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1. 引言
随着向可再生能源转型的加速，电能存储系统（ESSs）市场正在经历快速扩张。由于具有高能量密度和高功率密度，锂离子电池（LIBs）已成为各行各业的首选方案，巩固了其作为电动工具、便携式设备和电动汽车（EVs）主导技术的地位。
锂离子电池单元通过将多层电极箔焊接至极耳上以制造电池引线。尽管超声波焊接是该工序的首选工艺[1,2]，但为了克服现有技术局限并消除一道加工步骤以简化生产，对激光焊接的需求日益增长[3,4]。它具有高产能、热能消耗低、灵活性高以及通过非接触式工艺易于实现自动化的特点。
工业中传统使用的高功率高密度激光器通常在红外（IR）波长（例如1064纳米）下工作。然而，在电池焊接应用中，红外激光器受到严重缺陷的阻碍，包括飞溅增加、孔隙率和缺陷形成，这些因素共同导致了显著的机械和电气变异性。为了解决这些局限性，已经开发出了绿光激光器（波长532纳米）[5]，在高度反射表面上表现出显著更高的能量吸收。各种金属的波长相关吸收率是众所周知的。具体而言，与红外波长相比，铜、铝、镍和钢在绿光波长下的吸收率分别高出约8、2.5、1.5和1.2倍[6]. 这种增强的吸收特性降低了焊接所需的能量输入，从而减少了飞溅的形成，并抑制了小孔焊接过程中的空洞产生。因此，这扩大了加工窗口，并通过优化高导电性和高反射性材料的可焊性，使焊接件具有更优异的机械强度和更低的电阻率。
Grabmann等人研究了工艺参数（激光功率、焊接速度、脉冲宽度和脉冲频率）对使用绿色高功率盘状激光器在40层箔堆叠至铅片搭接结构（铜对铜和铝对铝）中焊接接头机械性能的影响[7]. 他们报告称，铜焊缝的机械强度约为铝焊缝的五倍。铜堆叠的最大平均强度为514 N，铝堆叠为92 N，因为铝接头的机械强度因焊缝与箔片脱离而降低。Rinker等人使用绿激光焊接技术，研究了从30层到90层多性向铜箔堆叠焊接至引脚的焊接极限[3]。随着箔片层数的增加，由于缺陷数量增多，工艺窗口随之缩小。
另一方面，激光振荡焊接利用振镜扫描仪的偏转能力来执行复杂的束流轨迹，从而保留了传统激光焊接的固有优势。此外，束流振荡的应用同时缓解了传统激光焊接工艺通常要求的严格装配公差[8]. 几项关于使用绿激光重叠接头配置的研究探讨了将电极铜（或铝）箔堆叠体多层焊接至引脚片上的工艺。Hong等人系统地研究了使用绿激光焊接将60层铜箔堆叠体与铜引脚片连接的接合特性，并考察了重叠配置（上引脚片和上箔堆叠体）以及焊缝策略（直线和摆动）的影响[9]。基于摆动轨迹的接缝策略在箔堆顶配置中产生了更宽的有效结合区域，并提高了接头完整性，在降低电阻的同时达到了最大拉伸剪切载荷。
值得注意的是，在传统的非振荡激光焊接中，激光功率和焊接速度等工艺参数决定了单位长度的热输入。这反过来又控制着峰值温度和冷却速率，最终决定了残余应力的幅值和分布[10,11]。然而，随着光束振荡的实施，振荡幅度和频率成为影响残余应力演化的关键参数[12,13].
综上所述，已开展多项研究，报告了激光束振荡焊接对焊接性能（包括力学性能和冶金特性）的影响。然而，除少数研究[14,15]，很少有研究采用模拟方法来评估多层铝或铜箔堆叠至焊片焊接处的残余应力结构性能。因此，本研究旨在通过三维瞬态热传导分析和热弹性塑性分析，预测60层铜箔堆叠至0.3毫米铜焊片接头的焊接残余应力，从而评估其结构完整性。2. 研究方法
2.1. 有限元建模
使用商业有限元（FE）软件ANSYS 16.0进行了数值模拟，以评估箔堆与引线极耳之间接头的温度分布、焊接残余应力和塑性应变分布。模拟的引线极耳和箔堆的尺寸与实验试样完全相同（如图1所示），测量尺寸分别为45 mm (L) × 49 mm (W) × 0.3 mm (t) 和 45 mm (L) × 49 mm (W) × 0.8 µm (t)（包含60层），如图1有限元模型采用SOLID70单元进行网格划分，这是一种适用于稳态和瞬态热分析的等参数三维实体单元。该单元具有八个节点，每个节点的温度被定义为单一自由度。在随后的热弹性塑性分析中，采用了SOLID185单元，并将热分析结果作为热载荷输入数据。为了准确捕捉焊接过程中的剧烈温度梯度，沿焊缝线应用了高度细化的网格，并向基体材料方向逐渐变粗。最小单元尺寸设定为0.2 mm × 0.2 mm × 0.008 mm。最终，构建的有限元模型包含138,467个节点和117,000个单元。在热传导分析的边界条件中，对流换热系数为20 × 10−6W/(mm2·K)被应用于所有外表面。基材的初始温度和环境温度均设定为300 K，以模拟室温条件。在热弹性塑性分析中，设定了边界条件，允许焊接接头在热输入和对流冷却阶段自由膨胀和收缩。数值模拟评估了箔堆和引线焊盘的两种焊接条件：案例1为常规直线焊接，案例2为摆动焊接，如表1所示基于我们之前的实验研究[9]，选择了2000 W功率下的代表性激光焊接条件进行有限元分析：直线焊接速度为150 mm/s（测试范围为100–200 mm/s），摆动焊接速度为50 mm/s，摆动幅度为0.8 mm（测试范围为0.4–1.2 mm）。这些参数是通过对焊缝形貌、力学性能和电阻的综合评估选定的。
图1。激光焊接接头的有限元建模。
表1。有无梁振荡的参数化案例。
2.2. 数值模拟
2.2.1. 热分析
激光焊接的三维瞬态热传导分析必须考虑移动热源，因为激光束的位置随时间变化。此外，焊接过程中温度的快速变化要求考虑与温度相关的物理性质，如热导率、密度和比热。这些因素对于实现准确的热传导分析至关重要。
激光焊接工艺中箔堆与极耳连接的三维瞬态热传导分析控制方程定义如下：
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