基于原位同步辐射X射线的多层铝箔激光焊界面接触与堆栈柔顺性对小孔失稳及缺陷形成的影响

《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：Interfacial contact and stack compliance effects on keyhole instability and defect formation in multilayer laser welding

　　

研究人员通过operando（原位）高速同步辐射X射线放射成像（synchrotron X-ray radiography）研究了多层铝（Al）箔堆栈与固体极耳（tab）激光焊接过程中，界面接触状态与堆栈柔顺性（stack compliance）对熔池连续性、小孔（keyhole）稳定性及缺陷形成的耦合作用。结果表明，孔隙成核、输运与合并紧密关联于小孔瞬态波动；界面间隙会破坏跨界面热耦合与熔池连通，诱发未熔合与气孔。超声焊（USW）预固结反而因局部变形与刚度增加使界面间隙保留，较未固结堆栈更易产生小孔不稳定与缺陷；未固结箔层在焊接中可动态贴合基底，降低孔隙率。样品朝向改变热-力边界条件，将铝基板置于箔堆上方可改善接触并拓宽稳定工艺窗口。该研究将界面状态确立为多层Al箔焊接中的关键工艺变量，并为缺陷演化和稳定加工窗口提供机制框架。

研究背景与问题提出：动力电池与大规模电池制造对高吞吐、高一致性连接技术需求迫切。铝（Al）集流体与多层极耳（tab）薄箔连接中，激光焊因局域热输入与高速度具优势，但多层柔顺箔堆使小孔（keyhole，蒸气腔）、熔池与缺陷行为不仅受激光参数控制，还强烈受箔间界面接触、热耦合与机械柔顺性影响。既往operando（原位）研究多聚焦块体材料，缺乏对多层柔顺堆栈中界面状态如何实时调控小孔与孔隙动力学的直接观测；尤其超声焊（USW，ultrasonic welding）预固结常作为焊前工序，但其改性后的界面是否利于后续激光焊尚不明确。因此，研究人员以AA1050铝箔堆栈（30、50、70及探索性120层）对接Al-1100基板为对象，采用原位同步辐射X射线成像揭示缺陷起源。

主要技术方法：研究人员在APS 32-ID光束线搭建in-house激光焊装置，使用1070 nm连续光纤激光（功率400–800 W，扫描速度20–100 mm s?1，光斑70 μm），在环境空气无保护气下焊接；通过operando高速同步辐射X射线放射成像（LuAG:Ce闪烁体+高速相机）实时记录小孔、熔池与孔隙；用ImageJ手动分割量化孔隙数、小孔宽深与界面间隙，Python做归一化缺陷指标；以准静态压缩测试（Instron，50 N载荷单元，0.1 mm min?1）比较堆栈柔顺性（compliance，贯穿厚度变形抗力代理指标）；焊后采用ex-situ X射线计算机断层扫描（CT）核查熔深与缺陷形貌。样本队列为GM协同定义的工业相关多层Al箔配置：未固结、USW预固结、加工态USW，以及反向装配（基板在上）。

研究结果：

3.1 孔隙形成受控于箔–tab界面处小孔不稳定性：operando序列显示，孔隙优先成核于小孔尾迹熔池区，随熔流迁移、破碎并再合并；高线性能量密度（LED，linear energy density）下小孔更深、波动更强，孔–小孔交互频繁。未固结堆栈平均孔数与孔径最小，USW类配置孔隙群聚更显著，说明界面状态而非仅LED决定气孔演化。

3.2 箔间接触与堆栈柔顺性主导熔池连续性：放射图显示未固结堆在焊接中界面间隙动态缩小，柔顺性使其贴合基板，热耦合与熔池连通改善；USW堆压缩刚度约29 MPa（固体tab约143 MPa），但预固结后变形能力受限，间隙残留，导致未熔合与小孔细长不稳定。柔顺性、接触演化与有效吸能相互耦合，共同决定熔池稳定。

3.3 样品朝向改变热–力边界条件：反向配置（Al基板在上、箔堆在下）中，箔堆在夹持与热载下更易形变贴合，界面间隙趋近零，小孔面积波动小于10%阈值，归一化孔数降至0.6±0.3，较USW降约25%，小孔长宽比降约50%，缺陷显著减少。

3.4 缺陷参数映射：构建含孔数、小孔长宽比、界面间隙宽度的缺陷严重度指数D_s=(N_PC+N_AR+N_GW)/3，绘制稳定熔合、气孔、未熔合、烧穿工艺图。稳定窗口随界面贴合度扩展；高能量用于刚性差贴合堆易烧穿，低能量则未熔合。

3.5 焊后CT印证熔深趋势：恒功率500 W下，未固结堆熔深1.02–1.05 mm且缺陷少；USW堆0.6–0.9 mm，加工态USW仅0.14–0.64 mm，未熔合主导。

讨论与结论翻译：研究人员指出，孔隙演化与小孔波动在时间上强关联，但气体来源（氢、氧化物或界面污染）未能由原像直接判别。界面接触不是静态几何，而是激光焊接边界条件的一部分：未固结堆借动态柔顺获得连续熔池；USW预固结引入异质界面与刚度，反而劣化稳定性。样品朝向通过热耗散与机械约束调节接触演化。结论为：在多层Al箔激光焊中，界面状态（接触条件、堆栈柔顺性、表面形貌与热接触导纳）是缺陷形成的关键变量；稳定工艺窗口由能量输入与界面柔顺共同界定，提升界面贴合可抑制小孔失稳、未熔合与气孔，对电池极耳高吞吐连接具有直接工艺指导意义。

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