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动力电池外壳激光焊接试验分析报告

业务:电池钢壳电池壳来源:力达金属时间:2016-11-01 点击量:

摘要:开展了动力电池外壳激光焊接密封试验,对激光焊接动力电池外壳有关理论进行了深入分析,并取得了较好效果。
试验结果对动力电池外壳激光焊接工艺质量提升具有一定的现实指导意义。关键词:动力电池;激光;焊接;分析中图分类号:TG456.7 文献标志码:B 铝合金激光焊接以非接触、热形变小、环保等优点在很多领域取代了传统焊接方法。铝合金焊接的难点在于铝合金对激光的反射率极高,焊接过程中气孔敏感性高,且易形成热裂纹[1]。笔者选用典型铝合金动力电池外壳进行激光焊接密封试验,并对结果进行了金相分析。同时,从激光与物质相互作用的角度,对焊接过程进行一定的理论分析。 
1试验方法及效果
1.1 焊接材料及方法 动力电池外壳材料包括钢和铝合金,其中 AL3003铝合金材料具有优秀的防锈特性,成形性、 焊接性、耐蚀性均良好。利用450W固体YAG激光对厚0.6mmAL3003电池外壳,与外壳连接处0.8 mm厚密封盖进行密封焊接试验。焊接时采用穿透焊 对壳体与密封盖进行连接,如图1所示。 
1.2焊接工艺参数 试验将激光束中心轴与焊接面保持垂直,采用 热传导穿透焊,焊接工艺参数见表1。 
1.3 焊接工艺效果 试验结果,电池外壳与密封盖焊接成功,满足 9.80665kN不漏气的气密性要求,采用数显金相显 微镜检测,壳体与封盖焊接部位金相组织图如图 2,3所示,未见明显气孔、裂纹,壳体焊透,且封 装后电池内部未见焊接熔渣。 
2热传导焊接过程分析
2.1 激光功率密度对焊接影响 功率密度对激光焊接是最关键的影响因素之一。 据有关文献记载,激光功率密度q=0.886TK(ατ)1/2 ,其中 α为热扩散率,K为热传导率,τ脉宽,T为温度[2]。 动力电池铝外壳熔点574~635℃,沸点约为2000℃, 图1焊接区域及焊接方法 表1 焊接工艺参数平均功率/W脉宽/ms频率/Hz离焦量/mm焊接速度/(mm·s-1)聚焦光斑大小/mm保护气体流量 /(L·min-1) 激光波形2002.520+380.35 指数衰减型 图2壳体焊缝表面金相100×图3封盖搭焊处表面金相100× ·试验与研究·焊接技术第41卷第7期2012年7月 代入激光功率密度式中运算,要求功率密度在4.1× 104~1.3×105W/cm2范围,符合电池焊接处于激光热 传导焊接状态要求。实际试验过程中,激光平均功率为200W左右,脉宽2.5ms,频率20Hz,利用公 式P=P 軈f(P 軈为峰值功率,为平均功率,T为脉宽,f为频率),代入运算可知,峰值功率为4×103W。根据离焦量3mm、聚焦光斑大小0.3mm及实际激光打在相纸上试验判断,焊接处光斑大小接近0.4mm,计算可知峰值功率密度约为2.5×106W/cm2,其超过理论计算值。但动力电池外壳厚度为0.6mm,且属于穿透焊接,需要一定的熔深,焊接功率密度略超过沸点要求,功率密度能达到更好的焊接效果。 
2.2铝合金材料表面对焊接影响 材料对激光的吸收率随温度的变化由公式ελ(T) =0.365ρ[1+β(T-20)/軈軈 λ1/2 决定,其中ρ为铝合金20℃时直流电导率,β为电阻温度系数,λ为激光波 长。按公式做出基本估算,铝合金对YAG激光在20 ℃吸收率大约在20%。在焊接过程中采用类似图4 优化激光脉冲[3],设置指数形式衰减波,激光波形开始高峰部分可以使铝合金材料通过瞬间温度升高来提高动力电池外壳对激光的吸收率,后沿下降避免材料表面功率密度过高,形成深熔焊,击穿壳体。同时采用该脉冲波形,还可以有效减少气孔和裂纹产生几率,提高电池的气密性。 铝合金激光焊接气孔是铝合金焊接的常见缺陷。空气中的水分以及氧化膜中吸附的水分是产生焊缝气孔的主要原因[4]。采用氮气保护激光焊接,可以减少壳体表面焊接过程中氧化,减少焊缝气孔,同时保护聚焦镜片。 
2.3工件装配对激光焊接影响 动力电池采用铝合金外壳与密封盖下沿叠加穿 透焊接,装配不可能做到理想接触,中间存在空气隙。空气隙热传导率远低于焊接壳体,激光在间隙间的传递表现为对流传导效应,计算起来相当复杂。据有关文献记载,参考其提出某种零件实施激光穿透焊时上层上表面、下表面以及下层上表面温度变化曲线,如图5所示。动力电池壳体在脉宽2.5ms内可能达到最高峰,同时密封盖焊接处也处于熔点以上,能够熔化,完成焊接,准确数据需进一步试验研究。图6显示所需最小激光能量与两层材料间隙关系,在间隙小于上层材料1/10时,能量增加要求不明显,但在1/10~1/2之间时,需要能量几乎与间隙成线性增加关系。超过1/2,无法焊接[5]。在试验过程中对壳体与密封盖结合处加压,所需激光功率较小,符合以上分析。 
3结论 通过动力电池激光焊接密封试验及理论分析过 程,要使封装后的电池达到较好的气密性,需要适当设置激光焊接参数,连接处保持良好接触,同时注意保护气体的应用。
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