【聚焦激光】新能源产业激光设备集成：解码激光焊接技术

激光焊接优势总结 

▲激光束斑直径很小，能量密度高，功率密度达 10^6~10^8W/cm^2，深宽比大，最高可达/10:1，对高熔点金属等难焊材料有较好的焊接效果； 
▲可用于异种材料、非金属材料的焊接。电池的结构通常包含多种材料，如钢、铝、铜、镍等，这些金属可能被制成电极、导线，或是外壳；因此，无论是一种材料之间或是多种材料之间的焊接，均对焊接工艺提出了较高要求。激光焊接的工艺优势就在于可以焊接的材质种类广泛，能够实现不同材料之间的焊接； 
▲激光焊接速度快，热输入小，从而热影响材料开发与应用区很小，材料变形及残余 应力小，无需后续矫正变形； 
▲激光焊接接头力学性能好，焊缝组织致密、强度高。焊缝窄且表面成型好，免去焊后清理等工作； 
▲激光焊接系统具有高度柔性化，可施行非接触远距离和任何复杂形状的焊接，易于实现远程控制与自动化生产。

激光焊接方式 

根据工作原理的不同，适配不同的加工场景，激光焊接可分为热传导焊、深熔焊、复合焊接、激光钎焊和激光传导焊接五种，具体如下：

激光焊接应用举例 

动力电池电芯可分为棱柱形电芯、圆柱电芯和软包电芯三种

▲ (a) 棱柱形电芯、 (b) 圆柱电芯、 (c) 软包电芯（图源网络）

这三种电池目前都用于电动汽车的生产中，其中棱柱形电池和圆柱形电池应用比较广泛。不同形状的动力电池具有不同的焊接工艺参数。电池从电芯到成型示意图如下，焊接是这个过程中非常重要以及复杂的工艺。

动力电芯常见几种激光焊接位置，即盖板安全口、电芯&极柱、电池壳、密封销（电解液注入孔）、电池极耳、电芯极耳和顶盖。此外，超级电容器的焊接位置主要是连接器和阴极（封焊）。超级电容器和不同类型动力电池的激光焊接位置如图所示：

汇流排（图源网络）  

激光钎焊module侧板（图源网络）

环形光斑焊接：特殊的激光焊接工艺

激光焊接的核心因素

激光焊接是目前高端电池焊接推崇的主要方法。激光焊接的剪切强度和抗撕裂强度都比较好。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。决定激光焊接质量的核心要素是激光器能量控制及焊接工艺技术。

（1）激光器功率控制
由于被焊接的材料对不同波长激光的吸收率不同（可以从5%到50%不等），激光器选择不同，焊接效果完全不同。为了对焊件输出统一、稳定的焊接激光束，就需要激光输出功率具有良好的一致性或者能够精确控制激光输出功率，功率过低会导致焊接熔融不足而影响焊接质量，功率过高或上下波动会导致飞溅、气孔等不良效果。因此，激光器能量的控制就成为激光焊接最为关键的技术之一。

（2）焊接工艺技术
激光与物质的作用过程较为复杂，激光焊接效果与激光波长、功率密度大小、焊接时间、焊接头角度、焦点距离、焊件对激光的吸收率及清洁程度、焊件的厚度及导热性能、保护气体类型及流量等数十种因素有关。因此，激光焊接工艺技术也是影响焊接质量关键的因素之一，需要激光焊接工艺技术人员不断摸索总结，长时间实验积累才能够获得良好的焊接效果。

激光焊接质量控制

上面所述激光焊接的工艺，与激光器的两个参数是最直接相关的，一个是激光的功率（功率稳定性以及实际功率强度），另外一个则是激光的光斑形貌。要想让激光焊接做到高效，高质量，那么必定要关注激光的这两个参数，接下来说一些这些参数背后真正的意义：

1.随着使用时间的增加，实际切割或者焊接的时候会发现质量变差，最直接的体现就是在同样激光参数设置下，样品不能被切割开或者焊接变差出现虚焊等现象，这个是由于激光功率变化造成的，功率下降后最终在样品工作点位置功率密度下降造成的，此时需要调节激光参数从而达到最初设置；

▲激光功率随使用时间的变化（图源网络）

2.功率检测发现激光器功率与初始没有改变，但是工作效果依然变差，这个其实是激光聚焦的焦点位置发生了改变（也就是我们常说的焦点飘移），最终导致工作点位置功率密度下降，从而达不到实际工作效果。

▲焦点位置随使用时间的变化（图源网络）

因此，激光焊接的过程中，对于激光器的功率以及焦点变化的观测非常重要，下面我们给大家介绍一些针对不同应用的非常好用的测量设备：

【1】Helios：激光除锈/清洗，模组外壳焊接等；短时间曝光，可测试高达12kW功率，有自动防尘罩，不需要水冷，可用于profinet集成控制；可见光到近红外波段覆盖，满足不同波长应用；