基于溫度場(chǎng)模擬的防爆閥激光焊接工藝

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150001;2.深圳市大德激光技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518055)

基于溫度場(chǎng)模擬的防爆閥激光焊接工藝

耿立博1楊亞濤2富宏亞1

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱150001;2.深圳市大德激光技術(shù)有限公司，廣東深圳518055)

為了分析不同工藝參數(shù)的激光焊接熱輸入對(duì)汽車動(dòng)力電池蓋板防爆力的影響，采用有限元法模擬汽車動(dòng)力電池蓋板防爆閥激光焊接的溫度場(chǎng)。根據(jù)再結(jié)晶退火和均勻化退火對(duì)Al3003晶內(nèi)偏析的影響，結(jié)合防爆閥爆破區(qū)的顯微組織，分析防爆力在不同焊接熱輸入時(shí)變化規(guī)律。同時(shí)，根據(jù)防爆力指標(biāo)為0.9±0.05 MPa，優(yōu)選防爆閥焊接工藝參數(shù)。結(jié)果表明，當(dāng)激光功率增大時(shí)，防爆力呈拋物線趨勢(shì)變化；當(dāng)激光功率為1 050 W、豎坐標(biāo)為+161 mm和焊接速度為50 mm/s時(shí)，防爆力最接近目標(biāo)值0.9 MPa。

防爆力激光焊溫度場(chǎng)模擬顯微組織

0 序 言

汽車動(dòng)力電池蓋板是汽車動(dòng)力電池的重要組成部分，直接影響動(dòng)力電池的安全性和使用性能。隨著動(dòng)力電池應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜化，電池受到撞擊、擠壓、過熱的可能性增大。當(dāng)動(dòng)力電池內(nèi)氣壓過大時(shí)，防爆閥自動(dòng)爆破泄壓，可以防止電池爆炸[1]。汽車動(dòng)力電池蓋板的正、負(fù)極柱是電動(dòng)汽車的接線柱，直接影響動(dòng)力電池充電、放電的可靠性。

防爆閥的材料為鋁合金，焊接要求為焊縫寬度小，焊接精度高。因?yàn)榧す夂妇哂行矢?、精度高、焊縫美觀等優(yōu)點(diǎn)[2]，所以激光焊是合適的防爆閥焊接方法。但是，激光焊高度集中的熱輸入會(huì)引起高梯度的溫度場(chǎng)，容易影響汽車動(dòng)力電池蓋板的防爆力。同時(shí)激光焊焊縫的氣孔缺陷會(huì)降低連接強(qiáng)度，影響防爆閥的使用性能[3]。

文中分析了不同工藝參數(shù)的激光焊接熱輸入對(duì)汽車動(dòng)力電池蓋板防爆力的影響。同時(shí)優(yōu)選防爆閥激光焊接工藝參數(shù)，為實(shí)際生產(chǎn)中汽車動(dòng)力電池蓋板防爆閥激光焊接的工藝優(yōu)化提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

激光焊接試樣為汽車動(dòng)力電池蓋板，包括頂蓋片、防爆閥等零件。防爆閥焊接的目的是連接防爆閥和頂蓋片。防爆閥焊后的防爆力理想值為0.9±0.05 MPa。防爆閥和頂蓋片的材料為Al3003，材料的主要化學(xué)成分見表1，物理性能參數(shù)見表2。熱導(dǎo)率和比熱容為熱物理參數(shù)，根據(jù)已知溫度的熱導(dǎo)率和比熱容，通過插值法和外推法確定其它溫度的參數(shù)值。試驗(yàn)設(shè)備為1 500 W激光器，激光波長(zhǎng)1 070 nm。

表1 Al3003主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 Al3003材料物理性能參數(shù)(室溫)

2 防爆閥焊接溫度場(chǎng)模擬

2.1 溫度場(chǎng)模擬分析

汽車動(dòng)力電池蓋板溫度場(chǎng)分析為非線性瞬態(tài)分析，在求解前應(yīng)確定初始條件和邊界條件[4]。初始條件為汽車動(dòng)力電池蓋板初始溫度，取室溫20 ℃。汽車動(dòng)力電池蓋板表面有對(duì)流傳熱和輻射傳熱，將對(duì)流傳熱系數(shù)和輻射傳熱系數(shù)綜合在一起為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。計(jì)算得到汽車動(dòng)力電池蓋板和周圍環(huán)境的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)如表3所示。

選擇組合熱源模型模擬激光對(duì)防爆閥焊縫的加熱作用[5]。選擇平面高斯熱源模型模擬金屬蒸氣羽和表面熔池對(duì)焊件的加熱作用，選擇旋轉(zhuǎn)高斯體熱源模型模擬匙孔對(duì)激光的菲涅爾吸收。平面高斯熱源和旋轉(zhuǎn)高斯熱源的能量分配比例為4∶6，激光吸收系數(shù)為0.75，激光加熱半徑為0.5 mm，平面高斯熱源模型的表達(dá)式如式(1)所示：

表3 不同溫度的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

(1)

式中：q1為焊縫表面距離熱源中心r處的熱流密度；Q為焊縫表面吸收的激光能量；R為熱源半徑。

旋轉(zhuǎn)高斯體熱源模型z軸處的熱流密度相等，且z向各截面內(nèi)激光能量服從高斯函數(shù)分布，模型的表達(dá)式如式(2)所示：

(2)

式中：q2為焊縫深度z且距離熱源中心r處的熱流密度；H為熱源深度。當(dāng)激光功率為1 000 W和1 200 W時(shí)，H分別取1.2 mm和1.4 mm。

汽車動(dòng)力電池蓋板的細(xì)節(jié)特征將影響網(wǎng)格的數(shù)量、形狀和大小。因此，忽略不會(huì)造成局部高溫的特征，建立防爆閥激光焊接幾何模型如圖1所示。

圖1 防爆閥激光焊接幾何模型

劃分疏密不同的網(wǎng)格，靠近和遠(yuǎn)離防爆閥激光焊接區(qū)的網(wǎng)格尺寸分別為0.2 mm和1 mm，如圖2所示，單元類型為SOLID70。

2.2 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果

汽動(dòng)力電池蓋板激光焊涉及激光、傳熱、冶金等復(fù)雜過程，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，作如下假設(shè)：

圖2 防爆閥有限元模型網(wǎng)格

(1) 采用等效熱導(dǎo)率補(bǔ)償熔池對(duì)流。

(2) 忽略激光焊接加速和減速階段。

(3) 忽略夾具對(duì)汽車動(dòng)力電池蓋板傳熱的影響。

2.2.1 溫度場(chǎng)云圖

當(dāng)防爆閥焊接功率P為1 000 W、縱坐標(biāo)為+161 mm、焊接速度v為50 mm/s時(shí)，防爆閥焊接溫度場(chǎng)如圖3所示。當(dāng)t=0.016 s時(shí)，完成防爆閥四個(gè)對(duì)稱位置的點(diǎn)焊，當(dāng)t=1.376 s時(shí)，完成防爆閥連續(xù)激光焊，5 s內(nèi)動(dòng)力電池蓋板冷卻較快，最高溫度降低到476 K，10 s時(shí)最高溫度降低到410 K，然后緩慢冷卻。

圖3 不同時(shí)刻的防爆閥焊接溫度場(chǎng)云圖

2.2.2 防爆閥焊接熱輸入對(duì)防爆力的影響

汽車動(dòng)力電池蓋板的材料Al3003是熱處理不可強(qiáng)化鋁合金，均勻化退火溫度為863～893 K，再結(jié)晶退火溫度為593～623 K。Al3003加工工藝的特點(diǎn)是錳易產(chǎn)生晶內(nèi)偏析，使再結(jié)晶退火時(shí)產(chǎn)生粗大晶粒。因此，降低錳晶內(nèi)偏析的措施如均勻化退火，可以減小晶粒粗化的傾向，提高合金強(qiáng)度，如表4所示。

表4 均勻化退火對(duì)Al3003晶粒度的影響[6]

不同激光功率的防爆閥爆破區(qū)顯微組織如圖4所示。析出相主要為金屬化合物MnAl6和AlMnFe，數(shù)量較多。防爆閥爆破區(qū)厚度僅為0.1 mm，取爆破區(qū)任一節(jié)點(diǎn)Node 13462，激光功率分別為1 000 W和1 200 W時(shí)該節(jié)點(diǎn)的熱循環(huán)曲線如圖5所示。由圖可知，激光功率分別為1 000 W和1 200 W時(shí)防爆閥爆破區(qū)的最高溫度分別為698.2 K和879.1 K。因此，當(dāng)激光功率為1 000 W時(shí)，防爆閥爆破區(qū)溫度高于再結(jié)晶退火溫度，且由于焊縫中心的熱傳導(dǎo)，爆破區(qū)溫度下降平緩，析出相尺寸增大，分布不均勻，尤其出現(xiàn)面積較大的棒狀析出相，第二相強(qiáng)化效果減弱。當(dāng)激光功率為1 200 W時(shí)，防爆閥爆破區(qū)溫度達(dá)到均勻化退火溫度，降低了錳晶內(nèi)偏析，析出相分布較均勻，強(qiáng)化效果增大，防爆力增大。

圖4 不同激光功率的爆破區(qū)顯微組織

圖5 不同激光功率的防爆閥溫度變化曲線

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 熱源模型驗(yàn)證

防爆閥激光焊實(shí)際焊縫和模擬熔池的對(duì)比如圖6所示。防爆閥焊接實(shí)際熔深為1.023 mm，模擬熔深為1.005 mm，模擬的相對(duì)誤差為1.8%，在5.0%內(nèi)。說明組合熱源模型可以較好地模擬激光對(duì)焊件的加熱作用。選擇節(jié)點(diǎn)Node 176181，測(cè)量不同激光功率的防爆閥激光焊接實(shí)際溫度變化，與模擬的溫度變化對(duì)比，如圖7所示。由圖可知，溫度測(cè)量值和模擬值吻合良好[7]。

圖6 實(shí)際和模擬的熔池形狀對(duì)比

3.2 防爆力分析驗(yàn)證

當(dāng)激光功率為800～1 200 W時(shí)，采用控制變量法在不同激光功率下分別焊接防爆閥，測(cè)量防爆力，得到防爆力變化曲線如圖8所示，防爆閥實(shí)際焊縫如圖9所示。

由圖8可得，當(dāng)激光功率增加至1 000 W時(shí)，防爆力減小，當(dāng)激光功率增加至1 200 W時(shí)，防爆力增大，與防爆力變化的理論分析一致。且當(dāng)激光功率為1 050 W時(shí)，防爆力達(dá)到極小值。

圖7 實(shí)際和模擬溫度的對(duì)比

圖8 不同激光功率時(shí)的防爆力

圖9 不同激光功率的防爆閥焊縫

4 結(jié) 論

(1) 當(dāng)激光功率增大時(shí)，焊接熱輸入引起防爆閥爆破區(qū)顯微組織變化，影響第二相強(qiáng)化效果，使防爆力呈拋物線趨勢(shì)變化。

(2) 當(dāng)防爆閥激光焊接的豎坐標(biāo)為+161 mm、速度為50 mm/s時(shí)，900～1 150 W的激光功率均能滿足防爆力0.9±0.05 MPa的指標(biāo)。當(dāng)激光功率為1 050 W時(shí)，防爆力最接近目標(biāo)值0.9 MPa。

[1] 陳玉紅，唐致遠(yuǎn)，盧星河，等. 鋰離子電池爆炸機(jī)理研究[J]. 化學(xué)進(jìn)展，2006，18(6)：823-831.

[2] 付邦龍，孟祥萌，秦國(guó)梁，等. 鋁合金激光焊接技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 焊接，2013(6)：20-25.

[3] 滕 彬，楊海鋒，王小朋，等. 激光小孔型氣孔產(chǎn)生原因及抑制方法[J]. 焊接，2015(9)：34-37.

[4] Bachmann M, Avilov V, Gumenyuk A, et al. Numerical simulation of full-penetration laser beam welding of thick aluminium plates with inductive support[J]. Journal of Physics D Applied Physics, 2012, 45(3): 035201.

[5] 楊建國(guó)，陳緒輝，張學(xué)秋. 高能束焊接數(shù)值模擬可變新型熱源模型的建立[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2010，31(2)：25-28.

[6] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì). 中國(guó)材料工程大典. 第4卷，有色金屬材料工程[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[7] 劉立君，王曉鵬，金海平，等. 小功率脈沖激光模具修復(fù)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬[J]. 焊接, 2016(12)：50-55.

TG456.7

2017-05-31

耿立博，1993年出生，碩士。主要從事汽車動(dòng)力電池蓋板激光焊接數(shù)值模擬及工藝優(yōu)化的研究工作。