真空電子束焊接在氫鎳電池中的應用

王春艷，張雪薇，樊紅敏

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

真空電子束焊接在氫鎳電池中的應用

王春艷，張雪薇，樊紅敏

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

空間用高壓氫鎳電池為全密封電池，殼體密封性是決定電池性能的重要因素，氫鎳電池采用真空電子束焊接技術，各條焊縫的質量決定了電池的可靠性和安全性。介紹了真空電子束焊接原理、氫鎳電池殼體電子束焊接及其焊縫質量的驗證，通過焊接試件檢驗、電池組在軌運行情況說明了真空電子束焊接在高壓氫鎳電池中的成功應用。

電子束焊接；氫鎳電池；應用

真空電子束焊接具有焊接速度快、熱影響區小、焊接變形小，不易氧化、焊接可達性好，電子束易控制等優點，可以焊接難熔合金和難焊材料，焊接深度大，焊縫性能好，焊接變形小，焊接精度高，并具有較高的生產率，因此，在核能、航空航天、汽車、壓力容器以及工具制造等工業中得到了廣泛的應用[1]。空間用高壓氫鎳電池中的負極活性物質是氫氣，氫氣壓力變化范圍在0.3～6 MPa或更大一些[2]，因此電池中氫氣的泄漏會導致電池的容量衰降，電池殼體上每條焊縫的焊接質量決定了電池的性能。

1 電子束焊接工作原理

電子束焊接是一種利用電子束作為熱源的焊接工藝。電子束發生器中的陰極加熱到一定的溫度時逸出電子，電子在高壓電場中被加速，通過電磁透鏡聚焦后，形成能量密集度極高的電子束，當電子束轟擊焊接表面時，電子的動能大部分轉變為熱能，使焊接件的結合處的金屬熔融，形成熔池，當焊件移動時，在焊件結合處形成一條連續的焊縫，從而實現對工件的焊接。對于真空電子束焊機，將要焊接的工件置于真空室中，一般裝夾在可直線移動或旋轉的工作臺上。焊接過程可通過觀察系統觀察施焊工件，保證焊接準確性。電子束焊機的工作原理如圖1所示。

圖1 電子束焊機的工作原理圖

2 焊接材料

高壓氫鎳電池殼體材料為Inconel 718，是一種高強度的鎳基合金，強度和質量比特性好，抗氫脆和應力腐蝕性能強，能夠承受單體電池充放電循環過程中的壓力反復變化。Inconel 718材料是以體心四方N'13Nb(γ'')和面心立方Nib(Al、Ti、Nb)(γ'')沉淀強化的一種鎳基高溫合金。Inconel 718中含有大量的多種合金元素，其強化效果好，合金化程度高，熱穩定性及熱強度均極高。同時，在合金飽和的情況下，其合金元素還形成高穩定的合金碳化物，如Cr23C6、Fe3C、TiC、NbC、TaC和MoC等，它們的共同特點是熔點高、硬度高、熱穩定性好，既難溶于合金體中，又難于聚集長大，以極細的碳化物形式呈彌散狀態分布于晶界處，從而強化了晶界，可有效阻礙晶界滑動和晶界遷移。

電子束焊接的熱沖擊很容易引起高溫合金焊接接頭的元素偏析和微裂紋損傷，已經開展的高溫合金電子束焊接與修復研究表明，電子束焊接熱影響區的微裂紋的存在會導致接頭性能的降低，引發疲勞裂紋和蠕變裂紋，通過優化工藝參數和填絲合金化可以改善接頭中的偏析程度和消除焊縫凝固裂紋[3]。高壓氫鎳電池壓力容器使用的壁厚為0.5～0.8 mm的Inconel 718，為了增加焊接強度和電池的安全系數，在兩個殼體焊接處增加了一個鎖底(鎖底為電池制作中的焊接環)，其材料也是Inconel 718，鎖底厚度為1.0～1.8 mm，焊接時是將兩個殼體與鎖底焊接在一起，屬于帶鎖底的薄壁雙焊縫焊接，這種焊接方式不僅可以增加焊縫的熔深，而且加強了焊縫的強度，使壓力容器耐壓、耐疲勞能力增強。

3 焊接

3.1 焊接過程

為了保證焊接可靠性和電池的性能，確定焊接各項參數，在每批次電池焊接前需要根據電池總數量做1～2只焊接試件，試件通過各項檢驗后方可進行批量焊接。

3.2 焊接要求

《空間用全密封氫鎳蓄電池通用規范》GJB2831A-2009中對高壓氫鎳電池殼體焊縫的相關要求見表1。

表1 高壓氫鎳電池殼體焊縫要求

根據上述要求，生產過程中規定焊接試件需要進行焊縫外觀、X射線探傷、試壓試漏、壓力疲勞、爆破及熔深檢查，電池需要進行焊縫外觀、X射線探傷、試壓試漏、氣體密封性、液體密封性檢查。

4 焊縫檢驗

4.1 焊接試件焊縫檢驗

4.1.1 焊縫外觀檢驗

試件焊接結束后，目測焊接外觀，試件焊縫外觀應整潔，呈銀白色，無明顯氧化，無明顯飛濺，無氣孔、咬邊、夾雜物、斷點等缺陷(圖2)。

圖2 氫鎳電池電子束焊縫外觀

4.1.2 X射線探傷

通過X射線探傷，可以看出焊縫內部是否存在焊接氣孔、裂紋等缺陷，避免了因無法目測內部質量而存在的安全隱患，可以提高壓力容器的安全性。按GJB1187A-2001對焊縫的X射線探傷底片進行判斷，要求焊縫內部質量符合QJ972-86中Ⅰ級焊縫要求。

4.1.3 試壓試漏

試壓試漏是將受試試件浸入水中，將0～7.5 MPa的壓縮氣體從注液管中注入，此檢驗方法不僅可以檢驗焊縫密封性能，還可以檢驗壓力容器的耐壓能力。要求實驗過程中焊接試件沒有氣泡冒出，實驗完成后電池殼體沒有變形。

4.1.4 壓力疲勞交變實驗

通過注液管往焊接試件內注入航空液壓油，連接在壓力交變疲勞實驗機上，然后進行0～6 MPa交變頻率為6次/分鐘的壓力交變實驗。要求30 000次交變實驗過程中試件沒有液體泄漏，且高度和直徑尺寸變化不大于0.4 mm。

4.1.5 爆破壓力實驗

GJB2831A-2009中規定殼體爆破壓力應大于蓄電池工作時最大壓力的2倍，同時衛星用高壓氫鎳電池設計要求安全系數大于2.5倍，氫鎳蓄電池在軌運行的最大壓力5.0 MPa，所以要求試件在0～12.5 MPa壓力范圍殼體不破裂，焊縫強度才能滿足爆破壓力的要求。

焊接試件完成壓力疲勞交變實驗后，將油壓升至10 MPa，停5 min，升高至12.5 MPa，停5 min，試件殼體應無爆裂，無油泄出。

4.1.6 熔深檢查

熔深是焊縫質量的重要表征，爆破壓力實驗后，對試件中腰焊縫進行了剖切金相檢查，要求試件焊縫熔深邊緣清晰，無焊接裂紋，熔深形狀圓滑，熔深1.0～1.8 mm(圖3)。

圖3 氫鎳電池中腰焊縫熔深

4.2 電池檢驗

4.2.1 焊縫外觀檢驗、X光射線探傷、試壓試漏

電池焊接結束后的外觀檢驗、X光射線探傷及試壓試漏的合格標準與焊接試件相同。

4.2.2 氣體密封性檢查

整個殼體所有焊縫的密封性檢測是檢驗焊縫質量的有效手段，電池殼體焊接后，未加注電解液時，通過氦質譜漏率檢測平臺進行電池殼體的漏率測試，要求電池漏率小于10-1Pa·cm3/s。電池注液管封口后，通過氫工質漏率檢測方法對密封電池進行漏率測試，要求電池漏率小于10-1Pa·cm3/s。

4.2.3 液體密封性檢查

氫鎳電池電解液為強堿性溶液，電池封口后，使用蘸有無水乙醇的脫脂棉擦拭電池殼體焊縫，將1%的酒精酚酞溶液滴到棉球上，棉球沒有變為紅色則判定為電池的液體密封性合格。

5 電池應用

至今在軌運行的應用電子束焊接技術的高壓氫鎳電池組已有30余套，均在軌運行正常，電池組各項性能指標滿足使用要求，第一顆應用真空電子束焊接技術的氫鎳電池組于2006年10月發射。

6 結論

每批次電池電子束焊接前，通過試件的焊接及后續檢驗，確定了焊接參數，驗證了焊縫質量，保證了電池的安全性、可靠性及焊接工序的合格率。

在軌電池組的穩定運行充分證明了高壓氫鎳電池殼體焊縫結構設計合理，應用真空電子束焊接技術焊接氫鎳電池殼體焊縫質量穩定，可靠性高。

[1]劉方軍，左從進.焊接手冊焊接方法及設備[M].3版.北京：機械工業出版社，2007：482-483.

[2]李國新.新型化學電源技術概論[M].上海：上海科學技術出版社，2007：190.

[3]張海泉，趙海燕，張彥華，等.鎳基高溫合金電子束焊接熱影響區微裂紋特性分析[J].材料工程，2005(3)：22-25.

Application of vacuum electron-beam welding for NiH2cell

Space NiH2cell with high-pressure was fully sealed structure,so shell sealing was an key factor which decide cell performance.Vacuum electron-beam welding was applied to cell production,every welding line quality determined the reliability and security of the cell.Vacuum electron-beam welding technical principle and space NiH2cell shell electron-beam welding quality verification and validation were described. The evaluation of the welding quality and the on-orbit status suggested the perfect application of the vacuum electronic-beam welding.

electron-beam welding;NiH2cell;application

TM 911

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1002-087 X(2015)10-2144-03