脉冲电弧焊在电池制造中的应用研究

文章摘自EWI

锂电池广泛应用在消费电子和电动汽车行业中，且其在航空航天领域中的应用也在迅速增长。常见的锂电芯通过极耳和汇流排连接到电芯外壳上(图1)。某些设计汇流排也直接连接各个电芯，不需要极耳。对于小尺寸电池常采用电阻焊接工艺；对于大尺寸电池常采用超声波焊接或者激光焊接工艺。

电阻焊接优点是成本相对较低，且容易实现焊接过程数据监控。与激光焊接相比，电阻焊的缺点是生产速度慢。然而，通过多头电阻焊接系统，即一个电源控制多个焊接压头，可以降低成本，同时达到与激光焊接相当的焊接速度。

图1 典型的电池组配置由电芯、极耳和汇流排组成。图片由Sunstone Engineering提供。

1. 脉冲电弧焊接(Pulsed Arc Welding)

脉冲电弧焊接是一种相对较新的工艺，在钨电极和工件之间产生高能量密度电弧（图2）， 引起较高的局部温度并熔化金属，且热影响区小。通过控制电流和焊接时间，可以获得一个稳定的焊接结果。由于该焊接系统是一个功率闭环控制，因此能够实现在线质量监测。

图2 Sunstone Engineering公司的Orion 250i-EV 脉冲电弧焊机和焊接原理图。

2. 实验研究

首先要评估脉冲电弧焊对不同电池材料组合的焊接可行性。设备采用Sunstone Engineering公司Orion 250i-EV 电弧焊接机，电极材料为钨。六种材料组合分别为：铜和镀镍钢、镍和镀镍钢、铜和铝，镍和铝，铜和304L不锈钢，铜和镍和铝。前三种是锂电池材料常见组合。极耳片厚度0.12mm-0.25mm。

3. 实验结果

两种最常见的材料组合铜和镀镍钢，以及镍和镀镍钢，两者焊接结果优异。铜和镀镍钢焊接截面如图3，可以明显看到了一个较大的焊接曲线，从而保证一致的焊接强度。焊接样品的金相分析表明，焊接时间长会导致钢熔穿；焊接时间短会导致焊缝出现气孔。输入的能量对熔深和外观影响小于焊接时间。

图3 铜和钢焊接截面

在镍和镀镍钢的焊接中，没有焊缝气孔的问题。钢几乎完全熔穿时撕拉力可达70-120N。

图4 镍和镀镍钢焊接截面

与前两种材料组合相比，镍和铝焊接没有产生任何令人满意的焊缝(图5)。焊缝金相分析表明，试样存在裂纹。铜和铝焊接也无法产生令人满意的焊缝结果。

图5 镍和铝焊接截面产生裂纹

铜和304L不锈钢焊接，采用不同功率和焊接时间组合（图6）。结果表明，撕拉力平均为20N-40N，小于铜和镀镍钢以及镍和镀镍钢焊接强度的一半。

图6 铜和钢电弧焊接

由于铜与铝在第一次测试中没有得到令人满意的焊缝，因此尝试将铜与镍焊接到铝的方法（图7）。截面表明，在很大电流和焊接时间下可以得到令人满意的结果。不过，仍需要对其强度进行更多的测试。

图7 铜和镍和铝焊接截面

4. 结论

在锂电池的制造中，特别是在使用铜或镍片时，脉冲电弧焊接工艺有发展潜力。铜和镀镍钢、镍和镀镍钢的材料组合显示出可接受的撕拉力强度。铜和304L不锈钢、铜和镍和铝材料组合表明其焊接是可能的，但焊接强度相对较低。铜和铝、镍和铝的焊缝有裂纹，对电池安全性构成危险。