激光焊接原理

激光焊接是利用激光束優(yōu)異的方向性和高功率密度等特性進(jìn)行工作，通過光學(xué)系統(tǒng)將激光束聚焦在很小的區(qū)域內(nèi)，在極短的時(shí)間內(nèi)使被焊處形成一個(gè)能量高度集中的熱源區(qū)，從而使被焊物熔化并形成牢固的焊點(diǎn)和焊縫。

激光焊接類型

熱傳導(dǎo)焊接，激光光束沿接縫將合作在工件的外表熔化，熔融物匯流到一同并固化，構(gòu)成焊縫。主要用于相對較薄的材料，材料的最大焊接深度受其導(dǎo)熱系數(shù)的約束，且焊縫寬度總是大于焊接深度。

深熔焊，當(dāng)高功率激光聚集到金屬外表時(shí)，熱量來不及散失，焊接深度會急劇加深，此焊接技術(shù)即是深熔焊。因?yàn)樯钊酆讣夹g(shù)加工速度極快，熱影響區(qū)域很小，而且使畸變降至最低，因而此技術(shù)可用于需求深度焊接或幾層資料一起焊接。

熱傳導(dǎo)焊接和深熔焊的主要區(qū)別在于單位時(shí)間內(nèi)施加在金屬表面的功率密度，不同金屬下臨界值不同。

穿透焊和縫焊

穿透焊，連接片無需沖孔，加工相對簡單。穿透焊需要功率較大的激光焊機(jī)。穿透焊的熔深比縫焊的熔深要低，可靠性相對差點(diǎn)。

縫焊相比穿透焊，只需較小功率激光焊機(jī)。縫焊的熔深比穿透焊的熔深要高，可靠性相對較好。但連接片需沖孔，加工相對困難。

脈沖焊接和連續(xù)焊接

1） 脈沖模式焊接

激光焊接時(shí)應(yīng)選擇合適的焊接波形，常用脈沖波形有方波、尖峰波、雙峰波等，鋁合金表面對光的反射率太高，當(dāng)高強(qiáng)度激光束射至材料表面，金屬表面將會有60％－98％ 的激光能量因反射而損失掉，且反射率隨表面溫度變化。一般焊接鋁合金時(shí)最優(yōu)選擇尖形波和雙峰波，此種焊接波形后面緩降部分脈寬較長，能夠有效地減少氣孔和裂紋的產(chǎn)生。

在動力電池焊接當(dāng)中，焊接工藝技術(shù)人員會根據(jù)客戶的電池材料、形狀、厚度、拉力要求等選擇合適的激光器和焊接工藝參數(shù)，包括焊接速度、波形、峰值、焊頭傾斜角度等來設(shè)置合理的焊接工藝參數(shù)，以保證最終的焊接效果滿足動力電池廠家的要求。

3 激光焊接優(yōu)點(diǎn)

能量集中，焊接效率高、加工精度高，焊縫深寬比大。激光束易于聚焦、對準(zhǔn)及受光學(xué)儀器所導(dǎo)引，可放置在離工件適當(dāng)之距離，可在工件周圍的夾具或障礙間再導(dǎo)引，其他焊接法則因受到上述的空間限制而無法發(fā)揮。

熱輸入量小，熱影響區(qū)小，工件殘余應(yīng)力和變形小；焊接能量可精確控制，焊接效果穩(wěn)定，焊接外觀好；

非接觸式焊接，光纖傳輸，可達(dá)性較好，自動化程度高。焊接薄材或細(xì)徑線材時(shí)，不會像電弧焊接般易有回熔的困擾。用于動力電池的電芯由于遵循“輕便”的原則，通常會采用較“輕”的鋁材質(zhì)外，還需要做得更“薄”，一般殼、蓋、底基本都要求達(dá)到1．0 mm 以下，主流廠家目前基本材料厚度均在0．8 mm 左右。

能為各種材料組合提供高強(qiáng)度焊接，尤其是在進(jìn)行銅材料之間和鋁材料之間焊接的時(shí)候更為有效。這也是唯一可以將電鍍鎳焊接至銅材料上的技術(shù)。

4 激光焊接工藝難點(diǎn)

目前，鋁合金材料的電池殼占整個(gè)動力電池的90％ 以上。其焊接的難點(diǎn)在于鋁合金對激光的反射率極高， 焊接過程中氣孔敏感性高， 焊接時(shí)不可避免地會出現(xiàn)一些問題缺陷，其中最主要的是氣孔、熱裂紋和炸火。

鋁合金的激光焊接過程中容易產(chǎn)生氣孔，主要有兩類：氫氣孔和氣泡破滅產(chǎn)生的氣孔。由于激光焊接的冷卻速度太快，氫氣孔問題更加嚴(yán)重，并且在激光焊接中還多了一類由于小孔的塌陷而產(chǎn)生的孔洞。

熱裂紋問題。鋁合金屬于典型的共晶型合金，焊接時(shí)容易出現(xiàn)熱裂紋，包括焊縫結(jié)晶裂紋和HAZ 液化裂紋，由于焊縫區(qū)成分偏析會發(fā)生共晶偏析而出現(xiàn)晶界熔化，在應(yīng)力作用下會在晶界處形成液化裂紋，降低焊接接頭的性能。

炸火（也稱飛濺）問題。引起炸火的因素很多，如材料的清潔度、材料本身的純度、材料自身的特性等，而起決定性作用的則是激光器的穩(wěn)定性。殼體表面凸起、氣孔、內(nèi)部氣泡。究其原因，主要是光纖芯徑過小或者激光能量設(shè)置過高所致。并不是一些激光設(shè)備提供商宣傳的“光束質(zhì)量越好，焊接效果越優(yōu)秀”，好的光束質(zhì)量適合于熔深較大的疊加焊接。尋找合適的工藝參數(shù)才是解決問題的致勝法寶。

其他難點(diǎn)

軟包極耳焊接，對焊接工裝要求較高，必須將極耳壓牢，保證焊接間隙。可實(shí)現(xiàn)S形、螺旋形等復(fù)雜軌跡的高速焊接，增大焊縫結(jié)合面積的同時(shí)加強(qiáng)焊接強(qiáng)度。

圓柱電芯的焊接主要用于正極的焊接，由于負(fù)極部位殼體薄，極容易焊穿。如目前一些廠家采用的負(fù)極免焊接工藝，正極采用的為激光焊接。

方形電池組合焊接時(shí)，極柱或連接片受污染厚，焊接連接片時(shí)，污染物分解，易形成焊接炸點(diǎn)，造成孔洞；極柱較薄、下有塑料或陶瓷結(jié)構(gòu)件的電池，容易焊穿。極柱較小時(shí)，也容易焊偏至塑料燒損，形成爆點(diǎn)。不要使用多層連接片，層之間有孔隙，不易焊牢。

方型電池的焊接工藝最重要的工序是殼蓋的封裝，根據(jù)位置的不同分為頂蓋和底蓋的焊接。有些電池廠家由于生產(chǎn)的電池體積不大，采用了“拉深”工藝制造電池殼，只需進(jìn)行頂蓋的焊接。

方形電池焊接方式主要分為側(cè)焊和頂焊，其中側(cè)焊的主要好處是對電芯內(nèi)部的影響較小，飛濺物不會輕易進(jìn)入殼蓋內(nèi)側(cè)。由于焊接后可能會導(dǎo)致凸起，這對后續(xù)工藝的裝配會有些微影響，因此側(cè)焊工藝對激光器的穩(wěn)定性、材料的潔凈度等要求極高。而頂焊工藝由于焊接在一個(gè)面上，對焊接設(shè)備集成要求比較低，量產(chǎn)化簡單，但是也有兩個(gè)不利的地方，一是焊接可能會有少許飛濺進(jìn)入電芯內(nèi)，二是殼體前段加工要求高會導(dǎo)致成本問題。

5 焊接質(zhì)量影響因素

激光焊接是目前高端電池焊接推崇的主要方法。激光焊接是高能束激光照射工件，使工作溫度急劇升高，工件熔化并重新連接形成永久連接的過程。激光焊接的剪切強(qiáng)度和抗撕裂強(qiáng)度都比較好。電池焊接的好壞其導(dǎo)電性、強(qiáng)度、氣密性、金屬疲勞和耐腐蝕性能是典型的焊接質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

影響激光焊接質(zhì)量的因素很多。其中一些極易波動，具有相當(dāng)?shù)牟环€(wěn)定性。如何正確設(shè)定和控制這些參數(shù)，使其在高速連續(xù)的激光焊接過程中控制在合適的范圍內(nèi)，以保證焊接質(zhì)量。焊縫成形的可靠性和穩(wěn)定性，是關(guān)系到激光焊接技術(shù)實(shí)用化、產(chǎn)業(yè)化的重要問題。影響激光焊接質(zhì)量的主要因素分焊接設(shè)備，工件狀況和工藝參數(shù)三方面。

1）焊接設(shè)備對激光器的質(zhì)量要求最主要的是光束模式和輸出功率及其穩(wěn)定性。光束模式是光束質(zhì)量的主要指標(biāo)，光束模式階數(shù)越低，光束聚焦性能越好，光斑越小，相同激光功率下功率密度越高，焊縫深寬越大。一般要求基模（TEM00）或低階模，否則難以滿足高質(zhì)量激光焊接的要求。目前國產(chǎn)激光器在光束質(zhì)量和功率輸出穩(wěn)定性方面用于激光焊接還有一定困難。從國外情況來看，激光器的光束質(zhì)量和輸出功率穩(wěn)定性已相當(dāng)高，不會成為激光焊接的問題。光學(xué)系統(tǒng)中影響焊接質(zhì)量最大的因素是聚焦鏡，所用焦距一般在127mm（5in）到200mm（7．9in）之間，焦距小對減小聚焦光束腰斑直徑有好處，但過小容易在焊接過程中受污染和飛濺損傷。

波長越短，吸收率越高；一般導(dǎo)電性好的材料，反射率都很高，對于YAG激光來說，銀的反射率是96％，鋁是92％，銅90％，鐵60％。溫度越高，吸收率越高，呈線性關(guān)系；一般表面涂磷酸鹽、炭黑、石墨等可以提高吸收率。

2）工件狀況

激光焊接要求對工件的邊緣進(jìn)行加工，裝配有很高的精度，光斑與焊縫嚴(yán)格對中，而且工件原始裝配精度和光斑對中情況在焊接過程中不能因焊接熱變形而變化。這是因?yàn)榧す夤獍咝。缚p窄，一般不加填充金屬，如裝配不嚴(yán)間隙過大，光束能穿過間隙不能熔化母材，或者引起明顯的咬邊、凹陷，如光斑對縫的偏差稍大就有可能造成未熔合或未焊透。所以，一般板材對接裝配間隙和光斑對縫偏差均不應(yīng)大于0．1mm，錯(cuò)邊不應(yīng)大于0．2mm。實(shí)際生產(chǎn)中，有時(shí)因不能滿足這些要求，而無法采用激光焊接技術(shù)。要獲得良好的焊接效果，對接允許間隙和搭接間隙要控制在薄板厚的10％以內(nèi)。

成功的激光焊接要求被焊基材之間緊密接觸。這需要仔細(xì)緊固零件，以取得最佳效果。而這在纖薄的極耳基材上很難做好，因?yàn)樗菀讖澢?zhǔn)，特別是在極耳嵌入大型電池模塊或組件的情況下。

3） 焊接參數(shù)

（1）對激光焊接模式和焊縫成形穩(wěn)定件的影響焊接參數(shù)中最主要的是激光光斑的功率密度，它對焊接模式和焊縫成形穩(wěn)定性影響如下：隨激光光斑功率密度由小變大依次為穩(wěn)定熱導(dǎo)焊、模式不穩(wěn)定焊和穩(wěn)定深熔焊。激光光斑的功率密度，在光束模式和聚焦鏡焦距一定的情況下，主要由激光功率和光束焦點(diǎn)位置決定。激光功率密度與激光功率成正比。而焦點(diǎn)位置的影響則存在一個(gè)最佳值；當(dāng)光束焦點(diǎn)處于工件表面下某一位置（1～2mm范圍內(nèi)，依板厚和參數(shù)而異）時(shí)，即可獲得最理想的焊縫。偏離這個(gè)最佳焦點(diǎn)位置，工件表面光斑即變大，引起功率密度變小，到一定范圍，就會引起焊接過程形式的變化。

焊接速度對焊接過程形式和穩(wěn)定件的影響不如激光功率和焦點(diǎn)位置那樣顯著，只有焊接速度太大時(shí)，由于熱輸入過小而出現(xiàn)無法維持穩(wěn)定深熔焊過程的情況。實(shí)際焊接時(shí)，應(yīng)根據(jù)焊件對熔深的要求選擇穩(wěn)定深熔焊或穩(wěn)定熱導(dǎo)焊，而要絕對避免模式不穩(wěn)定焊。

（2）在深熔焊范圍內(nèi)，焊接參數(shù)對熔深的影響：在穩(wěn)定深熔焊范圍內(nèi)，激光功率越高，熔深越大，約為0．7次方的關(guān)系；而焊接速變越高，熔深越淺。在一定激光功率和焊接速度條件下焦點(diǎn)處于最佳位置時(shí)熔深最大，偏離這個(gè)位置，熔深則下降，甚至變?yōu)槟Ｊ讲环€(wěn)定焊接或穩(wěn)定熱導(dǎo)焊。

（3）保護(hù)氣體的影響，保護(hù)氣體的主要作用是保護(hù)工件在焊接過程中免受氧化；保護(hù)聚焦透鏡免受金屬蒸汽污染和液體熔滴的濺射；驅(qū)散高功率激光焊接產(chǎn)生的等離子；冷卻工件，減小熱影響區(qū)。

保護(hù)氣體通常采用氬氣或氦氣，表觀質(zhì)量要求不高的也可采用氮?dú)狻Ｋ鼈儺a(chǎn)生等離子體的傾向顯著不同：氦氣因其電離電體高，導(dǎo)熱快，在同樣條件下，比氬氣產(chǎn)生等離子體的傾向小，因而可獲得更大的熔深。在一定范圍內(nèi)，隨著保護(hù)氣體流量的增加，抑制等離子體的傾向增大，因而熔深增加，但增至一定范圍即趨于平穩(wěn)。

（4）各參數(shù)的可監(jiān)控性分析：在四種焊接參數(shù)中，焊接速度和保護(hù)氣體流量屬于容易監(jiān)控和保持穩(wěn)定的參數(shù)，而激光功率和焦點(diǎn)位置則是焊接過程中可能發(fā)生波動而難于監(jiān)控的參數(shù)。雖然從激光器輸出的激光功率穩(wěn)定性很高且容易監(jiān)控，但由于有導(dǎo)光和聚焦系統(tǒng)的損耗，到達(dá)工件的激光功率會發(fā)生變化，而這種損耗與光學(xué)工件的質(zhì)量、使用時(shí)間及表面污染情況有關(guān)，故不易監(jiān)測，成為焊接質(zhì)量的不確定因素。光束焦點(diǎn)位置是焊接參數(shù)中對焊接質(zhì)量影響極大而又最難監(jiān)測和控制的一個(gè)因素。目前在生產(chǎn)中需靠人工調(diào)節(jié)和反復(fù)工藝試驗(yàn)的方法確定合適的焦點(diǎn)位置，以獲得理想的熔深。但在焊接過程中由于工件變形，熱透鏡效應(yīng)或者空間曲線的多維焊接，焦點(diǎn)位置會發(fā)生變化而 可能超出允許的范圍。

對于上述兩種情況，一方面要采用高質(zhì)量、高穩(wěn)定性的光學(xué)元件，并經(jīng)常維護(hù)，防止污染，保持清潔；另一方面要求發(fā)展激光焊接過程實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制方法，以優(yōu)化參數(shù)，監(jiān)視到 達(dá)工件的激光功率和焦點(diǎn)位置的變化，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，提高激光焊接質(zhì)量的可靠件和穩(wěn)定性。

最后， 要注意激光焊接是一個(gè)熔化過程。這意味著兩個(gè)基底在激光焊接過程中會熔化。這一過程很快，因此整個(gè)熱輸入較低。但因?yàn)檫@是一個(gè)熔化過程，在焊接不同材料的時(shí)候就可能形成易碎的高電阻金屬間化合物。鋁－銅組合特別容易形成金屬間化合物。這些化合物已證明對于微電子設(shè)備搭接頭的短期電氣性能和長期機(jī)械性能有負(fù)面影響。這些金屬間化合物對于鋰電池長期性能的影響尚不確定。