研究人员探讨激光束整形技术 以提高EV电池冷却板的焊接速度

盖世汽车讯 据外媒报道，谈到极端温度，电动汽车(EV)电池与人非常相似，在与人类相同的温度范围内表现最佳。EV热管理系统可充分提高电池性能，并延长其使用寿命。通过EV热管理系统中的冷却板，液体冷却剂可以带走电池中的热量。

有一种冷却板设计是在两个薄铝板之间循环冷却剂。冷却剂流过底板中的冲压通道。为防止冷却剂泄漏，必须将底板和顶板连接起来，以形成紧密的密封接头。另外，焊接接头必须没有裂纹，否则易发生机械故障。

冷却板钎焊挑战

制造商使用真空钎焊技术来连接电池冷却板。比起目前EV电池系统中使用的冷却板(高达2.1×1.3 m)，早期的冷却板要小得多。由于需要更大的冷却板，真空钎焊的效率大幅降低。钎焊速度慢且大量耗能(大于4 MW)，导致运营成本提高。

钎焊还需要用到特殊的Al 3003铝合金。制造商希望改用低成本合金，例如Al 5754(这种合金可以钎焊，但需要后加工处理)和Al 6xxx系列合金(具有可回收优点但根本不能钎焊)，并寻找更快、更高效的连接方法。

富有前景的解决方案——激光焊接

由于千瓦级激光器具有更高的可靠性、稳健性和可用性，激光材料加工技术得以迅速推广。与传统焊接工艺相比，激光焊接降低了生产成本，并增加了制造的灵活性和选择性。

激光焊接技术的热输入更少，可充分提高速度，同时尽量减少变形。所有焊接方法都涉及熔池形成和随后的快速凝固。然而，激光焊接可提供高能量，不仅会熔化材料，还会将其蒸发。

在焊接过程中，由于材料蒸发，会产生一个小孔。因此，激光焊接具有非常高的熔透深度与焊缝宽度比。许多制造商传统的钎焊和焊接转向激光材料加工，以连接多种材料，降低功耗，提高加工成品率。

激光焊接冷却板面临的挑战

电池冷却板的尺寸大，几何形状复杂，必须满足严格的要求，才能实现坚固的接缝，从而提供长时间的无泄漏使用寿命。为避免机械故障，界面上的接头不能有任何裂纹、驼峰、凹陷或孔洞缺陷。

与热焊接相比，激光焊接具有高纵横比，可以减少零件变形的可能性。然而，这可能带来挑战，因为小孔的稳定性，对于实现高焊接质量具有重要意义。

在钢和镍等高吸收率材料的焊接过程中，激光小孔通常保持稳定。不幸的是，当焊接铜、铝和高合金材料等冷却板生产过程中所需的材料，小孔可能会具有不稳定性，使工艺受到影响焊接质量不规则性的影响。要克服这些缺陷，有一种常见方法是通过摆动光束和光束整形，改变激光光束的光斑形状和大小。

激光光束整形方法

三大类光束整形方法包括静态、可变和动态。静态和可变方法依赖于衍射光学元件(DOE)，通过坚固窗口上的微型图案，衍射和调制穿过它的光相位，提供具有成本效益的光束整形。对于静态光束整形，各种DOE可以调整工件上输出的激光束形状。静态解决方案的灵活性有限，因此适用于具有非常明确的过程参数的应用程序。

使用可调节的环形整形器，将光束分成中央尖刺，或核心光束和周围环形光束，DOE可以提供可变的光束整形选项，增加激光的灵活性。该选项需要通过单轴移位或旋转，改变核心和环形光束之间的比率强度。另一种方法使用二合一(双核)光纤的可变叠加强度分布。

虽然这样的光束成形解决方案可以提高给定工艺的灵活性，例如，使一台机器能够在连续生产中执行专门任务，但静态光束无法充分搅拌熔池，以完成日常工作中频繁变化的操作。

动态光束整形

动态光束成形方法有助于克服焊接缺陷，目前包括四种选项：电流计扫描仪、压电驱动驱动器、微电子机械(MEM)扫描仪和光学相控阵(OPA)。

在焊接过程中，可以使用电流计扫描仪，以圆形或八字形等模式振荡单模光纤激光器。然而，此类解决方案具有功率和频率限制。由于扫描仪振荡镜的质量，与移动部件相关的固有机械和动力学权衡，限制了最大可实现频率。更小、更轻的镜面限制了激光功率。

相比之下，OPA技术是一种相干光束组合(CBC)，可将许多单模激光束合并为较大的光束。每个激光器发出的光，与远场中的其他光束重叠，以创建衍射图案，从而提供了灵活性。因此，可以轻松地实时操纵光束形状，无需任何移动部件，从而创建动态光束激光器 (DBL)。

为了克服冷却板焊接挑战，需要设计和定制光束形状。这些光束形状具有高形状频率和一系列光束形状，使光束形状之间能够快速切换，从而增加了灵活性。例如，如果一种形状可以稳定小孔并防止飞溅，而另一种形状可以防止开裂，那么通过这两种形状的精心设计序列，可以同时实现三个目标。

最近开发的焊接冷却板配置工艺，包括采用Al 3003和Al 5754合金制成的通道和凹陷几何形状设计。由维也纳科技大学 (TU Wien)生产工程和光子技术研究所的Andreas Otto教授创建的仿真，帮助优化了许多工艺参数。

模拟结果表明，驼峰(humping)是一种周期性现象。当熔池较长且速度较快时，从两侧开始冷却，使熔融通道变窄。随着熔融通道变窄，熔融物质向上流动，形成了驼峰。

改变光束形状，将能量输入集中在熔池两侧，保持后缘的通道宽度，确保通道保持打开状态，并降低小孔后熔体的流动速度，从而降低产生驼峰的风险。将这一点与在该过程中引入不同的周期相结合，中断了驼峰的周期性，从而完全避免缺陷。每隔几微秒按顺序切换光束形状，从而消除驼峰，实现更高速度的焊接，而没有缺陷。

在大规模零件生产方面，印度先进激光焊接机制造商SLTL(Sahajanand激光技术有限公司)，在基于CBC的3D切割和焊接机中采用DBL技术。该项目由以色列创新局(Israeli Innovation Authority)和全球创新与技术联盟(Global Innovation & Technology Alliance)资助，可以实现无缺陷生产全尺寸冷却板。