振動理論約束下激光焊接技術在不銹鋼動力電池外殼中的應用

淡書橋，王家勝

（1.河南職業技術學院，河南 鄭州 450046； 2.華北水利水電大學 工程訓練中心，河南 鄭州 450011）

304不銹鋼動力電池外殼作為確保動力電池安全性的關鍵組件，其焊接質量直接影響整個電池的密封性、耐用性以及安全性［1］，且動力電池外殼焊接區域較小，對精細化操作的要求較高，因此，需要提升焊接工藝的應用效果，保證動力電池外殼的焊接質量。

相比于傳統的焊接工藝，激光焊接技術將激光束作為焊接熱源，借助其單色性好、方向性好、亮度高、相干性好等優勢，在高能力密度作用下通過熔化焊完成焊接任務，在合金焊接方面具有更好的應用性能［2］。在經過多階段、多角度的創新發展后，該技術逐漸演變成一種快速、穩定、高精度且對金屬材質具有一定適用性的主要焊接手段。相關學者也提出了一些較好的方法。例如：董偉偉等［3］面向不銹鋼超薄片提出了脈沖激光焊接工藝；譚茂林研究小組［4］針對不銹鋼碟片設計了激光焊接工藝。

傳統的激光焊接工藝在焊接動力電池外殼時，對激光發射光束的控制不足，導致作用在動力電池外殼上的激光能量不均勻，出現飛濺、氣孔、低熔點等問題，進而引發電解液泄漏或電池電芯失效等情況，使動力電池報廢［5］。因此，本文利用分子振動理論改進激光焊接技術中的能量控制技術，通過發射激化同態光子，將高能量密度的激光能量作用在合金上，可在時空尺度上進行精準地焊接控制，控制激光能量釋放過程，有效彌補了傳統焊接技術的缺陷。并將該技術應用至304不銹鋼動力電池外殼焊接中，選取氦氣、氮氣、氬氣作為激光器的輔助氣體，提升激光弛豫速率與能量傳輸，實現精細化焊接。

1 材料及方法

1.1 材 料

所用的材料為厚度7 mm的304不銹鋼動力電池盒（自制），規格是150 mm×30 mm×200 mm，如圖1所示。該盒包含上端蓋和下殼體，具體焊接位置為上端蓋的邊緣，焊接后使上端蓋和殼體組合為封閉結構，內部用以放置動力電池。

該動力電池盒采用的304不銹鋼母材的主要化學成分如表1所示。

表1 304不銹鋼的化學組成Tab.1 Chemical composition of 304 stainless steel

1.2 儀 器

實驗儀器包括：CinCam系列UV-NIR激光光束質量分析儀，德國Cinogy公司；WAW-Y500型號電液伺服試驗機，濟南新時代試驗機制造廠；HV-1000型號顯微硬度計，蘇州南光電子科技有限公司；T156型號水浸超聲C掃描檢測系統，安賽斯（北京）科技有限公司；S9 E體視顯微鏡，徠卡顯微系統（上海）貿易有限公司；VR-5000激光輪廓分析儀，基恩士（中國）有限公司。其中，激光器作為焊接設備的核心部分，其原理是通過控制受激原子的光子釋放模式來完成焊接［6-7］。具體激光精細化焊接設備示意圖如圖2所示。

圖2 激光精細化焊接設備結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of laser precision welding equipment structure

激光精細化焊接設備參數設置如表2所示。

表2 激光精細化焊接設備參數Tab. 2 Parameters of laser fine welding equipment

1.3 激光焊接工藝

1.3.1 304不銹鋼動力電池外殼處理

利用化學方法去除外殼表面的氧化膜。操作流程如下所述：

（1）在10 %濃度的氫氧化鈉溶液中，浸泡電池外殼直至出現大量氣泡；

（2）使用坩堝鉗取出外殼，用清水沖洗殘留堿液［8-9］；

（3）在約30 %濃度的硝酸溶液中浸泡，待表面發白且有軋制條紋出現后取出；

（4）利用高濃度酒精擦拭，由自然風烘干。

1.3.2 激光焊接工藝的改進

激光焊接的本質是將激光能量發射至304不銹鋼動力電池外殼上，通過激光能量與304不銹鋼動力電池外殼材料的相互作用產生蒸發、形變等連接材料［10］。以分子振動理論控制激光能量釋放過程的原理是：激光光束發射能量促使材料和環境氣體產生分子振動，此時能量將產生反射、吸收和傳遞，在此過程中不同氣體振動時的性質可以在不同程度上影響到激光能量在材料上作用的動態平衡，進而影響到焊接的質量。因此，其中氣體的應用是操作的關鍵，基于激光介質的性質考慮，本文實驗采用二氧化碳分子作為激光器的主要物質，將氦氣、氮氣、氬氣等作為激光器的輔助氣體，強化激光輸出功率。其中，氬氣性質較為穩定，在激光能量發生作用時隔絕外界空氣在材料表面的流動，防止外殼材質形成氧化效應，有助于提升焊縫質量；氦氣主要是基于熱力學控制的擴散機理，形成較大的熱作用區域，有利于材料分子發生解析離子化，提升激光弛豫速率；氮氣用于能量傳輸，讓二氧化碳分子從低往高躍遷時反轉粒子個數，實現激光能量的有效發射。當激光器中的二氧化碳受到泵激后，原子會進入激發狀態，其處于激發狀態的電子在往低階電子躍遷的過程中，有部分能量釋出轉換為光子。結合分子振動理論，使設備中的二氧化碳分子呈非線性對稱［11-12］，進而控制能量的釋放。

以振動控制為約束條件，構建遺傳算法適應度函數fit（i），用F（i）表示種群中個體i的激光能量釋放控制模型函數值，則fit（i）定義如下所示：

通過公式（1）計算種群中每個個體適應度值，并選取高適應度值個體加入遺傳運算，基于孤立森林算法的激光能量控制過程，采用輪盤賭法選擇算子并加以計算，用n表示種群中個體總數，則每個個體適應度和Fz及選擇概率Pi如下所示：

基于上述理論，將304不銹鋼動力電池盒放置于激光焊接設備下，按照8000 W的最大功率生成激光，經反射與偏轉，直射到304不銹鋼電池外殼表面；通過操控五軸聯動結構的焊接工作頭完成焊接［13-14］，在焊接工作頭旁裝置一個銅管，令其與工作頭可同步運行，用于輸送氬氣、氦氣和氮氣等保護氣體；利用數控機床控制臺協調各器件，通過相互配合、共同作用［15-16］，實現304不銹鋼動力電池外殼的精細化焊接任務。

1.4 測試與表征

穿透深度測試：將焊接面置于體式顯微鏡下觀測，以測微尺測量穿透深度。

功率密度測試：激光功率密度=輸出功率/光斑面積，采用激光輪廓分析儀測試光斑直徑，通過計算得到激光功率密度［17-18］。

激光束質量測試：采用激光光束質量分析儀，檢測激光器發射的激光束質量。

焊接熔深測試：采用9個相同的經過處理的304不銹鋼電池外殼，令三個為一組，讓激光束從靠近外殼邊緣的角度射向第一組304不銹鋼電池外殼樣本，從靠近頂蓋邊緣的角度射向第二組樣本，第三組樣本的光束入射角度則位于兩邊緣相對中間的位置。采用超聲C掃描檢測方法［19-20］測量各樣本的焊接熔深。

焊縫強度測試：按照第三組樣本的焊接方式，分別采用引言中提及的文獻［3］和文獻［4］兩種激光焊接工藝及本文技術，完成304不銹鋼動力電池外殼與頂蓋的焊接任務，將其對應編號為A號、B號、C號。得到以上3種方法焊接的樣品后，分別對焊接樣品A號、B號、C號利用數控電火花切割機床切割外殼與焊縫接頭，得到用于拉伸試驗的樣本，分別對應編號為a號、b號、c號。經電液伺服試驗機測量各樣本后，分析焊縫強度。

焊縫硬度測試：利用顯微硬度計，測量A號、B號、C號樣本的焊縫硬度。

2 結果與分析

2.1 激光焊接性能驗證與有效性分析

2.1.1 激光焊接性能驗證

激光焊接時能量輸入時發射大量高能光子，激化氣體和材料的分子振動，顯著影響焊接熔深、氣孔等。在吸收光子階段中能量會被轉移、傳輸，此過程中存在一系列的物理、化學等作用，出于焊接的高效能和304不銹鋼動力電池外殼美觀的考慮，初步探索激光焊接技術作用在304不銹鋼動力電池盒體上的效應，具體如下所述：

（1）激光能量在高精度控制下，通過熱傳導傳至外殼內部，得到激光焊接路徑與外殼真實需要焊接路徑之間的關系如圖3所示。

圖3 激光焊接路徑與外殼真實需要焊接路徑之間的關系Fig.3 Relationship between laser welding path and the actual welding path required by the shell

通過圖3可以看出，在高精度激光能量控制下，焊接路徑和真實路徑幾乎完全重合。說明在高精度激光控制下，焊接路徑的誤差很小。這是因為激光束前置的尖端脈沖可以率先清除合金表面熔點較高的氧化膜，使材料表面的溫度極速升高，保證對激光能量的吸收，在惰性氣體的作用下，激光焊接冷卻速度較快，材料晶粒細化，從而快速成型，避免焊縫未熔透導致路徑差異。

（2）激光焊接實驗中的功率變化均衡性如圖4所示。

通過圖4可以看出，在激光能量控制中，設備的功率變化均衡性較好，沒有出現大幅波動情況。這是因為焊接熱輸入過程有多種惰性氣體的參與，通過合理調整工藝參數，在高功率密度脈沖的沖擊過程中，抑制汽化物的拋出，使焊接激光束能量均衡地釋放在合金材料表面。

2.1.2 焊接激光有效性分析

激光束質量實驗結果與焦點能量密度分布情況分別如表3和圖5、6所示。

表3 燒蝕情況分析結果Tab.3 Analysis results of ablation situation

圖5 燒蝕情況分析示意圖Fig.5 Schematic diagram of ablation analysis

結合圖5、表3所示的光束質量分析儀檢測結果可以看出，燒蝕參數曲線呈對稱關系，激光束的燒蝕分布相對均勻。這是因為在激光焊接過程中激光束能量高度集中，而合金材料導熱系數較高，使焊接處的溫度梯度較大，再加上晶粒細化元素存在限制了晶粒的發散。而圖6顯示的激光束焦點能量密度高斯分布形式則進一步說明，以二氧化碳分子為主、以氦氣、氮氣、氬氣為輔的激光器，能夠較好地控制激光束光強分布，極大程度聚集激光焦點能量。

圖6 激光束焦點能量密度分布示意圖Fig.6 Schematic diagram of laser beam focus energy density distribution

2.2 焊接性能測試

2.2.1 焊接熔深

測量各樣本的焊接熔深，測量結果如圖7所示。根據焊接熔深的測量結果可以看出，當激光束在外殼與頂蓋相對居中的位置完成焊接時，焊縫的熔深值最大，平均熔深可達0.482 mm，而偏離焊接的熔深均值僅有0.122 mm、0.198 mm。這是因為靠近外殼或頂蓋時，激光僅大范圍熔化了對應部件，并沒有讓外殼與頂蓋的連接邊緣得到理想焊接，降低了焊縫強度；而居中焊接則大幅增加了外殼與頂蓋的熔化面積，通過最小化焊縫距離，加強焊縫強度。該實驗結果表明，激光入射位置對動力電池盒的焊接效果有直接影響，在焊接工作時應當保持激光束位于外殼與頂蓋居中的位置。

圖7 電池外殼焊接熔深測量結果Fig.7 Measurement results of welding penetration of battery shell

2.2.2 焊縫強度

測量a號、b號、c號樣本的焊縫力學強度，力學強度變化曲線如圖8所示。

圖8 各拉伸樣本的力學強度曲線圖Fig.8 Mechanical strength curve of each tensile sample

由拉伸樣本力學強度曲線可知：三個樣本的拉伸長度均隨著拉力的增加而變大；a號與b號樣本分別在拉力為1003 N、1200 N，拉伸長度為0.64 mm、0.71 mm時就發生了斷裂；而本文焊接技術的c號樣本，其拉伸長度雖然在施加力作用的初期直線上升，形變程度較大，但隨著拉力的增加，拉伸長度變化幅度逐漸趨于平緩，在拉力高達1873 N時，其焊縫處才出現斷裂情況。

根據拉力與拉伸長度的關系，得出圖9所示的焊縫抗拉強度。通過三個拉伸樣本的抗拉強度曲線變化情況可以看出：盡管初始階段中c號樣本的抗拉強度不如a號、b號樣本，但該樣本憑借優越的力學強度，抗拉強度逐漸上升，并在98 MPa附近趨于平穩，直至焊縫斷裂。

圖9 各拉伸樣本的焊縫抗拉強度曲線圖Fig.9 Weld tensile strength curves of each tensile sample

以上實驗結論說明，本文焊接技術通過將分子振動理論引入到激光焊接技術中，在對激光器、焊接工作頭等組件的統一調控與協調配合下，發射激化同態光子，以高能量密度激光能量作用在合金材料上，并以多種惰性氣體對焊接過程進行保護作用，有效防止焊縫發生氧化效應，控制相鄰脈沖作用于熔池的間距變短，相互重合的區域變大，使焊縫快速熔透，從而增強了力學拉伸強度，保證了動力電池在大規模電網側中的實用性與耐用性。

2.2.3 焊縫硬度

測量A號、B號、C號樣本的焊縫硬度，測量結果如圖10所示。由此可見，距離焊縫中心越近，各樣本焊縫硬度因熔化范圍的增大而越來越大，距離較遠時，硬度則因材質的強化與硬化作用而越來越小；而本文焊接技術通過控制受激原子的光子釋放模式，利用二氧化碳分子的線性對稱模式，令C號樣本在焊接過程中得到更多能量，因此，焊縫硬度更高，降幅更小。

圖10 焊縫樣本顯微硬度示意圖Fig.10 Schematic diagram of microhardness of weld sample

3 結 論

激光焊接技術具有穿透深度、焊接速度、能量密度等優勢，但其焊接精細度對于304不銹鋼動力電池的應用性仍存在一定制約與限制。因此，針對304不銹鋼動力電池外殼，通過二氧化碳分子與氦氣的應用，結合分子振動理論控制受激原子的光子釋放模式，使激光焊接實現精細化。實驗結果表明，在不同的激光入射位置下，焊縫熔深值不同，其中，當激光束位于頂蓋居中的位置時，熔深最大，平均為0.482 mm。拉伸強度達到了1873 N時才出現斷裂現象，抗拉強度達到了98 MPa。焊縫硬度最高達到了93 HV，隨著距離的增大，降幅最多也僅為11 HV。這說明本文研究的方法在一定程度上提高了焊接質量。并就研究工作中的不足，從以下幾個方面展開進一步探索：應在實驗環節中添加更多的測試條件，模擬動力電池在電網側中的實際應用環境，完善激光焊接技術；以焊接設備為核心建立精細化操作系統，結合焊接檢測技術，實時觀察焊接形貌，更好地控制焊接質量。