动力电池成组中的电阻焊概述

在动力电池的组装过程中，电阻焊作为一种相对成熟的工艺，在某些场合应用，如单体和母排的焊接、电池极耳和并联导电条的连接等。由于设备简单，成本低，在电池行业早期得到了广泛的应用。尽管近年来逐渐被更先进的激光焊接和超声焊接所取代……无论如何，整理一份资料，了解成型工艺界的前辈。

电阻焊虽然具有劳动条件好、无需额外焊接材料、操作简单、机械化方便等优点；但也受功耗大、电极棒更换、焊接材料导电性、适用接头形式、焊接工件厚度（或截面尺寸）等因素的限制。在下面的视频中，内部的组焊接是电阻焊。感觉一下。

电阻焊(resistance welding)将工件放置在一定的电极力夹紧间，然后利用电流通过部件沉淀的电阻热熔化材料，冷却后形成可靠点。

电阻焊的基本形式如下图所示，即将连接的材料 3 夹在两个电极上 2 在施加一定的连接压力后，连接变压器 1 在接触区释放大电流并持续一段时间，直到接触面之间出现真实接触点，然后继续增加接触电流，使熔融核继续生长。此时，材料接触位置的原子不断激活，形成熔化核心 4。较后，变压器停止通电，熔化件材料冷凝固。一种通过工件接触面和相邻区域产生的电阻热效应将电流加热到熔化或塑性状态，形成金属结合的方法。主要有四种电阻焊方法，即点、缝、凸、对。

电阻焊点的热源是电流通过连接区产生的电阻热。电阻焊点时，电流通过零件产生的热量可以通过以下方式确定：

Q=I^2Rt

Q——产生的热量(J);

I——接电流(A);

R——两个电极之间的电阻(Ω);

T——通电时间(s)。

上述公式表明，决定电阻焊接的热量是三个因素：焊接电流、两个电极之间的电阻和通电时间。然而，大部分热量用于形成点焊点，而少数热量分散在焊点周围的金属中。形成一定焊点所需的电流与通电时间有关。如果通电时间很短，点焊所需的电流将增加。

两个电极之间的电阻R不同于电阻焊接方法。电阻点焊的电阻R由两个焊件的内部电阻组成Rw、两个焊件之间的接触电阻Rc电极与焊件之间的接触电阻Rcw组成。

电阻焊分为点焊、缝焊、凸焊和对焊。点焊应用广泛。

点焊是利用柱状电极加压通电，在搭接工件的接触面上形成一个点的连接方法。后面会有细节。

焊缝焊接，焊件组装在两个滚轮电极之间，滚轮压力焊件并旋转，连续或连续电源，形成连续焊缝的电阻焊接方法，称为焊缝焊接。焊缝焊接主要用于焊缝规则、密封的结构。

1-上焊件；2-下焊件；3-上电极；4-下电极；5-焊机电源；

凸焊，在工件上有预制的凸点，一次可在接头处形成一个或多个熔核。凸焊是点焊的一种变形。

对焊，是使焊件沿整个接触面焊合的电阻焊方法。除了电阻对焊，相关的还有闪光对焊。

电阻焊接：将焊件组装成对接接头，紧密接触端面，用电阻热加热至塑性状态，然后切断电源，快速施加顶锻力完成焊接。电阻焊接主要用于截面简单、强度要求低的焊件。

闪光焊接：焊接部件组装成对接接头，打开电源，使端面逐渐接近局部接触，使用电阻热加热这些接触点，在大电流作用下，产生闪光，熔化端金属，直到端达到预定温度，切断电源，快速施加顶锻力完成焊接。

点焊时，先加压使两个工件紧密接触，再接通电流。电流通过产生的电阻热熔化局部金属，形成液体熔核。断电后，继续保持压力或增加压力，使熔核在压力下凝固结晶，形成致密的组织点。焊接一点后，电极(或工件)将移动到另一点进行焊接。焊接下一点时，部分电流会流过焊接点，称为分流现象。分流会降低焊接处的电流，影响焊接质量，因此两个相邻点之间应有一定的距离。电流、通电时间、电极压力和工件表面清洗是影响焊点质量的主要因素。点焊主要适用于薄板，每次一点或多点。

通常，电阻点焊过程由预压、连接、维护和休息四个阶段组成，连接时间、电流和电极电压是其基本参数。下图显示了点过程中四个基本阶段的时间表。

预压阶段：本阶段主要完成电极力的施加。电极与部件接触后，保持恒定的电极压力支撑，确保电流通道在通电过程中保持稳定。因此，预压阶段需要一定的持续时间。

焊接阶段：作为熔核成型的主要阶段，本阶段需要有效的电流保持基本不变，或在小范围内浮动。在这一阶段，经过非常复杂的变化，焊区的温度分布逐渐稳定。起初，零件之间的热量输入远远大于消散热量，因此焊接区域的温度迅速上升，形成高温连接区域。由于外部空气和焊接中心的熔化部件被阻断，焊接部件材料不会与空气发生氧化反应。一段时间后，熔化区域变大，塑性环也变大，直到热量输入和热量损失达到平衡和稳定状态。

在维护阶段，电极仍与前两个阶段保持相同的状态，但此时不再通过电流。本阶段主要是完成熔核中热量的消散，形成冷却的可靠点。

休息阶段：本阶段电流和电极压力均为零。当电极回升时，移除焊接物体，开始准备下一个焊接过程。

根据电极与焊接材料的不同接触方式，点焊可分为上下接触法、平行间接法和平行法图显示了不同接触方式的点焊示意图。

图a显示了上下接触，所有通用点焊机都使用这种方法。它从焊件的上下两侧给电，适用于小零件和大零件周围焊点的爆炸。

图b为平行法，从一侧给电时尽可能同时焊接两点，以提高生产效率。当点焊间距过小时点焊间距过小时不能焊接。在某些情况下，可以在工件下增加铜垫板，以降低通路电阻，从而减少分流；如果设计允许，在焊件上板的两个焊点之间冲洗一个狭长的间隙，分流电流可以大大降低。

图c显示了一种平行间接的方法，在焊接部件的一侧给电时，当电极的可达性很差或部件较大，二次回路过长时。该方法的缺点是存在分流。为了减少分流，可以在另一侧增加铜垫作为单作用支点。

影响动力电池组点焊质量的因素有很多。点焊过程中的电阻、电流分流、焊接电流、焊接时间、电极压力和焊接电源模式的选择将对点焊质量产生一定的影响。其中，焊接电流、焊接时间、电极压力和焊接电源模式的选择是影响点焊质量的较大因素。

焊接电流可以通过以下方式影响点焊的加热过程：首先，调整焊接电流的有效值，可以显著改变内部电源的热量；第二，由于电流集中收缩，导致集中加热，首先出现塑性连接区，形成点焊不均匀的加热过程，以选择不同的焊接电流波形，改变电极形状和端面尺寸，为了控制溶核的形状和位置，可以改变电流场的形状，控制电流的密度分布。

随着焊接电流的增加，电阻热增加，相应的点焊溶核和接头的抗剪强度增加。但如果焊接电流过大，会导致母材过热，甚至加重电极端面损耗。

通电时间，点焊时，电流通过两个电极产生的热量，部分用于加热焊接区形成焊点，称为有效热量。对于一定的焊接材料和一定的焊接区金属体积，这部分热量是一定的，与加热时间长度无关；另一部分在加热时传输到电极和焊接区周围的冷金属和空气中，称为热损失，随着时间的推移而增加。

如果瞬时焊接，热量损失等于零，总热量等于有效热量。因此，为了增加总热量，不能使用任何延长焊接时间的方法。

电极压力，首先，电极压力对两个电极之间的总电阻有显著影响，从而影响点焊过程中的焊接热量。其次，电极压力对焊接接头的散热性能影响很大。当电极压力过小时，两个电极之间的电阻增加，产生更多的焊接热量，焊接接头散热差，容易引起早期飞溅；当电极压力过大时，两个电极之间的电阻较小，电流密度降低，导致焊接热量不足，接头散热改善，导致溶核尺寸减小，焊接渗透率降低，严重虚拟焊接。在选择电极压力时，应选择较小电极压力，即节能，保证焊接质量。

焊接电源、电阻点焊设备通常由三个主要部分组成：主电源、控制装置和机械装置。其中，焊接主电源作为较重要的部分，选择可控焊接电源是保证焊接质量的关键。

交流焊接电源采用变压原理，交流380V变压后，电网输入获得低压大电流。交流焊接电源是所有电阻焊接电源中应用较广泛的一种。其通用性强、经济、易控制、维护简单，被广泛用于碳素钢、奥氏体不锈钢等电阻率较高材料的点焊。但是，其功率因素低，仅为0.4-0.5；对电网影响较大，可能影响其他电气设备的正常使用；焊接时较短放电时间为1/2波，即0.01s，不能实现爆接的精确控制，不适合特殊材料的高标准焊接。

逆变焊接电源的工作原理是将输入的三相交流电整流成直流电，滤波后得到的直流电波动较小，然后通过IG将直流电逆变为中频交流电输入变压器，然后通过降压整流获得的直流电供电极焊接工件。

逆变焊接电源具有以下优点：逆变系统受供电系统影响小，三相负载平衡大大提高了焊接电流的控制和测量精度；交流焊接电源的1/3质量和体积轻便快捷；采用直流焊接，无过零现象，热效率大大提高，节能。因此，逆变焊接电源广泛应用于高速自动化生产。

另外还有两种常见电源，次级整流式焊接电源是在交流式焊接电源的基础上加入整流器进行改进得来的，温升快，且焊接质量更加稳定;焊接通用性很强，可用于焊接各类金属材料，且能获得比交流式电源更好的焊接效果。电容储能电源利用电容器的储能功能，开始电容器从电网中吸收能量。焊接工件时，电容器在短时间内完成放电，变压器变压后向焊接工件放电。目前广泛使用小功率电容储能焊机。

焊点被烧穿

焊点压痕过大

焊点太小或强度不够

焊点有烧痕或划痕

焊接时飞溅大

焊点有裂纹

案例，圆柱模块母排连接

马聪在论文《电动汽车动力电池组点工艺研究》中介绍了圆柱形电池模块焊接的研究成果。

新能源电动汽车动力系统使用的动力电池组由几个镀镍钢带壳体18650个单体锂离子电池组成，镀镍连接器串并联后向电动汽车供电。电池连接器的厚度为0.2mm，锂离子电池外壳的厚度为0.25mm，两者都是薄板。动力电池外壳中使用的镀镍深冲钢带镀镍层要求镀镍层厚度为3-10μm。

评价材料点焊可焊性的指标包括：材料的导电性和导热性、导热性小、导热性大的金属材料、高温强度和可塑性范围、高温屈服强度大、塑性温度范围窄的焊接性能差、材料和电极粘附、点焊性差、材料的热敏感性、与热循环循环缺陷的材料点焊性差。

影响连接质量的主要参数包括电极压力、连接时间和连接电流。研究比较了其影响的大小，发现：

1)对接头的影响依次为电流>接时间>电极压力。即接电流I 对接头的抗拉强度影响较大，其次是连接时间t，二是电极压力p。(2)获得良好接头的组合是A1B2C3.即接电极压力较小，接电时间中等，接电流较大。

来源：动力电池技术

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