振動(dòng)理論約束下激光焊接技術(shù)在不銹鋼動(dòng)力電池外殼中的應(yīng)用

淡書(shū)橋，王家勝

（1.河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450046； 2.華北水利水電大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，河南 鄭州 450011）

304不銹鋼動(dòng)力電池外殼作為確保動(dòng)力電池安全性的關(guān)鍵組件，其焊接質(zhì)量直接影響整個(gè)電池的密封性、耐用性以及安全性［1］，且動(dòng)力電池外殼焊接區(qū)域較小，對(duì)精細(xì)化操作的要求較高，因此，需要提升焊接工藝的應(yīng)用效果，保證動(dòng)力電池外殼的焊接質(zhì)量。

相比于傳統(tǒng)的焊接工藝，激光焊接技術(shù)將激光束作為焊接熱源，借助其單色性好、方向性好、亮度高、相干性好等優(yōu)勢(shì)，在高能力密度作用下通過(guò)熔化焊完成焊接任務(wù)，在合金焊接方面具有更好的應(yīng)用性能［2］。在經(jīng)過(guò)多階段、多角度的創(chuàng)新發(fā)展后，該技術(shù)逐漸演變成一種快速、穩(wěn)定、高精度且對(duì)金屬材質(zhì)具有一定適用性的主要焊接手段。相關(guān)學(xué)者也提出了一些較好的方法。例如：董偉偉等［3］面向不銹鋼超薄片提出了脈沖激光焊接工藝；譚茂林研究小組［4］針對(duì)不銹鋼碟片設(shè)計(jì)了激光焊接工藝。

傳統(tǒng)的激光焊接工藝在焊接動(dòng)力電池外殼時(shí)，對(duì)激光發(fā)射光束的控制不足，導(dǎo)致作用在動(dòng)力電池外殼上的激光能量不均勻，出現(xiàn)飛濺、氣孔、低熔點(diǎn)等問(wèn)題，進(jìn)而引發(fā)電解液泄漏或電池電芯失效等情況，使動(dòng)力電池報(bào)廢［5］。因此，本文利用分子振動(dòng)理論改進(jìn)激光焊接技術(shù)中的能量控制技術(shù)，通過(guò)發(fā)射激化同態(tài)光子，將高能量密度的激光能量作用在合金上，可在時(shí)空尺度上進(jìn)行精準(zhǔn)地焊接控制，控制激光能量釋放過(guò)程，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)焊接技術(shù)的缺陷。并將該技術(shù)應(yīng)用至304不銹鋼動(dòng)力電池外殼焊接中，選取氦氣、氮?dú)?、氬氣作為激光器的輔助氣體，提升激光弛豫速率與能量傳輸，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化焊接。

1 材料及方法

1.1 材 料

所用的材料為厚度7 mm的304不銹鋼動(dòng)力電池盒（自制），規(guī)格是150 mm×30 mm×200 mm，如圖1所示。該盒包含上端蓋和下殼體，具體焊接位置為上端蓋的邊緣，焊接后使上端蓋和殼體組合為封閉結(jié)構(gòu)，內(nèi)部用以放置動(dòng)力電池。

該動(dòng)力電池盒采用的304不銹鋼母材的主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 304不銹鋼的化學(xué)組成Tab.1 Chemical composition of 304 stainless steel

1.2 儀 器

實(shí)驗(yàn)儀器包括：CinCam系列UV-NIR激光光束質(zhì)量分析儀，德國(guó)Cinogy公司；WAW-Y500型號(hào)電液伺服試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南新時(shí)代試驗(yàn)機(jī)制造廠；HV-1000型號(hào)顯微硬度計(jì)，蘇州南光電子科技有限公司；T156型號(hào)水浸超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)，安賽斯（北京）科技有限公司；S9 E體視顯微鏡，徠卡顯微系統(tǒng)（上海）貿(mào)易有限公司；VR-5000激光輪廓分析儀，基恩士（中國(guó)）有限公司。其中，激光器作為焊接設(shè)備的核心部分，其原理是通過(guò)控制受激原子的光子釋放模式來(lái)完成焊接［6-7］。具體激光精細(xì)化焊接設(shè)備示意圖如圖2所示。

圖2 激光精細(xì)化焊接設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of laser precision welding equipment structure

激光精細(xì)化焊接設(shè)備參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 激光精細(xì)化焊接設(shè)備參數(shù)Tab. 2 Parameters of laser fine welding equipment

1.3 激光焊接工藝

1.3.1 304不銹鋼動(dòng)力電池外殼處理

利用化學(xué)方法去除外殼表面的氧化膜。操作流程如下所述：

（1）在10 %濃度的氫氧化鈉溶液中，浸泡電池外殼直至出現(xiàn)大量氣泡；

（2）使用坩堝鉗取出外殼，用清水沖洗殘留堿液［8-9］；

（3）在約30 %濃度的硝酸溶液中浸泡，待表面發(fā)白且有軋制條紋出現(xiàn)后取出；

（4）利用高濃度酒精擦拭，由自然風(fēng)烘干。

1.3.2 激光焊接工藝的改進(jìn)

激光焊接的本質(zhì)是將激光能量發(fā)射至304不銹鋼動(dòng)力電池外殼上，通過(guò)激光能量與304不銹鋼動(dòng)力電池外殼材料的相互作用產(chǎn)生蒸發(fā)、形變等連接材料［10］。以分子振動(dòng)理論控制激光能量釋放過(guò)程的原理是：激光光束發(fā)射能量促使材料和環(huán)境氣體產(chǎn)生分子振動(dòng)，此時(shí)能量將產(chǎn)生反射、吸收和傳遞，在此過(guò)程中不同氣體振動(dòng)時(shí)的性質(zhì)可以在不同程度上影響到激光能量在材料上作用的動(dòng)態(tài)平衡，進(jìn)而影響到焊接的質(zhì)量。因此，其中氣體的應(yīng)用是操作的關(guān)鍵，基于激光介質(zhì)的性質(zhì)考慮，本文實(shí)驗(yàn)采用二氧化碳分子作為激光器的主要物質(zhì)，將氦氣、氮?dú)?、氬氣等作為激光器的輔助氣體，強(qiáng)化激光輸出功率。其中，氬氣性質(zhì)較為穩(wěn)定，在激光能量發(fā)生作用時(shí)隔絕外界空氣在材料表面的流動(dòng)，防止外殼材質(zhì)形成氧化效應(yīng)，有助于提升焊縫質(zhì)量；氦氣主要是基于熱力學(xué)控制的擴(kuò)散機(jī)理，形成較大的熱作用區(qū)域，有利于材料分子發(fā)生解析離子化，提升激光弛豫速率；氮?dú)庥糜谀芰總鬏?，讓二氧化碳分子從低往高躍遷時(shí)反轉(zhuǎn)粒子個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)激光能量的有效發(fā)射。當(dāng)激光器中的二氧化碳受到泵激后，原子會(huì)進(jìn)入激發(fā)狀態(tài)，其處于激發(fā)狀態(tài)的電子在往低階電子躍遷的過(guò)程中，有部分能量釋出轉(zhuǎn)換為光子。結(jié)合分子振動(dòng)理論，使設(shè)備中的二氧化碳分子呈非線性對(duì)稱［11-12］，進(jìn)而控制能量的釋放。

以振動(dòng)控制為約束條件，構(gòu)建遺傳算法適應(yīng)度函數(shù)fit（i），用F（i）表示種群中個(gè)體i的激光能量釋放控制模型函數(shù)值，則fit（i）定義如下所示：

通過(guò)公式（1）計(jì)算種群中每個(gè)個(gè)體適應(yīng)度值，并選取高適應(yīng)度值個(gè)體加入遺傳運(yùn)算，基于孤立森林算法的激光能量控制過(guò)程，采用輪盤賭法選擇算子并加以計(jì)算，用n表示種群中個(gè)體總數(shù)，則每個(gè)個(gè)體適應(yīng)度和Fz及選擇概率Pi如下所示：

基于上述理論，將304不銹鋼動(dòng)力電池盒放置于激光焊接設(shè)備下，按照8000 W的最大功率生成激光，經(jīng)反射與偏轉(zhuǎn)，直射到304不銹鋼電池外殼表面；通過(guò)操控五軸聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)的焊接工作頭完成焊接［13-14］，在焊接工作頭旁裝置一個(gè)銅管，令其與工作頭可同步運(yùn)行，用于輸送氬氣、氦氣和氮?dú)獾缺Ｗo(hù)氣體；利用數(shù)控機(jī)床控制臺(tái)協(xié)調(diào)各器件，通過(guò)相互配合、共同作用［15-16］，實(shí)現(xiàn)304不銹鋼動(dòng)力電池外殼的精細(xì)化焊接任務(wù)。

1.4 測(cè)試與表征

穿透深度測(cè)試：將焊接面置于體式顯微鏡下觀測(cè)，以測(cè)微尺測(cè)量穿透深度。

功率密度測(cè)試：激光功率密度=輸出功率/光斑面積，采用激光輪廓分析儀測(cè)試光斑直徑，通過(guò)計(jì)算得到激光功率密度［17-18］。

激光束質(zhì)量測(cè)試：采用激光光束質(zhì)量分析儀，檢測(cè)激光器發(fā)射的激光束質(zhì)量。

焊接熔深測(cè)試：采用9個(gè)相同的經(jīng)過(guò)處理的304不銹鋼電池外殼，令三個(gè)為一組，讓激光束從靠近外殼邊緣的角度射向第一組304不銹鋼電池外殼樣本，從靠近頂蓋邊緣的角度射向第二組樣本，第三組樣本的光束入射角度則位于兩邊緣相對(duì)中間的位置。采用超聲C掃描檢測(cè)方法［19-20］測(cè)量各樣本的焊接熔深。

焊縫強(qiáng)度測(cè)試：按照第三組樣本的焊接方式，分別采用引言中提及的文獻(xiàn)［3］和文獻(xiàn)［4］兩種激光焊接工藝及本文技術(shù)，完成304不銹鋼動(dòng)力電池外殼與頂蓋的焊接任務(wù)，將其對(duì)應(yīng)編號(hào)為A號(hào)、B號(hào)、C號(hào)。得到以上3種方法焊接的樣品后，分別對(duì)焊接樣品A號(hào)、B號(hào)、C號(hào)利用數(shù)控電火花切割機(jī)床切割外殼與焊縫接頭，得到用于拉伸試驗(yàn)的樣本，分別對(duì)應(yīng)編號(hào)為a號(hào)、b號(hào)、c號(hào)。經(jīng)電液伺服試驗(yàn)機(jī)測(cè)量各樣本后，分析焊縫強(qiáng)度。

焊縫硬度測(cè)試：利用顯微硬度計(jì)，測(cè)量A號(hào)、B號(hào)、C號(hào)樣本的焊縫硬度。

2 結(jié)果與分析

2.1 激光焊接性能驗(yàn)證與有效性分析

2.1.1 激光焊接性能驗(yàn)證

激光焊接時(shí)能量輸入時(shí)發(fā)射大量高能光子，激化氣體和材料的分子振動(dòng)，顯著影響焊接熔深、氣孔等。在吸收光子階段中能量會(huì)被轉(zhuǎn)移、傳輸，此過(guò)程中存在一系列的物理、化學(xué)等作用，出于焊接的高效能和304不銹鋼動(dòng)力電池外殼美觀的考慮，初步探索激光焊接技術(shù)作用在304不銹鋼動(dòng)力電池盒體上的效應(yīng)，具體如下所述：

（1）激光能量在高精度控制下，通過(guò)熱傳導(dǎo)傳至外殼內(nèi)部，得到激光焊接路徑與外殼真實(shí)需要焊接路徑之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 激光焊接路徑與外殼真實(shí)需要焊接路徑之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between laser welding path and the actual welding path required by the shell

通過(guò)圖3可以看出，在高精度激光能量控制下，焊接路徑和真實(shí)路徑幾乎完全重合。說(shuō)明在高精度激光控制下，焊接路徑的誤差很小。這是因?yàn)榧す馐爸玫募舛嗣}沖可以率先清除合金表面熔點(diǎn)較高的氧化膜，使材料表面的溫度極速升高，保證對(duì)激光能量的吸收，在惰性氣體的作用下，激光焊接冷卻速度較快，材料晶粒細(xì)化，從而快速成型，避免焊縫未熔透導(dǎo)致路徑差異。

（2）激光焊接實(shí)驗(yàn)中的功率變化均衡性如圖4所示。

通過(guò)圖4可以看出，在激光能量控制中，設(shè)備的功率變化均衡性較好，沒(méi)有出現(xiàn)大幅波動(dòng)情況。這是因?yàn)楹附訜彷斎脒^(guò)程有多種惰性氣體的參與，通過(guò)合理調(diào)整工藝參數(shù)，在高功率密度脈沖的沖擊過(guò)程中，抑制汽化物的拋出，使焊接激光束能量均衡地釋放在合金材料表面。

2.1.2 焊接激光有效性分析

激光束質(zhì)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果與焦點(diǎn)能量密度分布情況分別如表3和圖5、6所示。

表3 燒蝕情況分析結(jié)果Tab.3 Analysis results of ablation situation

圖5 燒蝕情況分析示意圖Fig.5 Schematic diagram of ablation analysis

結(jié)合圖5、表3所示的光束質(zhì)量分析儀檢測(cè)結(jié)果可以看出，燒蝕參數(shù)曲線呈對(duì)稱關(guān)系，激光束的燒蝕分布相對(duì)均勻。這是因?yàn)樵诩す夂附舆^(guò)程中激光束能量高度集中，而合金材料導(dǎo)熱系數(shù)較高，使焊接處的溫度梯度較大，再加上晶粒細(xì)化元素存在限制了晶粒的發(fā)散。而圖6顯示的激光束焦點(diǎn)能量密度高斯分布形式則進(jìn)一步說(shuō)明，以二氧化碳分子為主、以氦氣、氮?dú)?、氬氣為輔的激光器，能夠較好地控制激光束光強(qiáng)分布，極大程度聚集激光焦點(diǎn)能量。

圖6 激光束焦點(diǎn)能量密度分布示意圖Fig.6 Schematic diagram of laser beam focus energy density distribution

2.2 焊接性能測(cè)試

2.2.1 焊接熔深

測(cè)量各樣本的焊接熔深，測(cè)量結(jié)果如圖7所示。根據(jù)焊接熔深的測(cè)量結(jié)果可以看出，當(dāng)激光束在外殼與頂蓋相對(duì)居中的位置完成焊接時(shí)，焊縫的熔深值最大，平均熔深可達(dá)0.482 mm，而偏離焊接的熔深均值僅有0.122 mm、0.198 mm。這是因?yàn)榭拷鈿せ蝽斏w時(shí)，激光僅大范圍熔化了對(duì)應(yīng)部件，并沒(méi)有讓外殼與頂蓋的連接邊緣得到理想焊接，降低了焊縫強(qiáng)度；而居中焊接則大幅增加了外殼與頂蓋的熔化面積，通過(guò)最小化焊縫距離，加強(qiáng)焊縫強(qiáng)度。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，激光入射位置對(duì)動(dòng)力電池盒的焊接效果有直接影響，在焊接工作時(shí)應(yīng)當(dāng)保持激光束位于外殼與頂蓋居中的位置。

圖7 電池外殼焊接熔深測(cè)量結(jié)果Fig.7 Measurement results of welding penetration of battery shell

2.2.2 焊縫強(qiáng)度

測(cè)量a號(hào)、b號(hào)、c號(hào)樣本的焊縫力學(xué)強(qiáng)度，力學(xué)強(qiáng)度變化曲線如圖8所示。

圖8 各拉伸樣本的力學(xué)強(qiáng)度曲線圖Fig.8 Mechanical strength curve of each tensile sample

由拉伸樣本力學(xué)強(qiáng)度曲線可知：三個(gè)樣本的拉伸長(zhǎng)度均隨著拉力的增加而變大；a號(hào)與b號(hào)樣本分別在拉力為1003 N、1200 N，拉伸長(zhǎng)度為0.64 mm、0.71 mm時(shí)就發(fā)生了斷裂；而本文焊接技術(shù)的c號(hào)樣本，其拉伸長(zhǎng)度雖然在施加力作用的初期直線上升，形變程度較大，但隨著拉力的增加，拉伸長(zhǎng)度變化幅度逐漸趨于平緩，在拉力高達(dá)1873 N時(shí)，其焊縫處才出現(xiàn)斷裂情況。

根據(jù)拉力與拉伸長(zhǎng)度的關(guān)系，得出圖9所示的焊縫抗拉強(qiáng)度。通過(guò)三個(gè)拉伸樣本的抗拉強(qiáng)度曲線變化情況可以看出：盡管初始階段中c號(hào)樣本的抗拉強(qiáng)度不如a號(hào)、b號(hào)樣本，但該樣本憑借優(yōu)越的力學(xué)強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度逐漸上升，并在98 MPa附近趨于平穩(wěn)，直至焊縫斷裂。

圖9 各拉伸樣本的焊縫抗拉強(qiáng)度曲線圖Fig.9 Weld tensile strength curves of each tensile sample

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)論說(shuō)明，本文焊接技術(shù)通過(guò)將分子振動(dòng)理論引入到激光焊接技術(shù)中，在對(duì)激光器、焊接工作頭等組件的統(tǒng)一調(diào)控與協(xié)調(diào)配合下，發(fā)射激化同態(tài)光子，以高能量密度激光能量作用在合金材料上，并以多種惰性氣體對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行保護(hù)作用，有效防止焊縫發(fā)生氧化效應(yīng)，控制相鄰脈沖作用于熔池的間距變短，相互重合的區(qū)域變大，使焊縫快速熔透，從而增強(qiáng)了力學(xué)拉伸強(qiáng)度，保證了動(dòng)力電池在大規(guī)模電網(wǎng)側(cè)中的實(shí)用性與耐用性。

2.2.3 焊縫硬度

測(cè)量A號(hào)、B號(hào)、C號(hào)樣本的焊縫硬度，測(cè)量結(jié)果如圖10所示。由此可見(jiàn)，距離焊縫中心越近，各樣本焊縫硬度因熔化范圍的增大而越來(lái)越大，距離較遠(yuǎn)時(shí)，硬度則因材質(zhì)的強(qiáng)化與硬化作用而越來(lái)越??；而本文焊接技術(shù)通過(guò)控制受激原子的光子釋放模式，利用二氧化碳分子的線性對(duì)稱模式，令C號(hào)樣本在焊接過(guò)程中得到更多能量，因此，焊縫硬度更高，降幅更小。

圖10 焊縫樣本顯微硬度示意圖Fig.10 Schematic diagram of microhardness of weld sample

3 結(jié) 論

激光焊接技術(shù)具有穿透深度、焊接速度、能量密度等優(yōu)勢(shì)，但其焊接精細(xì)度對(duì)于304不銹鋼動(dòng)力電池的應(yīng)用性仍存在一定制約與限制。因此，針對(duì)304不銹鋼動(dòng)力電池外殼，通過(guò)二氧化碳分子與氦氣的應(yīng)用，結(jié)合分子振動(dòng)理論控制受激原子的光子釋放模式，使激光焊接實(shí)現(xiàn)精細(xì)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不同的激光入射位置下，焊縫熔深值不同，其中，當(dāng)激光束位于頂蓋居中的位置時(shí)，熔深最大，平均為0.482 mm。拉伸強(qiáng)度達(dá)到了1873 N時(shí)才出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了98 MPa。焊縫硬度最高達(dá)到了93 HV，隨著距離的增大，降幅最多也僅為11 HV。這說(shuō)明本文研究的方法在一定程度上提高了焊接質(zhì)量。并就研究工作中的不足，從以下幾個(gè)方面展開(kāi)進(jìn)一步探索：應(yīng)在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中添加更多的測(cè)試條件，模擬動(dòng)力電池在電網(wǎng)側(cè)中的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，完善激光焊接技術(shù)；以焊接設(shè)備為核心建立精細(xì)化操作系統(tǒng)，結(jié)合焊接檢測(cè)技術(shù)，實(shí)時(shí)觀察焊接形貌，更好地控制焊接質(zhì)量。