鋰電池極耳激光擺動焊接工藝研究*

□ 徐俊飛 □ 簡運琪 □ 吳勇華 □ 甄雋灝 □ 謝明鋒

1.五邑大學智能制造學部 廣東江門 529020

2.廣東省江門市智能激光技術研究院 廣東江門 529009

1 研究背景

極耳是鋰電池的重要組成部分。在鋰電池制造和使用過程中,需要嚴格保證極耳的焊接質量,以確保鋰電池的性能。隨著鋰電池極耳焊接工藝的不斷改進,生產中更加注重焊接精度和穩定性,提高焊接質量和效率。激光焊接是一種高精度、高能量密度的焊接方法,利用激光束高能量密度的特性在短時間內將工件材料加熱至熔點或近熔點狀態,使材料熔合在一起,實現材料的連接。激光焊接具有許多優點,如可精確控制焊接深度和速度、無接觸焊接、熱影響區域小等。

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綠光激光是一種短波長激光,波長為532 nm。綠光激光的能量和功率通常比納秒激光和紅光激光高,有助于以較快速度完成焊接過程。綠光激光相比納秒激光和紅光激光,具有較小的焦斑尺寸和更好的聚光能力,可以實現較高的空間分辨率和更精細的焊接效果。由于波長的差異,不同的激光對材料的選擇性存在差異,如紫銅對綠光的吸收率達40%,對紅光的吸收率只有5%。綠光激光在一些特定材料上具有較好的選擇性,如對光源具有高反射的鋁銅材料,綠光激光焊接效果比紅外或近紅外激光更好。綠光激光由于具有功率和能量較高的特點,可以實現較快速度的焊接。與紅光激光相比,綠光激光可以更快更好地實施鋁銅等材料的焊接,提高焊接質量。由此,各種性能綠光激光器的陸續推出為綠光激光焊接提供了條件,開展綠光激光焊接具有良好的前景和較高的實際應用價值。

傳統鋰電池電芯一般通過超聲波焊接制作,最外層的極耳箔片很容易被振碎或振裂產生金屬碎屑,會影響電池品質。相比傳統焊接方式,激光焊接是通過高斯光束照射工件進行焊接的方法,具有速度快、深度大、變形小、適應性強等優點,工藝水平高,效果更好。極耳焊接屬于異種金屬焊接,目前面臨的一大難題是異種金屬之間熔點各異,線膨脹系數相差較大,對光的吸收率也不一致,低熔點金屬易被燒蝕,導致金屬的晶格類型及參數特征發生變化,焊縫產生裂紋甚至斷裂,降低力學性能。將激光引入異種金屬焊接,以接頭快速冷卻減少熱量積累的優勢來減少金屬間化合物的生成,提高異種金屬接頭的可靠性。當然,鋁和銅對于波長1 064～1 070 nm紅外光的吸收率僅有5%,屬于高反射材料,這意味著工藝窗口十分窄,很難找到完美的參數,加工效率也非常低,焊件無論是力學性能還是導電率都受到很大限制。另外,95%的反射率對設備的傷害也是巨大的。綠光是稀有光源,銅對綠光的吸收率高達40%,是紅外光的8倍。高吸收率意味著有較寬的工藝窗口,焊件的力學性能和導電率都會有所提高。使用綠光激光焊接,鎳鍍銅作為焊接件的上表面材料能獲得更大的能量吸收,更快達到熔點熔化,溫度上升更容易使焊件下表面的鋁材受熱熔化,為極耳箔片異種金屬之間的熔合提供了條件。

2 試驗材料

使用常用規格的0.4 mm鋁極耳和0.3 mm鎳銅極耳進行焊接試驗,在實驗室中使用上下層鎖緊夾具對兩片極耳夾緊定位,并用測距儀保證焦點位置。焊接類型選用穿透焊,鎳銅在上層,鋁在下層。基于目前鋰電池極耳焊接要求,試驗采用搭接焊接和擺動焊接,焊縫類型采用正弦線焊縫,通過正弦軌跡使激光有充足的時間在金屬材料表面進行均勻升溫加熱,得到擺動振幅、擺動間距兩個試驗參數對焊接接頭質量的影響規律。

選用尺寸為25 mm×15 mm×0.4 mm的1050鋁合金和25 mm×15 mm×0.3 mm的Monel400合金,基于無匯流排極耳疊焊模式,通過Monel400合金在上、1050鋁合金在下的方式進行焊接,如圖1所示。無匯流排電池模組的組裝方式如圖2所示。在試驗中,使用TruDisk-1020綠光激光器,激光器功率為1 000 W,功率穩定性達到±1%,波長為515 nm,光束質量為50 mm·mrad。

圖1 焊接情形

圖2 無匯流排電池模組

國內外綠光激光焊接表明,當激光的峰值功率為600 W,焊接速度為300 mm/s時,焊縫表面光滑、圓整、無飛濺。激光峰值功率過低,焊接熔深太淺,焊縫質量不達標。激光峰值功率過高,焊接形式為深熔焊時,焊縫表面質量大為降低。由此選取功率為600 W,速度為300 mm/s進行擺動焊接試驗。

3 試驗分析

3.1 綠光激光擺動焊接

高反射材料在激光焊接過程中由于激光熱源與材料相互作用的復雜性,以及鋁合金、銅合金自身特殊的物理性能,存在對激光反射率高,焊接過程不穩定,易產生氣孔缺陷等問題。采用普通激光焊接鋁、銅等高反射材料時,匙孔塌陷,會產生小孔、飛濺。飛濺會導致焊縫金屬減少,使表面坑洼、不平整。并且由于材料對激光反射率高、吸收率低,大部分能量都被反射掉,導致填充物熔合不好。采用擺動焊接的方式,可以分散能量密度,改善焊縫溫度的均勻性。擺動焊接頭在深熔焊接過程中起到用光束攪動熔池,擴大匙孔的作用,能在一定程度上減少飛濺與氣孔的產生。

對不同擺動間距影響下的焊接接頭表面微觀金相組織進行觀測,分別取擺動間距0.5 mm和0.7 mm的樣件作為對照,如圖8所示。

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3.2 擺動振幅影響

擺動間距對焊接接頭熔深熔寬及力學性能影響如圖7所示。

圖3 不同擺動振幅時焊接接頭形貌和熔池

擺動振幅是增大熔池在異種材料之間接觸面積的重要因素,隨著擺動振幅的增大,有效熔寬和有效熔深一起增大。當擺動振幅達到1.2 mm后,由于熱量的持續上升,導致鎳銅材料對激光的吸收率陡增,由此有效熔深和有效熔寬在擺動振幅達到1.2 mm后有突增現象。由于熔池在異種材料間的接觸面積增大,剪切力也呈現增大的趨勢。

在保持焊接速度300 mm/s、激光功率600 W的前提下,以0.1 mm為梯度改變擺動間距,從0.4 mm到0.8 mm進行試驗,得到不同擺動間距對合金焊接接頭外觀形貌、截面熔池、熔深熔寬的影響規律。不同擺動間距時焊接接頭形貌和熔池如圖6所示。

植物品種選擇、種植和撫育措施：采取種、播相結合，營養袋苗種植+撒播種子的方法，形成先鋒植物、長期定居植物、短期植物、四季植物更替的人工群落系統。實行喬草灌、常綠與落葉植物相結合，快速形成覆蓋表層土壤的植物群落。以當地強化的野生植物品種。選擇的植物品種包括濕地松、樟樹、木荷、大葉女貞、刺槐、鹽膚木、紫穗槐、胡枝子、苧麻、狗牙根、大葉草。濕地松、樟樹、大葉女貞、刺槐以營養袋苗種植；其他植物以種子撒播。種子播種前進行種子配比，草本植物與喬灌木種子的配比為2∶1；禾本科：豆科：其它科植物的比例為2∶1∶0.1，按比例分層混合，盡量混合均勻。

圖4 擺動振幅對焊接接頭熔深熔寬及力學性能影響

當擺動振幅增大時,焊接接頭外觀寬度明顯增大。增大擺動振幅相當于延長激光焊接在材料上的持續作用時間,導致表面的鎳銅材料持續吸收熱量,對激光的反射率下降,最終達到鎳銅材料熔沸點后,材料對激光吸收率陡然上升,突然形成較大的熔深和熔寬。

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對不同擺動振幅影響下的焊接接頭表面微觀金相組織進行觀測,分別取擺動振幅0.8 mm和1.0 mm的樣件作為對照,如圖5所示。激光光束通過振鏡擺動,對熔池進行攪拌。在擺動振幅為0.8 mm時,由于擺動幅度不大,對熔池的攪拌未能很好地達到促進合金之間互溶,合金之間互相滲透的程度較小,且熔池吸入的氣體沒有及時通過攪拌作用析出,導致存留的氣體在熔池中形成氣孔。在擺動振幅為1.0 mm時,擺動幅度增大,對熔池的攪拌增強,合金之間形成的固溶體在金屬熔合處清晰可見,且氣體析出后熔池中無氣孔產生,改善了焊接中存在的缺陷。綜合以上試驗分析,得到擺動振幅為1.0 mm～1.2 mm時能夠改善焊接缺陷。

圖5 不同擺動振幅時焊接接頭微觀金相組織

3.3 擺動間距影響

對有效熔寬、有效熔深、焊接接頭剪切力進行綜合分析,可以得到擺動振幅與焊接接頭形貌、有效熔深、有效熔寬之間的關系。擺動振幅對焊接接頭熔深熔寬及力學性能影響如圖4所示。

圖6 不同擺動間距時焊接接頭形貌和熔池

擺動間距小,會導致焊接接頭之間互相重疊,密集的激光聚焦部位使金屬氣化,金屬材料吸收率上升,金屬熔池急促產生劇烈反應,對焊件產生過加熱,導致焊穿。擺動間距大,焊接接頭之間雖然不再重疊,但是由于相隔距離較遠,導致熱量積累效率降低,僅能形成較淺熔深的焊縫。

試驗時,在保持焊接速度300 mm/s、激光功率600 W的前提下,以0.2 mm為梯度改變擺動振幅,從0.6 mm到1.4 mm進行試驗。擺動振幅作用下對焊接接頭的外觀形貌、截面熔池、熔深熔寬進行分析。不同擺動振幅時焊接接頭形貌和熔池如圖3所示。

圖7 擺動間距對焊接接頭熔深熔寬及力學性能影響

擺動間距增大,焊接接頭由重疊變為不重疊,有效熔深急劇減小。擺動間距持續增大,焊接接頭相隔距離變遠,熱量積累效應降低,有效熔深和有效熔寬逐漸減小,熔池總體面積減小,剪切力隨熔池面積變化呈減小趨勢。

擺動焊接是一種能夠應對高反射材料特殊物理性能,在激光焊接過程中改善焊縫質量,減少缺陷產生的焊接方法。通過減小擺動線形的間距,延長激光焊接總路徑,可使擺動焊接頭用光束攪動熔池的時間延長。若擺動時間較短,則匙孔中的氣體無法被完全排出,導致焊縫接頭出現氣孔等不良焊接現象。若擺動時間較長,則積累的熱量會使焊縫接頭燒蝕,形成過燒現象,同樣對焊縫接頭質量產生不良影響。

圖8 不同擺動間距時焊接接頭微觀金相組織

擺動間距通過設定焊接接頭之間的重疊距離,控制激光光束的擺動,以達到促進熔池熔合,析出氣體的作用。在擺動間距為0.5 mm時,焊接接頭之間相互重疊,光束對熔池有一定的攪拌效果,熔池中無明顯大氣孔,但存在細微的小氣孔,可以推斷密集型的擺動間距會使焊接時的溫度上升,提升熔池對外界氣體的吸收能力,并且吸收能力遠高于析出氣體能力,導致熔池中仍然存在少量氣體形成微小氣孔。擺動間距為0.7 mm時,焊接接頭之間幾乎不相互重疊,熔池對氣體的吸收能力沒有提高,又因為對熔池的攪拌作用不足,析出空氣能力降低,因此在熔池中會看見明顯的氣孔存在。綜上可得,選取0.5～0.7 mm擺動間距時,能在熔池攪拌析出熔池氣體與熔池吸收氣體能力之間取得平衡,改善焊接缺陷。

4 結束語

通過激光焊接鋰電池極耳工藝研究,證明綠光激光焊接是一種可行的技術方案。在試驗基礎上進行相應驗證,獲得研究結論。

(1) 擺動振幅通過延長激光焊接的時間來提高熱輸入,擺動間距能影響焊接接頭的重疊率。擺動振幅通過光束攪動熔池,擴大匙孔,達到減少氣孔的作用,提升焊接接頭接合強度。擺動間距與焊接接頭強度成反比關系。

(2) 擺動振幅為較小的0.8 mm時,擺動幅度不能促進合金之間的互溶,熔池吸入的氣體沒有及時析出,容易在熔池中形成氣孔。擺動振幅增大時,擺動幅度足以使合金之間形成的固溶體充分結合,減少了焊接缺陷。

(3) 擺動間距為較小的0.5 mm時,雖然保證了攪拌效果,但是重疊的焊接接頭在焊接過程中導致熔池沸騰加劇,吸入氣體的能力高于析出氣體的能力,仍殘留微小氣孔。增大擺動間距,才能改善焊接性能。

(4) 在保持其它條件不變時,擺動振幅通過延長激光焊接的時間來提高熱輸入,最佳范圍為1.0～1.2 mm。擺動間距通過影響焊接接頭的重疊率,導致焊縫形貌燒蝕或輸入熱量不足,最佳范圍為0.5～0.7 mm。

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