4680圆柱电池全极耳激光焊接工艺解析

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4680圆柱电池全极耳激光焊接工艺解析

随着电动汽车对高能量密度、快速充电和低成本需求的日益迫切，特斯拉引领的4680大圆柱电池应运而生。其最核心的技术革新之一，便是采用了“全极耳”设计。这一设计从根本上改变了传统电池的电流收集方式，也对与之匹配的激光焊接工艺提出了前所未有的挑战与机遇。

一、全极耳设计：焊接对象的重构

要理解焊接工艺，首先必须理解焊接对象。

1.传统电池的痛点：传统18650或21700电池采用单个或少量极耳，电流需从整个极片汇集到小小的极耳点，导致内阻高、产热大，限制了快充性能和大功率输出。

2.全极耳的革新：4680电池直接将正负极集流体（铝箔和铜箔）的整个边缘暴露出来，形成一个与电池壳体高度/盖板直径相当的“全极耳”端面。这相当于将无数个微小极耳并联，使得电流可以均匀、短路径地流入/流出，极大降低了内阻和热损耗。

然而，这一设计也意味着焊接接口从传统的“点-线”或“线-线”接触，转变为“面-面”接触。焊接对象是极薄的箔材（通常为10-20μm）堆叠而成的数千层结构，这对焊接的均匀性、一致性和热控制要求达到了极致。

二、激光焊接工艺的核心挑战与技术对策

激光焊接因其能量密度高、精度好、易于自动化等优点，成为连接全极耳与集流盘/壳体的不二之选。但其工艺难度也陡然提升。

主要挑战：

1.飞溅控制：这是最大的难点。数千层极薄的箔材在瞬间被高能量激光熔化时，内部的电解液残留、金属蒸汽等极易引发剧烈飞溅。飞溅物不仅污染电芯，可能导致内部短路，还会造成焊接材料损失，形成气孔、虚焊，严重影响连接强度和导电性。

2.熔深与热影响区控制：焊接需要足够的熔深以确保箔材之间、箔材与集流盘之间实现冶金结合。但激光能量稍有过剩，就可能击穿仅0.2-0.3mm厚的壳体底部，或损伤内部的隔膜，导致电池报废。热输入必须极其精确。

3.间隙容忍度：全极耳端面与集流盘之间不可避免地存在微观间隙。激光焊接对间隙极为敏感，间隙过大会直接导致焊接失败。如何保证所有箔层都能与集流盘良好接触是一大难题。

4.焊缝一致性：需要在圆周方向上形成一道连续、均匀、无缺陷的环形焊缝。任何一段的弱焊都会成为电流传输的瓶颈和机械强度的薄弱点。

关键技术对策：

1.光束调制与摆动焊接技术：

传统固定光斑焊接能量过于集中，易产生飞溅和孔洞。

光束摆动焊接是当前的主流解决方案。通过让激光焦点在焊接路径上以极高频率进行圆形、八字形或线性摆动，将集中的“点”能量分散到一个“面”上。这能有效搅动熔池，使气泡有足够时间逸出，同时降低峰值温度，实现“软焊接”，显著减少飞溅（可降低90%以上），并提高对装配间隙的容忍度。

2.多参数协同精准控制：

功率曲线控制：采用斜坡上升和下降的功率控制，避免起焊/收焊时的缺陷。

焊接速度与节奏：与摆动参数配合，找到最优的焊接速度，确保每个区域受热均匀。

保护气体：使用高纯度的氩气等保护气体，以特定角度和流速吹向熔池，有效隔绝空气，防止氧化，并辅助抑制飞溅。

3.实时监测与质量控制：

集成PLASMA（等离子体）监测和红外热成像等传感器，实时检测焊接过程中的等离子体信号和温度场变化。一旦发现异常信号（如飞溅、未焊透），系统能立即记录并报警，实现100%在线质量监控和不良品筛选。

三、焊接工艺流程简述

以正极与集流盘的焊接为例：

1.预处理：将卷绕形成的全极耳电芯端面进行碾压平整，确保所有箔层高度一致且与集流盘紧密贴合。

2.定位与夹紧：将集流盘精准定位在电芯端面，并施加适当的压力，消除宏观间隙。

3.激光焊接：编程好的机器人带动摆动焊接头，沿集流盘圆周轨迹进行焊接。整个过程在毫秒级内完成，参数由上述核心技术精确控制。

4.质量检验：通过外观检查、实时监测数据回溯以及抽样进行X-Ray和金相分析，确保焊接质量。

四、总结与展望

全极耳激光焊接是4680电池量产的核心瓶颈，也是其性能优势得以实现的关键保障。它不再是简单的“缝合”，而是一项涉及光、机、电、热、材料等多学科交叉的精密“微创手术”。未来的工艺发展将更加聚焦于：

智能化：利用AI算法对海量焊接数据进行分析，实现参数的自适应优化和缺陷的智能预测。

新工艺探索：如复合焊接（激光+超声）等，以期在更低热输入下实现更可靠的连接。

可以说，谁真正掌握了高效、稳定、低损耗的全极耳激光焊接工艺，谁就在下一代大圆柱电池的竞争中占据了制高点。