激光焊接过程中匙孔/熔池行为与光电辐射信息关联机制的解明及其在锂离子电池集流体连接中的应用

为解决锂离子电池(LIB)内部集流体激光焊接质量实时监测难题，研究人员通过高速成像技术与光电信号分析，系统揭示了匙孔(keyhole)/熔池(melt pool)动态行为与多波段光学辐射信号的关联机制，证实低频信号(0–2000 Hz)与熔池波动显著相关，为智能焊接监控提供了理论依据。该研究由上海材料科学与工程高能束智能加工团队完成，成果发表于《Optics》。

　　

在电动汽车蓬勃发展的今天，锂离子电池(LIB)的制造工艺直接关乎电池性能与安全性。其中，电池内部集流体（铜箔/铝箔）的可靠连接是核心工艺环节。传统超声金属焊接(USMW)因需双侧接触而受限，激光焊接凭借非接触、高精度优势成为新选择。然而，超薄箔片（6–15 μm）焊接时易产生气孔、飞溅等缺陷，现有工业监测方法难以捕捉熔池瞬态变化，导致质量隐患。

为攻克这一难题，上海材料科学与工程高能束智能加工与绿色制造学科团队联合开展研究，通过构建多源监测平台，首次系统阐明了激光焊接过程中匙孔(keyhole)与熔池(melt pool)动态行为对光电辐射信号的调制机制。研究采用6000 W连续光纤激光器(EVERFOTON FFRC-6000C)焊接铝箔，同步部署高速摄像系统与光电传感器，捕获可见光(300–700 nm)、激光反射(1064–1070 nm)及红外(1100–1600 nm)多波段信号。结合熔池热图动态分析与统计建模，揭示了光学信号与焊接质量的定量关系。

实验设计创新性突破
研究团队设计了三模块监测平台：① 高能束焊接系统实现参数精确调控；② 高速摄影以20,000 fps帧率记录熔池振荡；③ 多波段光电传感器同步采集辐射信号。特别开发了匙孔/熔池提取算法，将物理现象转化为可量化数据。

光学信号生成机制解析
通过五阶段模型（准备→激光激活→熔化→穿透→凝固）阐明信号演化规律。在穿透阶段(IV)，匙孔坍塌引发金属蒸气喷发，导致1064–1070 nm波段反射光骤降，而熔池振荡则在600–850 nm波段产生特征波动。

频域-时域关联证据
频域分析显示熔池低频波动(0–2000 Hz)与光学信号低频成分高度同步。时域分析证实信号瞬时突变对应熔体喷溅事件，如铝熔池喷射时可见光强度突增40%。统计模型进一步验证，信号标准差与气孔率呈线性相关(R²>0.92)。

工艺参数定量关系
激光功率每增加100 W，熔池振荡主频提升12 Hz；焊接速度超过8 mm/s时，1600 nm波段信号谐波成分消失，预示未熔合风险。这些规律为工艺窗口优化提供了明确阈值。

该研究首次建立了多维度光辐射信号与熔池动态特征的映射关系，不仅深化了对激光-金属相互作用机理的认识，更推动了LIB制造向智能化迈进。提出的频域特征提取方法可实时识别95%以上的飞溅缺陷，相比传统阈值法检测率提升60%。研究团队特别指出，未来结合机器学习算法，该监测体系有望实现μ级缺陷的在线分类，为动力电池安全性能提升提供关键技术支撑。