汽車動(dòng)力電池鋁合金外殼激光焊接工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及汽車動(dòng)力電池外殼制造領(lǐng)域，特別是一種汽車動(dòng)力電池鋁合金外殼激 光焊接工藝。
【背景技術(shù)】
[0002] 本發(fā)明涉及一種汽車鋰離子電池工業(yè)純鋁外殼激光焊接波形，屬于汽車動(dòng)力電 池制造領(lǐng)域。
[0003] 鋰離子電池以其高比能量，自放電少，循環(huán)壽命長(zhǎng)，無記憶效應(yīng)和綠色環(huán)保等特點(diǎn) 備受關(guān)注，鋰離子電池的發(fā)展勢(shì)頭極為迅猛，鋰離子電池已應(yīng)用在筆記本電腦、移動(dòng)電話、 錄像機(jī)、小型醫(yī)療保健設(shè)備、摩托車、自行車、照相機(jī)等領(lǐng)域，鋰離子電池在電動(dòng)汽車、航空、 航天、航海、和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用研究也正在積極展開，具有替代各種二次電源的潛力，具有 廣闊的前景。而電池外殼（普遍采用1系、3系鋁合金）的焊接是其中關(guān)鍵工藝。
[0004] 激光的方向性和亮度構(gòu)成了能量在空間和時(shí)間上的高度集中，可傳輸極遠(yuǎn)距離并 具有高能量或高強(qiáng)度，在材料加工領(lǐng)域（包括焊接）中被視為理想的熱源。
[0005] 但金屬焊接時(shí)對(duì)激光的反射率隨激光作用時(shí)間而發(fā)生變化，如圖1為其變化曲 線。在激光開始作用時(shí)，由于材料表面為室溫，反射率很高；當(dāng)光照區(qū)溫度逐漸上升時(shí)，反射 率迅速下降（圖1中ab段）；溫度到達(dá)熔點(diǎn)tm后，光照區(qū)處于熔化狀態(tài)，反射率基本穩(wěn)定于 某一值；隨著熔化區(qū)溫度繼續(xù)上升，材料達(dá)到沸點(diǎn)時(shí)，反射率又一次迅速下降，如圖1中be 段下降到20 %左右。
[0006] 鋰離子電池廣泛使用鋁合金外殼，激光焊接時(shí)由于冷卻速度快，容易導(dǎo)致低熔點(diǎn) 元素偏析聚集在柱狀晶晶界，而低熔點(diǎn)元素（如：Si、Mg等）容易與鋁形成多種脆性的低熔 點(diǎn)共晶相，造成在焊接冷卻過程中形成嚴(yán)重的裂紋，導(dǎo)致力學(xué)性能顯著降低。
[0007] 鋰離子電池工業(yè)純鋁外殼的焊接現(xiàn)有的技術(shù)方案主要有：
[0008] 1)傳統(tǒng)的釬焊工序?yàn)椋菏紫冗M(jìn)行工件裝配并預(yù)置焊料（置于焊接坡口或焊縫內(nèi)）， 接下來進(jìn)行焊縫周圍或電池外殼整體的大面積加熱，融化預(yù)置焊料，在大面積的加熱進(jìn)行 保溫緩冷。
[0009] 2)傳統(tǒng)的TIG焊（氬弧焊）、MIG焊（熔化極惰性氣體保護(hù)焊）工序?yàn)椋菏紫冗M(jìn)行 工件裝配，再進(jìn)行大熱量輸入的焊接，MIG焊、TIG焊焊接同時(shí)均需融化4043(含5% Si的 Al~Si焊絲）等焊絲，以防止焊接熱裂紋。
[0010] 3)傳統(tǒng)的波形未控制的激光焊接，工序?yàn)椋菏紫葘?duì)待焊接工件進(jìn)行裝配，直接采 取峰值（即等功率的單脈沖）脈沖進(jìn)行連續(xù)焊接，焊接過程需添加4043 (含5 % Si的Al~ Si焊絲）等焊絲，以防止焊接熱裂紋。
[0011] 現(xiàn)有方案主要有以下缺點(diǎn)：
[0012] 1)工業(yè)純鋁（1系、3系鋁合金）熱導(dǎo)大、線膨脹系數(shù)大，傳統(tǒng)焊接方法需要加大熱 量輸入或整體加熱，容易導(dǎo)致咬邊、翹曲變形等缺陷；
[0013] 2)由于需要加大熱量輸入或整體加熱，所以能耗大、生產(chǎn)效率低下；
[0014] 3)傳統(tǒng)的焊接方法由于鋁的線膨脹系數(shù)約為碳素鋼和低合金鋼的2倍，凝固時(shí)的 體積收縮率達(dá)6. 5%左右，同時(shí)焊接界面為平面、熱輸入大，生產(chǎn)過程中易產(chǎn)生熱裂紋。必須 采取保溫或焊接過程中添加焊絲增加韌性，減少熱裂紋。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 本發(fā)明的主要目的是提供一種抗拉性能優(yōu)異的汽車動(dòng)力電池鋁合金外殼激光焊 接工藝。
[0016] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：一種汽車動(dòng)力電池鋁合金外殼激光焊接工藝，所述的 工藝為在惰性氣體的保護(hù)下，在鋁合金的焊縫處以激光釬焊的方式進(jìn)行焊接，所述的激光 的脈沖寬度為3~7ms，其中，所述的脈沖范圍內(nèi)由預(yù)熱階段、加熱階段、保溫階段組成，其 中預(yù)熱階段不少于lms，加熱階段不少于lms，保溫階段不少于lms，預(yù)熱階段和保溫階段的 功率均為3~4kw，所述的加熱階段的功率先增加后降低，峰值功率為6~8. 5kw。
[0017] 在上述的汽車動(dòng)力電池鋁合金外殼激光焊接工藝中，所述的激光由多個(gè)單脈沖激 光疊加而成，其中單脈沖激光的頻率8~10Hz，能量17~22J，平均輸出功率200W。
[0018] 在上述的汽車動(dòng)力電池鋁合金外殼激光焊接工藝中，所述的激光的光斑直徑為 0· 6 ~0· 8mm〇
[0019] 在上述的汽車動(dòng)力電池錯(cuò)合金外殼激光焊接工藝中，焊接速度為1. 8~2. 4mm/s。
[0020] 在上述的汽車動(dòng)力電池鋁合金外殼激光焊接工藝中，所述的預(yù)熱階段、加熱階段、 保溫階段的時(shí)間比為1 :1 :1。
[0021] 在上述的汽車動(dòng)力電池鋁合金外殼激光焊接工藝中，所述的鋁合金為1系、3系鋁 合金，錯(cuò)合金的厚度為0. 8~I. 2mm。
[0022] 本發(fā)明的有益效果如下：
[0023] 本發(fā)明采用激光能量脈沖波形的整形，前部預(yù)熱波形，最大限度地提高能量利用 率，維持焊縫穩(wěn)定，提高母材溫度。中部急增的加熱波形，增加焊接深寬比，減少動(dòng)力電池鋁 外殼焊接熱影響區(qū)，最大限度的減少焊接工件的膨脹、變形。尾部的保溫波形，確保焊縫冷 卻速度、與母材溫度梯度在合理范圍，減少偏析和脆性共晶組織析出，杜絕了焊縫凝固的熱 裂紋，減少了傳統(tǒng)焊接和無整形脈沖激光焊接的焊絲添加的材料及工序成本。
[0024] 通過本發(fā)明得到的焊接后的鋁合金具體抗拉強(qiáng)度好，同時(shí)少能量輸入實(shí)現(xiàn)焊接， 最大限度的控制輸入到焊縫的熱量，降低能耗，提高生產(chǎn)效率，焊接過程不需要額外的添加 焊絲，減少工序，節(jié)約成本。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明【背景技術(shù)】中焊接進(jìn)程對(duì)激光反射率的影響；
[0026] 圖2是本發(fā)明的實(shí)施例1的焊接示意圖；
[0027] 圖3是本發(fā)明的實(shí)施例1的脈沖激光的脈沖波形圖；
[0028] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例2的預(yù)熱、保溫的功率對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響曲線圖；
[0029] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例3的加熱階段的峰值功率對(duì)焊縫深度的影響；
[0030] 圖6是本發(fā)明實(shí)施例3的加熱階段的峰值功率對(duì)焊縫寬度的影響；
[0031] 圖7是本發(fā)明實(shí)施例5的在0. 6mm的激光光斑的條件下單脈沖能量、脈沖寬度的 可調(diào)整范圍示意圖；
[0032] 圖8是本發(fā)明實(shí)施例5的在0. 8mm的激光光斑的條件下單脈沖能量、脈沖寬度的 可調(diào)整范圍示意圖；
[0033] 圖9為本發(fā)明的對(duì)比例1的脈沖激光的脈沖波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但不構(gòu)成對(duì) 本發(fā)明的任何限制。
[0035] 實(shí)施例1
[0036] 如圖2所示，待焊工件35為1系鋁合金，厚度I. 2mm，其結(jié)合部設(shè)有焊縫33,焊接 時(shí)使用的Nd :YAG固體脈沖激光器，最大功率為1000W，峰值功率可達(dá)10KW。最小光斑直徑 0. 6mm，脈寬范圍1~10ms，激光波長(zhǎng)1. 064 μ m，激光功率不穩(wěn)定度彡3%，聚焦元件的焦距 f為80mm。激光器發(fā)出的激光采用光纖傳輸并聚焦到焊縫，采用待焊工件35水平面內(nèi)移 動(dòng)，激光束31不動(dòng)的方式使激光束31以2. lmm/s的速度掃描焊縫33,實(shí)現(xiàn)待焊工件35的 焊接。焊接過程中使用通過保護(hù)氣氣嘴32對(duì)焊接融池34吹掃適當(dāng)?shù)腁r氣體氣流進(jìn)行保 護(hù)，以防止焊縫33氧化。激光的光斑直徑為0. 6_。
[0037] -個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間為3ms由許多單脈沖疊加而成，脈沖頻率為10HZ，單脈沖能量 22J。前Ims內(nèi)為預(yù)熱波，組合的單脈沖功率迅速由3KW提高至4KW，到達(dá)點(diǎn)11 ;并再接下來 的的Ims內(nèi)為加熱波，功率線性增加到峰值7. 5~8KW，到達(dá)點(diǎn)12 ;然后線性降低到4KW，到 達(dá)點(diǎn)13 ;接下來的Ims內(nèi)為保溫波，組成的單脈沖功率逐步降低到3KW，到達(dá)點(diǎn)14。
[0038] 波形如圖3，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為功率。
[0039] 實(shí)施例2
[0040] 待焊工件35為3系鋁合金，厚度0. 8mm，使用同一激光焊接設(shè)備，焊接速度相同。 本實(shí)施例的主要目的是考察預(yù)熱、保溫階段的功率選擇，其包含6個(gè)具體的實(shí)施方案。
[0041] 在本實(shí)施例中，預(yù)熱、保溫的功率均相同，其參數(shù)與實(shí)施例1相同，不同的地方在 于，預(yù)熱、保溫的功率在2~6KW范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，具體來說其功率為0~1、1~2、2~3、3~ 4、4~5、5~6kw，如圖4所示，紅點(diǎn)代表終了功率，橫坐標(biāo)為預(yù)熱、保溫的功率，縱坐標(biāo)為拉 伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，依據(jù)GB/T 2652~1989焊縫及熔敷金屬拉伸試驗(yàn)方法測(cè)試抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù) (N/mm2)。
[0042] 預(yù)熱作用之一是提高焊接前母材溫度，提高焊接時(shí)的激光吸收率，但經(jīng)理論及試 驗(yàn)分析，表明由于預(yù)熱材料未融化，激光吸收率在0. 02到0. 06之間變化，對(duì)激光吸收率提 尚影響不明顯。
[0043] 預(yù)熱可以減少焊接前母材與融池的溫度梯度、利于熔池的穩(wěn)定持續(xù)，降低焊接激 光功率和提高熔深。
[0044] 預(yù)熱對(duì)焊接后保溫也有促進(jìn)，母材具有一定的預(yù)熱溫度，與熔池形成相對(duì)小的溫 度梯度。因?yàn)殇X合金的激光焊接時(shí)冷卻速度快、溫度梯度大。對(duì)冷卻過程中將沿著晶界快 速生產(chǎn)柱狀晶，合金元素在晶界偏析。如果焊接前，母材沒有預(yù)熱到足夠的溫度，焊接后的 保溫只能夠維持焊縫溫度或控制下降速度，很難再對(duì)母材產(chǎn)生影響，這時(shí)隨著冷卻的進(jìn)行， 溶池與母材的界面附近的柱狀晶結(jié)晶將產(chǎn)生顯