动力电池 极耳—汇流排 双模激光 Al—Cu 异种连接
集中能量形成深而窄的焊缝，主导熔深。
预热与后热、均化温度场并稳定熔池。
兼顾强度、电阻、温升与金属间化合物。
应用背景#
电池性能和安全性很大程度上依赖**极耳（tab）与汇流排（busbar）**之间的连接质量。这一连接既要保证电流稳定通过，也要在车辆振动、温度循环和长期服役中维持足够的机械强度。
超声波焊接、电阻焊等传统方法在同种材料连接中已有成熟应用，但面对 Al—Cu 异种材料时，铝和铜在熔点、导热率与热膨胀等方面差异明显，界面容易形成脆性的金属间化合物（IMC），并伴随气孔、裂纹和飞溅等缺陷。单模激光虽然速度快、能量密度高，也会因局部热输入过度集中而遇到类似问题。
双模激光焊接把中心核心光束与外围环形光束组合起来，通过独立控制两部分功率，调节熔深、熔池流动和温度梯度，从而减少焊接缺陷与 IMC，改善连接的机械和电气性能，尤其适合异种材料连接。
技术亮点：双模激光#
双模激光由核心激光和环形激光两部分组成：
- 核心光斑直径约 58 μm： 能量集中，适合形成深熔焊，获得深而窄的焊缝；
- 环形光斑直径约 413 μm： 能量分布更均匀，可对焊接区域进行预热和后热处理，稳定熔池并减小热应力与缺陷。
两部分功率可以独立调控。焊接 Cu—Cu 时，铜的高导热率需要较高的核心功率，而环形光束可抑制熔池塌陷；焊接 Al—Cu 时，铝的熔点较低，需要降低核心功率，并通过环形光束减小温度梯度。
这套方法的关键可以概括为**“分工合作”**：核心光束负责提供熔深，环形光束负责稳定过程和均化热场。
关键工艺：焊接参数#
核心功率、环形功率和焊接速度共同决定热输入、熔池稳定性、熔深以及异种材料界面的混合程度。三项参数不能孤立判断，尤其是在 Al—Cu 与 Cu—Al 组合中，材料上下位置改变后，最佳参数窗口也会随之变化。
核心功率（Core Power）
核心功率（CP）决定主要热输入和熔深。
同种材料
- Al—Al： CP 从 1400 W 提高至 1850 W 时，熔深增加，接头强度提高至 221.2 N；继续提高到 2000 W 后，焊缝出现裂纹与根部孔洞，强度反而降至 176.2 N。这是因为铝熔点低、热膨胀大，热输入过高时应力集中十分明显。
- Cu—Cu： 在研究采用的参数窗口内，较高 CP 有利于获得更深熔深和更大结合面积，接头强度达到 613.2 N。铜熔点高、导热快，能够承受更高的热输入。
异种材料
- Al—Cu： CP 从 1400 W 提高到 2000 W，熔深没有明显变化，却出现焊缝凹陷；接头强度由 475.6 N 降至 422.8 N。原因是铝容易蒸发，不能过热。
- Cu—Al： CP 为 1400 W 时孔洞较少，接头强度达到 508.6 N；继续提高 CP，焊缝凸起增多。铜导热强，熔化的铝容易上浮，使 IMC 和裂纹风险显著增加。
异种材料焊接的核心功率必须谨慎选择：功率过高会使低熔点材料蒸发，功率过低又难以形成足够熔深，需要通过试验在二者之间取得平衡。
环形功率（Ring Power）
环形功率（RP）的主要作用是稳定熔池，对熔深的直接影响相对较小。
同种材料
对于 Al—Al 和 Cu—Cu，RP 提高到 2000 W 时，熔深基本不变，但熔池更稳定、焊缝凸起减少。环形激光产生的预热和后热作用类似于光束振荡，可使热输入与焊缝形貌更均匀。
异种材料
- Al—Cu： RP 从 900 W 提高到 1600 W 后，根部孔洞和裂纹倾向增加；过高 RP 会带来过大的热输入，并使 IMC 显著生长。
- Cu—Al： RP 提高到 2000 W 后，焊缝高度降低、凸起减少，熔池流动更加稳定，也减弱了熔化铝的上浮。
环形功率能够缓冲热冲击、平衡温度梯度，这一点在异种材料焊接中极为重要；但环形功率并非越高越好，超出适宜窗口后仍会造成过热和脆性相生长。
焊接速度（Speed）
焊接速度（S）影响单位长度热输入与冷却速度，对 IMC 敏感的异种材料连接尤其关键。
同种材料
Al—Al 和 Cu—Cu 的 S 从 0.5 m/s 提高到 1 m/s 后，熔深变浅，但接头强度没有明显变化。
异种材料
- Al—Cu： 0.5 m/s 的较低速度带来较高热输入，在研究条件下 IMC 反而较少；提高到 1 m/s 后，接头快速凝固，材料混合减少，裂纹风险下降。
- Cu—Al： 0.8 m/s 的较高速度有利于快速冷却，可抑制 IMC 生长与裂纹形成。
因此，速度是异种材料焊接的重要控制量。较高速度有助于限制 IMC，但仍必须保证足够熔深，不能以牺牲有效连接面积为代价。
金属间化合物：性能背后的隐患#
Al—Cu 接头在较低核心功率 1400 W 下，焊缝底部可观察到 Al₂Cu 和 Al₄Cu₉，裂纹较少。较高速度会使接头快速凝固，但如果总体热输入没有得到控制，界面仍可能形成较多 IMC。
Cu—Al 接头在较低核心功率下，焊缝底部主要出现 CuAl₂ 和 CuAl，顶部相对较少；焊接速度提高到 0.8 m/s 后，可更有效地控制 IMC 与裂纹。
论文讨论了 IMC 的分布，但没有量化其厚度及其与性能的对应关系。 在实际工程应用中，通常还需要把 IMC 层厚度限制在明确范围内，例如控制在数微米量级，并进一步建立厚度、成分与强度、电阻、疲劳寿命之间的关系。
电气与热性能：不能只看强度#
接头强度达标并不代表连接可靠。动力电池的大电流工况还要求接头具有低电阻和低温升。
Cu—Cu 接头
Al—Al 接头
Cu—Cu，150 A
Al—Al，150 A
- 电阻：Cu—Cu 最低，为 0.05 mΩ； Al—Al 最高，为 0.15 mΩ；Al—Cu 与 Cu—Al 接头的电阻较为接近。
- 温度： 150 A 电流下，Al—Al 接头温度最高，达到 111.6 °C；Cu—Cu 最低，仅 47.8 °C； Al—Cu 与 Cu—Al 约为 65–96 °C。
过高温升会缩短连接和电池寿命，并带来安全风险。Cu—Cu 性能最优，但铝价格低、质量轻，仍具有明显的性价比优势。 对消费者而言，无论选择哪种材料组合，安全始终应排在首位。
应用思考#
双模激光对同种与异种材料的差异化优化，为动力电池连接工艺提供了有价值的思路。结合实际应用，还有以下几点值得继续研究：
- IMC 厚度需要定量分析。 仅辨认相组成和分布不足以直接预测接头性能，应建立 IMC 厚度、脆性与强度、电阻之间的量化联系。
- 铝、铜材料存在批次差异。 成分、表面状态、镀层和尺寸偏差都可能改变吸收率与熔池行为，参数窗口需要考虑量产波动。
- 800 V 快充正在普及。 论文采用的 150 A／200 A 测试电流相对当前高倍率快充需求偏低，还需评估更大电流下的温升和长期稳定性。
- 寿命评估不能缺席。 车辆振动与热循环会持续加载焊点，应补充疲劳试验和加速老化试验，验证全寿命周期可靠性。
最后留一个问题：固态电池究竟是宣传热潮，还是能够真正落地的下一代技术？
参考文献#
Nikhil Kumar et al., “Dual-Mode Laser Beam Welding of Similar and Dissimilar Material Tab-to-Busbar for Electric Vehicle Battery Pack”, Journal of Advanced Joining Processes, 10 (2024), 100250. DOI: 10.1016/j.jajp.2024.100250.
原文发表于微信公众号“激光之研”，2025 年 3 月 3 日；本页在完整保留技术内容、数据、图注和参考文献的基础上，重新组织为适合博客阅读的版式。
