密封钉焊接：又被称为注液口焊接，是在电解液注入电池后用胶钉将其封闭，并进行激光焊接以实现密封。实现电池的电芯与外部环境隔离，形成密封的电化学系统。密封钉焊接是电芯组装段最后一道工序，因此密封钉焊接良率对电池整体生产成本影响最大。如果出现裂纹、爆点或针孔、裂纹等问题，都会影响整个电池的可靠性和安全性。密封钉的形状通常是圆形帽，直径约为8mm，厚度约为1mm。目前，常用的密封钉焊接方法有YAG、QCW、环形QCW、光纤半导体复合等。当前密封钉焊接良率普遍在99.5%以上，其中外观上的缺陷都有办法优化解决，唯独内部裂纹一直是一个难点，本篇文章针对铝合金裂纹机理及特征做初步分析总结，希望能为工业提供一点解决思路。

凝固裂纹定义：在焊接过程中，在应力作用下，焊接接头中局部地区的金属原子结合力遭到破坏而形成的新界面所产生的缝隙被称为裂纹。它具有尖锐的缺口和大长宽比的特征。其中以凝固裂纹最为常见、普遍，本文主要针对铝合金焊接过程中的凝固裂纹现象进行分析。

裂纹分类：产生在焊缝金属内的焊接裂纹称为凝固裂纹；产生在近焊缝区母材晶界上的焊接裂纹称为近焊缝区母材液化裂纹，外观特征如下图所示。在密封钉焊接中主要以凝固裂纹为主，后续针对凝固裂纹进行机理分析。

目前关于焊接凝固裂纹理论，国内外认为较完善的是普洛霍洛夫理论。概括地讲，该理论认为凝固裂纹的产生与否主要取决于以下 3 方面：脆性温度区间的大小；在此温度区间内合金所具有的延展性以及在脆性温度区间金属的变形率大小。

凝固裂纹机理：在焊缝结晶过程中，固相线附近，由于凝固金属的收缩，残余液体金属不足，不能及时填充金属晶粒之间的间隙，在凝固收缩应力或外力的作用下发生沿晶开裂。

通常把材料脆性温度区间的大小以及在该温度区间内材料具有的延展性（类似弹性形变，受力形变可恢复）称为产生焊接热裂纹的冶金因素，这个和材料本身有关，确定材料之后基本就不会变了；而将脆性温度区内金属的变形大小称为力学因素（应力超过弹性形变阈值，发生不可逆的塑性形变）。

在焊接过程中，冶金因素和力学因素的综合作用将归结为两个方面，即是强化金属联系还是弱化金属联系。如果在冷却时，焊接接头金属中正在建立强度联系，在一定刚性拘束条件下能够顺从地应变，焊缝与近缝区金属能够承受外加拘束应力与内在残余应力的作用时，裂纹就不容易产生，焊接接头的金属裂纹敏感性低，反之，当承受不住应力作用时，金属中强度联系容易中断，就会产生裂纹。在这种情况下，焊接接头金属的裂纹敏感性较高。焊接接头金属从结晶凝固的温度开始，以一定的速度冷却到室温，其裂纹敏感性决定于变形能力和外加应变的对比以及变形抗力与外加应力的对比。

为了研究铝合金焊接时那个时候最容易产生热裂纹，把铝合金焊接时焊接熔池的结晶分为 4个阶段。

第一阶段：液相区，合金完全处于液态，可以任意自由流动。

第二个阶段：悬浮混合区（液体多固体少），焊接熔池从高温冷却开始结晶，只有很少数量的晶核存在。随着温度的降低和冷却时间的延长，晶核逐渐长大，并且出现新的晶核，但是在这个过程中液相始终占有较多的数量，相邻晶粒之间不发生接触，对还未凝固的液态铝合金的自由流动不形成阻碍。在这种情况下，即使有拉伸应力存在，但被拉开的缝隙能及时地被流动着的铝合金液态金属所填满，因此在液固阶段产生裂纹的可能性很小。

第三阶段：糊状区（液体少固体多），在焊接熔池结晶继续进行时，熔池中固相不断增多，同时先前结晶的晶核不断长大，当温度降低到某一数值时，已经凝固的铝合金金属晶体相互彼此发生接触，并且不断挤压连接在一起，这时候液态铝合金的流动受到阻碍，液态金属的回流愈合变得越来越难。在拉伸应力作用下产生的微小缝隙都无法填充，只要稍有拉伸应力的存在就有产生裂纹的可能性。因此，这个阶段叫做“脆性温度区”。

第四阶段是完全凝固阶段，熔池金属完全凝固之后所形成的焊缝，受到拉应力时，就会表现出较好的强度和塑性，在这一阶段产生裂纹的可能性相对来说较小。

因此，裂纹主要发生在脆性温度区，当温度高于或者低于脆性温度区时，焊缝金属都有较大的抵抗结晶裂纹的能力，具有较小的裂纹倾向。

所以控制裂纹的方向为控制脆性温度区窗口、以及处于脆性温度区的受力。由此确定抑制裂纹有三个方向：减小脆性温度区、减小凝固过程内应力、控制机械约束应力。 .

抑制裂纹机理——控制脆性温度区间

控制脆性温度区间：在一般情况下，杂质较少的金属，脆性温度区间较窄；焊缝中杂质比较多，则脆性温度区间范围比较宽，因此可以考虑选择杂质更少的材料：比如尝试3003换成1060（待验证）、控制材料清洁度降低杂质污染（电解液、粉尘等）；

脆性温度区间小，凝固就能快速从悬浮混合区过渡到固相区，拉应力在这个区间作用的时间比较短，使得焊缝的总应变量比较小，因此焊接时产生的裂纹倾向较小。

如果有杂质存在，脆性温度区间大，则拉伸应力在这个区间的作用时间比较长，产生裂纹的倾向较大。

所以在材料选择上可以考虑更纯的材料，降低杂质含量；如果已经确定材料，那就需要控制焊接过程清洁度，控制外来杂质污染情况。

激光清洗环节很关键：电解液（腐蚀深度、表面残留）、胶钉（粉尘）、清洗（粉尘、清洗深度、粗糙度）等都需要DOE验证影响效应大小，做好管控。

抑制裂纹机理——减小凝固过程内应力

控制凝固脆性区间应力：应力来自两块：1、材料自身凝固体积变化产生的拉应力（控制熔池面积、焊缝热影响区温度梯度）；2、外界机械作用力（预点焊位置、点焊数量）。

熔池内应力：如凝固过程应力示意图所示，在红色区域内，温度从熔池到焊缝边缘温度逐步递减，考虑到金属膨胀性，凝固冷却后材料体积缩小，会对红色区域焊缝正中位置熔池产生拉力，形成裂纹。

改善方向参考：

1、控制熔池宽度，采用小芯径、热源集中的焊接方法，熔池面积小，从液态凝固到固态变形小，拉伸应力小，因而可以提高抗裂性；潜在风险点，单光纤焊接冷却速度过快，也会导致应力变化过大，反而产生裂纹，难度较高；

2、 采用小功率，低焊接速度，可减少熔池过热，降低熔池和材料的温度梯度（温度平滑过渡到焊缝边缘），降低由于温度不均导致的应力，也有利于改善抗裂性，（YAG为代表）；

3、采用复合焊（环形光斑、光纤半导体复合等）可以采用中心功率打熔深，控制金相腰部以下宽度，控制熔池体积在较小范围内，同时外环激光可以扩大温度范围，降低温度梯度，表面一层薄薄的液态熔池凝固，对熔池正中的应力影响较小。

抑制裂纹机理——控制机械约束应力

机械约束力：密封钉较薄、质量较轻，激光焊接过程的热量，会导致密封钉翘曲、受热膨胀，如何管控焊接过程热变形导致应力对液态熔池焊缝的影响，还需要探索；

参考方向：

1、不同的点焊位置、点焊间距产生的机械约束力对焊缝应力的影响有待评估，在起始点与收尾点中间点焊位置均匀分布、或者采取多个点焊位置去均匀约束密封钉热变形、控制焊缝位置应力也许是一个方案。

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