圖1：作為AiF項目MikroPuls的一部分，F(xiàn)raunhofer ILT正在開發(fā)用于動力電池單元高效連接的激光工藝。圖中顯示的是在圓柱形電池頂部，用激光焊接的銅連接片。（圖片來源：Fraunhofer ILT）

在電動汽車（EV）行業(yè)需求加速的帶動下，動力電池制造是一個目前正在經(jīng)歷實質(zhì)性增長的熱門市場。媒體對電動汽車市場的報道，也是鋪天蓋地的利好：有報道透露了通用汽車公司到2025年銷售100萬輛電動汽車的計劃；也有報道指出，中國汽車制造商在2020年銷售了121萬輛電動汽車，預(yù)計2021年將增長到200萬輛。這不僅對于動力電池制造商而言是個誘人的市場，同樣對于提供電池焊接設(shè)備（尤其是激光焊接設(shè)備）的廠商而言更是如此。電動汽車市場的快速發(fā)展，已經(jīng)讓激光行業(yè)垂涎三尺。

電池焊接并不是一項新的激光應(yīng)用。早在20世紀(jì)80年代末，中國武漢的一家激光焊接系統(tǒng)制造商，就在為連接電池對提供固態(tài)激光系統(tǒng)。但是直到電動汽車的出現(xiàn)，激光電池焊接應(yīng)用才開始真正起飛。在隨后的幾年里，由于埃隆-馬斯克在電動汽車方面所取得的成功，電動汽車便成為了激光焊接應(yīng)用中的一個熱門詞匯。順便說一句，我曾有幸在2011年春季的德國慕尼黑激光世展上，試駕過一輛特斯拉跑車原型，其為供電的鋰電池就是用激光焊接的。

在最近的一份報道中，德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（Fraunhofer ILT）正在努力為汽車行業(yè)建立高性能的電池單元生產(chǎn)中心。Fraunhofer ILT的科學(xué)家正在研究如何利用激光技術(shù)來經(jīng)濟地連接不同的材料，以便高效和可靠地制造電池單元；以及是否可以將電池單元相互連接，形成模塊和電池組，以可靠地滿足即將到來的對電池容量的大量需求。

鋰離子電池的效率提升

在由德國聯(lián)邦教育和研究部（BMBF）資助一個名為HoLiB（即生產(chǎn)鋰離子電池的高吞吐量工藝）的項目中，鋰離子電池的生產(chǎn)效率就比以前高出很多。Fraunhofer ILT正在開發(fā)和驗證一種激光工藝，用于將陽極和陰極連接到觸點——避雷片。由于陽極是由銅制成的，陰極是由鋁制成的，而避雷片則是由這兩種材料制成的，因此研究人員決定測試三種不同的光源：波長450nm的藍(lán)光半導(dǎo)體激光器、波長515nm的綠光碟片激光器，以及波長1070nm的紅外光纖激光器。Fraunhofer ILT的研究助理Johanna Helm解釋說：“對三種光源的測試表明，金屬薄片可以被焊接在一起，并且工藝可靠。我們目前正在驗證工藝窗口，并對避雷片進行焊接測試。”

使用一個具有多個工位的轉(zhuǎn)盤，將20個陽極和陰極以0.1s的間隔放置到轉(zhuǎn)盤上，這樣在2s內(nèi)就能完成20個陽極和陰極的放置。當(dāng)轉(zhuǎn)盤的一個工位被放置好極片后，轉(zhuǎn)盤繼續(xù)快速旋轉(zhuǎn)，以便為下一個工位放置極片。與此同時，對于已經(jīng)放置好極片的工位的激光焊接過程，可以在沒有任何時間損失的情況下開始。

納秒激光脈沖保護熱敏元件

在AiF項目MikroPuls中，科學(xué)家們正在研究如何更有效地連接電池單元，F(xiàn)raunhofer ILT正在用納秒脈沖紅外光纖激光器開發(fā)連接銅、鋁和鋼的工藝。這些工藝要求很高，因為薄的電觸點對熱敏感，不能加熱太多。在這里，平衡非常重要：如果應(yīng)用的焊接能量太少，連接就缺乏機械穩(wěn)定性；如果應(yīng)用的能量太多，電池的工作模式就會受到影響，或者縮短其使用壽命。Fraunhofer ILT的研究助理Elie Haddad說：“這正是快速MikroPuls工藝可以發(fā)揮其優(yōu)勢的地方，它甚至可以使用200W的最大平均功率來實現(xiàn)銅焊接，而對被焊接的零件產(chǎn)生很小的熱影響。”

異種材料的可靠激光焊接

銅和鋁之間的異種材料焊接也是一個特別的挑戰(zhàn)，因為金屬間相的形成很快，能使焊縫質(zhì)量惡化，形成高連接電阻，從而導(dǎo)致因熱而造成的高損耗或不能承受機械力的脆性接頭。因此，在銅-鋁焊接中，有選擇地確定最佳參數(shù)發(fā)揮著重要作用，用戶也可以可靠地產(chǎn)生異種材料接頭，其具有一致的焊接深度和高焊接質(zhì)量。

對軟包電池上的銅-鋁接頭和圓柱形電池上的銅-鋼接頭的測試表明，微脈沖焊接可以實現(xiàn)與連續(xù)波（CW）焊接一樣好的接頭，而且能量消耗明顯降低，并且具有更高的可重復(fù)性，形成的金屬間相也更少。但是微脈沖焊接的唯一缺點是：焊接過程一般需要更長的時間，所以仍然有一些參數(shù)需要改進。

在目前正在運行的一個系統(tǒng)中，集成了一臺連續(xù)波光纖激光器和一臺納秒脈沖光纖激光器。兩個光源可以單獨控制。該系統(tǒng)不僅能用于焊接材料，而且還可以去除材料，例如用于構(gòu)造表面。