文/Najah George，William A. Huffman Jr.；Photon Automation

Sebastian Moser；Precitec

圖 1：圓柱形鋰離子電池模組的激光焊接裝置。（圖片來源：Photon Automation）

圓柱形鋰離子電池（如 18650、21700 以及更大的 4680 型號(hào)）因其高能量密度、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和成熟的可靠性，被廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)工具、儲(chǔ)能系統(tǒng)，尤其是電動(dòng)汽車領(lǐng)域。這些電池通常采用鍍鎳鋼（Hilumin）作為殼體材料，因?yàn)殒囧儗幽芴峁┠透�蝕性，鋼基底則能保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可以承受內(nèi)部壓力與機(jī)械應(yīng)力。

為了滿足特定的設(shè)計(jì)和性能需求，一些直徑 46 mm的圓柱形電池會(huì)采用鋁和鍍鎳鋼等不同材料作為殼體。在模組或電池包制造過程中，一項(xiàng)最為關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是：將鋁和鋼焊接在一起，因?yàn)檫@兩種材料的熱性能和焊接時(shí)的材料行為存在很大差異。

圓柱形電池模組或電池包的構(gòu)建，需要將電芯（即電池單元）按規(guī)律排列，并根據(jù)應(yīng)用的電壓和電流需求進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)連接。這種配置方式使得制造商能夠定制電池包的整體能量容量和功率輸出，以滿足電動(dòng)汽車或固定儲(chǔ)能系統(tǒng)等特定場(chǎng)景的應(yīng)用需求。電芯通常通過厚度為0.3~0.6mm的鋁制匯流排實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，匯流排再通過激光焊接實(shí)現(xiàn)可靠的電連接（見圖 1）。電池殼體所使用的鍍鎳鋼的厚度通常為 0.4~0.6mm，具體取決于電芯設(shè)計(jì)和制造商品牌。

在電動(dòng)汽車應(yīng)用中，連接鋁制匯流排與電池電芯的焊縫，必須能夠在嚴(yán)苛的動(dòng)態(tài)環(huán)境（包括沖擊、振動(dòng)和熱循環(huán)）下保持高度的結(jié)構(gòu)完整性和導(dǎo)電性，因此精確可靠的激光焊接對(duì)電池的長(zhǎng)期性能和安全性至關(guān)重要。激光焊接非常適合這類裝配場(chǎng)景，因?yàn)榧す夂附幽軌蛐纬蓮?qiáng)度高、潔凈度好的接頭，并且熱輸入量低、變形小。這些特性對(duì)于應(yīng)對(duì)鋁-鍍鎳鋼焊接所面臨的挑戰(zhàn)至關(guān)重要。

脆性金屬間化合物（IMC）的形成

焊接過程的首要挑戰(zhàn)是脆性金屬間化合物（IMC）的形成，這會(huì)顯著降低接頭的強(qiáng)度和導(dǎo)電性。該問題源于鋁與鋼的性能差異，尤其是它們對(duì)熱量的不同響應(yīng)：鋁的熔化和膨脹速度快于鋼，這會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力并促進(jìn)焊接過程中IMC的生長(zhǎng)。這些IMC（如鐵鋁化合物 FeAl₃和 Fe₂Al₅）通常質(zhì)地脆弱，會(huì)削弱接頭強(qiáng)度，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生、強(qiáng)度下降和腐蝕性增加。

焊接過程中 IMC的形成及其總體積，對(duì)焊縫質(zhì)量和焊縫的長(zhǎng)期性能至關(guān)重要。隨著 IMC體積的增加，接頭的脆性增強(qiáng)，機(jī)械強(qiáng)度下降，在應(yīng)力作用下失效的可能性增大。更深的焊縫熔深通常會(huì)增加 IMC 的總體積，這凸顯了精確控制焊接參數(shù)以確保接頭強(qiáng)度高、可靠性好且耐用性強(qiáng)的必要性。

大量研究表明，保持薄而均勻的 IMC層（通常為 2 µm~10 µm）可以獲得更高的拉伸剪切強(qiáng)度。這些薄層能夠?qū)崿F(xiàn)有效的冶金結(jié)合，同時(shí)能夠最大限度地減少接頭的脆性。但是當(dāng)IMC 層的厚度超過 15µm時(shí)，其脆性往往會(huì)導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度下降，因?yàn)樵谳d荷作用下容易引發(fā)裂紋和擴(kuò)展（見圖 2）。

圖 2：IMC層厚度對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響。（圖片來源：H. He 等）[1]

為解決這一問題，更有效的方法是擴(kuò)大焊接界面的面積，而不是僅僅依賴增加熔深。增大界面面積可以增強(qiáng)冶金鍵合，同時(shí)限制 IMC的總體積，從而降低脆性并使應(yīng)力在接頭處更均勻地分布，提高可靠性。上述這種效果可以通過激光脈沖與光束掃描技術(shù)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)，以精確地控制熱量輸入和界面的形成，最大限度地減少IMC的生長(zhǎng)。

Photon Automation公司研發(fā)了先進(jìn)的脈沖和功率控制器，能以微秒級(jí)精度控制激光器，實(shí)現(xiàn)定制化脈沖整形。通過微調(diào)脈沖形狀，可以降低局部熱應(yīng)力，保留材料理想的機(jī)械特性，減小熱影響區(qū)（HAZ），延長(zhǎng)零件壽命。該公司的 WonderBOARD 還與振鏡控制器相連，使激光能量能夠在工件上均勻分布，從而避免因?yàn)楣馐�快速移�?dòng)而導(dǎo)致的熱點(diǎn)和加熱不均勻。

激光脈沖與光束振蕩控制 IMC形成

脈沖激光能更好地控制熱輸入，降低過度熔化或飛濺的風(fēng)險(xiǎn)。它在脈沖間形成的冷卻時(shí)間，可以減少熱積累，有助于避免燒穿或變形等缺陷。對(duì)于薄材料焊接或鋁與鋼等異種金屬材料的焊接，脈沖技術(shù)還能提高熔池的穩(wěn)定性。

通過振鏡使激光束在焊接區(qū)域動(dòng)態(tài)掃描，可以實(shí)現(xiàn)能量的均勻分布。這樣能夠避免邊緣效應(yīng)（激光束在焊接路徑的起點(diǎn)或終點(diǎn)停留過久，導(dǎo)致過度熔深、缺口或熱點(diǎn)）。振蕩技術(shù)還能形成定制化的焊縫形狀（如圓形、螺旋形或鋸齒形），以增強(qiáng)接頭的機(jī)械強(qiáng)度和均勻性。

脈沖與振蕩技術(shù)的結(jié)合，創(chuàng)造了一種高度可控的焊接環(huán)境，可以最小化熱梯度，優(yōu)化冶金鍵合，并使應(yīng)力分布更均勻。在電池制造中，這種方法尤為重要，它有助于實(shí)現(xiàn)精密的能量控制，以避免損壞敏感組件或絕緣區(qū)域。

第二個(gè)挑戰(zhàn)是：實(shí)現(xiàn)精確的焊縫定位和一致的焊接質(zhì)量。

對(duì)于圓柱形電芯設(shè)計(jì)，正負(fù)極均位于頂面——中心電極帽為正極，周圍的環(huán)形區(qū)域?yàn)樨?fù)極。這種布局限制了可用的焊接區(qū)域，要求激光定位要極其精準(zhǔn)，因?yàn)榧词故禽p微的激光對(duì)準(zhǔn)偏差都可能導(dǎo)致焊縫強(qiáng)度不夠、內(nèi)部損壞或短路，這些都會(huì)增加電芯失效風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至能引發(fā)熱失控。

在組裝過程中，這些電池模組中通常包含數(shù)百個(gè)緊密排列的電芯。制造公差或操作導(dǎo)致的電芯之間高度的微小差異，都可能會(huì)造成匯流排或焊接工具與電芯的接觸不均勻。如果不妥善處理，這種接觸的不一致會(huì)導(dǎo)致焊接質(zhì)量波動(dòng)、電連接不良和長(zhǎng)期性能問題。

為了克服這些挑戰(zhàn)，制造商依賴兩類核心系統(tǒng)：視覺系統(tǒng)和光學(xué)相干斷層掃描（OCT）。

視覺系統(tǒng)用于探測(cè)和定位每個(gè)圓柱形電芯的正極（中心帽）和負(fù)極（外環(huán)/邊緣）。另外，視覺系統(tǒng)還能補(bǔ)償電芯之間的差異/公差和夾具對(duì)準(zhǔn)偏差，并將激光束引導(dǎo)到正確的焊接位置，避免激光束接觸絕緣層或邊緣區(qū)域。這使得包含數(shù)百個(gè)電芯的模組能實(shí)現(xiàn)一致的高精度焊接。

OCT 在焊接前測(cè)量每個(gè)電芯的高度，以檢測(cè)最細(xì)微的高度差異。它通過電動(dòng)準(zhǔn)直透鏡動(dòng)態(tài)地調(diào)整激光焦點(diǎn)位置，確保激光始終聚焦在精確的焊接面上，從而提高焊接質(zhì)量，并增強(qiáng)自動(dòng)化生產(chǎn)環(huán)境（電池模組中每個(gè)電芯的高度可能存在微小差異）的可靠性。

焊接過程監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集：AI 的基礎(chǔ)

實(shí)施激光焊接監(jiān)控（LWM）系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn) AI過程控制的關(guān)鍵一步。在激光與材料相互作用的過程中，能量會(huì)以多種形式釋放，包括：等離子體輻射（紫外波長(zhǎng)）、熱輻射（紅外波長(zhǎng)）、背反射（激光實(shí)際波長(zhǎng)）以及通過光學(xué)元件的激光功率。所有這些信號(hào)中，都會(huì)包含關(guān)于焊接過程參數(shù)的寶貴信息。

基于光電二極管的傳感器實(shí)時(shí)捕獲這些輻射信息，并與優(yōu)質(zhì)焊縫的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。這種持續(xù)的數(shù)據(jù)采集有助于識(shí)別未熔合、漏焊或熔深不一致等缺陷。隨著時(shí)間的推移，高分辨率過程數(shù)據(jù)的積累，為 AI 模型訓(xùn)練提供了基礎(chǔ)。AI模型能檢測(cè)模式、預(yù)測(cè)故障，并實(shí)現(xiàn)閉環(huán)焊接過程優(yōu)化。

焊接質(zhì)量的工藝開發(fā)驗(yàn)證

在圓柱形鋰離子電池的激光焊接中，確保內(nèi)部的焊縫完整性對(duì)保障電池的安全性和性能至關(guān)重要。在焊接過程中，需要特別注意頂面下方的任何塑料或橡膠材料的安全：過度的熱量輸入、不當(dāng)?shù)募す鈪��?shù)或過深的熔深，都可能損壞下方的絕緣層或塑料/橡膠結(jié)構(gòu)部件，導(dǎo)致短路、泄漏、機(jī)械故障或熱失控。

圖 3：3D-CT 圖像顯示焊縫熔深細(xì)節(jié)。（圖片來源：Photon Automation）

計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）可以對(duì)焊接接頭進(jìn)行無損高分辨率檢測(cè)，提供 2D 和 3D 數(shù)據(jù)，揭示出氣孔、焊縫界面熔深不均或熔深不足等焊縫內(nèi)部的缺陷（見圖 3）。這些 3D CT 數(shù)據(jù)通過驗(yàn)證焊接質(zhì)量和識(shí)別熔深是否觸及密封或絕緣材料，來為工藝開發(fā)提供支持，從而更好地在焊接過程中預(yù)防上述問題。

參考文獻(xiàn)

1. H. He 等人，《涂料》，第 14 卷，第 10 期，1262 頁（2024 年）；https://doi.org/10.3390/coatings14101262.