文/逸飞激光，杨毛三

1引言

众所周知，动力电池作为新能源汽车的核心部件，其品质直接决定了整车性能。2015年我国新能源汽车产量达37.9万辆，爆发式的增长促使锂电生产商迎来扩产高峰，从而拉动了锂电设备需求的大爆发，据行业预估2016年设备市场规模可达120亿元。锂电池制造设备一般为前端设备、中端设备、后端设备三种，其设备精度和自动化水平将会直接影响产品的生产效率和一致性。而激光加工技术作为一种替代传统焊接技术已广泛应用于锂电制造设备之中。
 

近十年来，武汉逸飞激光设备有限公司基于对电池制造全工序的深度理解并结合激光加工技术应用经验，深入研究和分析方形、圆柱、软包、18650等不同类型电池的电芯及模组PACK对焊接工艺的要求，开发出工作台，工作站、工作线三大类几十款应用产品，大幅提升了电池焊接工艺水平及生产效率。

应《激光制造商情》邀约，本文通过激光在动力电池行业中的应用情况，阐述了激光焊接的工艺特点，分析了铝合金激光焊接难点以及焊接模式对焊接质量的影响，列举了方形动力电池及电池PACK工艺特点及设备发展趋势与产业界的朋友们分享。

2激光焊接工艺

从锂电池电芯的制造到电池PACK成组，焊接都是一道很重要的制造工序，锂电池焊接的好坏其导电性、强度、气密性、金属疲劳和耐腐蚀性能是典型的焊接质量评价标准。

我们认为，对焊接方法、工艺的合理选用，将直接影响电池的成本、质量、安全以及电池的一致性。在众多的焊接方式中，激光焊接其独特的优势在许多行业领域均得到广泛应用，其特点有如下几点：首先，能量密度高、焊接变形小、热影响区小，可以有效地提高制件精度，焊缝光滑无杂质、均匀致密、无需附加的打磨工作。其次，可精确控制，聚焦光点小，高精度定位，配合机械手臂易于实现自动化，提高焊接效率，减少工时，降低成本，另外，激光焊接薄材或细径线材时，不会像电弧焊接般易有回熔的困扰。
 

电池的结构通常都包含许多种材料，比如钢、铝、铜、镍等，这些金属可能被制成电极、导线，或是外壳，这样一来，不论是一种材料之间或者多种材料之间的焊接均对焊接工艺提出了较高的要求，然而激光焊接的工艺优势就在于可焊材质种类范围非常大，实现不同材料之间的焊接。

3工艺难点

动力电池电芯的制造由于遵循“轻便”的原则，通常会采用较“轻”的铝材质，还需要做得更“薄”，一般壳、盖、底基本都要求达到1.0毫米以下，一些主流厂家目前基本材料厚度均在0.8mm左右。据统计，铝合金材料的电池壳体占整个动力电池的90%以上。从事激光行业工作的专业人士都知道，铝材焊接的难点在铝合金对激光束的高初始反射率及其本身的高导热性，使铝合金在未熔化前对激光的吸收率低，由于铝的电离能低，焊接过程中光致等离子体不易于扩散，使得焊接稳定性差。另外，焊接过程中合金元素的烧损，使铝合金焊接接头的力学性能下降。由于焊接过程中气孔敏感性高,焊接时不可避免地会出现一些问题缺陷，其中最主要的是气孔和热裂纹。铝合金的激光焊接过程中容易产生气孔，主要有两类：氢气孔和匙孔破灭产生的气孔。由于激光焊接的冷却速度太快，氢气孔问题更加严重，并且在激光焊接中还多了一类由于小孔的塌陷而产生的孔洞。

热裂纹问题。铝合金属于典型的共晶型合金，焊接时容易出现热裂纹，包括焊缝结晶裂纹和HAZ液化裂纹，由于焊缝区成分偏析会发生共晶偏析而出现晶界熔化，在应力作用下会在晶界处形成液化裂纹，降低焊接接头的性能。

炸火（也称飞溅）问题。引起炸火的因素很多，如材料的清洁度、材料本身的纯度、材料自身的特性等，而起决定性作用的则是激光器的稳定性。壳体表面凸起、气孔、内部气泡。究其原因，主要是光纤芯径过小或者激光能量设置过高所致。
 

针对以上出现的问题我们认为，寻找到合适的工艺参数才是解决问题的致胜法宝。 

4焊接模式分析

4.1 脉冲模式焊接

脉冲激光器常用的脉冲波形有方波、尖峰波、双峰波等几种，由于铝合金表面对光的反射率太高，焊接时应选择合适的焊接波形。当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有60%-98%的激光能量因反射而损失掉，且反射率随物件表面的温度而变化。一般焊接铝合金时最优选择尖形波和双峰波，此种焊接波形后面缓降部分脉宽较长，能够有效地减少气孔和裂纹的产生。

方形电池（脉冲激光）侧焊样品 

由于铝合金对激光的反射率较高，为了防止激光束垂直入射造成垂直反射而损害激光聚焦镜，焊接过程中通常将焊接头偏转一定角度。焊点直径和有效结合面的直径随激光倾斜角增大而增大，当激光倾斜角度为40°时，获得最大的焊点及有效结合面。焊点熔深和有效熔深随激光倾斜角减小，当大于60°时，其有效焊接熔深降为零。所以倾斜焊接头到一定角度，可以适当增加焊缝熔深和熔宽。另外在焊接时，以焊缝为界，需将激光焊斑偏盖板65%、壳体35%进行焊接，可以有效减少因合盖问题导致的炸火。

4.2 连续模式焊接

连续激光器焊接由于其受热过程不像脉冲骤冷骤热，焊接时裂纹倾向不是很明显，为了改善焊缝质量，采用连续激光器焊接，焊缝表面平滑均匀，无飞溅，无缺陷，焊缝内部未发现裂纹。在铝合金的焊接方面，连续激光器的优势很明显与传统的焊接方法相比，生产效率高，且无需填丝；与脉冲激光焊相比可以解决其在焊后产生的缺陷，如裂纹、气孔、飞溅等，保证铝合金在焊后有良好的机械性能；焊后不会凹陷，焊后抛光打磨量减少，节约了生产成本，但是因为连续激光器的光斑比较小，所以对工件的装配精度要求较高。

激光方形电池（连续激光）立焊样品

在动力电池焊接当中，焊接工艺技术人员会根据客户的电池材料、形状、厚度、拉力要求等选择合适的激光器和焊接工艺参数，包括焊接速度、 波形、峰值、焊头倾斜角度等来设置合理的焊接工艺参数，以保证最终的焊接效果满足动力电池厂家的要求。

5方形电池焊接

在所有不同形状的电池中，方型电池的焊接工艺最重要的工序是壳盖的封装，方形电池外壳的封口办法一般是在电池顶部有一个长方形盖板，板上带有正极输入端，将盖板塞入外壳与口平齐，然后用激光将盖板与外壳之间的长方形缝隙以脉冲或者连续激光焊接的方式焊好密封即可。

激光立焊接设备

焊接方式主要分为侧焊和顶焊，其中侧焊的主要好处是对电芯内部的影响较小，飞溅物不会轻易进入壳盖内侧。由于焊接后可能会导致凸起，这对后续工艺的装配会有些微影响，因此侧焊工艺对激光器的稳定性、材料的洁净度等要求极高。而顶焊工艺由于焊接在一个面上，对焊接设备集成要求比较低。

方形动力电池激光立焊接样品

目前，动力电池立焊接方式是业内广受推崇的焊接方式，立焊只需一个收口节点，便可大大降低侧焊接四个收口节点的侧漏风险，而且有利于量产化。在5月的“第十一届中国国际电池技术交流会”上，我公司推出的“高速电池壳体激光立焊接设备”领先的设计理念，赢得了众多业界专业人士关注，该设备不仅良品率达到99.5%以上， 12PPM的生产效率更是远远领先于同行业产品。

6电池PACK工艺

6.1 电池PACK

电池电芯通过加装保护电路、外壳、输出而形成的应用电池组生产过程称为PACK。电池PACK是实现电池在不同领域应用需求的一道重要工序。随着我国PACK工艺的不断发展，连接方式也在不断的改进，从最初的锡焊到到后来的电阻焊，发展至今，激光焊接因其焊接精度、可靠性及自动化程度高的优势，已成为目前PACK工艺最为广泛的连接方式，而搭载着激光焊接工艺的智能自动化设备已成为方形、圆柱、软包、18650等不同类型电芯PACK成组的高端制造装备，深受行业广泛应用及推崇。

6.2 智能装备发展趋势

新能源汽车产业的发展，并未对其所使用的动力电池及电池模组的规格标准定型并标准化，凸显出了众多规格体系不兼容的尴尬，当前的工艺流程和人工操作制约了企业的生产节拍和效率，从而无法有效提升产品质量和产能。所以，提升动力电池模组组装的自动化水平非常必要。如今，实现“整线设备+机器人+软件控制”的智能化解决方案，既要解决用户重点关注的兼容性、整线节拍和效率问题，又要解决了用户电池PACK订单批量小、规格多的问题。

电池PACK激光焊接五轴联动智能自动化产线

管理软件方面。整套MES系统直接将产线打造成准无人化生产车间，人工只需要在线外进行物料补充，提高安全性也减少了人为因素介入。焊接工序的环节，只需要将激光焊接工艺数据需集成在MES管理软件系统中，以方便用户直接调用、切换即可。从电芯到PACK成组，每一道工序的参数、数据、及其他来料信息等，都可以通过MES系统快速查询并及时分析处理，既要做到过程可控，又要有效保障生产效率，用户还通过预留的工业通讯接口实现远程监控管理，充分体现智能化自动化的制造特点。如今，在“工业4.0”浪潮来袭的背景下，搭载激光解决方案的产品已向着高智能化、高自动化的趋势方向发展。

5结语

近年来，国内很多外动力电池制造商在较为复杂的生产工序中，对于不同工序、不同被焊接部件均采用不同焊接方法，随着新能源汽车行业迈向纵深发展，对配套电池的装配与焊接精度、质量都提出了更高的要求，传统的焊接工艺已经不能满足市场需求，大规模的采用激光焊接工艺势在必行。
 

虽然我国激光焊接工艺日趋成熟，但是，高质量的动力电池仍需生产厂家设计人员和激光焊接技术人员密切协作，从材质、形状、厚度、工艺、实时检测等各方面优化设计，才能达到理想的焊接效果。