金屬激光振鏡掃描焊接工藝研究

動力電池是新能源汽車的核心零部件之一，其占據(jù)整車成本的近 40 % ，重要性堪比汽車的“心臟”，在“雙碳”自標(biāo)驅(qū)動的產(chǎn)業(yè)變革中，動力鋰電池的性能直接決定新能源汽車的市場核心競爭力[12]。

目前動力鋰電池蓋板與導(dǎo)電連接片的主要連接方式是采用激光焊接，許多場合要求鋰電池具有大倍率的放電能力，這就要求激光焊接面積能滿足大倍率放電的過流面積要求。隨著工藝技術(shù)發(fā)展，電池能量密度的逐步提高，要求導(dǎo)電連接片尺寸相對較小，激光焊接的區(qū)域也隨著變小。傳統(tǒng)激光焊接采用準(zhǔn)直頭，其焊縫面積較窄，需要焊接多條焊縫才能滿足過流面積要求，多條焊縫容易導(dǎo)致焊接空間避讓不足，使激光焊線偏移至轉(zhuǎn)接片邊緣位置，引起虛焊或者過流能力不足。同時，不同焊縫之間還需要有足夠大的間距以免焊縫重疊產(chǎn)生的焊接爆點(diǎn)，因此需要尋找新的焊接方式來增加焊縫的過流面積。

激光振鏡掃描焊原理

激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源，通過高能量密度的激光使金屬局部融化，形成有效的熔池從而將金屬焊接在一起。激光焊接技術(shù)具有熱輸入量少、熔池深寬比大、熱影響區(qū)小、操作連續(xù)性和可重復(fù)性以及容易實現(xiàn)自動化等特點(diǎn)，因此適用于很多行業(yè)[3。激光器出光通常采用準(zhǔn)直頭和振鏡這兩種方式，振鏡具有響應(yīng)速度快、定位精準(zhǔn)的特點(diǎn)，若激光焊接設(shè)備采用振鏡掃描，其焊接的精度、速度、效率及靈活性等方面也將會大大提高[4，5]。

振鏡掃描系統(tǒng)主要由振鏡和場鏡組成，是一種操作性能良好的矢量掃描元器件，其操作方式是通過電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動振鏡角度的擺動。基本原理是通電線圈在磁場中產(chǎn)生力矩，但與旋轉(zhuǎn)電動機(jī)不同，其轉(zhuǎn)子上通過機(jī)械扭簧或電子的方法加有復(fù)位力矩，大小與轉(zhuǎn)子偏離平衡位置的角度成正比。當(dāng)線圈通以一定的電流而轉(zhuǎn)子發(fā)生偏轉(zhuǎn)到一定的角度時，電磁力矩與回復(fù)力矩大小相等，因此旋轉(zhuǎn)電動機(jī)不能像普通電動機(jī)一樣旋轉(zhuǎn)，只能夠產(chǎn)生一定角度的偏轉(zhuǎn)，其偏轉(zhuǎn)角與電流成正比?；谡耒R掃描式的激光焊接的工作原理是將激光束入射到兩組反射鏡（振鏡）上，這兩個反射鏡可分別沿X、Y軸旋轉(zhuǎn)掃描，通過計算機(jī)控制反射鏡的反射角度，實現(xiàn)激光束的偏轉(zhuǎn)，使具有一定功率密度的激光聚焦光斑在加工材料上按所需的要求運(yùn)動，從而達(dá)到焊接加工的目的，振鏡掃描焊接原理如圖1所示。

實驗條件及方法

1.實驗設(shè)備及材料

本實驗焊接設(shè)備采用IPG激光振鏡掃描焊接機(jī)，激光器最大輸出功率為 6 0 0 0 W 。激光焊接樣品選用8個動力鋰電池蓋板和16導(dǎo)電轉(zhuǎn)接片，正極為6061系列鋁合

金，化學(xué)成分組成見表 ；負(fù)極為金屬銅，其中電池導(dǎo)電轉(zhuǎn)接片厚為 1 m m ，為保證焊接質(zhì)量在焊接前徹底去除焊接材質(zhì)表面的油污和氧化膜。

2.實驗方法

1）實驗采用控制變量法，通過設(shè)置 2 m m 、2 . 4 m m 、3mm及4mm的焊接寬度，觀察鋁合金和金屬銅激光振鏡掃描焊接焊縫的外觀質(zhì)量，探索激光振鏡掃描焊接的振鏡掃描的擺動范圍及焊接效果。

2）鋁合金激光振鏡掃描焊接采用焊接功率2 4 0 0 W 、焊接速度 、離焦量0.9，振鏡擺幅分別設(shè)置為 1 . 0 m m ， 1 . 2 m m 、 1 . 5 m m 及 2 . 0 m m ，觀察焊縫熔池的熔深熔寬尺寸，研究激光振鏡擺幅對鋁合金的焊接質(zhì)量影響規(guī)律。

3）金屬銅激光振鏡掃描焊接采用焊接功率5100W、焊接速度 、離焦量0.9，振鏡擺幅分別設(shè)置為 1 . 0 m m 、 1 . 2 m m 、 1 . 5 m m 及 2 . 0 m m ，觀察焊縫熔池的熔深熔寬尺寸，研究激光振鏡擺幅對銅的焊接質(zhì)量影響規(guī)律。

實驗結(jié)果與討論

1.焊接外觀

焊接外觀是焊接質(zhì)量最直接的表現(xiàn)形式，焊接外觀質(zhì)量可以直觀的表現(xiàn)出工藝參數(shù)的有效與否，焊接面積決定了導(dǎo)電轉(zhuǎn)接片的過流量，在焊接長度一定的情況下，焊縫越寬導(dǎo)電片的有效過流量也就越大。通過設(shè)置不同的焊接寬度，可以測試激光器振鏡的有效擺動范圍，為激光振鏡掃描焊接工藝參數(shù)優(yōu)化提供一定的參考依據(jù)，鋁合金與銅不同寬度焊縫焊接質(zhì)量如圖2和圖3所示。

觀察分析可得：鋁合金和銅兩種金屬導(dǎo)電轉(zhuǎn)接片采用激光掃描焊接，不同寬度的焊縫焊接外觀質(zhì)量目測良好。焊縫平整光滑，無斷焊、爆點(diǎn)等情況出現(xiàn)，表明激光振鏡掃描焊接工藝滿足焊接外觀質(zhì)量控制要求。

（質(zhì)量分?jǐn)?shù) . % ）

2.金相結(jié)果

在顯微鏡下可以觀察金屬的微觀焊接質(zhì)量，通過測量焊縫的熔池尺寸，分析焊接質(zhì)量是否滿足焊接工藝設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，同時可以觀察焊縫內(nèi)部是否出現(xiàn)氣孔、爆點(diǎn)等焊接缺陷。鋁合金的激光掃描焊接金相結(jié)果如圖4所示，金屬銅的激光掃描焊接金相結(jié)果如圖5所示。

對比不同擺幅鋁合金和銅的焊接熔深熔寬，如圖6所示，分析可得：

1）振鏡擺幅在 1 . 0 ～ 2 . 0 m m ，鋁合金和銅兩種金屬材質(zhì)導(dǎo)電轉(zhuǎn)接片激光振鏡掃描焊接的熔池效果良好，未出現(xiàn)氣孔、爆點(diǎn)等焊接缺陷。

圖5不同擺幅金屬銅焊接金相結(jié)果

池的熔寬也隨之增大，表明通過增大擺幅可以有效地增加熔池的熔寬，該方法可提高導(dǎo)電轉(zhuǎn)接片的有效過流面積。

2）隨著振鏡擺幅的變大，金屬銅和鋁合金焊接熔

3）隨著振鏡擺幅的變大，金屬銅和鋁合金焊接熔池的熔深略微少有降低，但是總體還是比較穩(wěn)定，表明在焊接功率、焊接速度不變的情況下，增加擺幅對焊縫熔池熔深的影響不大。

結(jié)語

激光掃描焊接鋁合金和銅兩種金屬導(dǎo)電轉(zhuǎn)接片，焊縫寬度在""焊接外觀質(zhì)量目測良好，焊縫平整光滑，無斷焊、爆點(diǎn)、氣孔等焊接缺陷出現(xiàn)，表明激光振鏡掃描焊接工藝滿足焊接外觀質(zhì)量控制要求。

同樣情況下隨著振鏡擺幅的變大，金屬銅和鋁合金焊接熔池的熔寬也隨之增大，熔深同比略有減小，但是總體還是比較穩(wěn)定；表明在焊接功率、焊接速度不變的情況下，增加擺幅可提高導(dǎo)電轉(zhuǎn)接片的有效過流面積。

激光振鏡掃描焊接相比于傳統(tǒng)激光準(zhǔn)直頭焊接方式，在不改變焊接工藝和焊接裝置的情況下，可以有效地增大焊縫寬度，相比傳統(tǒng)工藝可以提高生產(chǎn)效率，提升設(shè)備產(chǎn)能。

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