动力电池焊接工艺解析

动力电池作为电动汽车的三大件（电池、电机、电控）之一，是整个车辆系统的动力来源，一直以来被视为电动汽车发展的标志性技术，其性能好坏直接关系到车辆续航里程的长短，重要性不言而喻。

电池可以分为化学、物理和生物电池三大类，目前汽车行业所采用的电池基本是化学电池，因此本文重点讨论该类电池的性质和应用。如图所示，可以看出化学电池还可以根据补充能源的特性分为三小类。其中一次电池，即原电池，如不能够充电的锌锰干电池。二次电池是可以充电的蓄电池，而且根据其介质的不同又可以分为铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、锂金属电池等。最后也包括目前正在发展的燃料电池。

那在众多电池中，为什么选择锂电池作为动力电池？

这涉及到一个电池的基本概念----能量密度

能量密度（Energy density）是指在一定的空间或质量物质中储存能量的大小，电池的能量密度有两种，体积能量密度（能量与体积的比值）Wh/L及质量能量密度（能量与重量的比值）Wh/kg。从下图可以看出，锂离子电池无论在体积能量密度还是质量能量密度上都具有很大的优势，且更安全。总的来说，锂离子电池具有能量密度高、转换效率高、循环寿命长、无记忆效应、无充放电延时、自放电率低、工作温度范围宽和环境友好等优点，因而成为电能的一个比较理想的载体，在各个领域得到广泛的应用

动力电池的焊接成形难点在哪儿？

首先，对于焊接材料而言，轻量化结构增加了铝材的应用，铝板材作为高反材料在激光焊接过程中，容易出现凸起、气孔、飞溅(炸焊)等问题，表面凸起、气孔是激光焊接的致命伤，很多应用由于这些原因不得不停止或者想办法规避。笔者分析其原因主要是采用的光纤芯径过小或者激光能量设置过高所致。引起飞溅的因素也很多，如材料自身的特性和纯度以及油污的去除程度，而起决定性作用的则是激光器的特性。目前可调环模激光(ARM)的使用也加速了锂电产业的发展，在之前的文章中也分析过，ARM激光减少飞溅的机理。另外，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。

其次，对于焊接工艺而言，一般动力电池铝壳厚度都要求达到1.0毫米以下，主流厂家目前根据电池容量不同壳体材料厚度以0.6mm和0.8mm两种为主。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。而顶焊工艺由于焊接在一个面上，可采用更高效的振镜扫描焊接方式，但对前道工序入壳及定位要求很高，对设备的自动化要求高。同时薄板的焊接变形对夹具的设计和焊后的装配间隙提出了一定要求。

最后，对于焊接结构而言，对于方形电池来讲，拐角处的焊接更是一大挑战。调整焊接速度可以解决这类问题。圆形电池没有这方面的问题，但后续集成成电池模组的难度较大。

其他部位焊接难点：

圆柱电芯：由于负极的壳体较薄，容易穿透，负极可采取免焊接工艺，而正极采取激光焊接。

软包极耳：极耳要求夹具必须将其夹紧，保证零间隙。可采取S形、螺旋形等复杂轨迹的高速焊接，增大焊缝结合面积的同时加强焊接强度。但目前大多数还是采取超声波焊接技术进行加工。

超声波焊接极耳实物图

焊接质量影响因素有哪些？

1、焊接硬件设备

焊接设备对激光器的质量要求最主要的是光束模式和输出功率及其稳定性。光束模式是光束质量的主要指标，光束模式阶数越低，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，焊缝深宽越大。一般要求基模（TEM00）或低阶模，否则难以满足高质量激光焊接的要求。

2、焊接工件状况

激光焊接要求对工件的边缘进行加工，装配过程中要求焊缝和光斑队中，并且不随热变形的改变而改变，装配间隙过大，不能熔化母材无法实现焊接过程。实际生产中，有时因不能满足这些要求，而无法采用激光焊接技术。要获得良好的焊接效果，对接允许间隙和搭接间隙要控制在薄板厚的10%以内。

3、焊接参数调整

对激光焊接模式和焊缝成形稳定性的影响焊接参数中最主要的是激光光斑的功率密度，它对焊接模式和焊缝成形稳定性影响如下：随激光光斑功率密度由小变大依次为稳定热导焊、模式不稳定焊和稳定深熔焊。而这个可以通过激光功率和离焦量进行相应的调整。而焊接速度对焊接过程形式和稳定件的影响不如激光功率和焦点位置那样显著，只有焊接速度太大时，由于热输入过小而出现无法维持稳定深熔焊过程的情况。实际焊接时只需要绝对避免模式不稳定焊即可，并根据情况选择深熔焊接或热导焊。保护气体的主要作用是保护工件在焊接过程中免受氧化；保护聚焦透镜受到溅射；驱散等离子体；冷却工件，减小热影响区，通常采用氩气或氦气。