動(dòng)力電池的激光焊接工藝

隨著新能源汽車銷量的增加，動(dòng)力電池裝機(jī)量也快速增長。數(shù)據(jù)顯示,2021年我國新能源汽車銷售352.1萬輛，同比增長157.5%；動(dòng)力電池裝機(jī)量達(dá)到154.5GWh，同比增長142.8%。電池制造企業(yè)紛紛擴(kuò)充產(chǎn)能，歐陽明高院士在電動(dòng)汽車百人會(huì)上專家表示，到2025年我國動(dòng)力電池產(chǎn)能將達(dá)3000GWh。在動(dòng)力電池制造過程中，低成本、高質(zhì)量和高效率是制造企業(yè)追求的三大目標(biāo)，因此，能達(dá)到這三種目標(biāo)的技術(shù)工藝和智能化裝備受到電池制造商的青睞。

動(dòng)力電池內(nèi)部也是一整個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，從電芯、電池模組、電池包，歷經(jīng)一道道制造工序，最后組裝成一整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)。這其中，材料與材料、模組與模組、電池包結(jié)構(gòu)的連接就涉及到高要求的焊接工藝——激光焊接。

動(dòng)力電池制造過程焊接方法與工藝的合理選用，將直接影響電池的成本、質(zhì)量、安全以及電池的一致性。

動(dòng)力電池常見的焊接應(yīng)用

動(dòng)力電池分方形、圓柱和軟包電池。當(dāng)下，在動(dòng)力電池的生產(chǎn)中，使用激光焊接的環(huán)節(jié)主要包括

中道工藝：極耳的焊接(包括預(yù)焊接)、極帶的點(diǎn)焊接、電芯入殼的預(yù)焊、外殼頂蓋密封焊接、注液口密封焊接等；

后道工藝：包括電池PACK模組時(shí)的連接片焊接，以及模組后的蓋板上的防爆閥焊接等。

01  電池殼體與蓋板焊接

動(dòng)力電池的殼體和蓋板起到封裝電解液和支撐電 極材料的作用，為電能的儲(chǔ)存和釋放提供穩(wěn)定的密閉 環(huán)境，其焊接質(zhì)量直接決定電池的密封性及耐壓強(qiáng)度，從而影響電池的壽命和安全性能[13] 。電池殼體主要采 用 Al3003 鋁合金，其厚度一般在 0．6 ~ 0．8 mm 之間，一般采用小功率脈沖激光焊接 。殼體與蓋板的連接位 置如圖所示，該處的激光焊縫的主要質(zhì)量問題是 未熔透、氣孔和下塌，這些缺陷會(huì)降低電池的密封性。

02  電池正負(fù)極極柱焊接

電池的極柱就是電池正負(fù)極接觸片，一般來說正極使用鋁、負(fù)極使用銅，其作用就是讓電池極柱通過連接片焊接，形成串聯(lián)、并聯(lián)電路，組成電池模組。

03  電池防爆閥密封焊接

防爆閥是電池封口板上的薄壁閥體，當(dāng)電池內(nèi)部壓力超過規(guī)定值時(shí)，防爆閥閥體率先破裂泄氣，釋放壓力，避免電池爆裂。防爆閥結(jié)構(gòu)巧妙，多用激光焊接牢固一定形狀的兩個(gè)鋁質(zhì)金屬片。當(dāng)電池內(nèi)部壓力升高到一定值時(shí)，鋁片從設(shè)計(jì)的凹槽位置處破裂，防止電池進(jìn)一步膨脹造成爆炸。因而這道工序?qū)す夂附庸に囈髽O為嚴(yán)格，要求焊縫密封，嚴(yán)格控制熱輸入量，保證焊縫的破壞壓力值穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)(一般在0.4~0.7MPa)，過大或太小都會(huì)對(duì)電池的安全性造成很大影響。

04  電池轉(zhuǎn)接片焊接

轉(zhuǎn)接片與軟連接是連接電池蓋板與電芯的關(guān)鍵部件。它必須同時(shí)考慮到電池的過流、強(qiáng)度及低飛濺的要求，所以在與蓋板的焊接過程中需要有足夠的焊縫寬度，且需要保證沒有particle落在電芯上，避免出現(xiàn)電池短路。而作為負(fù)極材料的銅，屬于低吸收率的高反材料，在焊接時(shí)需要更高的能量密度去焊接。

05  電池極柱焊接

電池蓋板上的極柱，分為電池內(nèi)部和電池外部連接。電池內(nèi)部連接，是電芯極耳與蓋板極柱的焊接；電池外部連接，是電池極柱通過連接片焊接，形成串聯(lián)、并聯(lián)電路，組成電池模組。

電池極柱激光焊的主要問題同樣是炸孔缺陷，其產(chǎn)生的原因和防爆閥的類似 。極柱焊縫實(shí)質(zhì)上是鋁轉(zhuǎn) 接塊和極柱的配合面，鋁塊孔直徑僅為 6 mm 左右，此 處極易殘留沖壓油、清潔劑等雜質(zhì) 。高能量密度的激 光造成焊件溫度激增，導(dǎo)致極柱處殘留的雜質(zhì)快速汽化，氣泡逸出并克服熔池表面張力離開熔池造成炸孔缺陷 。在這一過程中，脈沖激光功率的快速變化進(jìn)一 步增加了形成炸孔的趨勢(shì) 。因此，除了加強(qiáng)焊前清洗， 通過優(yōu)化激光功率變化也能減少炸孔缺陷 。

06  動(dòng)力電池模組及pack焊接

電池模組可以理解為鋰離子電芯經(jīng)串并聯(lián)方式組合，并加裝單體電池監(jiān)控與管理裝置。電池模組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往能決定一個(gè)電池包的性能和安全。其結(jié)構(gòu)必須對(duì)電芯起到支撐、固定和保護(hù)作用。同時(shí)如何滿足過電流要求，電流均勻性，如何滿足對(duì)電芯溫度的控制，以及是否有嚴(yán)重異常時(shí)能斷電，避免連鎖反應(yīng)等等，都將是評(píng)判電池模組優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。

同時(shí)，由于銅和鋁傳熱均很快，且對(duì)激光反射率非常高，連接片厚度相對(duì)較大，因此需要采用較高功率的激光器才能夠?qū)崿F(xiàn)焊接。

目前動(dòng)力電池中激光焊接的主要問題是氣孔、 裂紋、成形不良、炸孔等焊接缺陷 。這些缺陷導(dǎo)致電池 組強(qiáng)度降低、密封性和導(dǎo)電性下降，引發(fā)電池爆炸、漏 液和發(fā)熱等一 系列安全問題 。針對(duì)這些問題，大量研 究著眼于工藝優(yōu)化，通過調(diào)整激光焊接的功率、脈沖寬 度、焊接速度、離焦量等參數(shù)可以有效減少缺陷。

不難看出，動(dòng)力電池焊接工藝是一項(xiàng)精細(xì)的活，任何一點(diǎn)小問題都會(huì)影響到后續(xù)成品動(dòng)力電池的性能、安全。故而優(yōu)質(zhì)的材料和高質(zhì)量的激光焊接儀器是保證焊接工藝成功的基礎(chǔ)。以激光焊接路徑規(guī)劃、焊縫識(shí)別、缺陷識(shí) 別、質(zhì)量監(jiān)測(cè)等為代表的智能化技術(shù)也是未來的研究熱點(diǎn)之一。