锂电笔记→009 激光焊接基础

激光焊接具有显著优势：一是热影响区小，二是非接触加工，三是加工效率高。在新能源锂电领域，激光焊接技术已经大规模用于极耳、电芯壳体、密封钉、软连接、防爆阀、电池模组等焊接。

激光焊接原理

激光焊接属于熔化焊，以激光束作为焊接热源，其焊接原理是：通过特定的方法激励活性介质，使其在谐振腔中往返震荡，进而转化成受激辐射光束，当光束与工件相互接触时，其能量则被工件吸收，当温度高达材料的熔点时即可进行焊接。

激光热传导焊Heat Conduction Welding：功率密度小于10e 4~10e 5 W/cm2为热传导焊，工件吸收激光后，温度只要达到表面熔点，然后依靠热传导，向工件内部传递热量形成熔池，因此经济性好。此时熔深浅、焊接速度慢，焊缝平滑无气孔。

典型应用如不锈钢水槽焊接、金属波纹管、金属管件焊接；

激光深熔焊Keyhole Welding：功率密度大于10e 5~10e 7 W/cm2时，金属表面受热作用下，不仅使金属熔化，而且使金属汽化。熔化的金属在金属蒸汽作用下，排出形成小孔，激光束继续照射孔底，内的蒸汽压力与液体使得小孔不断延伸，直到小孔金属的表面张力与重力平衡为止。深熔焊会形成一个狭窄而均匀的焊缝，而且深度一般比焊缝宽度大，具有焊接速度快、深宽比大的特点。

典型运用在方形铝壳锂电池、圆柱电池的连接片、极耳顶盖焊、封口焊，极柱与巴片穿透焊、缝焊等；

激光焊接主要工艺参数

影响激光焊接质量的工艺参数较多，如功率密度、激光脉冲波形、离焦量、焊接速度和辅助吹保护气等。

1，激光功率密度:激光功率密度=输出功率/光斑面积

功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度，在微秒时间范围内，表层即可加热至沸点，产生大量汽化。因此，高功率密度对于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻十分有利。对于较低功率密度，表层温度达到沸点需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。因此，在热传导型激光焊接中，功率密度范围在104-106W/cm2。

2 激光脉冲波形

激光脉冲波形既是区别材料去除还是材料熔化的重要参数，也是决定加工设备体积及造价的关键参数。当高强度激光束射至材料表面，材料表面将会有60～90%的激光能量反射而损失掉，尤其是金、银、铜、铝、钛等材料反射强、传热快。一个激光脉冲讯号过程中，金属的反射率随时间而变化。当材料表面温度升高到熔点时，反射率会迅速下降，当表面处于熔化状态时，反射稳定于某一值。

△不同材质的激光焊接脉冲波形

3，激光脉冲宽度

脉宽是脉冲激光焊接的重要参数。脉宽由熔深与热影响分区确定，脉宽越长热影响区越大，熔深随脉宽的1/2次方增加。但脉冲宽度的增大会降低峰值功率，因此增加脉冲宽度一般用于热传导焊接方式，形成的焊缝尺寸宽而浅，尤其适合薄板和厚板的搭接焊。但是，较低的峰值功率会导致多余的热输入，每种材料都有一个可使熔深达到最大的最佳脉冲宽度。

4，离焦量

激光焊接通常需要一定的离焦量，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。

离焦方式有两种：

正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。按几何光学理论，当正负离焦平面与焊接平面距离相等时，所对应平面上的功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状有一定差异。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。

5，焊接速度

焊接速度决定了焊接表面质量、熔深、热影响区等。焊接速度的快慢会影响单位时间内的热输入量，焊接速度过慢，则热输入量过大，导致工件烧穿，焊接速度过快，则热输入量过小，造成工件焊不透。通常采用降低焊接速度的方法来改善熔深。

6，辅助吹保护气

辅助吹保护气在高功率激光焊接中是必不可少的一道工序。一方面是为了防止金属材料溅射而污染聚焦镜；另一方面是为了防止焊接过程中产生的等离子体过多聚焦，阻挡激光到达材料表面。激光焊接过程常使用氦、氩、氮等气体保护熔池，使工件在焊接工程中免受氧化。保护气体种类和气流大小、吹气角度等因素对焊接结果有较大影响，不同的吹气方法也会对焊接质量产生一定的影响。

氦气不易电离（电离能量较高），可让激光顺利通过，光束能量不受阻碍地直达工件表面。这是激光焊接时使用最有效的保护气体，但价格比较贵。

氩气比较便宜，密度较大，所以保护效果较好。但它易受高温金属等离子体电离，结果屏蔽了部分光束射向工件，减少了焊接的有效激光功率，也损害焊接速度与熔深。使用氩气保护的焊件表面要比使用氦气保护时来得光滑。

氮气作为保护气体最便宜，但对某些类型不锈钢焊接时并不适用，主要是由于冶金学方面问题，如吸收，有时会在搭接区产生气孔。

7、光纤和焊接头配置

D焦点直径=D光纤直径 X f聚焦焦距/f准直聚焦

例子： D光纤直径=0.6mm f聚焦焦距=120mm f准直聚焦=150mm

D焦点直径=0.6X120/150=0.48mm

根据产品的材料、厚度、熔深和配合间隙来确定具体的配置。

长聚焦特点：

1、工作距离较大，可以避免治具的干涉，减小产品高度的波动影响，降低飞溅物对保护镜片的污染。

2、如达到同样的熔深，需要加大设备的功率。

激光焊接作为一种新型焊接技术，具有高能量密度、高速度、高精度、深穿透、适应性强等特点，其应用范围越来越广泛，不仅能提高生产效率，更提高了焊接质量，激光焊接技术必将在材料加工领域发挥更重要的作用。