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图 1：圆柱形锂离子电池模组的激光焊接装配。（图片来历：Photon Automation）

圆柱形锂离子电池（如 18650、21700 以和更年夜的 4680 型号）因其高能量密度、尺度化设计及成熟的靠得住性，被广泛运用在便携式电子装备、电开工具、储能体系，特别是电动汽车范畴。这些电池凡是采用镀镍钢（Hilumin）作为壳体质料，由于镍镀层能提供耐腐化性，钢基底则能包管布局强度，可以蒙受内部压力与机械应力。

为了满意特定的设计及机能需求，一些直径 46 妹妹的圆柱形电池会采用铝及镀镍钢等差别质料作为壳体。于模组或者电池包制造历程中，一项最为要害的挑战是：将铝及钢焊接于一路，由于这两种质料的热机能及焊接时的质料举动存于很年夜差异。

圆柱形电池模组或者电池包的构建，需要将电芯（即电池单位）按纪律摆列，并按照运用的电压及电流需求举行串联或者并联毗连。这类配置方式使患上制造商可以或许定制电池包的总体能量容量及功率输出，以满意电动汽车或者固定储能体系等特定场景的运用需求。电芯凡是经由过程厚度为0.3~0.6妹妹的铝制汇流排实现互联，汇流排再经由过程激光焊接实现靠得住的电毗连（见图 1）。电池壳体所利用的镀镍钢的厚度凡是为 0.4~0.6妹妹，详细取决在电芯设计及制造商品牌。

于电动汽车运用中，毗连铝制汇流排与电池电芯的焊缝，必需可以或许于严苛的动态情况（包括打击、振动及热轮回）下连结高度的布局完备性及导电性，是以切确靠得住的激光焊接对于电池的持久机能及安全性至关主要。激光焊接很是合适这种装置场景，由于激光焊接可以或许形成强度高、干净度好的接头，而且热输入量低、变形小。这些特征对于在应答铝-镀镍钢焊接所面对的挑战至关主要。

脆性金属间化合物（IMC）的形成

焊接历程的首要挑战是脆性金属间化合物（IMC）的形成，这会显著降低接头的强度及导电性。该问题源在铝与钢的机能差异，特别是它们对于热量的差别相应：铝的融化及膨胀速率快在钢，这会孕育发生热应力并促成焊接历程中IMC的生长。这些IMC（如铁铝化合物 FeAl 及 Fe Al ）凡是质地懦弱，会减弱接头强度，致使裂纹孕育发生、强度降落及腐化性增长。

焊接历程中 IMC的形成和其整体积，对于焊缝质量及焊缝的持久机能至关主要。跟着 IMC体积的增长，接头的脆性加强，机械强度降落，于应力作用下掉效的可能性增年夜。更深的焊缝熔深凡是会增长 IMC 的整体积，这凸显了切确节制焊接参数以确保接头强度高、靠得住性好且耐用性强的须要性。

年夜量研究注解，连结薄而匀称的 IMC层（凡是为 2 m~10 m）可以得到更高的拉伸剪切强度。这些薄层可以或许实现有用的冶金联合，同时可以或许最年夜限度地削减接头的脆性。可是当IMC 层的厚度跨越 15 m时，其脆性往往会致使拉伸强度降落，由于于载荷作用下轻易激发裂纹及扩大（见图 2）。

图 2：IMC层厚度对于拉伸强度的影响。（图片来历：H. He 等）[1]

为解决这一问题，更有用的要领是扩展焊接界面的面积，而不是仅仅依靠增长熔深。增年夜界面面积可以加强冶金键合，同时限定 IMC的整体积，从而降低脆性并使应力于接头处更匀称地漫衍，提高靠得住性。上述这类效果可以经由过程激光脉冲与光束扫描技能相联合来实现，以切确地节制热量输入及界面的形成，最年夜限度地削减IMC的生长。

Photon Automation公司研发了进步前辈的脉冲及功率节制器，能以微秒级精度节制激光器，实现定制化脉冲整形。经由过程微调脉冲外形，可以降低局部热应力，保留质料抱负的机械特征，减小热影响区（HAZ），延伸零件寿命。该公司的 WonderBOARD 还有与振镜节制器相连，使激光能量可以或许于工件上匀称漫衍，从而防止由于光束快速挪动而致使的热门及加热不匀称。

激光脉冲与光束振荡节制 IMC形成

脉冲激光能更好地节制热输入，降低过分融化或者飞溅的危害。它于脉冲间形成的冷却时间，可以削减热堆集，有助在防止烧穿或者变形等缺陷。对于在绵力料焊接或者铝与钢等异种金属质料的焊接，脉冲技能还有能提高熔池的不变性。

经由过程振镜使激光束于焊接区域动态扫描，可以实现能量的匀称漫衍。如许可以或许防止边沿效应（激光束于焊接路径的出发点或者尽头逗留太久，致使过分熔深、缺口或者热门）。振荡技能还有能形成定制化的焊缝外形（如圆形、螺旋形或者锯齿形），以加强接头的机械强度及匀称性。

脉冲与振荡技能的联合，创造了一种高度可控的焊接情况，可以最小化热梯度，优化冶金键合，并使应力漫衍更匀称。于电池制造中，这类要领尤为主要，它有助在实现周详的能量节制，以免毁坏敏感组件或者绝缘区域。

第二个挑战是：实现切确的焊缝定位及一致的焊接质量。

对于在圆柱形电芯设计，正负极均位在顶面 中央电极帽为正极，周围的环形区域为负极。这类结构限定了可用的焊接区域，要求激光定位要极为精准，由于纵然是稍微的激光瞄准误差均可能致使焊缝强度不敷、内部毁坏或者短路，这些城市增长电芯掉效危害，严峻时甚至能激发热掉控。

于组装历程中，这些电池模组中凡是包罗数百个慎密摆列的电芯。制造公役或者操作致使的电芯之间高度的微小差异，均可能会造成汇流排或者焊接东西与电芯的接触不匀称。假如不当善处置惩罚，这类接触的纷歧致会致使焊接质量颠簸、电毗连不良及持久机能问题。

为了降服这些挑战，制造商依靠两类焦点体系：视觉体系及光学相关断层扫描（OCT）。

视觉体系用在探测及定位每一个圆柱形电芯的正极（中央帽）及负极（外环/边沿）。别的，视觉体系还有能赔偿电芯之间的差异/公役及夹具瞄准误差，并将激光束指导到准确的焊接位置，防止激光束接触绝缘层或者边沿区域。这使患上包罗数百个电芯的模组能实现一致的高精度焊接。

OCT 于焊接前丈量每一个电芯的高度，以检测最细微的高度差异。它经由过程电动准直透镜动态地调解激光核心位置，确保激光始终聚焦于切确的焊接面上，从而提高焊接质量，并加强主动化出产情况（电池模组中每一个电芯的高度可能存于微小差异）的靠得住性。

焊接历程监控与数据收罗：AI 的基础

实行激光焊接监控（LWM）体系，是实现 AI历程节制的要害一步。于激光与质料彼此作用的历程中，能量会以多种情势开释，包括：等离子体辐射（紫外波长）、热辐射（红外波长）、违反射（激光现实波长）以和经由过程光学元件的激光功率。所有这些旌旗灯号中，城市包罗关在焊接历程参数的名贵信息。

基在光电二极管的传感器及时捕捉这些辐射信息，并与优质焊缝的参考数据举行比对于。这类连续的数据收罗有助在辨认未熔合、漏焊或者熔深纷歧致等缺陷。跟着时间的推移，高分辩率历程数据的堆集，为 AI 模子练习提供了基础。AI模子能检测模式、猜测妨碍，并实现闭环焊接历程优化。

焊接质量的工艺开发验证

于圆柱形锂离子电池的激光焊接中，确保内部的焊缝完备性对于保障电池的安全性及机能至关主要。于焊接历程中，需要尤其留意顶面下方的任何塑料或者橡胶质料的安全：过分的热量输入、不妥的激光参数或者过深的熔深，均可能毁坏下方的绝缘层或者塑料/橡胶布局部件，致使短路、走漏、机械妨碍或者热掉控。

图 3：3D-CT 图象显示焊缝熔深细节。（图片来历：Photon Automation）

计较机断层扫描（CT）可以对于焊接接头举行无损高分辩率检测，提供 2D 及 3D 数据，展现出气孔、焊缝界面熔深不均或者熔深不足等焊缝内部的缺陷（见图 3）。这些 3D CT 数据经由过程验证焊接质量及辨认熔深是否涉及密封或者绝缘质料，来为工艺开发提供撑持，从而更好地于焊接历程中预防上述问题。

参考文献

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

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