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(shí)，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(jìn)而氫的溶解度升高，隨著激光的移動(dòng)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(diǎn)焊縫熔池深寬比大，激光束擺動(dòng)時(shí)會(huì)引起熔池內(nèi)液態(tài)金屬波動(dòng)，進(jìn)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?dú)鈿鍤獾缺Ｗo(hù)氣體保護(hù)、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(diǎn)液態(tài)物質(zhì)不足導(dǎo)致不能及時(shí)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(diǎn)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(hù)氣體擾動(dòng)，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(dòng)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(jī)物污染時(shí)，有機(jī)物被高溫快速碳化且摻入熔池中，由于有機(jī)物與鋁的熔點(diǎn)不同，且小孔的熔池平衡性被破壞，大量氣體生成急劇擴(kuò)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(dāng)增大激光器功率、降低焊接速度、嚴(yán)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(dòng)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(gè)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(shí)會(huì)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(cuò)位；②激光功率過高、焊接速度過小、保護(hù)器流量過大也會(huì)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(hù)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(diǎn)抓取時(shí)，位置抓取異常導(dǎo)致電池組極柱中心整體坐標(biāo)偏移；②電芯極柱尋址數(shù)據(jù)傳輸補(bǔ)償異常，坐標(biāo)位置錯(cuò)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(biāo)偏移時(shí)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(jī)拍照精度、設(shè)定相機(jī)坐標(biāo)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(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

為驗(yàn)證匯流排激光焊接參數(shù)，使用儲(chǔ)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(hào)振鏡和庫卡六軸機(jī)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(shí)時(shí)功率監(jiān)測、反饋。本次實(shí)驗(yàn)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(jìn)行驗(yàn)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(jìn)行切割并使用顯微鏡觀察金相熔深、熔寬。該型號(hào)的方殼電池組滿足產(chǎn)品強(qiáng)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(jī)對頂蓋巴片樣件焊縫橫截面進(jìn)行剖切，通過研磨機(jī)對切面進(jìn)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(jìn)行表面處理，浸泡腐蝕5 min，水洗風(fēng)干后使用調(diào)整金相顯微鏡倍率至7×對熔深熔寬進(jìn)行觀察、標(biāo)注尺寸，實(shí)驗(yàn)獲得結(jié)果如圖2所示。

3.3 參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果分析

參數(shù)試驗(yàn)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(dāng)激光功率在4 800 W時(shí)，接頭平均熔深達(dá)到1.6 mm，平均熔寬達(dá)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(shí)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(diǎn)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?yàn)樵诮裹c(diǎn)處光斑中心的功率密度很高，熔深熔寬最大；激光焦點(diǎn)遠(yuǎn)離工件時(shí)（正離焦），激光的熱量分布相對較散，熔深會(huì)減小，熱量主要用于擴(kuò)大熔寬，而不是深入熔池，因此熔深通常較低；當(dāng)激光焦點(diǎn)靠近工件時(shí)（負(fù)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??；在離焦量為-4 mm時(shí)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(shí)際焊接需求［4］。匯流排參數(shù)選擇離焦量時(shí)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(shí)，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(dāng)激光焊接速度增加時(shí)，激光在巴片上停留時(shí)間減少，金屬?zèng)]有足夠時(shí)間熔化，且導(dǎo)致熱量擴(kuò)散更快，導(dǎo)致熔深和熔寬減小，因此提高焊接速度通常會(huì)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(shí)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(kuò)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(hào)方殼電芯頂蓋與匯流排進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(shí)具備最好的焊接質(zhì)量；焊接速度從40 mm/s加至100 mm/s時(shí)，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(shí)焊接質(zhì)量節(jié)拍綜合最佳。

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作者簡介：

周強(qiáng)，男，1990年生，工程師，研究方向?yàn)閯?dòng)力電池模組及電池包制造工藝。