模组Busbar焊接站中铜铝异种金属焊接技术研究与应用

2025/08/23企业新闻新闻中心行业新闻 40

随着新能源汽车行业的快速发展，动力电池模组制造工艺面临着前所未有的挑战，其中铜铝异种金属焊接作为关键技术，直接影响着电池模组的性能、安全与寿命。

随着新能源汽车行业的快速发展，动力电池模组制造工艺面临着前所未有的挑战，其中铜铝异种金属焊接作为关键技术，直接影响着电池模组的性能、安全与寿命。

Busbar（汇流排）是实现电芯与电芯之间电气连接的核心组件，负责完成电芯的串并联结构。异种金属焊接，如镀镍铜电池片和1XXX系铝制Busbars的连接叠焊，或铝和不锈钢的焊接，已成为动力电池模组制造中的关键技术难点。

1 铜铝异种金属焊接的挑战

铜和铝作为电气设备最常用的Busbar材料，具有不同的物理和化学特性。根据IACS标准，铜的电阻率、抗拉强度和导热系数优于铝，但如果考虑重量因素，相同质量下铝的导电率是铜的1.85倍。因此，对于有轻量化设计要求的电动汽车，铝成为了更好的选择。

然而，铜铝异种金属焊接面临诸多挑战：首先，铜和铝的熔点相差较大（铜1083℃、铝660℃），导致焊接温度窗口窄；其次，两者导热率和热膨胀系数不同，易产生焊接应力变形；再者，铜铝之间易形成脆性金属间化合物，影响接头机械强度和导电性能；最后，铝材表面通常采用镜面处理，对激光能量的反射率较高，能量吸收率仅在5%左右。

2 主流焊接工艺技术

2.1 激光焊接技术

激光焊接作为Busbar焊接的重要工艺，近年来得到了广泛应用。力星激光开发的模组Busbar激光焊接机采用高速分光设计，最多可分4路光纤，打点速度快达40点/秒，焊接精度可达0.01mm，光电转换效率高达40%。

复合激光焊技术是解决高反材料焊接的有效方案。该技术首先采用单模激光对焊接对象进行焊接，形成第一焊接匙孔；然后采用准直激光在第一焊接匙孔的基础上形成第二焊接匙孔直至完成焊接。这种方法能够减少焊接飞溅，提高焊接质量稳定性，对高反材料铜、铝抗高反有很好的效果，能量吸收率得到显著提升。

2.2 超声波金属焊接技术

超声波金属焊接（UMW）是另一种广泛应用于Busbar焊接的工艺。通用汽车雪佛兰Volt和日产LEAF的锂电池组目前均采用超声金属焊接工艺进行生产。

该技术利用20Khz的6.5KW超声波金属焊接机，输出振幅30-60μm，通过焊接压力、焊接时间和焊接振幅三个主要参数的精确控制，实现不同厚度材料的可靠连接。

超声波焊接的优势在于：可焊接不同厚度的不同材料、高光高反射材料和导电材料，可对多层材料进行焊接，且焊接中低热量输入更加安全。研究表明，0.3mm铝Tab和1mm铝Busbar焊接时，在1.5bar条件下，焊接强度达到最大值，且外观良好。

2.3 热熔焊接工艺

针对铜铝复合母线的连接，热熔焊接工艺提供了一种创新解决方案。该工艺包括固定焊接工件、焊接工件定位、工件焊接、打磨抛光和抗拉强度试验等工序。

通过热熔快速焊接的方法能够使焊接成型的母线的电气性能和机械性能保持一致，具备良好的抗拉强度和延伸性，保证了在输配电设备中使用的安全稳定性。这种工艺解决了传统母线焊接材料浪费大、成本高和使用率低的问题。

2.4 高分子扩散焊技术

金吉港开发的高分子扩散焊机适用于铜铝巴、软铜铝排、铜铝巴镍片、汇流排、锂电池PACK等多种同种或异种金属材料焊接7。该技术无需焊料，实现无痕焊接，具有焊接产品时间短，强度高，提升效率，外观精美平等优点。

扩散焊技术广泛应用于航空航天、新能源汽车、电力电柜等多个领域，特别适用于对焊接外观和性能要求较高的场合。

3 焊接质量评估体系

3.1 机械强度评估

T-peel测试是评估焊接机械强度的主要方法。测试时使用量程5KN的拉力计，测试速度20mm/min，以减少速度快速变化引起的冲击。记录测试中的峰值拉力，每组参数下撕力测试3个焊接样件，取均值以表征该参数下的焊接强度。

根据载荷-位移曲线，焊接结果可分为三类：虚焊（Under-Weld）、良好（Good-Weld）和过焊（Over-Weld）。虚焊在焊缝界面上出现未连接的间隙；良好的焊接在焊缝界面上呈现均匀结合的结果；过焊则在焊缝界面上出现了过度减薄并带有片状破碎区。

3.2 电阻性能评估

接头电阻性能是评估焊接质量的关键指标。评估时，Tab-to-Busbar焊接样件两头用铜块夹紧，两侧铜块分别连接电源正负极和电压传感器。另外设置一个电压测量装置，测量点靠近焊接区域，根据设定的电流大小，计算出焊接后的接头电阻值。

研究表明，0.3mmAL Tab与1.0mm、1.5mm、2.0mm和2.5mm的AL Busbar焊接后起始电阻分别为0.089mΩ、0.087mΩ、0.080mΩ和0.065mΩ6。随着Busbar厚度增加，起始电阻逐渐减小，且Busbar厚度越小，随着通电时间增加，电阻变化越大。

3.3 温升性能测试

电阻产生热量损失，使用焊缝正上方的热成像仪就能记录温升结果。锂软包电芯经过的电流高达300A，测试通常采用250A电流，通电测试时间60s，记录温升结果。同时，还可以计算出接头的电阻随温升变化的结果。

测试发现，0.3mmAL Tab与1.0mmAL Busbar焊接接头在通电过程中电阻增加了0.034mΩ，而对应2.5mm AL Busbar，电阻仅增加了0.016mΩ。同样的变化趋势也发生在AL Tab与不同厚度的铜Busbar的焊接接头上。

4 工艺参数优化研究

焊接工艺参数对焊接质量有着决定性影响。对于超声波金属焊接，三个主要参数需要优化：

焊接压力：研究表明，0.3mm铝Tab和1mm铝Busbar焊接，焊接压强在1bar-3.5bar条件下，撕拉力大于200N。但当焊接压强大于2.5bar时，铝Tab变形严重，因此不建议采用。在1.5bar条件下，焊接强度达到最大值，且外观良好。
焊接振幅：在振幅30-35μm时接头会产生虚焊，随着振幅增大，焊接结果改善。对于铝和铜组合，振幅在50μm时撕拉力达到最大值。
焊接时间：对于铜制Tab-to-Busbar焊接，随着焊接时间增加，撕拉力稳定增加，在0.55s时撕拉力达到261N。对于铝制Tab-to-Busbar焊接，随着焊接时间增加，撕拉力轻微下降，这是因为AL制Busbar过度变形（过焊）。铝制Tab-to-Busbar适合的焊接时间是0.35s，可避免虚焊和过焊。

以下为超声波金属焊接的最佳参数参考表：

材料组合	最佳焊接压力	最佳焊接振幅	最佳焊接时间	最大撕拉力
0.3mm铝Tab+1mm铝Busbar	1.5bar	50μm	0.35s	>200N
0.3mm铜Tab+1mm铜Busbar	1.5bar	50μm	0.55s	261N

5 应用与发展趋势

Busbar焊接技术广泛应用于动力电池模组行业，特别是Basbar汇流排焊接领域。随着新能源汽车对电池性能要求的不断提高，Busbar焊接技术也在不断发展创新。

未来发展趋势包括：多种焊接工艺融合：结合激光焊、超声波焊和扩散焊等多种工艺优势，形成复合焊接解决方案；智能化与自动化：焊接设备可单站独立工作，也可融入自动化生产线，提高生产效率和一致性；材料创新：开发新型复合材料和镀层技术，减少金属间化合物的形成，提高焊接质量；在线监测与质量控制：集成实时监测系统，通过传感器和视觉系统对焊接过程进行全过程监控和质量评估。