高功率环形激光在储能动力电池产品的应用与改善.pdfVIP

高功率环形激光在储能动力电池产品的

应用与改善

【摘要】本文介绍高功率环形激光在储能锂离子电池极柱焊接和镍片焊接的

应用场景及特点，侧重介绍了其主要参数及在焊渣粉尘控制的机理，对使用中的

焊接不良进行了介绍和基本机理分析，包括针对性的改善控制措施。

1.引言

为实现我国2030年碳达峰2060年碳中和的双碳战略目标，储能动力电池获

得了空前的快速成长，储能动力电池产品项目种类繁多，而激光焊接作为广泛应

用于储能动力电池的技术工艺，已历经十年发展，在焊接中，基本上都采用的普

通光纤激光器，一直存在着焊接飞溅导致热失控风险和高系铝焊缝裂纹的顽固问

题，经多年参数工艺优化，取效甚微，近两年开始在主流电池厂导入的可调节环

形光斑激光器，很好的解决了这一问题。

2.环形光斑激光介绍

主流品牌常用的是通快PFO智能振镜系统和IPGYLS-AMB光束模式可调激光

器，通快第三代PFO智能振镜系统，扫描范围从二代的320*190扩大到了

420*280，在单个扫描范围内可以覆盖更多焊接区域电芯，从而提高了焊接效率，

足以匹配日渐推广的CTP技术中一个模组电池包多达百多个电芯的焊接节拍要求;

更重要的是，环形激光在焊接过程焊渣控制方面性能卓越，相比普通激光，可以

做到极少Particle，这个在锂电安全可靠性方面有显著进步，也解除了制约锂电

快速发展的安全枷锁。

2.1环芯可调技术

简介：不同于传统光纤激光器的光束，环形激光是激光器内部产生一束光，

通过一个契型分光装置而分成两束光，其中一束光进入内环，另外一束进入外环，

也就是说环形激光器输出的光斑，是由中心光斑和一个外环形光斑组成，并且两

个光斑都可以实现激光功率和出光时间的实时单独调节，从而使激光焊接工艺窗

口变得更宽更灵活，匹配各种焊接介质和工艺需求。

机理分析：外环光斑的前段对工件进行预热，而中心光斑用来形成焊接小孔，

尔后用外环光斑的后段来稳定熔池，加速金属蒸汽溢出，稳定了匙孔前后壁动态

性能，环形光束的能量改变了匙孔背部熔池的流动，熔池内部的涡流被外环能量

抑制，熔池动态性能更加平稳,抑制气孔形成，从而减少飞溅、气孔等缺陷，光

滑表面成型光滑平整，焊接一致性和焊接外观的完美，据测试，环形激光可减少

飞溅80%以上。

3.Busbar极柱焊和镍片焊接工艺

Busbar极柱焊接是将单个电芯通过CCS焊接串并成组，一般是铝铝焊接，需

要较高功率；镍片焊是将预先用回流焊成组的镍片和FPC，通过激光焊接将镍片

和Busbar连接导通，用于电压温度采样

4.焊接参数

焊接参数一般是根据焊接材质和厚度，工艺需求，结合历史经验参数，通过

设计DOE参数验证，依据不同功率/焊接速度/离焦量等参数下的焊接外观，焊接

拉力和焊接熔深CPK来筛选最优参数，并加量验证确认，验证CPK须大于1.67。

4.1焊接功率：锂电池Busbar极柱焊接和镍片共焊房可共用6000W激光器，

也可单独给镍片1500W激光，通过DOE选定实际铝铝极柱焊接功率在4000+/-

500W，镍片功率在1000+/-200W。

4.2环形光斑芯环比：是环形光斑激光应用中一个关键参数，即内外光斑比

率，内芯占比从10-90%连续可调，在实际应用中，应根据应用场景进行DOE实验

验证，参数优化选出合适的芯环比是决定焊接质量减少焊渣飞溅的关键，一般

在55%-85%

4.3焊接速度：基于CTP大电池包技术，一个模组/电池包往往有几十甚至

百多电芯集合，考虑节拍平衡，所以激光焊接速度要求较快，要实现高速焊接，

需要设计选型考虑激光振镜XY偏转运动、伺服运动机构、机器人运动、相机视

觉处理等因素影响，而激光出光速度影响飞溅、驼峰和焊缝气孔的增加，速度过

快会使熔池变浅，而过慢既影响节拍，又可能过度融化，甚至烧穿工件，引发安

全可靠性问题。

4.4离焦量：聚焦镜和工件的距离-焦距，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，正负离焦所获得的熔池形状

不同，激光焊接通常需要一定的离焦，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，

容易蒸发成孔，而离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀；基于动力

电池和储能的移动性，提升焊接质量和可靠性，防止虚焊，深熔焊一般选负离焦，

负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。离焦一般在