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铝壳电池激光焊接技术详解

方形铝壳锂电池具有结构简单，抗冲击性能好，能量密度高，单体容量大

等诸多优点，一直以来都是国内锂电制造和发展的主要方向，市场占比在

40%以上。

方形铝壳锂电池结构如图1，由电芯（正负极片、隔膜）、电解液、壳体、

顶盖等部件组成。

图1.方形铝壳锂电池结构

方形铝壳锂电池在制造组装过程中，需要大量应用到激光焊接工艺，例如：

电芯软连接与盖板焊接、盖板封口焊接、密封钉焊接等等。

激光焊接是方形动力电池的主要焊接方法，归功于激光焊接具有能量密度

高，功率稳定性好，焊接精度高，易于系统化集成等诸多优点，在方形铝

壳锂电池生产工艺中，有不可替代的作用。

1.顶盖激光焊接技术的1.0时代

焊接速度＜100mm/s2015-2017年，国内新能源汽车受政策驱动，开始爆发，

动力电池行业开始扩张，但国内企业技术沉淀、人才储备还相对较少，相

关电池制造工艺和装备技术也在起步阶段，设备自动化程度相对较低，设

备制造商刚开始关注动力电池制造并加大研发投入。在此阶段，行业内对

方形电池激光封口设备的生产效率要求通常在6-10PPM，设备方案通常使用

1kw光纤激光器通过普通激光焊接头出射（如图2），由伺服平台电机或直

线电机带动焊接头运动并进行焊接，焊接速度50-100mm/s。

图2采用1kw激光器焊接电芯顶盖

在激光焊接工艺上，也正由于焊接速度相对较低，焊缝热循环时间相对较

长，熔池有足够的时间流动和凝固，且保护气体能较好的覆盖熔池，易获

得表面光滑饱满、一致性好的焊缝，如图3。

图

3顶盖低速焊接的焊缝成形

在设备上，虽然生产效率不高，但设备结构相对较简单、稳定性较好且设

备造价低，很好的满足了该阶段行业发展的需求，为后续技术发展打下了

基础。

顶盖封口焊1.0时代虽然有设备方案简单、成本低、稳定性好等优点。但

是其固有的局限也十分明显。设备上，电机驱动能力不能满足进一步提速

的需求；工艺上，单纯通过提高焊接速度、激光功率输出来进一步提速会

带来焊接过程的不稳定和良率的下降：提速使得焊接热循环时间缩短，金

属的熔化过程更剧烈、飞溅加大、对杂质的适应会更差，更易形成飞溅孔

洞，同时熔池凝固时间的缩短，会导致焊缝容易表面粗糙、一致性降低。

当激光光斑较小时，热输入量不大，飞溅可以降低，但焊缝深宽比较大，

焊缝熔宽不够；当激光光斑较大时，需要输入较大的激光功率，使焊缝宽

度增大，但同时又会导致焊接飞溅增加，焊缝表面成型质量差。在该阶段

的技术水平之下，进一步的提速意味着需以良率换效率，装备和工艺技术

的升级要求成为行业性需求。

2.顶盖激光焊接技术的2.0时代

焊接速度200mm/s2016年中国汽车动力电池装机量约30.8GWh，2017年约

36GWh，而2018年迎来了进一步的爆发，装机量达到57GWh，同比增长57%，

新能源乘用车也生产近百万量，同比增长80.7%。装机量爆发的背后是锂电

制造产能的释放，新能源乘用车电池装机占比超50%，也意味着行业对电池

性能、质量的要求会越来越严格，随之提升的制造装备技术及工艺技术也

进入了新的时代：为了满足单线产能要求，顶盖激光焊接设备需要产能提

升到15-20PPM，其激光焊接速度需要达到150-200mm/s，所以在驱动电机

上，各设备厂商均升级了直线电机平台，使其运动机构满足对矩形轨迹

200mm/s匀速焊接的运动性能要求；但针对高速焊接情况下如何保证焊接质

量，需要进一步工艺突破，行业内企业进行了诸多探索和研究：相对1.0时

代，2.0时代高速焊接所面临的问题是：采用普通的光纤激光器通过普通焊接头

输出单点光源的方案，选型很难满足200mm/s的要求。在原有技术方案上，只能

通过配置选项，调整光斑大小，以及调整激光功率等基本参数来控制焊接成型效

果：采用光斑较小的配置时，焊接熔池匙孔细小，池形态不稳定，焊缝熔宽也偏

小；而采用光斑较大的配置时，匙孔会增大，但是焊接功率显著的提高，飞溅和

爆孔率显著提高。从理论上，如果想保证顶盖高速激光焊接的焊缝成形效果，需

要满足以下一些要求：①焊缝具有足够的宽度，且焊缝深宽比合适，这就需要光

源的热作用范围足够大，且焊接线能量在合理范围；②焊缝光滑，这需要焊