激光焊接在电动汽车中的应用：动力电池

发布时间：2026-10-21来源：激光制造网LaserfairCom

应用背景

在全球变暖和温室气体减排的背景下，新能源汽车尤其是电动汽车正在迅速崛起。其核心部件——电池系统的制造，需要严格的焊接技术，主要是因为电池系统结构复杂，包括多种材料和复杂的连接。传统的焊接方法，如超声波焊接和电阻点焊，在处理电池电极材料（如铝、铜和钢）的连接方面存在局限性。例如，超声波焊接不适用于电动汽车常见的电池结构，电阻点焊由于铝和铜的导电性高，很难焊接。
激光焊接技术因其非接触式、高能量密度、精确的热输入控制和易于自动化而成为理想的选择。它可以满足电池系统不同材质的焊接需求，如铝钢、铜铝、电池电极与母线之间的铜钢焊接、铝/钢电池外壳焊接等，对保证连接的可靠性、提高电池性能和安全性起着关键作用。

动力电池类型

（1）小型圆柱电池（如型号18650），尺寸标准化，安全性高，成本相对便宜;
（2）大棱镜电池，在能量密度和稳定性方面表现良好;
（3）软涂层聚合物电池，充电时容易出现几何形状。

电池类型

电池组由多个串联或串并联的电池组成，它们通过母线连接。工作环境复杂，连接可靠性直接影响电池系统的性能和安全性。

电池组结构 a）圆柱形电池 b）方形电池

常见焊接技术的局限性
超音速焊接
主要利用高频振动（通常为20kHz及以上）使材料在压力下形成牢固的结合，实现连接。
（1）该方法适用于焊接薄箔、不同材料或高导电材料，主要应用于带状电池。
（2）电动汽车电池通常是圆柱形或方形电池，在压力和振动的结合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汽车的电池焊接。

电阻点焊
工作原理主要是对工件的接触面施加压力，并利用大电流对零件进行局部熔化。但电动汽车电池常见的材料是铝和铜，它们具有高导电性和导热性的特点，电阻点焊很难焊接。

电池极耳与母线焊接

焊接特性
材料组合：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。
高性能要求：焊接部位应保证电阻低、导电性高、机械强度好，以保证电池充放电效率和长期稳定性。

软包/圆柱形电池的杆耳和母线

铝钢激光焊接
焊接难点：
（1）铝和钢的热性能差异很大，焊接会形成脆性金属间化合物（IMC），如Fe₂Al₅、Fe₄Al₁₃等，影响接头的显微组织、电性能和热性能，增加电池的内阻，缩短使用寿命。
（2）焊接时应控制IMC的产生。

00001.控制工艺参数
（1）控制热输入：调整激光功率、焊接速度和脉冲参数（频率、占空比），平衡熔化深度和热影响区域大小，减少IMC产生。
（2）优化脉冲波形：采用特殊的脉冲波形改变热循环特性，如慢升慢降波形，以降低温度梯度和热应力，抑制快速冷却导致大量脆性IMCs的产生。
使用中间层
（1）成分：镍选用、硅基合金等中间层材料，因其与铝钢反应。镍改善润湿性和元素扩散性，含镍IMC的韧性优于铝钢。Al-Si化合物中的Si）影响Fe-Si化合物的生长，优化接头的力学性能，Si含量根据材料和工艺要求进行微调。
（2）厚度：μ m至数十μ m厚度范围可有效调节IMMC的形成，提高接头性能和可靠性。
磁场辅助
（1）磁场方向：垂直磁场抑制熔池中元素的宏观扩散，改变对流和结晶形貌，减少Fe和Al的过度融合形成脆性IMCs;平行磁场影响溶质的微扩散和晶界迁移，细化晶粒，优化IMC的分布和取向。
（2）多场协同：结合磁场与超声、磁场协同与超声振动，细化晶粒，去除气孔夹杂物，改善IMC结构。超声振动有助于破碎枝晶和均匀成分，磁场引导金属液体流动和晶体生长方向，改善熔池的凝固行为和组织均匀性，降低IMC的脆性，提高接头的韧性和导电性。

激光摆焊铝钢（摆动幅度0.2-1.2mm）

不锈钢/铝合金接头的微观形貌 a）镍箔 b）无镍箔

铜铝激光焊接
焊接难点：
铜和铝具有不同的熔点、导热系数和热膨胀系数，通过焊接形成Cu₂Al和Cu₄Al₃IMC，影响焊缝的显微组织和力学性能，需要抑制其形成和生长。

00001.焊接参数优化
（1）高焊接速度与低激光功率相匹配，可以减少热输入时间和强度，抑制大量IMC的形成。例如，在高速焊接过程中，CuAl₂和其他化合物会显着减少。
（2）优化脉冲频率和占空比，改变Cu和Al的原子扩散和反应动力学条件，使IMC生长有序、分布均匀，提高接头性能。
填充银、镍、锡由银、镍、锡基填充材料或特定合金焊丝制成，可熔化填充间隙，稀释母材元素，减缓Cu、Al的直接反应，减少脆性IMC的产生。
例如，含有锡填充材料，焊接形成Cu₆Sn₅和Cu₃Sn相，改变接头的组织形态，降低整体脆性，提高强度和韧性。
光束调制利用光束振荡、旋转或分束等调制技术来改变激光能量的分布和作用方式。

Cu-Al SEM 图（1500W，30 mm/s）

铜钢激光焊接
焊接难点：
铜和钢的物理性能差异很大，激光焊接时容易出现液相分离和热裂纹，如Cu渗入钢晶界，导致热裂纹。

00001.激光胶印
通过将激光偏转到铜侧，可以有效提高焊接质量。

光束振荡
在纯铜和不锈钢环形梁振荡条件下，可以有效提高焊缝的抗裂性。在凝固过程中，晶界的增加显著降低了应力集中，有效控制了接头强度和变形。

使用振荡 SEM 进行非振荡

电池外壳焊接
特斯拉 4680 电池

铝电池外壳激光焊接
由于其导热系数高、热膨胀系数大，铝合金焊接容易出现裂纹和孔隙缺陷;表面氧化膜和杂质在高温下容易分解，使气体难以逸出，造成气孔。

00001.激光束聚焦旋转+垂直振荡
激光焊接的1060铝合金采用垂直振荡优化焊缝表面，在半径为0.45mm处将孔隙率降低91%。

激光束聚焦旋转和垂直振荡 SEM

光斑整形（四梁）
光斑整形为四束焊接，增加熔池小孔的尺寸，稳定金属蒸气，减少飞溅和气孔，提高焊接质量。

四根梁的示意图

激光焊接钢制电池外壳
奥氏体不锈钢的焊接容易发生热裂纹，这与合金成分和杂质含量有关。通过调整工艺参数可以有效解决热裂纹问题。
引起：
目前常用的激光焊接波长多为1064nm，使用蓝色激光/绿色激光焊接异质材料可能会有很好的效果。