焊接質(zhì)量影響因素

激光焊接是目前高端電池焊接推崇的主要方法。激光焊接是高能束激光照射工件，使工作溫度急劇升高，工件熔化并重新連接形成永久連接的過程。激光焊接的剪切強度和抗撕裂強度都比較好。電池焊接的好壞其導(dǎo)電性、強度、氣密性、金屬疲勞和耐腐蝕性能是典型的焊接質(zhì)量評價標準。

影響激光焊接質(zhì)量的因素很多。其中一些極易波動，具有相當(dāng)?shù)牟环€(wěn)定性。如何正確設(shè)定和控制這些參數(shù)，使其在高速連續(xù)的激光焊接過程中控制在合適的范圍內(nèi)，以保證焊接質(zhì)量。焊縫成形的可靠性和穩(wěn)定性，是關(guān)系到激光焊接技術(shù)實用化、產(chǎn)業(yè)化的重要問題。影響激光焊接質(zhì)量的主要因素分焊接設(shè)備，工件狀況和工藝參數(shù)三方面。

1)焊接設(shè)備

對激光器的質(zhì)量要求最主要的是光束模式和輸出功率及其穩(wěn)定性。光束模式是光束質(zhì)量的主要指標，光束模式階數(shù)越低，光束聚焦性能越好，光斑越小，相同激光功率下功率密度越高，焊縫深寬越大。一般要求基模(TEM00)或低階模，否則難以滿足高質(zhì)量激光焊接的要求。目前國產(chǎn)激光器在光束質(zhì)量和功率輸出穩(wěn)定性方面用于激光焊接還有一定困難。從國外情況來看，激光器的光束質(zhì)量和輸出功率穩(wěn)定性已相當(dāng)高，不會成為激光焊接的問題。光學(xué)系統(tǒng)中影響焊接質(zhì)量最大的因素是聚焦鏡，所用焦距一般在127mm(5in)到200mm(7.9in)之間，焦距小對減小聚焦光束腰斑直徑有好處，但過小容易在焊接過程中受污染和飛濺損傷。

波長越短，吸收率越高;一般導(dǎo)電性好的材料，反射率都很高，對于YAG激光來說，銀的反射率是96%，鋁是92%，銅90%，鐵60%。溫度越高，吸收率越高，呈線性關(guān)系;一般表面涂磷酸鹽、炭黑、石墨等可以提高吸收率。

2)工件狀況

激光焊接要求對工件的邊緣進行加工，裝配有很高的精度，光斑與焊縫嚴格對中，而且工件原始裝配精度和光斑對中情況在焊接過程中不能因焊接熱變形而變化。這是因為激光光斑小，焊縫窄，一般不加填充金屬，如裝配不嚴間隙過大，光束能穿過間隙不能熔化母材，或者引起明顯的咬邊、凹陷，如光斑對縫的偏差稍大就有可能造成未熔合或未焊透。所以，一般板材對接裝配間隙和光斑對縫偏差均不應(yīng)大于0.1mm，錯邊不應(yīng)大于0.2mm。實際生產(chǎn)中，有時因不能滿足這些要求，而無法采用激光焊接技術(shù)。要獲得良好的焊接效果，對接允許間隙和搭接間隙要控制在薄板厚的10%以內(nèi)。

成功的激光焊接要求被焊基材之間緊密接觸。這需要仔細緊固零件，以取得最佳效果。而這在纖薄的極耳基材上很難做好，因為它容易彎曲失準，特別是在極耳嵌入大型電池模塊或組件的情況下。

動力電池工藝，激光焊接概述"/>

3)焊接參數(shù)

(1)對激光焊接模式和焊縫成形穩(wěn)定件的影響焊接參數(shù)中最主要的是激光光斑的功率密度，它對焊接模式和焊縫成形穩(wěn)定性影響如下：隨激光光斑功率密度由小變大依次為穩(wěn)定熱導(dǎo)焊、模式不穩(wěn)定焊和穩(wěn)定深熔焊。

激光光斑的功率密度，在光束模式和聚焦鏡焦距一定的情況下，主要由激光功率和光束焦點位置決定。激光功率密度與激光功率成正比。而焦點位置的影響則存在一個最佳值;當(dāng)光束焦點處于工件表面下某一位置(1～2mm范圍內(nèi)，依板厚和參數(shù)而異)時，即可獲得最理想的焊縫。偏離這個最佳焦點位置，工件表面光斑即變大，引起功率密度變小，到一定范圍，就會引起焊接過程形式的變化。

焊接速度對焊接過程形式和穩(wěn)定件的影響不如激光功率和焦點位置那樣顯著，只有焊接速度太大時，由于熱輸入過小而出現(xiàn)無法維持穩(wěn)定深熔焊過程的情況。實際焊接時，應(yīng)根據(jù)焊件對熔深的要求選擇穩(wěn)定深熔焊或穩(wěn)定熱導(dǎo)焊，而要絕對避免模式不穩(wěn)定焊。

(2)在深熔焊范圍內(nèi)，焊接參數(shù)對熔深的影響：在穩(wěn)定深熔焊范圍內(nèi)，激光功率越高，熔深越大，約為0.7次方的關(guān)系;而焊接速變越高，熔深越淺。在一定激光功率和焊接速度條件下焦點處于最佳位置時熔深最大，偏離這個位置，熔深則下降，甚至變?yōu)槟Ｊ讲环€(wěn)定焊接或穩(wěn)定熱導(dǎo)焊。

(3)保護氣體的影響，保護氣體的主要作用是保護工件在焊接過程中免受氧化;保護聚焦透鏡免受金屬蒸汽污染和液體熔滴的濺射;驅(qū)散高功率激光焊接產(chǎn)生的等離子;冷卻工件，減小熱影響區(qū)。

保護氣體通常采用氬氣或氦氣，表觀質(zhì)量要求不高的也可采用氮氣。它們產(chǎn)生等離子體的傾向顯著不同：氦氣因其電離電體高，導(dǎo)熱快，在同樣條件下，比氬氣產(chǎn)生等離子體的傾向小，因而可獲得更大的熔深。在一定范圍內(nèi)，隨著保護氣體流量的增加，抑制等離子體的傾向增大，因而熔深增加，但增至一定范圍即趨于平穩(wěn)。

(4)各參數(shù)的可監(jiān)控性分析：在四種焊接參數(shù)中，焊接速度和保護氣體流量屬于容易監(jiān)控和保持穩(wěn)定的參數(shù)，而激光功率和焦點位置則是焊接過程中可能發(fā)生波動而難于監(jiān)控的參數(shù)。雖然從激光器輸出的激光功率穩(wěn)定性很高且容易監(jiān)控，但由于有導(dǎo)光和聚焦系統(tǒng)的損耗，到達工件的激光功率會發(fā)生變化，而這種損耗與光學(xué)工件的質(zhì)量、使用時間及表面污染情況有關(guān)，故不易監(jiān)測，成為焊接質(zhì)量的不確定因素。光束焦點位置是焊接參數(shù)中對焊接質(zhì)量影響極大而又最難監(jiān)測和控制的一個因素。目前在生產(chǎn)中需靠人工調(diào)節(jié)和反復(fù)工藝試驗的方法確定合適的焦點位置，以獲得理想的熔深。但在焊接過程中由于工件變形，熱透鏡效應(yīng)或者空間曲線的多維焊接，焦點位置會發(fā)生變化而可能超出允許的范圍。

對于上述兩種情況，一方面要采用高質(zhì)量、高穩(wěn)定性的光學(xué)元件，并經(jīng)常維護，防止污染，保持清潔;另一方面要求發(fā)展激光焊接過程實時監(jiān)測與控制方法，以優(yōu)化參數(shù)，監(jiān)視到達工件的激光功率和焦點位置的變化，實現(xiàn)閉環(huán)控制，提高激光焊接質(zhì)量的可靠件和穩(wěn)定性。

最后，要注意激光焊接是一個熔化過程。這意味著兩個基底在激光焊接過程中會熔化。這一過程很快，因此整個熱輸入較低。但因為這是一個熔化過程，在焊接不同材料的時候就可能形成易碎的高電阻金屬間化合物。鋁-銅組合特別容易形成金屬間化合物。這些化合物已證明對于微電子設(shè)備搭接頭的短期電氣性能和長期機械性能有負面影響。這些金屬間化合物對于鋰電池長期性能的影響尚不確定。