扬州熔深显微镜(电动汽车电池用钢-铜、钢-铝、铝-铜异种激光焊接的研究进展（1）)

Posted 2023-05-27

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扬州熔深显微镜(电动汽车电池用钢-铜、钢-铝、铝-铜异种激光焊接的研究进展（1）)

长三角G60激光联盟导读

据悉，本文综述了钢-铜、钢-铝、铝-铜和钢-镍异种激光焊接的基本困难和最新进展，以及电动汽车电池组制造中的一些潜在接头组合。本文为第一部分。

摘要

电动汽车电池系统是由不同材料制成的复杂组件，其中电池芯通过数千个互连接头连接。每个接头都会影响整个电池系统的功能和效率，因此连接过程至关重要。激光焊接由于其非接触性、高能量密度、对热量输入的精确控制以及易于自动化，被认为是电动汽车电池制造的理想选择。然而，电池片和互连中使用的不同材料的不相容热物理性质对实现完全冶金结合提出了重大挑战。此外，不良焊接微观结构的形成，如硬脆金属间化合物（IMC），严重破坏了电池接头的结构、电气和热特性。本文综述了钢-铜、钢-铝、铝-铜和钢-镍异种激光焊接的基本困难和最新进展，以及电动汽车电池组制造中的一些潜在接头组合。讨论了焊缝微观结构和常见的冶金缺陷，以及接头的机械和电气性能。此外，还评估了激光焊接工艺参数对接头性能的影响以及各种中间层和涂层在电池材料激光焊接中的适用性。

1、介绍

由于化石燃料的燃烧，运输部门的二氧化碳排放量占全球的24%。据报道，内燃机（ICE）车辆占这一数量的近四分之三。在这种威胁的情况下，全球都制定了碳排放立法，以减轻气候变化的有害影响。这些政策促使各国实现汽车行业的现代化，开发电动汽车以减少碳足迹。

左图（a）1850年至2015年间累积历史碳排放量（不包括土地利用变化排放量）除以人口（y轴）排序的世界区域。x轴显示了2015年的人口。历史排放数据来自Gütschow等人（2016、2017、2019）。右图（b）欧盟+经合组织国家（蓝点）和世界其他地区（黄点）到2050年的人均二氧化碳净排放量与EMF33、CD链接和ADVANCE综合评估建模相互比较项目中选定情景下2010-2100年全球累计二氧化碳排放量（Huppmann等人2018）。

尽管电动汽车提供了一种有希望的传统汽车替代品，但在2019年，电动汽车仅占全球汽车销量的2.6%，约占全球汽车库存的1%。大规模采用电动汽车的根本障碍是行驶里程有限，再加上充电基础设施不足，可能导致电动汽车驾驶员的“里程焦虑”，担心电池耗尽而搁浅。目前，大多数电动汽车一次充电只能行驶约100-250公里，比ICE车型短得多。由于电动汽车的空间有限、额外成本、更高的重量以及对更多稀土元素的要求，使用更大的电池不是一个可行的解决方案。因此，需要提高现有电池系统的能量密度，作为决定车辆性能的关键部件。

左面板（a）净零情景下2020年、2030年和2050年的电力结构（条形图，左y轴）和15年移动平均电力成本（白点，右y轴）。右图（b）不同情景下2050年的电力混合（条形图）和电力成本（白点）：2040年前区域核淘汰的净零情景（左），核淘汰的净零情景，有限的风能和太阳能潜力（中）和当前政策情景（右）。

目前，锂离子固态电池是许多低容量到高容量应用中最常用的电源，包括便携式电子设备和电动汽车。虽然在手机和笔记本电脑等移动设备中只需要少量电池，但电动汽车电池系统中多达数千个电池相互连接，以提供必要的电力。因此，电池间或模块级连接是电池组制造中最关键的连接过程，直接影响电池容量。由电池、模块和电池组结构组成的电动汽车电池组概述如图1所示。

图1.EV电池组概述（a）棱柱形电池（b）圆柱形电池。

电动汽车电池目前使用三种电池格式：圆柱形、棱柱形和袋状电池。图2显示了这三种单元格格式。它们都发生了焊接。例如，在邮袋格式中，电池片通常由铝或铜制成，通常使用钢、铝、铜或镍母线并联或串联连接。电动汽车电池组中的焊接接头涉及低厚度材料（通常为0.3 mm至1 mm），焊接过程通常在搭接、圆角或点配置中进行。图3显示了袋形电池中铝片与铜母线之间的典型接头。不同材料的热物理性质（如熔化温度和热导率）的差异使得很难获得没有大量裂纹和孔隙的完整冶金结合。此外，在焊接界面形成硬脆金属间化合物（IMC）大大降低了电池的电容量和结构性能。

图2.EV电池组中常用的电池类型。

图3.Al-tab与袋装电池中铜母线的连接。

薄弱接头无法承受恶劣的驾驶环境、动态负载、振动和可能的碰撞，甚至可能因短路而引发火灾。IMC的存在还由于其导电性低而加剧了充电和放电循环期间产生的热量，从而加速了电池的降解过程。此外，还应考虑由于IMC的存在而导致腐蚀的可能性，这会进一步恶化接头性能。大气腐蚀、局部腐蚀、裂缝腐蚀、点蚀和电偶腐蚀是最常见的腐蚀类型。腐蚀不仅会降低接头的机械性能，还会增加连接电阻。总之，电动汽车蓄电池系统中的适当接头必须满足以下要求：

低电阻

良好的强度

高抗疲劳性

低腐蚀风险

引线键合（WB）、电阻点焊（RSW）、超声波焊接（UW）和激光焊接（LW）是电动汽车电池制造中研究最多的连接技术。每种方法都有其优点和局限性，并根据所涉及材料的电池类型、特性和厚度使用。还提出了其他连接工艺，如钎焊、搅拌摩擦焊、微TIG或脉冲电弧焊、成型连接和粘接。然而，由于目前缺乏信息，需要进一步研究以彻底评估其可行性。

在超声波焊接中，在压力下施加高频（通常为20 kHz或以上）超声波振动以连接基板。在焊接过程中，表面上的氧化物和污染物被清除，结果是基于软化金属的扩散和粘附，在不熔化的情况下形成冶金结合。UW可以在高导电异种金属之间产生良好的焊缝（无气孔、热裂纹和大块金属间化合物），并且被认为对袋式电池特别优越。引线键合可以定义为小直径银、铜或铝丝（通常低于0.5 mm）的单面超声波焊接，首先焊接到一个基板，然后依次焊接到第二个或多个基板。它是半导体器件技术中经常使用的一种技术，尽管没有关于其在电动汽车电池制造中应用的科学文献，但在特斯拉Model-S中使用了引线键合来连接电池芯和母线。

铝和铜的激光钎焊，其中铝熔化，铜在钎焊过程中保持sold状态。

电阻点焊是另一种可用于电动汽车蓄电池焊接的方法。当高电流通过界面时，会产生局部加热和熔化，导致基板熔焊。然而，铝和铜等高导电材料的电阻点焊仍然具有挑战性，目前，该工艺仅适用于低导电材料。激光焊接是一种高效的熔焊技术，具有创建狭窄热影响区和小目标变形的优点。与电动汽车电池组制造的其他主要焊接技术（即RSW和UW）相比，激光焊接的接触电阻最低，接头强度最高。激光焊接有可能用于所有三种类型的锂离子电池。然而，不同材料之间较差的冶金亲和力通常限制了激光焊接过程，并导致潜在缺陷，如有害金属间相的形成和裂纹敏感性。迄今为止的研究表明，可以通过优化焊接工艺参数来改善接头性能。此外，不同夹层和涂层对改善接头性能的适用性是最近一些研究的主题。新型激光器（即蓝色和绿色激光器）也取得了进展，它们可以在铜和铝等金属的高反射表面上实现更高的能量吸收。

本文全面综述了电动汽车电池系统中最常见接头组合的异种激光焊接，包括钢-铜、钢-铝、铝-铜和钢-镍。讨论了基本的冶金和结构挑战，并强调了工艺优化的最新发展，为进一步研究该主题提供了基础。

2、钢-铜

当连接电动汽车电池系统中的电池时，钢与铜的焊接非常常见，尤其是圆柱形电池。熔融温度和热导率的差异使得在这些系统中获得完整的冶金结合非常具有挑战性。在铁和铜相图中，高温下存在较宽的亚稳混溶间隙（图4）。由于快速凝固，液相分离是钢和铜激光焊接的一个常见特征，因为过冷的Fe-Cu液体分离成铁和铜的液滴。另一个主要问题是，由于铜渗入晶界，钢的焊接区或热影响区（HAZ）出现热裂纹。

图4.Fe-Cu二元相图显示了亚稳混溶间隙（即，二极曲线）。

钢和铜之间的自对接接头一直是一些研究的主题。这些研究大多集中在不锈钢和纯铜的激光焊接上。一些作者提出，铜和钢之间高质量接头的关键是通过使铜保持固态，主要是通过激光束偏移或向钢侧偏转来减少钢水和铜的混合。这抑制了焊接过程中的亚稳相分离，从而防止了焊接裂纹和HAZ微裂纹。图5显示了该拟议围巾几何形状的示意图。平面厚度和激光功率对铜的分布有重要影响。与厚度为7 mm、激光功率为8 kW的样品相比，更高的厚度（10 mm）和激光功率（11kW）减少了溶解在钢中的熔融铜量。图6a和b说明了铜稀释率高的接头的横截面形态(∼36 at.%）以及相应的铁和铜的EDS强度分布。低稀释（<1 at.%）样品的形态和EDS曲线分别如图6c和d所示。对于低稀释样品，实现了完全的冶金结合，没有裂纹和气孔，并具有更高的拉伸性能。在高稀释样品中可以看到裂纹和气孔，其抗拉强度仅为150–200 MPa。在两种样品中，铜板附近都存在一个混合区。然而，由于铜的扩散较低，在低稀释度样品中其范围较窄。该过渡区由大量颗粒相组成，其成分为富铁bcc固溶体（α-Fe）和富铜fcc固溶体（称为ε相）（图7）。

图5.Cu和具有斜接几何形状的钢板之间的对接配置焊缝方案。

图6.a）铜稀释度较高的接头微观结构(∼36 at.%），b） Fe（K）和Cu（K）的EDS线扫描，c）铜稀释度较低（<1 at.%）的接头微观结构，d）Fe（K）和Cu（K）的EDS线扫描。

图7混合区和铜板界面附近的微观结构。

Chen等人报告了使用斜角将不锈钢激光焊接到铜上的微观结构特征。他们表示，激光束向不锈钢倾斜可以熔化不锈钢，同时保持低熔点铜处于固态，从而形成“焊接钎焊模式”。由于熔化的铜含量较低，因此在熔合区形成稀溶液。然而，应避免过度的束偏移或焊接速度，因为它们可能导致铜和焊接区界面缺乏熔合。在“焊接-钎焊模式”下，防止了熔合区的液体分离和微裂纹，在“熔焊模式”下，熔池进入亚稳混溶间隙，并分离为两种不混溶的铜和不锈钢液体。这两种连接模式如图8所示。

图8 （a）“焊接钎焊模式”（光束向钢倾斜0.2 mm），（b）“熔焊模式”（无光束倾斜）铜和不锈钢的激光焊接。

由于焊接过程中熔池的强烈流体流动，铜和液态金属之间形成锯齿状界面。焊接钎焊期间界面处的成分分布如图9所示。不锈钢合金元素（如Fe、Cr、Mn和Ni）扩散到铜中表明铜和不锈钢之间存在冶金结合。杂乱的界面形态和冶金结合导致“焊接-钎焊”模式下的机械性能得到改善。

图9“焊接钎焊模式”下铜和不锈钢界面处的成分分布。

在“熔焊模式”下，当铜部分熔化并与熔池混合时，由于激光焊接过程的高冷却速率和过冷，液体经历了一次和二次分离。图10说明了“熔焊模式”中液体分离的机理。在进入混溶间隙后，液体立即进行一次分离，产生铁和铜液体。在缺乏完全扩散的情况下，当液体在混溶间隙中冷却时，会发生二次液相分离，导致一种或两种液体过饱和。最终的焊接微观结构是铜和不锈钢的不均匀复合材料。

图10.铜和不锈钢熔焊中液体分离及其机理的示意图。

图11显示了“熔焊模式”下焊接区存在的裂纹。这些裂纹被认为是由不锈钢和铜之间的热应力不匹配引起的。可以看出，由于铜的熔化温度较低，因此填充了其中一些裂纹。裂纹表面和熔融铜之间形成冶金结合，形成自愈性，从而减少裂纹的负面影响。由于一些裂纹充满了熔融铜，因此抗拉强度不受这些裂纹的影响。然而，随着熔铜量的增加，韧性和疲劳强度降低。因此，可以得出结论，铜的熔化应保持在最低限度。

图11“熔焊模式”下接头的微观结构（a）在界面处，（b）在熔合区。

Li等人宣布不锈钢中的热影响区液化裂纹和熔合区孔隙是不锈钢和铜激光焊接中的两个主要缺陷。热影响区晶界处铁-铜化合物的存在削弱了晶粒之间的粘结力，并导致裂纹敏感性。液化裂纹形成的三个阶段如图12所示。第一阶段是晶界处的裂纹孕育，其中铜原子由于较小的电阻而沿晶界渗透。在第二阶段，即裂纹萌生阶段，铁-铜化合物在晶界富集，破坏了晶粒之间的粘结力。裂纹扩展是第三个也是最后一个阶段。随着激光焊接过程中热输入的增加，热应力大幅增加，导致小裂纹扩展到晶界形成大裂纹。

图12液化开裂模型（a）孕育（b）起始（c）生长。

图13说明了热输入和裂纹长度之间的关系。裂纹长度随着热输入的增加而增加，直到125 kJ/m，之后开始下降。这归因于填充裂纹的熔融铜的自愈性。人们认为，虽然通过自愈合可以降低裂纹敏感性，但为了控制焊接质量，应通过提高焊接速度或降低激光功率来减少热输入。另一个主要问题是气孔，与热影响区液化开裂无关。这些孔隙率是与流体流动相关的小孔不稳定性的结果。通过对不锈钢的光束偏转，改变了液态金属的流动，增加了焊接过程中的搅拌效果，成功地消除了这些缺陷。

图13.裂纹总长度与热输入之间的相关性。

Kuryntsev等人使用不锈钢引入板激光焊接321不锈钢和铜，以保持铜处于固态。使用该方法，焊接件中未发现裂纹或气孔。还测量了焊缝的电阻，其比不锈钢的电阻低两倍多，表明焊缝区域缺少金属间化合物。其他研究人员还报告，通过使用光束偏移或将激光束倾斜到不锈钢来最小化铜的熔化，从而获得不锈钢和铜之间没有缺陷的良好焊接。

在Shen 和 Gupta的研究中，在316不锈钢与无氧铜的激光焊接中，将光束对准铜。他们报告说，无论焊接参数如何，光束聚焦在钢侧的激光焊接总是会导致焊接区出现凝固裂纹。因此，使用了朝向Cu的0.4 mm焦点。他们报告称，当焊缝金属富含铜（焊缝区80%的铜）时，未检测到凝固裂纹。在不锈钢热影响区中，沿奥氏体晶界观察到热裂纹簇。然而，尽管存在这些裂纹，但仍实现了312 MPa的高抗拉强度。Sahul等人通过将激光束向铜侧偏移，实现了高达261MPa的抗拉强度值，这是由于两种金属的混合。AISI 304和铜之间焊缝的微观结构如图14所示。在焊缝和铜之间的界面可以观察到细小的铜枝晶。界面也呈锯齿状，表明冶金结合。在铜的热影响区观察到晶粒长大。此外，在不锈钢和焊缝金属的界面处检测到δ铁素体。铜、铬、铁和镍的元素映射如图15所示。可以看到元素的可见混合，暗区来自304不锈钢，亮区来自铜。

图14.a）铜热影响区和焊接界面，b）铜焊接金属界面的高倍放大，c）焊接金属AISI 304界面，d）高倍放大下的细铜枝晶。

图15.铜焊缝金属界面上的元素分布。

同样，Weigl和Schmidt以及Joshi和Badheka报告了“焊接钎焊模式”中存在的凝固裂纹。得出的结论是，焊缝金属中存在的铜不是凝固裂纹的原因，通过将梁移向铜，更多的铜被熔化并参与焊接，从而产生更好的静态机械强度。他们认为梁位移不是控制凝固裂纹的唯一方法。由于焊缝区域内的成分梯度是裂纹的原因，因此需要对焊接参数进行详细研究，以研究焊缝金属内不锈钢和铜的相互作用及其对凝固裂纹的影响。

钢和铜之间的搭接激光焊接已成为许多研究的主题。Mehlmann等研究了调制幅度对镀镍钢DC04和青铜CuSn6激光焊接的影响。通过使用适当的空间调制，实现了全熔透，从而最大限度地提高了接头的强度。Iqbal等比较了0.3 mm镀镍铜和0.7 mm低碳钢的脉冲电弧焊接（PAW）和激光焊接。他们使用了一种新的光束摆动过程来控制焊接熔深。图16说明了激光束摆动频率对焊缝微观结构的影响。在频率为200 Hz的样品中，较高的热输入导致镍涂层完全溶解，而在频率为300 Hz的样品中，界面仍然可见。通过比较激光焊接和PAW，观察到激光焊接能够产生效率为93%的接头，而PAW的焊接效率仅为70%。Shaikh等人研究了搭接配置中镍涂层铜（Cu[Ni]）和镍涂层钢（即电气级Hilumin）的激光焊接。研究了激光功率、脉冲时间、脉冲频率和焊接速度对接头性能的影响。穿透深度随着激光功率的增加而增加。激光功率、脉冲开启时间和频率与搭接剪切强度呈正相关，而速度呈负相关。这是因为功率、脉冲开启时间和频率越高，穿透力和界面宽度越大。据报道，在所有工艺参数组合中，电阻和温升的变化相对较小。随着钢和铜的更高混合，实现了更高的强度，同时观察到电阻略有增加（图17）。

图16 （a）具有200 Hz、300 Hz和400 Hz不同摆动频率的焊接样品（b，c）200 Hz和300 Hz样品的光学显微镜（d）EDS图像，显示焊接界面处的镍涂层（e，f）焊接区的元素分布。

图17.接缝阻力和剪切强度之间的相关性。

来源：A review on dissimilar laser welding of steel-copper, steel-aluminum, aluminum-copper, and steel-nickel for electric vehicle battery manufacturing, Optics & Laser Technology, doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107595

参考文献：Carbon footprint of global passenger cars: Scenarios through 2050, Energy, 101 (2016), pp. 121-131

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