徐肖廷 徐淼
天津市捷威动力工业有限公司300380)
摘要：目前，我国工业生产中激光焊接技术的应用十分广泛，并且激光焊接种类繁多，例如激光自熔焊接、激光-电子束复合焊接、激光-氩弧焊复合焊接等等。文章通过对激光自熔自动化焊接技术进行了解，探讨激光焊接技术在锂离子电池行业的应用及发展。介绍了一种锂大的热输入在应用，简述了影响产品激光焊接质量的因素分析，展望了激光焊接技术在锂电池生产行业中的发展前景。
关键词：激光焊接；锂离子电池制造；技术应用；研究策略
引言：激光焊接是现代锂离子动力电池行业重要的加工技术，因能量密度高、无接触焊接、自动化程度度高被广泛应用；但是因铜、铝金属性能的差异性，激光焊接过程中焊缝中易产生大量缺陷，硬脆的金属间化合物、结晶裂纹或液化裂纹等，直接影响焊接电池产品的质量和性能，对车辆造成一定的安全隐患。
一、激光焊接的原理与特点
激光器是利用大功率的闪光灯照射工作物质实现粒子数反转，光通过介质得到放大，产生光的增益，造成产生激光的条件，通过光纤的传播，由透镜进行光路整形，最后由镜头传光到工件表面，从而实现工件加热，通过机械结构运动完成焊接过程。根据工作物质的不同，将激光器分为半导体激光器、碟片激光器、光纤激光器等。
1.激光焊接的原理
激光在材料表面的反射、透射和吸收本质上是光波的电磁场与材料中自由电子或束缚自由电子的相互作用的结果，遵循能量守恒定律：
频率较低的红外光，光子能量低，主要对金属中的自由电子作用，反射强烈，而频率较高的可见光和紫外线光子能量大，对束缚电子作用增强金属对激光的吸收。
材料吸收激光后，通过激发带点粒子的谐振以及粒子间的相互碰撞，光能转换成热能。激光加工在很短时间的弛豫时间内材料吸收的激光转换成热能们对于金属的典型值为10-13s。
激光辐照材料的表面时，在不同的功率密度下，材料表面区域将发生各种不同的变化。这些变化包括表面温度升高、熔化、汽化、形成匙孔以及产生光致等离子体等。激光自熔焊接主要是在母材形成匙孔，通过工件相对于激光束移动，母材的液态金属在小孔的后方流动、逐渐凝固、形成焊缝的过程，达到分子/原子间连接的作用。
2.激光焊接的特点
相较于传统的焊接技术，激光焊接技术具有巨大的优势，那么文章下面全面分析一下激光焊接技术的特点。首先，该技术在应用过程中可以有效的调节功率的大小，设定激光束的能量密度，在焊接过程中可以提升产品质量和焊接效率；由于激光光束能量密度高，产品焊缝的热影响区变得很小，几乎不见，所以该技术可以用于对温度敏感的特殊材料的产品焊接。与此同时，与一些保护装置配合，也可以有效的防止金属氧化、各类焊接缺陷的发生，从而获得性能良好的焊缝，提升产品质量的稳定性和一致性。其次，该技术在工作时，通过光的反射以及偏转的特性，可以实现激光束在任何角度上的聚焦，可以使得激光达到传统焊接工艺所无法到达的位置，在锂电池加工过程中的装配环节的应用意义非常高。
最后，相较于传统的焊接方式，激光焊接技术可以结合机器人手臂进行精准的移动定位，可以实现加工尺寸微小的精密工件，大大提升生产效率。虽然该焊接技术优势较为明显，但也存在一定的局限性，激光焊接设备系统投资费用较高、日常的维修费用较高，对技术人员、操作人员的专业性要求较高。
??????? 二、激光焊接技术在锂离子动力电池制作中的应用
1.在锂离子动力电池制作过程中的应用
锂离子电池因内部结构的特殊性，在焊接过程中对焊接热输入有较严格的要求，激光焊接相对于传统焊接能量密度高，光束的能量密度可调节可完美的解决可以难题。激光焊接技术在动力电池行业主要应用于锂离子电池的铜、铝极耳焊接，巴片焊接，镍、铝异种材质焊接以及铝合金外壳焊接等工序，在电池PACK过程中，已经成为不可被取代的重要工艺。
2. 影响焊接过程因素分析
在锂离子电池生产过程中，产品焊接质量的稳定性主要影响因素激光设备系统和产品工艺。
激光设备系统主要影响因素：1）光纤直径：主要影响光斑的大小，相同功率的激光器，其配置的光纤芯径不一样时，其功率密度也不相同，光纤芯径越小，其光束质量越好；2）焊接头配置：准直焦距 CF 与聚焦焦距 FF，聚焦/准直镜片的影响，对于聚焦后的光斑尺寸d=D*FF/CF (D 光纤芯径、FF 聚焦镜焦距、CF 准直镜焦距)；此公式为经验公式，方便计算与理解；FF/CF 的值即为焊接头的放大倍率，对光纤芯径进行放大。
产品的焊接工艺主要影响因素：1）激光功率：对于某种材料，激光功率越高，其焊接的材料的熔深越深；2）焊接速度：一定条件下，焊接速度越快，熔池深度越小，焊缝速度需与激光功率做好匹配；3）离焦量：激光焊接通常需要一定的离焦量，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔，离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀；实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离焦；焊接薄材料时，宜用正离焦；4）保护气：a、保护聚焦透镜免受金属蒸气污染和液体熔滴的溅射；b、驱散激光焊接产生的等离子云，如果等离子体存在过多，激光束在某种程度上被等离子体消耗；c、使锂离子电池在焊接过程中免受氧化，加了保护气体后焊缝相对会更光滑、更光亮。通过用做激光焊接保护气体的氮气、氩气、氦气等。
????? 三、激光焊接技术的未来展望
锂离子电池使用激光焊接技术，突破了传统焊接技术的限制，使的动力电池行业焊接产品的质量一致性及稳定性大大改善，产品生产效率、精确度明显提高。随着科学技术不断发展，相信激光焊接技术将进一步完善，释放能量的速度更快，工作效率与焊接质量更创新高。同时激光焊接技术聚焦后光斑较小，在材料激光焊接过程中，黏连效果较高，几乎不会损伤材料本身质量，传统焊接的后续处理可以忽略。隨着激光焊接技术不断发展，其的聚焦点将进一步缩小，黏连性进一步提高，能够彻底避免损伤材料或导致材料变形，焊接技术的后续处理可直接跳过，焊接技术的效率明显提升。
结语：与激光焊机配合的工作台及焊接工件固定夹具的精度和自动化程度，对焊接的质量及电池的生产效率有很大的影响。在使用激光焊接设备的过程中，需要对设备的环境加以控制。国内的激光焊接厂家数量很多，产品的优点是设备价格适中，但焊接质量及设备稳定性与进口设备相比，仍存在一定差距，而锂离子电池制造过程对于焊接质量的一致性要求较高。伴随我国科学技术的不断发展以及个领域科技的不断进步，大力推进激光焊接技术的进步是正确发展的必然举措，相信在不久的将来，激光焊接技术的应用水平将会不断提高，在更多的领域发挥重要作用。
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