摘要：在全球气候变暖、温室气体减排的大背景下，新能源汽车尤其是电动汽车迅速崛起。其核心部件 - 电池系统的制造对焊接技术要求严苛，主要原因是电池系统结构复杂，包含多种材料且连接复杂，传统焊接方法如超声波焊接、电阻点焊等在应对电池电极材料（如铝、铜、钢）连接时存在局限

在全球气候变暖、温室气体减排的大背景下，新能源汽车尤其是电动汽车迅速崛起。其核心部件 - 电池系统的制造对焊接技术要求严苛，主要原因是电池系统结构复杂，包含多种材料且连接复杂，传统焊接方法如超声波焊接、电阻点焊等在应对电池电极材料（如铝、铜、钢）连接时存在局限性。例如，超声波焊接不适用于电动汽车常见的电池结构，电阻点焊因铝铜高导电性难以施焊。

激光焊接技术凭借其非接触、高能量密度、精准热输入控制以及易于自动化等特性，成为理想选择。可满足电池系统不同材料焊接需求，像电池电极与母线之间的铝钢、铜铝、铜钢焊接，以及铝/钢电池外壳焊接等，在保障连接可靠性、提升电池性能与安全性中发挥着关键作用。

动力电池类型

动力电池类型

①小型圆柱电池（如18650型），标准化尺寸、安全性和相对廉价的成本；

②大型棱柱电池，在能量密度和稳定性方面表现优异；

③软包聚合物电池，在充电时容易发生几何形状。

*电池类型

电池组由多个电池串联或串并联构成，通过母线进行连接，工作环境复杂，连接可靠性直接影响到电池系统的性能与安全。

*电池组结构 a)圆柱电池 b)棱柱电池

常用焊接技术的局限性

超声波焊接

主要利用高频振动（通常为20kHz及以上），在压力下使材料形成固态键合从而实现连接。

①该方法适用于薄箔、异种材料或高导电材料的焊接，主要应用于带状电池。

②电动汽车电池通常为圆柱形或棱柱形电池，在压力和振动共同作用下可能会破坏电池结构的完整性，因此超声波焊接不适用于电动车的电池焊接。

电阻点焊

工作原理主要是对工件接触面施加压力，并通入大电流使零件局部熔化。但电动汽车电池常用材料为铝和铜，其具有高导电性和导热性的特点，使得电阻点焊难以对其进行焊接。

电池极耳与母线焊接

焊接特点

材料组合多：电池极耳材料常为铝、铜或钢，母线材料多为铜或铝，形成铝-铜、铝-钢、铜-钢等组合。

性能要求高：焊接处要确保低电阻、高导电性与良好的机械强度，以保障电池充放电效率与长期稳定性。

*软包/圆柱电池的极耳与母线

铝-钢激光焊

焊接难点：

①铝与钢热物性差异大，焊接时会形成脆性金属间化合物（IMC），如 Fe₂Al₅、Fe₄Al₁₃ 等，影响接头微观结构、电性能和热性能，增加电池内阻、缩短服役寿命。

②焊接时需控制 IMC 生成。

1.调控工艺参数

①控制热输入：调节激光功率、焊接速度与脉冲参数（频率、占空比），平衡熔深与热影响区大小，减少 IMC 生成。

②优化脉冲波形：采用特殊脉冲波形改变热循环特性，如缓升缓降波形降低温度梯度与热应力，抑制快速冷却导致大量脆性 IMCs 生成。

2.采用中间层

①成分：选镍、硅基合金等中间层材料，因其与铝钢反应形成稳定相减IMC不利影响。镍改善润湿性与元素扩散，生成含镍 IMCs 韧性优于铝钢直接焊接产物；含硅中间层（如Al-Si合金）中Si影响Fe-Al IMCs生长，形成的Fe-Al-Si化合物优化接头力学性能，Si含量根据材料与工艺要求进行微调。

②厚度：数μm至数十μm厚度范围可有效调节IMC形成，提升接头性能与可靠性。

3.磁场辅助

①磁场方向：垂直磁场抑制熔池中元素宏观扩散，改变对流与结晶形态，减少Fe、Al过度熔合形成脆性IMCs；平行磁场影响溶质微观扩散与晶界迁移，同时细化晶粒、优化IMC分布与取向。

②多场协同：联合磁场与超声，磁场协同超声振动细化晶粒、去除气孔夹杂、改善 IMC 结构。超声振动有助于破碎枝晶、均匀成分，磁场引导金属液流动与晶体生长方向，协同改善熔池凝固行为与组织均匀性，降低IMC脆性、提高接头韧性与导电性。

*激光摆动焊接铝-钢（摆动幅度0.2-1.2mm）

*不锈钢/铝合金接头的微观形貌 a)有Ni箔 b)无Ni箔

铜-铝激光焊

焊接难点：

铜和铝熔点、热导率、热膨胀系数不同，焊接形成 Cu₂Al、Cu₄Al₃ 等多种 IMC，影响焊缝微观结构与机械性能，需抑制其形成与生长。

1.焊接参数优化

①高焊接速度与低激光功率匹配，可减少热输入时长与强度，抑制 IMC 大量形成，如高速焊接时 CuAl₂等化合物生成量显著降低。

②优化脉冲频率、占空比，改变 Cu、Al 原子扩散与反应动力学条件，使 IMC 生长有序、分布均匀，提升接头性能。

2.填充银、镍、锡

采用银、镍、锡基填充材料或特定合金焊丝，其在焊接中熔化填充间隙、稀释母材元素，减缓 Cu、Al 直接反应，减少脆性 IMC 生成。

如含锡填充材料，焊接形成 Cu₆Sn₅ 和 Cu₃Sn 等相，改变接头组织形态，降低整体脆性、提升强度与韧性。

3.光束调制

运用光束摆动、旋转或分束等调制技术，改变激光能量分布与作用方式。

*Cu-Al SEM图（1500W，30mm/s）

铜-钢激光焊

焊接难点：

铜和钢物理性质差异大，激光焊接时易出现液相分离和热裂纹，如 Cu 渗入钢晶界导致热裂纹产生。

1.激光偏移

将激光偏向铜一侧，可够有效提升焊接质量。

2.光束振荡

在环形光束振荡的条件下对纯铜和不锈钢进行激光焊接，焊缝的抗裂性能够得到有效提升。

光束振荡与未振荡时相比，晶粒显著细化；在凝固过程中，晶粒边界数量的增加显著降低了应力集中，使得接头强度和变形得到了有效控制。

*未振荡与振荡SEM

电池外壳焊接

*Tesla 4680电池

铝电池外壳激光焊

铝合金因热导率高、热膨胀系数大，焊接易现裂纹和孔隙等缺陷；表面氧化膜和杂质高温易分解，致使气体难以逸出导致孔隙产生。

1.激光束聚焦旋转+垂直振荡

激光焊接1060铝合金，采用垂直振荡优化焊缝表面，在半径为0.45mm时孔隙率降低91%。

*激光束聚焦旋转和垂直振荡SEM

2.光斑整形（四光束）

光斑整形为四光束焊接，增大熔池小孔尺寸、稳定金属蒸汽、减少飞溅和孔隙，提升焊缝质量。

*四光束示意图

钢电池外壳激光焊

奥氏体不锈钢焊接易生热裂纹，与合金成分和杂质含量有关。通过调控工艺参数，可有效解决热裂纹问题。

启发：

① 目前常用的激光焊接波长多为1064nm，采用蓝激光/绿激光焊接异种材料可能有不错的效果。

来源：宝涛聊汽车