焊接質量影響因素

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電性、強度、氣密性、金屬疲勞和耐腐蝕性能是典型的焊接質量評價標準。

影響激光焊接質量的因素很多。其中一些極易波動，具有相當的不穩定性。如何正確設定和控制這些參數，使其在高速連續的激光焊接過程中控制在合適的范圍內，以保證焊接質量。焊縫成形的可靠性和穩定性，是關系到激光焊接技術實用化、產業化的重要問題。影響激光焊接質量的主要因素分焊接設備，工件狀況和工藝參數三方面。

1)焊接設備

對激光器的質量要求最主要的是光束模式和輸出功率及其穩定性。光束模式是光束質量的主要指標，光束模式階數越低，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，否則難以滿足高質量激光焊接的要求。目前國產激光器在光束質量和功率輸出穩定性方面用于激光焊接還有一定困難。從國外情況來看，激光器的光束質量和輸出功率穩定性已相當高，不會成為激光焊接的問題。光學系統中影響焊接質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大于0.1mm，錯邊不應大于0.2mm。實際生產中，有時因不能滿足這些要求，而無法采用激光焊接技術。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。

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。

3)焊接參數

(1)對激光焊接模式和焊縫成形穩定件的影響焊接參數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定性影響如下：隨激光光斑功率密度由小變大依次為穩定熱導焊、模式不穩定焊和穩定深熔焊。

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;當光束焦點處于工件表面下某一位置(1～2mm范圍內，依板厚和參數而異)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無法維持穩定深熔焊過程的情況。實際焊接時，應根據焊件對熔深的要求選擇穩定深熔焊或穩定熱導焊，而要絕對避免模式不穩定焊。

(2)在深熔焊范圍內，焊接參數對熔深的影響：在穩定深熔焊范圍內，激光功率越高，熔深越大，約為0.7次方的關系;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，甚至變為模式不穩定焊接或穩定熱導焊。

(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;驅散高功率激光焊接產生的等離子;冷卻工件，減小熱影響區。

保護氣體通常采用氬氣或氦氣，表觀質量要求不高的也可采用氮氣。它們產生等離子體的傾向顯著不同：氦氣因其電離電體高，導熱快，在同樣條件下，比氬氣產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，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。

(4)各參數的可監控性分析：在四種焊接參數中，焊接速度和保護氣體流量屬于容易監控和保持穩定的參數，而激光功率和焦點位置則是焊接過程中可能發生波動而難于監控的參數。雖然從激光器輸出的激光功率穩定性很高且容易監控，但由于有導光和聚焦系統的損耗，到達工件的激光功率會發生變化，而這種損耗與光學工件的質量、使用時間及表面污染情況有關，故不易監測，成為焊接質量的不確定因素。光束焦點位置是焊接參數中對焊接質量影響極大而又最難監測和控制的一個因素。目前在生產中需靠人工調節和反復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，熱透鏡效應或者空間曲線的多維焊接，焦點位置會發生變化而可能超出允許的范圍。

對于上述兩種情況，一方面要采用高質量、高穩定性的光學元件，并經常維護，防止污染，保持清潔;另一方面要求發展激光焊接過程實時監測與控制方法，以優化參數，監視到達工件的激光功率和焦點位置的變化，實現閉環控制，提高激光焊接質量的可靠件和穩定性。

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。