方形動(dòng)力電池鋁殼激光焊接的實(shí)驗(yàn)研究

楊慶斌，李迎青

（青海時(shí)代新能源科技有限公司，青海 西寧 810000）

AL3003廣泛用于制作方形動(dòng)力電池外殼。其材質(zhì)為鋁錳合金，具有良好的強(qiáng)度，可塑性性，一般焊接方式為有氬弧焊和惰性氣體熔化級(jí)電弧兩種方式，但是這兩種焊接方式很容在焊接過程當(dāng)中產(chǎn)生裂紋、變形等問題，因此，制約了其在動(dòng)力電池焊接上的應(yīng)用[1,2]。傳統(tǒng)的動(dòng)力電池激光焊接模式采用固體脈沖激光（YAG）焊接方式，其特點(diǎn)是利用連續(xù)的焊接點(diǎn)，多個(gè)重合覆蓋并形成線焊接。

全固態(tài)激光器以半導(dǎo)體激光器作為泵浦源，與YAG激光器不同的是，該激光器工作物質(zhì)以及激勵(lì)源均采用固體物質(zhì)組成，全固態(tài)激光器具備固體激光器與半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)。在采用全固態(tài)激光器作為焊接輸入能量時(shí)，在進(jìn)行方形動(dòng)力電池外科材料焊接時(shí)，要對(duì)其參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，并分析焊接接頭顯微組織所形成的性能，為其在方形動(dòng)力電池的焊接上提供參考。

1 試驗(yàn)材料和方法

（1）試驗(yàn)材料。材料為常用的方形動(dòng)力電池外殼AL3003鋁合金，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 AL3003化學(xué)組成%

（2）試驗(yàn)條件。采用功率為3000 W的全固態(tài)激光器（DPSSL），技術(shù)參數(shù)指標(biāo)如下表2。

表2 激光器技術(shù)參數(shù)

（3）試驗(yàn)方法。為防止異物導(dǎo)致的焊接不良，使用酒精清洗焊接鋁殼和頂蓋，利用焊接夾具將其夾緊，并用拼接焊接方式進(jìn)行焊接，這樣可以避免在焊接過程中產(chǎn)生的負(fù)面影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

（1）工藝參數(shù)。前期大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定了焊接焦點(diǎn)位置，通過對(duì)激光輸出功率的調(diào)整，分析焊接速度、焊接內(nèi)部質(zhì)量的數(shù)據(jù)，所采用的工藝參數(shù)如表3所示。

表3 焊接工藝參數(shù)

（2）焊接功率對(duì)焊縫質(zhì)量的影響。首先調(diào)節(jié)激光輸出功率參數(shù)，焊縫寬度會(huì)隨著激光功率的增大逐漸變寬，如圖a、b所示。當(dāng)功率增加到2300w時(shí)，工件焊接通過(見圖2a)。激光輸出功率決定了焊接寬度與焊接深度。當(dāng)激光功率輸入過小時(shí)，熔池偏淺，焊接后電池的密封性能和力學(xué)性能將受到影響，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，需要每班測試電池激光焊接后的密封性能和抗拉強(qiáng)度性能，因此合適的焊接輸入功率顯得尤為重要，只有在利用合理的焊接輸入功率，才能獲得良好的焊接質(zhì)量。

圖1 焊縫表面圖像

（3）焊接速度對(duì)焊縫質(zhì)量的影響。在焊接功率參數(shù)不變的條件下，激光焊接速度可適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整，這樣就可以看出，速度越快，焊接縫隙的寬度就越小（見圖1c、d）。通過金像試驗(yàn)分析可以看出，焊縫的熔深在逐漸減小時(shí)，焊透會(huì)變?yōu)槲春竿福砻娉霈F(xiàn)虛焊。如果焊接速度過慢，材料會(huì)在短時(shí)間內(nèi)吸收過多的能量，導(dǎo)致過度熔合，導(dǎo)致焊縫過寬，熱影響區(qū)較大，容易產(chǎn)生熱裂紋。通過試驗(yàn)分析得出，激光功率為2100W，焊接速度10mm/s；激光功率2300W，焊接速度20mm/s時(shí)，能獲得較好的焊縫質(zhì)量和合適的溶深。

圖2 焊縫背面形貌

（4）接頭顯微組織分析。激光焊接后在母材表面上形成了熔池，焊接完成后，工件表面溫度下降，熔池迅速冷卻，形成焊縫。可以看出，在材料冷卻凝固過程中，根據(jù)母材晶核形態(tài)，靠近熔池邊緣和母材的區(qū)域?yàn)榫妗．?dāng)熔池開始凝固時(shí)，晶粒從與基體接觸點(diǎn)沿焊縫中心外延擴(kuò)展，形成樹枝狀結(jié)構(gòu)，熔合區(qū)為樹枝狀結(jié)構(gòu)。在焊縫中心附近，焊縫金相為等軸晶。

（5）接頭顯微硬度。如下圖3所示。激光焊接完成后，材料表面冷卻速度快，相當(dāng)于表面快速退火，細(xì)化焊縫組織，從而提高焊接接頭的顯微硬度;其次，激光處于連續(xù)光輸出模式，熱輸入均勻，使焊縫組織晶粒更加細(xì)化，組織更加致密，位錯(cuò)密度更高，固體顯微硬度也隨之增加。

圖3 典型樣品的顯微硬度

3 結(jié)論

①使用的全固態(tài)激光器，對(duì)材料（AL3003）的高速焊接。當(dāng)激光功率2100 W，速度10mm/s；激光功率2300 W，焊接速度20mm/s時(shí)，焊縫質(zhì)量效果較好。②分析焊接接頭出的顯微組織，發(fā)現(xiàn)樹枝狀組織主要在熔合區(qū)，焊縫呈等軸晶，且焊縫有晶粒細(xì)化的現(xiàn)象，從而使得焊縫的顯微硬度高于母材的硬度。