圖1：作為AiF項(xiàng)目MikroPuls的一部分，F(xiàn)raunhofer ILT正在開發(fā)用于動(dòng)力電池單元高效連接的激光工藝。圖中顯示的是在圓柱形電池頂部，用激光焊接的銅連接片。（圖片來(lái)源：Fraunhofer ILT）

在電動(dòng)汽車（EV）行業(yè)需求加速的帶動(dòng)下，動(dòng)力電池制造是一個(gè)目前正在經(jīng)歷實(shí)質(zhì)性增長(zhǎng)的熱門市場(chǎng)。媒體對(duì)電動(dòng)汽車市場(chǎng)的報(bào)道，也是鋪天蓋地的利好：有報(bào)道透露了通用汽車公司到2025年銷售100萬(wàn)輛電動(dòng)汽車的計(jì)劃；也有報(bào)道指出，中國(guó)汽車制造商在2020年銷售了121萬(wàn)輛電動(dòng)汽車，預(yù)計(jì)2021年將增長(zhǎng)到200萬(wàn)輛。這不僅對(duì)于動(dòng)力電池制造商而言是個(gè)誘人的市場(chǎng)，同樣對(duì)于提供電池焊接設(shè)備（尤其是激光焊接設(shè)備）的廠商而言更是如此。電動(dòng)汽車市場(chǎng)的快速發(fā)展，已經(jīng)讓激光行業(yè)垂涎三尺。

電池焊接并不是一項(xiàng)新的激光應(yīng)用。早在20世紀(jì)80年代末，中國(guó)武漢的一家激光焊接系統(tǒng)制造商，就在為連接電池對(duì)提供固態(tài)激光系統(tǒng)。但是直到電動(dòng)汽車的出現(xiàn)，激光電池焊接應(yīng)用才開始真正起飛。在隨后的幾年里，由于埃隆-馬斯克在電動(dòng)汽車方面所取得的成功，電動(dòng)汽車便成為了激光焊接應(yīng)用中的一個(gè)熱門詞匯。順便說(shuō)一句，我曾有幸在2011年春季的德國(guó)慕尼黑激光世展上，試駕過(guò)一輛特斯拉跑車原型，其為供電的鋰電池就是用激光焊接的。

在最近的一份報(bào)道中，德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（Fraunhofer ILT）正在努力為汽車行業(yè)建立高性能的電池單元生產(chǎn)中心。Fraunhofer ILT的科學(xué)家正在研究如何利用激光技術(shù)來(lái)經(jīng)濟(jì)地連接不同的材料，以便高效和可靠地制造電池單元；以及是否可以將電池單元相互連接，形成模塊和電池組，以可靠地滿足即將到來(lái)的對(duì)電池容量的大量需求。

鋰離子電池的效率提升

在由德國(guó)聯(lián)邦教育和研究部（BMBF）資助一個(gè)名為HoLiB（即生產(chǎn)鋰離子電池的高吞吐量工藝）的項(xiàng)目中，鋰離子電池的生產(chǎn)效率就比以前高出很多。Fraunhofer ILT正在開發(fā)和驗(yàn)證一種激光工藝，用于將陽(yáng)極和陰極連接到觸點(diǎn)——避雷片。由于陽(yáng)極是由銅制成的，陰極是由鋁制成的，而避雷片則是由這兩種材料制成的，因此研究人員決定測(cè)試三種不同的光源：波長(zhǎng)450nm的藍(lán)光半導(dǎo)體激光器、波長(zhǎng)515nm的綠光碟片激光器，以及波長(zhǎng)1070nm的紅外光纖激光器。Fraunhofer ILT的研究助理Johanna Helm解釋說(shuō)：“對(duì)三種光源的測(cè)試表明，金屬薄片可以被焊接在一起，并且工藝可靠。我們目前正在驗(yàn)證工藝窗口，并對(duì)避雷片進(jìn)行焊接測(cè)試。”

使用一個(gè)具有多個(gè)工位的轉(zhuǎn)盤，將20個(gè)陽(yáng)極和陰極以0.1s的間隔放置到轉(zhuǎn)盤上，這樣在2s內(nèi)就能完成20個(gè)陽(yáng)極和陰極的放置。當(dāng)轉(zhuǎn)盤的一個(gè)工位被放置好極片后，轉(zhuǎn)盤繼續(xù)快速旋轉(zhuǎn)，以便為下一個(gè)工位放置極片。與此同時(shí)，對(duì)于已經(jīng)放置好極片的工位的激光焊接過(guò)程，可以在沒(méi)有任何時(shí)間損失的情況下開始。

納秒激光脈沖保護(hù)熱敏元件

在AiF項(xiàng)目MikroPuls中，科學(xué)家們正在研究如何更有效地連接電池單元，F(xiàn)raunhofer ILT正在用納秒脈沖紅外光纖激光器開發(fā)連接銅、鋁和鋼的工藝。這些工藝要求很高，因?yàn)楸〉碾娪|點(diǎn)對(duì)熱敏感，不能加熱太多。在這里，平衡非常重要：如果應(yīng)用的焊接能量太少，連接就缺乏機(jī)械穩(wěn)定性；如果應(yīng)用的能量太多，電池的工作模式就會(huì)受到影響，或者縮短其使用壽命。Fraunhofer ILT的研究助理Elie Haddad說(shuō)：“這正是快速M(fèi)ikroPuls工藝可以發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)的地方，它甚至可以使用200W的最大平均功率來(lái)實(shí)現(xiàn)銅焊接，而對(duì)被焊接的零件產(chǎn)生很小的熱影響。”

異種材料的可靠激光焊接

銅和鋁之間的異種材料焊接也是一個(gè)特別的挑戰(zhàn)，因?yàn)榻饘匍g相的形成很快，能使焊縫質(zhì)量惡化，形成高連接電阻，從而導(dǎo)致因熱而造成的高損耗或不能承受機(jī)械力的脆性接頭。因此，在銅-鋁焊接中，有選擇地確定最佳參數(shù)發(fā)揮著重要作用，用戶也可以可靠地產(chǎn)生異種材料接頭，其具有一致的焊接深度和高焊接質(zhì)量。

對(duì)軟包電池上的銅-鋁接頭和圓柱形電池上的銅-鋼接頭的測(cè)試表明，微脈沖焊接可以實(shí)現(xiàn)與連續(xù)波（CW）焊接一樣好的接頭，而且能量消耗明顯降低，并且具有更高的可重復(fù)性，形成的金屬間相也更少。但是微脈沖焊接的唯一缺點(diǎn)是：焊接過(guò)程一般需要更長(zhǎng)的時(shí)間，所以仍然有一些參數(shù)需要改進(jìn)。

在目前正在運(yùn)行的一個(gè)系統(tǒng)中，集成了一臺(tái)連續(xù)波光纖激光器和一臺(tái)納秒脈沖光纖激光器。兩個(gè)光源可以單獨(dú)控制。該系統(tǒng)不僅能用于焊接材料，而且還可以去除材料，例如用于構(gòu)造表面。