新能源汽車動力電池，作為(wei) 新能源汽車的驅動能源，其質量好壞直接影響到新能源汽車的使用壽命。激光加工技術已成為(wei) 發展最快的高新技術之一，為(wei) 傳(chuan) 統製造業(ye) 改造提供了充足支持。相較於(yu) 傳(chuan) 統極耳焊接、極片切割模式而言激光切割模式可以實現自動化操作，並解決(jue) 毛刺、露白、掉粉等一係列問題。激光焊接具有較高的能量密度、較快的焊接速度以及較小的加熱區域，適用於(yu) 對焊接變形及精度要求較高的新能源汽車動力電池模組生產(chan) 中。動力電池極耳部分（厚度為(wei) 0.3mm 的TU1銅鍍鎳片和1050鋁合金片）要與(yu) 模組兩(liang) 側(ce) 匯流排（Busbar，6061鋁合金）焊接在一起。這類材料使用傳(chuan) 統焊接方式時，很容易在焊接過程中產(chan) 生裂紋和變形，影響電池質量。

極耳激光切割應用

設備選型

對於(yu) 鋰電池負極銅箔，可以選擇 1064nmMOPA 型光纖激光器，其峰值功率密度為(wei) 2.4×10⁶W/mm2 ，可以通過對種子源的電進行調製，在兆赫茲(zi) 工作頻率內(nei) 實現幾納米到幾十納米的“窄脈寬”切割。

對於(yu) 鋰電池正極鋁箔，可以選擇脈衝(chong) 達到皮秒級的皮秒激光器，其可以通過進行種子源鎖模，獲得超窄脈衝(chong) 信號 。同時皮秒激光器可以利用三倍頻技術，將 1064nm近紅外激光向 355nm 紫外光、532nm 綠光轉化，滿足多種類別材料加工需求，並在實現“冷加工”。

切割參數設置

在應用 1064nmMOPA 型光纖激光器切割 8.0μm 銅箔（鋰電池負極）時，可以設定脈寬為(wei) 20ns，工作頻率與(yu) 單脈衝(chong) 能量分別為(wei) 760kHz、0.13mJ，改善銅箔切割毛刺問題，並將毛刺尺寸控製在 10μm 內(nei) ，同時減少鋰電池銅箔極片切割飛濺、熔融層尺寸誤差。部分情況下，為(wei) 了減少熔融層“魚鱗紋”現象，也可以將脈衝(chong) 頻率進行進一步提高，杜絕熔融重新凝結層。需要注意的是，在將脈寬一定、調高平均功率的同時，還需要根據激光器聚焦需要，調整焦點光斑直徑為(wei) 60μm，調整銅箔切割時振鏡走筆速度為(wei) 800mm/s。

在應用 9.1W 皮秒激光器 532nm 綠光激光器切割鋁箔正負極片時，可以設定脈寬為(wei) 10ps，切割速度為(wei) 1000mm/s，重複頻率為(wei) 300kHz，縮小正極片熔融重新凝結區域，減弱熔融區下方亮白色 + 紅色 + 黃色熱影響帶，消除白色光亮層、紅色熱擴散層。根據結果進行切割參數的調整，將常溫輔助氣體(ti) 變更為(wei) 低溫輔助氣體(ti) 等。

極耳激光焊接應用

焊接參數選擇

銅極耳厚度在 0.2～ 0.5mm 左右，鋁極耳焊接厚度在 0.2 ～0.6mm 左右。因此，在激光焊接極耳時，需要設定激光波長為(wei) 1064nm，激光功率為(wei) 110W ～ 200W，光斑 28μm，激光掃描速度與(yu) 脈衝(chong) 頻率分別為(wei) 500mm/s、200kHz，重複頻率為(wei) 0.4 ～ 20MHz，脈衝(chong) 寬度為(wei) 50～120ns。並控製極耳焊接縫隙寬度在 1.2～2.4mm內(nei) ，焊接縫隙深度在 1.2～1.8mm內(nei) 。同時保證極耳寬度精度與(yu) 極耳間距精度、極耳高度精度均小於(yu) 等於(yu) ±0.15mm。

極耳激光焊接分析

激光功率對鋁鋁焊縫形貌的影響

鋁鋁焊接頭焊縫表麵形貌主要分為(wei) 母材區（BM）和焊縫區(Weld)兩(liang) 個(ge) 區域。保持焊接速度 55mm/s 不變，在激光功率為(wei) 550W 時，焊接頭焊縫表麵的魚鱗紋比較清晰，且焊縫與(yu) 母材的交界線也較為(wei) 平直。當激光功率增加時，焊縫表麵逐漸被燒蝕，且魚鱗紋形狀越來越不規範；在激光功率為(wei) 950W 時，焊縫表麵的部分魚鱗紋形狀被嚴(yan) 重破壞，產(chan) 生了嚴(yan) 重燒蝕現象。焊縫與(yu) 母材的交接線也因激光功率地增加由平直線逐漸變成凹凸不平的曲線，當激光功率為(wei) 850W 和 950W 時，可明顯看到焊縫兩(liang) 邊交接線出現鋸齒狀突起。當激光功率為(wei) 550W 時，此時激光功率不足，觀察焊縫截麵形貌可知，上層鋁 1050剛剛熔穿，而下層鋁 6061 才剛剛被熔化，上層鋁 1050 和下層鋁 6061 之間存在間隙易導致焊縫中焊縫中產(chan) 生氣孔。當激光功率為(wei) 650W 時，此時激光剛好突破量下層 6061鋁片界麵，形成較淺的熔深，此時產(chan) 生的氣孔直徑約為(wei) 50μm。隨著激光功率地增加，焊縫的熔深不斷增加，焊接時產(chan) 生的氣孔也越來越大且數量增加。這是因為(wei) 焊縫熔池在激光功率增加時反應劇烈程度增加，使得氣孔產(chan) 生的幾率增大，且深的熔深不利於(yu) 氣孔溢出。當激光功率為(wei) 950W時，可明顯看見在焊縫熔池中心處存在一個(ge) 直徑約為(wei) 200μm的氣孔。

激光功率對鋁鋁焊縫熔寬熔深的影響

保持焊接速度 55mm/s 不變，隨著激光功率地增加，鋁鋁焊接頭焊縫的熔寬及熔深均呈現上升趨勢。當激光功率為(wei) 550W 和 650W 時，焊縫的熔寬分別為(wei) 1.38mm 和 1.39mm。這是因為(wei) 初始功率太低，產(chan) 生的熱量還不能滿足焊縫形成較大的熔寬。當激光功率增加至 950W 時，焊縫的熔寬逐漸增大且趨於(yu) 平穩，最大值為(wei) 1.53mm。原因是激光功率逐漸增大導致焊縫吸收的熱量增多，導致焊縫熔合線由焊縫中心向母材兩(liang) 邊移動，焊縫熔寬有所增大[66]。當激光功率從(cong) 550W 增加到 850W 時，焊接頭焊縫的熔深也從(cong) 0.05mm 增加到了0.25mm，這是激光功率增加帶來的大量熱能所致。當功率達到 950W 時，焊縫的熔深突然增大到 0.42mm，原因是此時的激光功率密度為(wei) 1.94106W/cm2，激光焊接的方式為(wei) 深熔焊，焊縫的熔池產(chan) 生了匙孔，使激光束能量可以直接作用在匙孔底部，加大了能量向下傳(chuan) 遞的力度，使得焊縫熔深速增大至 0.42mm。

激光功率對鋁銅焊縫宏觀形貌的影響

保持焊接速度不變，當激光功率為(wei) 1000W 時，焊縫表麵的魚鱗紋中發現部分未熔化的銅，說明此時的激光功率較低，達不到上層銅全部熔化的焊接要求；當激光功率為(wei) 1100W 時，此時銅鋁焊接頭表麵焊縫的魚鱗紋均勻光滑，較為(wei) 清晰，且焊縫與(yu) 母材交界線較為(wei) 平直。當激光功率為(wei) 1300W 和 1400W 時，銅鋁焊接頭焊縫表麵燒損嚴(yan) 重，魚鱗紋已經消失，熱影響區與(yu) 母材交界線出現凹凸不平的缺口。觀察銅鋁焊接頭焊縫截麵形貌，當功率為(wei) 1000W 時，我們(men) 可以看到熔池內(nei) 銅鋁發生反應，焊縫由黑色陰影處（下）和銅鋁混合處（上）兩(liang) 部分構成，發生了明顯的“鋁侵入銅”的現象，並伴有微小的氣孔產(chan) 生。隨著激光功率增加，焊縫中陰影部分麵積增加，且“鋁侵入銅”的現象也越來越明顯，且容易在焊縫中形成氣孔。這是因為(wei) 激光功率增加導致熔池熔深和熔池中的鋁元素增加，故銅鋁反應也就越劇烈，“鋁侵入銅”的現象就越明顯。當激光功率為(wei) 1400W 時，可以看到焊縫沒有了陰影部分，但更多的鋁元素進入了上層銅中去，焊縫整體(ti) 呈灰白色，且分布著大小不均的氣孔。

激光功率對銅鋁焊接頭熔寬熔深的影響

保持焊接速度 55mm/s 不變，銅鋁焊接頭焊縫的熔寬和熔深都與(yu) 激光功率呈正相關(guan) ，且熔深與(yu) 激光功率的線性相關(guan) 性更強。當激光功率從(cong) 1000W 增加到1300W 時，焊縫的熔深迅速從(cong) 0.21mm 增加到 0.68mm，而焊縫的熔寬從(cong) 起始的 1.51mm逐漸增加到 1.61mm 後趨於(yu) 平穩，這是因為(wei) 此階段產(chan) 生的熱量基本上用來增加焊縫熔深了，用來擴展熔合線的能量較少，故熔寬增加增加緩慢。當激光功率為(wei) 1400W 時，焊縫熔深的增大的速率放緩，熔深增而大至 0.76mm，熔寬卻增大突然至 1.68mm。這是因為(wei) 在焊接過程中，隨著激光功率增加，焊縫熔池上方的焊接材料蒸氣以及等離子體(ti) 會(hui) 逐漸增多，吸收了照射激光地部分能量，減緩了熔池熔深增大速率，卻增強了對焊縫熔池表麵的輻射作用，使得焊縫表麵熔寬增大。

焊接速度對鋁鋁焊縫宏觀形貌的影響

鋁鋁焊接頭焊縫表麵形貌可以看出，當焊接速度為(wei) 25mm/s 時，此時焊縫表麵的魚鱗紋較為(wei) 密集，焊縫區與(yu) 母材區的交界線彎曲突起，不平滑。此時當焊接速度越慢，焊接頭擺動速度一定，單位時間內(nei) 移動的距離短，在該段長度範圍內(nei) 擺動的次數越多，形成的魚鱗紋也就越密集，且熱輸入較大，焊縫區與(yu) 母材區的交界線不規範。當焊接速度逐漸增大時，焊縫表麵的魚鱗紋密集程度開始減弱，焊縫區與(yu) 母材區的交界線逐漸變得平直，這是因為(wei) 焊接速度增加，單位時間內(nei) 焊接頭移動的距離增加，焊接頭在該段長度範圍內(nei) 擺動的次數減少，單位時間內(nei) 焊縫中的熱輸入減少，焊縫區與(yu) 母材區的交界線處的熔池條件得到改善，交界線變得平直。從(cong) 鋁鋁焊接頭焊縫截麵形貌中可以看出，當焊接速度為(wei) 25mm/s 時，焊縫擁有最深的焊縫熔深，但此時焊縫中氣孔數量較多。這是因為(wei) 在相同的激光功率下，較低焊接速度對應的焊接熱輸入較大，導致焊縫熔池加深，氣孔溢出焊縫表麵時間也就越長，氣孔留在焊縫中的機率就越大。當焊接速度增加時，焊接頭焊縫的熔深逐漸減小，焊縫中氣孔的數量逐漸減少。在焊接速度為(wei) 55mm/s 時，焊縫中氣孔的數量最少，氣孔直徑最小。當焊接速度繼續增加時，焊縫截麵形貌狀態出現惡化，氣孔直徑變大。這是因為(wei) 過大的焊接速度使得激光在焊縫中停留的相對時間變短，熔池得深度變淺，熔池在冷卻時氣泡來不及所導致。因此焊接速度過快和過慢都不行，隻有選擇合適的焊接速度，才能減少焊縫中氣孔的數量。

焊接速度對鋁鋁焊接頭熔寬熔深的影響

保持激光功率 700W 不變，隨著焊接速度的不斷增加，鋁鋁焊接頭焊縫區的熔寬和熔深都不斷降低。當焊接速度從(cong) 25mm /s 增加到 65mm/s 時，鋁鋁焊接頭焊縫熔寬從(cong) 1.54mm 減小到 1.49mm，熔深從(cong) 0.24mm 減小到 0.17mm。由公式（3-1）可知，當焊接速度增加時，對應的激光焊接熱輸入會(hui) 減少，熔池在單位長度上吸收激光能量變少，所能熔化的金屬量減少，故焊縫表麵的熔寬會(hui) 減小；與(yu) 此同時，焊接速度增加使得激光在焊接時激光地穿透能力減弱，焊縫的熔深也會(hui) 減少。

焊接速度對鋁銅焊縫宏觀形貌的影響

銅鋁焊接頭焊縫表麵形貌可以看出，當焊接速度為(wei) 25mm/s 時，此時銅鋁焊接頭焊縫表麵的魚鱗紋較為(wei) 密集。當焊接速度逐漸增大時，焊縫表麵的魚鱗紋密集程度開始減弱。特別的，當焊接速度為(wei) 65mm/s 時，此時焊縫表麵的魚鱗紋已經消失，取而代之的是擺動焊接頭擺動焊接的軌跡，但由於(yu) 焊接速度太快，焊接熱輸入不足，焊縫表麵還有部分銅為(wei) 被熔化。當焊接速度為(wei) 25mm/s 時，銅鋁焊接頭截麵焊縫擁有最深的熔深，此時熔化的銅層下出現少量“鋁侵入銅”的現象，焊縫中心處有一處氣孔，且在焊縫熔池兩(liang) 邊下角由黑色的陰影區域。當焊接速度逐漸增加時，銅鋁焊接頭的熔深逐漸降低，焊縫中“鋁侵入銅”程度減小，焊縫中氣孔數量開始增多。這是因為(wei) 焊接速度增加，焊縫熔池變淺，熔池中的鋁元素減少，焊縫中產(chan) 生氣孔來不及逸出排除造成氣孔數量相對增多。當焊接速度增加到 65mm/s 時，此時激光剛剛熔穿上層銅，隻熔化下層鋁上極少部分，此時幾乎沒有“鋁侵入銅”現象發生。

焊接速度對銅鋁焊接頭熔深熔寬的影響

保持激光功率 900W 不變，當焊接速度增加，銅鋁焊接頭焊縫熔寬和熔深與(yu) 激光功率均呈負相關(guan) 性。當焊接速度從(cong) 25mm/s 增加 65mm/s 到時，銅鋁焊接頭焊縫熔寬從(cong) 1.525mm 減小到 1.445mm，焊縫的熔深從(cong) 0.226mm 減小到 0.102mm。焊接速度地增加導致焊接熱輸入輸入嚴(yan) 重不足，是焊縫的熔深和熔寬不斷減少的主要原因。

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