動力電池外殼激光高速焊接工藝

許為柏

（鹽城技師學(xué)院，江蘇 鹽城 224002）

0 前言

AL3003是鋁錳合金，具有優(yōu)秀的防銹特性，成形性、溶接性、耐蝕性均良好，被廣泛用于制作動力電池外殼。常用的焊接方式主要有氬弧焊（TIG）和惰性氣體熔化級電弧（MIG），但容易產(chǎn)生氣孔、焊接裂紋和焊接變形等問題，制約了其在工業(yè)中的應(yīng)用推廣[1-2]。激光焊接具有非接觸、熱形變小、環(huán)保、自動化程度高等特點，越來越受到重視[3-4]。傳統(tǒng)的動力電池激光焊接采用固體脈沖激光（ND:YAG）焊接方式[5]，其實質(zhì)是點焊，然后由多個點重合最終實現(xiàn)線焊接。而固體脈沖激光的最高頻率最大只能達到100 Hz，焊接速度一般為20 mm/s，且這種焊接方式的線能量是斷斷續(xù)續(xù)的，加熱/熔融和冷卻/凝固以短周期內(nèi)反復(fù)，鋁的冷卻速度大，不能填補凝固收縮的間隙，特別是大量含有作為強化元素的Mg、Cu時，其焊接部容易產(chǎn)生裂紋。

全固態(tài)激光器（DPSSL）是以半導(dǎo)體激光器（LD）作為泵浦源的固體激光器，它的工作物質(zhì)、激勵源等部分均由固體物質(zhì)構(gòu)成，集中了傳統(tǒng)固體激光器和半導(dǎo)體激光器的優(yōu)勢。具有光電轉(zhuǎn)化效率高、體積小、質(zhì)量輕、可靠性好、壽命長、能量穩(wěn)定性高、易于集成等優(yōu)點，成為目前最具潛力的焊接激光光源之一。

在此采用全固態(tài)激光作為焊接熱源，對動力電池外殼材料進行焊接工藝試驗，并分析焊接接頭成形性能和顯微組織，為全固態(tài)激光的焊接應(yīng)用提供參考。

1 試驗材料和方法[1-5]

1.1 試驗材料

試驗材料為動力電池外殼常用的AL3003鋁合金，其化學(xué)成分如表1所示。

1.2 試驗設(shè)備

焊接熱源采用中國科學(xué)院半導(dǎo)體所的3 000 W全固態(tài)激光器（DPSSL）。激光器技術(shù)指標如表2所示。工藝實驗結(jié)束后進行取樣并進行金相及顯微硬度分析。

表1 AL3003鋁合金的化學(xué)成分 %

表2 激光器技術(shù)指標

1.3 試驗方法

使用丙酮、酒精清洗干凈后吹干，采用自制夾具夾緊，焊接方式為拼焊。采用氬氣作為保護氣體，防止焊縫材料被氧化，抑制激光焊接時產(chǎn)生的等離子屏蔽云對焊接過程產(chǎn)生不利影響。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 工藝參數(shù)

由于全固態(tài)激光器（DPSSL）是連續(xù)出光，考慮的焊接工藝因素相對較少。在前期大量預(yù)實驗的基礎(chǔ)上，在保持激光焦點與工件位置等其他因素不變的情況下，通過調(diào)控激光輸出功率及焊接速度，對焊接質(zhì)量進行研究，工藝參數(shù)如表3所示。

表3 試驗工藝參數(shù)

調(diào)節(jié)激光器輸出功率，當輸出功率逐漸增大時，焊縫寬度逐漸變寬，如圖1a、圖1b所示。當功率為2 300 W，鋁材背面被焊透（見圖2a）。激光輸出功率是決定焊縫熔寬、熔深的主要因素，當其他工藝條件不變時，隨激光輸出功率的增大，焊縫寬度和熔深也相應(yīng)增大，這是由于當激光功率增大時，金屬蒸發(fā)形成的蒸氣壓力能克服熔化金屬表面張力和液體金屬靜壓力而在金屬內(nèi)部形成小孔，小孔有助于吸收激光束能量。當功率過大時，會有兩種情況發(fā)生：一種是激光在金屬表面形成過多的光致等離子體，光致等離子體對激光的屏蔽作用，反而使得熔寬、熔深下降；另一種是金屬強烈氣化，嚴重燒損合金材料中低熔點的元素，甚至燒壞材料，形成穿孔。同時，熔池中液體結(jié)晶方向明顯，晶粒粗大，影響焊縫質(zhì)量。因此激光的功率大小需要調(diào)到合適時才能獲得良好的焊縫。

圖1焊縫表面成形Fig.1 Weld appearance

圖2 焊縫背面形貌Fig.2 Back-morphology of the weld

其他參數(shù)不變，僅對焊接速度進行調(diào)節(jié)，速度越快，焊縫的寬度越小（見圖1c、圖1d）。焊縫的熔深也逐漸減小，由焊透變?yōu)槲春竿?。焊接速度過慢又會使得材料熔化過度、焊縫過寬、熱影響區(qū)大、熱裂紋傾向增大。另外，鋁合金對激光的吸收率是隨著材料表面穩(wěn)定的升高而增加的，焊接速度快，材料表面的穩(wěn)定無法得到有效提高，對激光的吸收變低，因而無法達到焊接的目的。

當提高焊接速度時，應(yīng)不斷增加激光輸出功率。但是激光器的功率受到自身的限制不可能無限升高，因而兩者需要匹配完好，才能獲得良好的焊縫成形和足夠的熔深。經(jīng)實驗，當激光功率為2100W，焊速10 mm/s；激光功率2 300 W，焊速20 mm/s時，能獲得較好地焊接效果。

2.2 接頭顯微組織分析

焊接接頭顯微組織如圖3所示。由圖3a可看到明顯的熔合線，其左邊為熔合區(qū)，右邊為焊縫。激光作用在材料表面上形成熔池，激光離開后，溫度下降，熔池冷卻，凝固成為焊縫。在材料凝固過程中，熔池壁與母材接近的區(qū)域按照母材金屬的晶核為現(xiàn)成的結(jié)晶表面，從熔池壁上開始結(jié)晶，沿最大冷卻速度朝相反的方向生長，即外延生長。熔池開始凝固時，晶粒由與母材接觸處沿著焊縫中心外延生長，形成樹枝狀組織，熔合區(qū)為樹枝狀組織。在焊縫中心附近，散熱的方向發(fā)生了改變，抑制了這種外延生長，焊縫金相為等軸晶，如圖3b所示。

圖3 焊接接頭的顯微組織Fig.3 Microstructures of welding joins

2.3 接頭顯微硬度

沿著焊縫中心左右兩側(cè)每隔0.25 mm取一點，測試其顯微硬度，母材、熔合區(qū)及焊縫區(qū)的顯微硬度如圖4所示。由圖4可知，焊縫及熱影響區(qū)的顯微硬度均稍高于母材，硬度峰值出現(xiàn)在熔合線附近。焊接接頭顯微硬度高于母材的原因可能有兩點：一是激光焊接完成后冷卻速度快，相當于快速退火，具有均勻組織、消除內(nèi)應(yīng)力、細化焊縫組織，因此增加了焊接接頭的顯微硬度；二是由于采用的是連續(xù)出光模式，熱輸入量均勻，得到焊縫組織的晶粒更為細化，組織更致密，位錯密度更高，因此顯微硬度也較高。

圖4 典型樣品的顯微硬度Fig.4 Microhardness of typical samples

3 結(jié)論

（1）采用全固態(tài)激光實現(xiàn)的動力電池材料（AL 3003）高速焊接。當激光功率2 100 W，速度10 mm/s；激光功率2 300 W，焊接速度20 mm/s時，獲得了最佳的焊接效果。

（2）從焊接接頭的顯微組織觀察可以發(fā)現(xiàn)，熔合區(qū)為樹枝狀組織，焊縫為等軸晶，且有晶粒細化現(xiàn)象，導(dǎo)致焊縫的顯微硬度明顯高于母材。

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[1]Li Liqun，Chen Yanbin，Tao Wang.Research on dual-beam weldingcharacteristicsofaluminumalloy[J].ChineseJ.Lasers，2008，5（11）：783-1788.

[2]Zuo Dungui，Li Fang，Hua Xueming，et al.New welding technology of aluminium alloy in auto industry[J].lectric Welding Machine ，2007，37（7）:1-5.

[3]SONG D F，HU SH S，MA L.Development of laser-based welding of aluminium alloy[J].Electric Welding Machine，2004，34（9）：1-3.

[4]SANCHEZ-AMAYA J M，DUFFFT G.Hot cracking in Al-Mg-Si alloy laser welding-operating parameters and their effects[J].Materials Science and Engineering，2005，A395（1/2）:1-9.

[5]王中林.AL3003動力電池外殼激光焊接密封試驗[J].激光雜志，2012，33（6）：65-66.