專家們一致同意 — 當汽車中需要的儲能組件不再那么昂貴時，電動交通的地位也將確定下來。其中關鍵之處在于降低生產成本。為實現這一目的，高技術工程公司 — Manz亞智科技在生產鋰離子電池的過程中采用了新型的激光焊接技術，從而提高焊縫品質、工藝穩定性和所需要光束源輸出方面的標準。
生產鋰離子電池需要多種焊接工藝。比如，單個蓄電池組電池之間的焊接觸點要比螺栓觸點或使用的雙金屬母線更可靠、更持久、更能節省成本。同時，還需要焊接好堅固的電池外箱，因為其氣密性必須達到40bar的壓力。此類焊接接口根本不需要維修 — 不久以后，電動汽車應能夠在溫度波動較大的各種氣候帶以及全球各種道路（不管路況好壞）上運行。
由于在電流較高時，單個蓄電池組只能輸送幾伏特電壓，必須將其串聯連接，從而實現較高模塊電壓。為此目的，通過焊接將由鋁和銅制成的終端觸點連接起來。由于所焊接的金屬種類越多，形成的焊縫就越脆（采用傳統激光焊接時情況即是如此），這在技術上是一種挑戰。毫無疑問，若電遷移要求較高的話，脆性焊縫顯然是不可接受的。
在前述電池生產工藝步驟中，需進行電導體和外箱焊接，目前激光已得到運用。然而，到目前為止，仍然未脫離功率高達6kW且必須高速運行的昂貴多模式激光焊接系統。這是為什么呢？因為只有這樣，熔體才能快速硬化，且由于材料混合過程對焊縫質量有至關重要的影響，需盡量減少混合材料種類。除了光源和激光傳輸的高成本以外，這還會導致工藝運行困難和難以控制、穩定性低、工藝窗口小。
而現在，這種價格昂貴、使用效果又無法令人滿意的設備已成為了歷史：Manz的新型焊接工藝已經達到了工業成熟期，采用該工藝，可以幾乎完全避免混合熔體：通過高頻局部調制或“搖擺”光束在重疊配置中完成激光焊接；通過搖擺，就可以單獨光斑形成焊縫以微米計的深度和寬度。這樣就可保證該工藝不僅能靈活應用于雙金屬連接焊接和氣密式電池盒焊接，還能靈活應用于高反光性銅材料焊接。采用該工藝形成的焊縫，具有極強的耐久性，且無脆性金屬間相。每毫米焊縫長度的連接橫截面為十分之幾到一平方毫米，甚至適用于超薄金屬。新開發的高調頻搭接焊法的激光源，功率輸出為傳統的20%。
電池盒一覽：開發團隊面臨的挑戰是什么？
- 搭接焊
- 非全熔合焊
- 足夠大的焊縫橫截面區域（至少在終端有橫截面區域）
- 低接觸電阻
- 高耐久性和延展性
- 金屬間相焊縫無脆性
- 高耐熱沖擊性
- 激光系統技術成本明顯降低
采用新掃描振鏡，使工藝更加穩定、精確和靈活
新工藝是一種“靈敏的”焊接工藝。采用這種工藝，可將焊接滲透深度精確到微米的同時，減少材料混合的情況。而且采用這種工藝很快就能收回購買成本。焊縫孔隙少、點焊任何縱橫比形成、甚至橫截面為方形焊縫這些問題，都得到了解決。除了已公布的激光焊接工藝的適當參數，還有另外三個能極大提高靈活性的參數。
- 幾何形狀
- 幅度a
- 頻率 f
幾何形狀指示了工件上激光的微觀路徑。例如，可以畫八個圓圈。幅度表示與工件上激光微觀路徑饋送方向正交的半寬度。頻率表示每秒生成搖擺幾何形狀數量。單個圓圈的重疊是幾何形狀、幅度、頻率和饋送速度共同形成的結果。
圖1： 以0.5mm的幅度搖擺的圓形幾何形狀示例
為滿足此類工藝控制的動力學要求，已開發出一種新型兩軸掃描振鏡系統。該系統在動態性、穩定性和精確度上，明顯優于以往的系統。采用這種系統，可輕松實現在高達4 kHz下以搖擺頻率連續運行。當前掃描器系統面臨的另一個挑戰是掃描場校準。為此目的，Manz特地開發出一種校準方法，其在其他掃描振鏡應用環境（包括3D）中可全自動運行，就算是新手也會很容易地使用該方法。
通過采用最新一代激光器，可實現明顯高于傳統激光束焊接的能量密度（即使激光輸出功率較小也能實現這一點）。
圖2: 高調頻重疊激光焊接用新開發工藝的結構
低功率激光獲得的可拉伸焊縫
第一批新型搖擺焊接試驗的結果如何？采用一種可拉伸測試機器，對經搖擺雙金屬焊縫的抗拉強度進行了測試。在此類試驗中發現：當激光輸出量為平均激光功率的大約±15%時，鋁銅質焊縫的試驗結果相對穩定。這表明本工藝在所采用激光功率方面具有優勢。相比之下，銅鋁質焊縫的耐久性值下降達10N/mm（即使該耐久值達到最大時也是如此）。另外，激光功率變化時，對焊縫的耐久性產生影響，而這表明低激光功率焊接更加穩定?；谏鲜鼋Y果，鋁銅焊接顯然更具優勢。
圖3: 不同激光功率下的抗拉強度
在此類試驗中，所采用的焊縫長度為20毫米。為確定測試焊縫穩定性，均以20毫米的焊縫長度的抗拉強度進行比較。
顯微圖像表明無材料混合情況
將鋁和銅混合在一起后，將會導致出現脆性金屬間相 — 這會對機械阻力和耐熱沖擊性產生不良影響。為弄清這兩種特性如何影響鋁銅和銅鋁焊縫，開發組采用光學顯微鏡和能量彌散X射線譜（EDX）拍攝了所述焊縫的顯微照片并對其進行了評估。通過這些顯微照片，可以作出有關耐久性（隨著混合度變化而變化）的清楚結論?；诙囗検綌M合（Al/Cu）的最大耐久性參數為P0，遠低于500W。但是，采用該參數后，發現鋁和銅的混合比增大。在無需采用從前溫度變化負荷的簡單拉伸試驗中，這種問題并不明顯。甚至采用激光輸出量僅達到激光輸出值P0的86%、特定抗拉強度大約為34N/mm的參數，仍然顯示出非常高的耐久性，盡管連接區域僅位于較低銅質薄板表面。因此，采用最小焊縫（即：將鋁質頂板焊接到銅質薄板表面后得到的焊縫），也能達到高抗拉強度。這樣，可完全排除該連接部位發生脆化的情況。
圖4: 圖a接點細節照片
還可清楚看到的是：甚至最大厚度達到5微米、用于保護銅質薄板不受腐蝕的鎳層，也只受到了微小的影響?？赏ㄟ^能量彌散X射線譜顯微照片（見圖5，其中有選作示例的AI/CU焊縫），清楚地看到這一點。
圖５: Al/Cu 焊接口選定的能量彌散X射線譜照片（左邊：掃描電子顯微鏡照片，中間：鋁的能量彌散X射線譜圖像，右邊：銅的能量彌散X射線譜圖像）。
但銅-鋁焊接情況有所不同。結果顯示：耐久性的最高水平大約為P0的110%（參見圖k）下獲得?？梢杂^察到焊縫根部上明顯的鋁銅混合物以及明顯的孔隙。通過稍微降低或提高混合比（圖.i/l），連接的抗拉強度相對快速下降。此外，在不進行大部分混合工作的情況下（如圖a）形成有同等耐久性水平的連接是不可能的。為了實現特定耐久性，把鋁和銅進行混合似乎是必要的。
圖6： Al/Cu 和Cu/Al 焊縫選定的橫截面圖
圖7 （表）：試驗中用到的材料組合。
低溫和高溫測試
為了對隨材料混合比變化而變化的焊接連接耐熱沖擊性進行測試，根據標準DIN EN 60068-2-14Na ，對銅-鋁（圖j，k，l）和鋁-銅焊接口（圖a，d，g）的3組參數進行了溫度沖擊處理。也就是說，焊縫必須在2周內（超過30分鐘，最大轉移周期為30秒）經受-40°C～130°C下的300個周期的測試。所測試焊縫的長度為20毫米，且在測試設置期間消除了應力集中的情況。內部結果和外部結果都顯示了該類型的溫度沖擊荷載對焊接連接的耐久性沒有影響。
圖8：溫度沖擊測試和抗拉測試的示例和焊縫幾何形狀。
圖9： 抗拉測試中示例的加載方向。
不僅僅只適用于雙金屬的焊接
除了雙金屬接口的焊接外，高調頻搭接焊也非常適合于蓄電池組電池本身內部的關鍵接口。例如：連接正極（AI/AI）和負極（Cu/Cu）。如上所述，若蓄電池組電池“已連接好電線”，就將其連接至電池組。鋰離子電池的制造商通過與其客戶、汽車制造商進行協調，確定目前采用的三種可能的幾何形狀。新的激光搭接焊方法可與這三種幾何形狀配用。軟包電池，類似于熱包電池，與雙金屬觸點串聯連接。新工藝的處理速度在 60 和 100 mm/s之間，因此其成本效益很高，并且采用該工藝，還可以以最少投資來形成較大載流橫截面。
方形和圓柱形的硬盒電池主要由氣密的焊接鋁盒構成。它們必能夠耐受超過40bar的爆破壓力，并在達到探測極限以下之前保持氦氣密封狀態。從功能性和審美角度來看，使用優質焊珠將電蓋焊接在電池盒上時，通過搖擺能產生非常均勻的焊縫。此技術的一個重要優勢是極佳的靈活性：可自由選擇焊縫幾何形狀的參數，如從0.1毫米到1毫米的寬度，選擇其它參數也很容易?？尚纬啥S焊縫，如負極（銅/銅）和正極（鋁/鋁）焊接到電池盒上以及附在其上的觸點。搖擺方法能在這里取得成功是因為對焊接穿透深度的要求達到最低，同時連接的橫截面較大。
新的焊接方法可與所有此類應用環境（即：鋰離子電池的幾何形狀）中相同光源和光導一起使用。雙金屬材料、鋁、銅或鐵都沒有問題?？蔀橄嚓P任務設置所需要的參數。即便是高達每秒形成3500個焊點的點焊也可能實現。
對用戶的意義：在現行的生產線中可簡單快速安裝該新型設備。
電池盒：如何對高調制搭接焊 方法進行測試？
為了證明新的焊接工藝滿足焊接鋁和銅終端的要求，在臨時試驗臺上進行了參數研究和內部拉伸試驗。計算了適當的參數后，使用顯微照片檢查了較大參數范圍，且為各材料配對（鋁/銅與銅/鋁）選擇了三個特性參數集。然后通過SEM照片、能量彌散X射線譜圖像、溫度沖擊試驗和外部拉伸試驗對這些參數集進行了詳細檢查。結果顯示鋁-銅接口的最大抗拉強度達到0.726 kN 或36 N/mm。溫度沖擊試驗中未發現對焊縫耐久性有明顯影響，但前提是能將鋁和銅的混合比降至最低。與之相比，銅-鋁接口的耐久性僅為0.647kN或32N/mm。采用這種材料組合，將混合比降至最低的難度明顯更大，其中一點原因是鋁和銅之間的熔點差距相當大。另一方面，這種情況有利于鋁-銅連接，并擴大了工藝窗口。
（本文刊登于 《激光制造商情》2014年9月刊）
作者：
Benjamin Schmieder，工程學學士，Manz AG
Vasil Raul Moldovan，工程學學士，Manz AG
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