文/Najah George，William A. Huffman Jr.；Photon Automation

Sebastian Moser；Precitec

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

圆柱形锂离子电池（如 18650、21700 以及更大的 4680 型号）因其高能量密度、标准化设计和成熟的可靠性，被广泛应用于便携式电子设备、电动工具、储能系统，尤其是电动汽车领域。这些电池通常采用镀镍钢（Hilumin）作为壳体材料，因为镍镀层能提供耐腐蚀性，钢基底则能保证结构强度，可以承受内部压力与机械应力。

为了满足特定的设计和性能需求，一些直径 46 mm的圆柱形电池会采用铝和镀镍钢等不同材料作为壳体。在模组或电池包制造过程中，一项最为关键的挑战是：将铝和钢焊接在一起，因为这两种材料的热性能和焊接时的材料行为存在很大差异。

圆柱形电池模组或电池包的构建，需要将电芯（即电池单元）按规律排列，并根据应用的电压和电流需求进行串联或并联连接。这种配置方式使得制造商能够定制电池包的整体能量容量和功率输出，以满足电动汽车或固定储能系统等特定场景的应用需求。电芯通常通过厚度为0.3~0.6mm的铝制汇流排实现互联，汇流排再通过激光焊接实现可靠的电连接（见图 1）。电池壳体所使用的镀镍钢的厚度通常为 0.4~0.6mm，具体取决于电芯设计和制造商品牌。

在电动汽车应用中，连接铝制汇流排与电池电芯的焊缝，必须能够在严苛的动态环境（包括冲击、振动和热循环）下保持高度的结构完整性和导电性，因此精确可靠的激光焊接对电池的长期性能和安全性至关重要。激光焊接非常适合这类装配场景，因为激光焊接能够形成强度高、洁净度好的接头，并且热输入量低、变形小。这些特性对于应对铝-镀镍钢焊接所面临的挑战至关重要。

脆性金属间化合物（IMC）的形成

焊接过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和导电性。该问题源于铝与钢的性能差异，尤其是它们对热量的不同响应：铝的熔化和膨胀速度快于钢，这会产生热应力并促进焊接过程中IMC的生长。这些IMC（如铁铝化合物 FeAl₃和 Fe₂Al₅）通常质地脆弱，会削弱接头强度，导致裂纹产生、强度下降和腐蚀性增加。

焊接过程中 IMC的形成及其总体积，对焊缝质量和焊缝的长期性能至关重要。随着 IMC体积的增加，接头的脆性增强，机械强度下降，在应力作用下失效的可能性增大。更深的焊缝熔深通常会增加 IMC 的总体积，这凸显了精确控制焊接参数以确保接头强度高、可靠性好且耐用性强的必要性。

大量研究表明，保持薄而均匀的 IMC层（通常为 2 µm~10 µm）可以获得更高的拉伸剪切强度。这些薄层能够实现有效的冶金结合，同时能够最大限度地减少接头的脆性。但是当IMC 层的厚度超过 15µm时，其脆性往往会导致拉伸强度下降，因为在载荷作用下容易引发裂纹和扩展（见图 2）。

图 2：IMC层厚度对拉伸强度的影响。（图片来源：H. He 等）[1]

为解决这一问题，更有效的方法是扩大焊接界面的面积，而不是仅仅依赖增加熔深。增大界面面积可以增强冶金键合，同时限制 IMC的总体积，从而降低脆性并使应力在接头处更均匀地分布，提高可靠性。上述这种效果可以通过激光脉冲与光束扫描技术相结合来实现，以精确地控制热量输入和界面的形成，最大限度地减少IMC的生长。

Photon Automation公司研发了先进的脉冲和功率控制器，能以微秒级精度控制激光器，实现定制化脉冲整形。通过微调脉冲形状，可以降低局部热应力，保留材料理想的机械特性，减小热影响区（HAZ），延长零件寿命。该公司的 WonderBOARD 还与振镜控制器相连，使激光能量能够在工件上均匀分布，从而避免因为光束快速移动而导致的热点和加热不均匀。

激光脉冲与光束振荡控制 IMC形成

脉冲激光能更好地控制热输入，降低过度熔化或飞溅的风险。它在脉冲间形成的冷却时间，可以减少热积累，有助于避免烧穿或变形等缺陷。对于薄材料焊接或铝与钢等异种金属材料的焊接，脉冲技术还能提高熔池的稳定性。

通过振镜使激光束在焊接区域动态扫描，可以实现能量的均匀分布。这样能够避免边缘效应（激光束在焊接路径的起点或终点停留过久，导致过度熔深、缺口或热点）。振荡技术还能形成定制化的焊缝形状（如圆形、螺旋形或锯齿形），以增强接头的机械强度和均匀性。

脉冲与振荡技术的结合，创造了一种高度可控的焊接环境，可以最小化热梯度，优化冶金键合，并使应力分布更均匀。在电池制造中，这种方法尤为重要，它有助于实现精密的能量控制，以避免损坏敏感组件或绝缘区域。

第二个挑战是：实现精确的焊缝定位和一致的焊接质量。

对于圆柱形电芯设计，正负极均位于顶面——中心电极帽为正极，周围的环形区域为负极。这种布局限制了可用的焊接区域，要求激光定位要极其精准，因为即使是轻微的激光对准偏差都可能导致焊缝强度不够、内部损坏或短路，这些都会增加电芯失效风险，严重时甚至能引发热失控。

在组装过程中，这些电池模组中通常包含数百个紧密排列的电芯。制造公差或操作导致的电芯之间高度的微小差异，都可能会造成汇流排或焊接工具与电芯的接触不均匀。如果不妥善处理，这种接触的不一致会导致焊接质量波动、电连接不良和长期性能问题。

为了克服这些挑战，制造商依赖两类核心系统：视觉系统和光学相干断层扫描（OCT）。

视觉系统用于探测和定位每个圆柱形电芯的正极（中心帽）和负极（外环/边缘）。另外，视觉系统还能补偿电芯之间的差异/公差和夹具对准偏差，并将激光束引导到正确的焊接位置，避免激光束接触绝缘层或边缘区域。这使得包含数百个电芯的模组能实现一致的高精度焊接。

OCT 在焊接前测量每个电芯的高度，以检测最细微的高度差异。它通过电动准直透镜动态地调整激光焦点位置，确保激光始终聚焦在精确的焊接面上，从而提高焊接质量，并增强自动化生产环境（电池模组中每个电芯的高度可能存在微小差异）的可靠性。

焊接过程监控与数据采集：AI 的基础

实施激光焊接监控（LWM）系统，是实现 AI过程控制的关键一步。在激光与材料相互作用的过程中，能量会以多种形式释放，包括：等离子体辐射（紫外波长）、热辐射（红外波长）、背反射（激光实际波长）以及通过光学元件的激光功率。所有这些信号中，都会包含关于焊接过程参数的宝贵信息。

基于光电二极管的传感器实时捕获这些辐射信息，并与优质焊缝的参考数据进行比对。这种持续的数据采集有助于识别未熔合、漏焊或熔深不一致等缺陷。随着时间的推移，高分辨率过程数据的积累，为 AI 模型训练提供了基础。AI模型能检测模式、预测故障，并实现闭环焊接过程优化。

焊接质量的工艺开发验证

在圆柱形锂离子电池的激光焊接中，确保内部的焊缝完整性对保障电池的安全性和性能至关重要。在焊接过程中，需要特别注意顶面下方的任何塑料或橡胶材料的安全：过度的热量输入、不当的激光参数或过深的熔深，都可能损坏下方的绝缘层或塑料/橡胶结构部件，导致短路、泄漏、机械故障或热失控。

图 3：3D-CT 图像显示焊缝熔深细节。（图片来源：Photon Automation）

计算机断层扫描（CT）可以对焊接接头进行无损高分辨率检测，提供 2D 和 3D 数据，揭示出气孔、焊缝界面熔深不均或熔深不足等焊缝内部的缺陷（见图 3）。这些 3D CT 数据通过验证焊接质量和识别熔深是否触及密封或绝缘材料，来为工艺开发提供支持，从而更好地在焊接过程中预防上述问题。

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.