模组Busbar激光焊接配置、缺陷及解决方案

摘要：本文旨在深入探讨动力电池模组BUSBAR激光焊接过程中的关键问题，包括但不限于焊接设备的常用配置、常见的焊接缺陷及其解决方案，以及焊接过程中的实时监测技术。通过梳理和分析这些核心问题，本文致力于普及BUSBAR激光焊接的基础知识，并分享当前行业内的最佳实践和可能的改进措施。

撰写本文的目的在于为工程师们提供清晰的指导和思考方向，帮助他们更深入地理解在焊接过程中可能遇到的技术难题，并探索有效的解决策略。期望通过这样的知识分享，激发行业内的技术交流与合作，汇聚各方智慧，共同推动动力电池激光焊接技术的发展和完善。

第一节 模组BUSBAR常用配置

电池模组BUSBAR（母线）焊接是电池组装过程中的关键步骤。BUSBAR作为电芯之间电气连接的桥梁，负责在电池模组内部传输电流。这一过程通常采用激光焊接技术，因为它提供了高精度、高效率和良好的焊接质量。激光焊接通过聚焦高能量激光束到材料表面，实现金属间的熔合，从而完成电池与BAR片的有效连接。

BUSBAR常用配置如下：

BUSBAR激光焊接技术经历了显著的发展历程，从最初的单光纤技术起步，逐步演进至复合焊接技术，再到环形光斑技术，并发展到当前的单模环激光器技术。最初，焊接技术采用单光纤与准直焊接头的组合，这种配置是激光焊接的基础形态。

为了减少焊接过程中的飞溅问题，技术进一步发展，引入了准直摆动焊接头，这一改进有效降低了飞溅，提升了焊接质量。随后，为了进一步提升焊接效率，行业开始采用单光纤与振镜焊接头的组合，这一阶段的技术创新大幅提高了生产速度。

在同一时期，为了进一步降低飞溅，业界研发了光纤半导体复合焊技术，这一技术通过结合光纤激光器和半导体激光器的优势，实现了更优的焊接效果。

进入2020年，环形光斑技术开始得到广泛应用，该技术在实现低飞溅焊接方面表现出色，为提高焊接质量提供了新的解决方案。最近，为了进一步提高产品的良率，一些高端生产线开始采用单模环激光器技术，这一技术以其卓越的性能满足了高要求生产环境的需求。

总体而言，BUSBAR激光焊接技术的每一次迭代都是为了解决前一代技术的局限性，同时满足市场对高效率、高质量焊接的不断追求。

1.1 单光纤+准直

配置特点：单光纤激光焊接系统通常采用具有100um芯径的多模激光器，结合准直焊接头或摆动焊接头使用，其光学放大比在1:1.5至3之间。这种配置提供了基础的激光焊接能力，但同时也设定了系统的性能边界。

精度与效率：单光纤激光焊接通过X-Y-Z三轴联动系统实现精确定位，但由于需要依次对每个焊接点进行加工，其加工效率和精度受到执行机构运动速率和精度的限制。运动轨迹的设置依赖于机械机构，系统的整体精度大约在0.5mm左右。在激光波形的设置上，通常采用矩形波形，而窗口参数的调整主要限于功率和离焦量，这限制了工艺优化的潜力，导致工艺的良率上限较低，且调整空间有限，往往需要依赖较大的功率输出来实现焊接。

良率问题：在熔宽控制方面，单光纤激光焊接较难实现稳定性。焊接过程中飞溅和炸点的问题较为突出，这些问题会降低焊缝的质量，进而影响焊缝的过流面积。为了提高良率，采用摆动焊接头可以有效地减少飞溅，改善焊缝质量。

总结：单光纤激光焊接配置虽然在某些应用中仍然有效，但其在精度、效率和良率方面的局限性促使行业不断寻求技术创新和改进，以满足日益增长的高质量焊接需求。

1.2 单光纤+振镜

配置特点：

单光纤激光焊接系统配置包括高功率焊接振镜和6KW多模激光器，激光器的芯径可选50um或100um。该系统采用机械机构与振镜电机的组合运动方式，能够实现对大幅面（320mm*150mm）任意位置的高精度加工，精度达到微米级别。振镜控制软件提供了激光参数的高度柔性化编辑能力，包括摆动轨迹、功率等，使得在时间和空间尺度上对焊缝的热输入进行优化成为可能。

优势分析：

1. 气孔抑制：振镜高速摆动焊接技术能有效减少气孔的产生，提高焊接接头的致密性。

2. 熔深优化：通过调节振镜摆动的幅度，可以有效控制焊缝的有效熔深，确保焊接区域满足过流面积的要求。

3. 飞溅降低：振镜摆动技术还能有效减少焊接过程中的飞溅现象，进一步提升焊缝表面和内在的质量。

4. 热输入控制：软件对激光参数的柔性化编辑，允许对焊缝的热输入进行精确控制，有助于优化焊接质量并减少热影响区。

5. 加工效率：大幅面加工能力和微米级精度的结合，提高了加工效率，同时保持了焊接质量。

总结：

单光纤激光焊接配置通过结合高功率激光器和先进的振镜控制系统，提供了一种高效、高精度的焊接解决方案。这种配置在大幅面加工、高精度要求的场合表现出色，特别是在动力电池BUSBAR焊接等高端制造领域，能够显著提升焊接质量和生产效率。

1.3 光纤+半导体+复合焊接头=复合焊

技术概述：

半导体复合焊技术是在传统光纤激光焊接的基础上，结合了大光斑的半导体激光器（红色或蓝色光），以实现对焊接区域的预热和熔池扩大。这种组合技术不仅提升了焊接过程的稳定性，还实现了低飞溅的焊接效果，从而确保了焊接的连续性和一致性。

技术特点：

1. 复合光源：在焊接头处通过外光路实现光纤激光和半导体激光的复合，半导体负责预热缓冷熔池，光纤负责熔深穿透；

2. 焊接稳定性：半导体激光器的预热作用提高了焊接稳定性，使得整体良率和焊接质量优于传统单光纤激光焊接。

3. 焊接速度：该技术能够实现超过60mm/s的焊接速度，同时通过摆动焊接头可增大焊接面积，提升焊接强度和过流能力。

4. 材料吸收：半导体激光器的加入降低了材料对激光的吸收阈值，使得加工过程更加可控。

5. 工艺窗口：提供了更广阔的工艺窗口和应用范围，适应更多材料和焊接条件。

6. 飞溅减少：有效减少了焊接过程中的飞溅，提高了焊缝的外观质量。

7. 焊缝成型：实现了更优的焊缝成型质量，具有更好的机械性能和电气性能。

8. 间隙适应性：提升了对焊接间隙的适应能力，能够应对更复杂的焊接场景。

总结：

半导体复合焊技术通过结合光纤激光器的高精度和小光斑高能量密度特性，以及半导体激光器的大光斑预热效果，提供了一种高效、稳定且高质量的焊接解决方案，能够显著提升产品的可靠性和性能。

1.4 环形光斑 4+2

技术概述：

可调环模激光器，也称为环形光斑激光器，是一种创新的激光焊接技术。它通过将两束激光器的输出在光纤中复合，然后通过振镜系统传输到材料表面。内外环的光斑大小可以根据需要任意选配，通常多模激光器的最优配比为1:3，例如50/150或100/300的配置。

技术优势：

1. 低飞溅焊接：外环激光具有高能量密度，能有效扩大匙孔开口，降低飞溅发生率。

2. 气孔减少：在摆动过程中，外环激光有助于减少气孔的产生，提高焊接良率。

3. 功率独立调节：内外环的功率可以独立调节，以适应不同的焊接需求。

4. 高效率：与传统焊接技术相比，可调环模激光焊接具有更高的效率。

5. 少维护：系统设计减少了维护需求，提高了设备的稳定性和可靠性。

技术特点：

1. 摆动焊接：环形光斑系列摆动焊接能够增大焊接面积，增强焊接强度和过流能力，同时减少裂纹的产生。

2. 气孔排出：有利于气孔的排出，进一步提高焊缝质量。

3. 适应性：与复合焊技术相比，环形光斑激光器使用单光纤输出，可接振镜，具有更长的焦距，适应性更强。

4. 兼容性：可适配准直式、wobble式、振镜式等多种焊接头，而复合焊通常只能使用特定的复合焊接头。

总结：

可调环模激光器通过其独特的环形光斑设计和灵活的功率调节能力，提供了一种高效、低飞溅、易于维护的焊接解决方案。它适用于多种焊接应用，特别是在需要高焊接质量的场合，能够显著提升产品的焊接性能和生产效率。

1.5 单模环+振镜

技术优势概述：

单模环激光器在相同功率条件下，其内环能量密度显著高于50um和100um芯径的多模激光器，分别达到12倍和51倍，这一特性赋予了单模环激光器更卓越的穿透力。外环的100um芯径能量密度也分别是150um与200um芯径的2.25倍和4倍，这样的能量分布有利于在焊接过程中产生更大的匙孔开口和蒸汽反冲压力，从而实现更稳定的焊接过程。

SM-AMB与MM-AMB的对比特点：

1. 匙孔和熔池尺寸：单模环激光器产生的匙孔更小，熔池也更为紧凑，这有助于提高焊接精度和质量。

2. 热量累积：单模环焊接过程中的热影响区域更小，实测背部温度较低（例如80°C对比120°C），这减少了对材料的热损伤。

3. 深宽比：单模环激光器更易于获得较大的深宽比，这对于需要深穿透焊接的应用尤为重要。

总结：

单模环激光器因其高能量密度和精细的光束控制能力，在精密焊接领域展现出显著的优势。它不仅提供了更稳定的焊接过程，还有助于减少焊接缺陷，提高焊接接头的质量和性能。这些特性使得单模环激光器非常适合于对焊接质量要求极高的应用，如动力电池的BUSBAR焊接，以及其他需要高精度和高深宽比焊接的场合。

第二节：模组激光焊接飞溅缺陷机理分析

其中飞溅为最难解决，需要工程师有一定理论基础，在此也进行总结如下；

飞溅是当前困扰模组BUSBAR最主要的难题之一，在正式分析飞溅炸点的机理之前需要补充一点理论基础知识，方便理解：

2.1匙孔形成机理

匙孔形成机理：匙孔的生成过程可以比作用吹风机对准水面吹气，造成水面下陷的现象。在激光焊接过程中，激光束以高能量密度照射在材料表面，导致材料迅速熔化并产生剧烈的蒸发。随着金属蒸汽向上喷射，它对熔池施加了一个向下的反作用力，这股力量把熔池推开，形成了一个匙孔。与此同时，匙孔的壁面受到液态金属的表面张力作用，使得匙孔壁保持在一种动态的平衡状态，从而维持了匙孔的持续存在。

2.2 材料对激光吸收率

当激光照射到材料表面时，材料对激光的吸收率会随着温度的增加而提高。在常温下，固态铝合金对红外激光的吸收率大约在5%到8%之间。然而，当材料达到其熔点时，这一吸收率会显著增加，大约可以达到25%左右。

进一步地，当材料表面形成匙孔时，激光的吸收机制会从单次吸收转变为多次吸收。这种转变导致材料对激光的吸收率大幅提升，能够超过90%。在这个过程中，伴随着剧烈的金属蒸发和波动，这是由于激光能量的集中输入和材料内部的快速相变引起的。

因此，激光与材料相互作用的过程中，温度的升高和匙孔的形成是影响激光吸收率的两个关键因素。了解这些机制对于优化激光加工过程和提高材料加工效率至关重要。

2.3 飞溅发生过程及受力分析

首先，对液滴上升现象进行受力分析：液滴之所以能够向上逃逸，是因为受到了自下而上的力的作用。通过观察飞溅过程，我们可以确定液滴主要受到两种力的影响：一是向上的金属蒸汽剪切力，这主要是由于高压金属蒸汽从匙孔开口上方喷涌而出；二是向下的液滴重力以及液态熔池提供的表面张力。

基于这一分析，要抑制飞溅现象的产生，我们可以从以下两个方面着手：

降低金属蒸汽剪切力的作用，这可以通过调整工艺参数或者改变金属蒸汽的流动特性来实现。

避免剪切力的产生，这可能需要对工艺流程进行更深入的优化，以减少或消除导致剪切力的工艺条件。

2.4 剪切力来源分析-焊接工况

当前焊接接头形式为叠焊穿透焊、摆动轨迹以螺旋线为主，多采用振镜+激光器搭配进行加工。

2.5 机理分析-剪切力来源分析-界面反应过程

在叠焊穿透焊接过程中，焊接界面接触时会经历三个不同的状态：

a、熔池匙孔穿越状态：熔池匙孔穿透BAR片，但尚未触及到极柱。

b、交界面抵达状态：匙孔穿透的深度达到BAR片与极柱的交界面。

c、有效连接状态：在极柱上形成熔池匙孔，实现BAR片与匙孔的有效连接。

穿越连接界面时，会出现以下几种情况：

情况一：当激光能量不足以快速熔化极柱时，无法形成有效的匙孔穿透。

情况二：当激光具有高能量密度时，能够迅速穿透极柱，形成匙孔。

2.6 飞溅爆点-剪切力来源分析

2.7焊中监测辅助验证

在焊接穿透过程中，BAR片的吸收率会经历剧烈的波动，具体表现在以下几个阶段：

未穿透前的反冲压力作用：在未穿透前，反冲压力会推动熔池向下移动，这有助于实现更大的熔深。

接触界面间隙的影响：当激光接触到界面间隙时，大量的底部反射激光会反射回匙孔上方。这种反射不仅导致匙孔形态发生变化，而且部分激光在多次反射后并未被吸收，而是损耗掉。这个过程可以通过光电观察来辅助分析，其中背反强度可能会有所增长。

击穿极柱形成匙孔：当激光穿透并击穿极柱时，会形成匙孔。在这个瞬间，由于激光热输入的减少，BAR片很容易形成颈缩，导致匙孔坍塌。

金属蒸汽喷涌和飞溅现象：极柱形成匙孔时，向上喷涌的金属蒸汽会直接带出BAR片熔池，形成大飞溅，这可能导致凹坑的形成。

有效连接后的稳定状态：一旦BAR片和极柱实现有效连接，匙孔就不再经历上下热输入的剧烈变化，波动减少。

监测和验证：为了验证这一过程，可以利用（OCT）熔深监测技术或光电监测技术来辅助验证。

第三节：焊中监测应用

激光焊接是一种在高能量激光束的作用下，材料内部发生强烈热传导的过程。这一过程本质上是不稳定的，并且对工作环境的条件极为敏感。即使是环境参数的微小变动，也可能对焊接的最终形态产生显著影响。对于精密的激光加工工艺来说，控制焊接质量，确保成型效果的一致性和稳定性，是一项极具挑战性的任务，焊中监测为实现这一目标提供了极大的助力。

焊接过程中的实时监测技术是一项新兴的领域，它在近几年得到了迅速的发展和应用。这项技术通过实时监控焊接过程中的各种参数，如温度、熔深、熔池形态等，为焊接过程的优化和质量控制提供了重要的数据支持。

然而，尽管这一技术展现出巨大的潜力，它在工业应用中的整合和应用仍处于探索阶段。为了进一步提升焊接监测技术的实际效用，需要更多的研究和实践来解决实际应用中可能遇到的问题。

因此，我们鼓励焊接领域的专业人士和同仁们积极参与交流和讨论。通过分享各自的经验和见解，我们可以共同推动焊接监测技术的发展，探索其在不同工业场景下的应用潜力，以及如何更有效地整合这些技术以提高生产效率和产品质量。

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