新能源汽车动力电池激光清洗与焊接工艺研究应用
作者：葛伟良黄川川
来源：《科学与信息化》2018年第21期
摘要随着新能源汽车的快速发展和需求的不断扩大，其核心部件动力电池的安全性及生产效率备受瞩目。本文针对目前新能源电池制作中焊接及焊前处理新工艺进行工艺实验研究，对铝合金动力电池模组生产中的BUSBAR片及极柱采用激光清洗、激光焊接工艺，模组端板与侧板连接中激光焊接工艺进行设备选型及工艺实验研究，推动激光新工艺在动力电池领域应用，促进新能源电池的低能耗、快速、安全、绿色生产。
关键词新能源；动力电池；激光；铝合金；清洗；焊接
新能源汽车发展十多年，尤其近几年发展十分迅速，应用日趋成熟。目前，欧美国家及日本，都把发展新能源汽车作为战略制高点来考虑，国家投入力量加强产业的发展。尤其是欧盟一些国家不仅是提出“禁止销售燃油时间表”，而且也上升到具体是法律层面，同时应采取一些“限行”措施。中国则是更为主动、更积极、更为系统地推动新能源汽车的发展，中央和地方两级政府在财力强力支持。作为新能源汽车的心脏——动力电池已成为相关企业研发的重中之重。
为降低电池重量，电池结构中通常采用铝合金结构，尤其电池pack模组承重外壳、busbar 电极连接片的组装对结构的可靠性要求极高，以前该部分常采用铆接、电弧焊，超声波焊，电阻焊等方式，不但费时费力，而且容易产生安全隐患。
公司对某国内巨头企业传统工艺产线升级改造中，提出激光清洗、焊接工艺，并做了大量实验研究、验证，推动激光工艺在新能源动力电池方面应用。
1 电池极柱铝合金激光清洗实验
铝合金在空气中极易氧化，表面会形成硬质氧化层，由于氧化层熔点较高，在激光焊接过程中需较大能量打碎，不但消耗较大能量拖累焊接速度，而且极易形成未焊透、未熔合、表面成型不均匀，并且氧化层在熔池中反应形成气孔，熔池中未完全熔化的氧化层会形成夹渣及造成热裂。同时为提高铝合金激光焊接中吸收率，激光清洗应具有清洗细小纹路打毛表面作用。为高效去除铝合金表面氧化层，采用激光清洗工艺对6061铝合金氧化层去除进行了实验研究。
1.1 设备选型
激光清洗设备采用机器人装载激光头进行清洗，优先选用可使用光纤传输的光纤激光器、碟片激光器等，铝合金清洗一般功率不超过200W，可选用IPG YLP-HP-1-100-200-200激光器，激光头采用振镜形式可采用SCANLAB SCANcube14小型振镜，配置南京波长不同焦距的场镜（较大焦距清洗铝合金表面不佳，焦距太小，工作距离较小且振镜扫描范围较小）首先进行选型测试。采用打标控制原理来实现激光平面扫描清洗，控制卡控制系统选用海目激光标刻系统V1.0，板卡型号USC-1。
铝合金表面反光严重，因此必须采用小光学比的场镜来保证激光功率密度，经不同参数打点验证发现：当采用焦距254mm及以下的场镜是可以保证激光的功率密度实现铝合金氧化层的去除。由于电池模组上有较多极柱清洗（一般18个以上），应尽可能选择大工作范围的场镜，因此配置南京波长254焦距（工作距离300.1mm）的SL-1064-174-254G场镜。
1.2 工艺实验
在保证速度的前提下，经对激光线性填充、间隔、覆盖率、光斑实验，设置最佳搭接覆盖效果，调整功率、速度实现较好清洗效果。实验发现，当采用254mm聚焦场镜（扫描范围为174*174），功率60W，扫描速度3000mm/s，频率f=200kHZ，覆盖率100%，采用A1线性填充，间隔0.05mm，光点直径50μm，离焦量为0mm，试验效果见图1。当功率提高50%，为90瓦，而其他参数相同，试验效果见图2。当斜置清洗平面，采用254mm聚焦场镜，功率
60W，扫描速度3000mm/s，频率f=200kHZ，覆盖率100%，采用A1线性填充，间隔
0.05mm，光点直径50μm，试验效果见图3。
图1中激光清洗光束搭接密度良好，功率合适可清洗出一定深度，铝合金氧化层基本被完全去除，并且表面有一定粗糙度，效果较为理想。图2中激光清洗后，表面有发黑氧化现象，效果不佳，证明采用参数过大。图3中清洗极柱平面斜置，有部分区域由于离焦后能量密度不足，清洗效果变化明显。
通过以上对比试验，当激光清洗铝合金时，采用254mm聚焦场镜，功率60W，扫描速度3000mm/s，频率f=200kHZ，覆盖率100%，采用A1线性填充，间隔0.05mm，光点直径
50μm，离焦量为0mm，效果较为理想，达到激光焊前清洗要求[1]。
2 BUSBAR电池连接片激光焊接
2.1 设备选型
BUSBAR铝片和极柱材质分别为：1060及6061铝合金，BUSBAR焊接处厚度1.2mm，采用穿透焊工艺，功率预估6000瓦以内，可采用IPG YLS-6000光纤激光器，穿透焊光束质量要求较高，采用100μm光纤，为保证较大的焊接范围及预防干涉，可采用大族振镜
HWSCAN30RD-001A，焦距460mm，工作距离578，光学比为3.1，有效工作范围220*180。
2.2 工艺实验
经调整激光功率、速度及保护气体实验验证，为满足3.5mm熔深及3-4mm熔宽要求，激光功率采用4200W，焊接速度选用60mm/s，但焊接接头激光收光后出现明显凹坑。实验采用功率和速度都缓降的模式增加半圈焊接收光，接头凹坑消除，整条焊缝成型一致，熔深熔宽均能达到要求。采用一圈半的工艺（增加收弧处理）焊缝及接头焊接效果良好，参数如下：
C1：P=4200W，v=60mm/s；C2：P（0%，50%，100%）=4200W，3600W，3600W；v（0%，50%，100%）=60mm/s，65mm/s，90mm/s；离焦量0mm，Ar气流量15L/min采用前道激光清洗（电池极柱和BUSBAR片表面）及不加前道激光清洗两种工艺，焊接外观前者更加光亮一致，后者焊缝凹凸一致较差见图4，5。对焊接试件进行切片后进行分析，发现不加激光清洗工艺的试件中间存在较大气孔，而增加激光清洗工艺后气孔明显减少甚至消失（如下图6，7所示）。
从以上工艺实验发现当采用一圈半的工艺（增加收弧处理），C1：P=4200W，
v=60mm/s；C2：P（0%，50%，100%）=4200W，3600W，3600W； v（0%，50%，100%）=60mm/s，65mm/s，90mm/s；离焦量0mm，Ar气流量15L/min，焊缝及接头焊接外观效果良好。通过对该工艺在焊前采用及不用激光清洗处理两种情况的实验对比中金相实验发现，采用激光清洗工艺的焊缝气孔几乎没有，致密性良好，满足充放电致密性要求；拉力测试对比可见，采用激光清洗工艺的焊缝强度明显较高。铝合金BUSBAR片和极柱焊接中，激光清洗对焊接质量明显提升。该清洗及焊接工艺满足熔深、熔宽成型要求，拉力测试满足预设指标（3.5kN）要求、数值稳定并且具有较大裕量[2]。
3 电池模组端板与侧板激光焊接
3.1 焊前准备
采用酒精清洗铝合金表面及结合面，静止两分钟待表面酒精完全挥发。将电池模组中电芯、端板（6061-T6铝合金型材）、侧板（5083-H24，厚度1mm）等在夹具加紧装好，保证焊缝间隙小于0.5mm（见图9）。
方案一采用激光准直聚焦头焊接方式
电池模组激光焊接工艺，功率预估4000瓦以内，可采用IPG YLS-4000光纤激光器，为保证铝合金焊接熔深光束质量要求较高，采用100μm光纤，可采用HIGHYAG BIMO准直头（见图8），工作距离310mm，光学比2.1。
经实验发现，采用常规焊接速度20～60mm/s，-2～2mm离焦量，2700～3500W功率，焊接过程均不能避免焊缝裂纹产生，出现概率在75%以上。经分析，激光热量集中，焊接速度较快，铝合金型材厚度较大导热快，在夹具刚性固定下，焊缝快速冷却过程中产生较大应力形成
