金屬激光振鏡掃描焊接工藝研究

動(dòng)力電池是新能源汽車的核心零部件之一，其占據(jù)整車成本的近 40 % ，重要性堪比汽車的“心臟”，在“雙碳”自標(biāo)驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)業(yè)變革中，動(dòng)力鋰電池的性能直接決定新能源汽車的市場(chǎng)核心競(jìng)爭力[12]。

目前動(dòng)力鋰電池蓋板與導(dǎo)電連接片的主要連接方式是采用激光焊接，許多場(chǎng)合要求鋰電池具有大倍率的放電能力，這就要求激光焊接面積能滿足大倍率放電的過流面積要求。隨著工藝技術(shù)發(fā)展，電池能量密度的逐步提高，要求導(dǎo)電連接片尺寸相對(duì)較小，激光焊接的區(qū)域也隨著變小。傳統(tǒng)激光焊接采用準(zhǔn)直頭，其焊縫面積較窄，需要焊接多條焊縫才能滿足過流面積要求，多條焊縫容易導(dǎo)致焊接空間避讓不足，使激光焊線偏移至轉(zhuǎn)接片邊緣位置，引起虛焊或者過流能力不足。同時(shí)，不同焊縫之間還需要有足夠大的間距以免焊縫重疊產(chǎn)生的焊接爆點(diǎn)，因此需要尋找新的焊接方式來增加焊縫的過流面積。

激光振鏡掃描焊原理

激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源，通過高能量密度的激光使金屬局部融化，形成有效的熔池從而將金屬焊接在一起。激光焊接技術(shù)具有熱輸入量少、熔池深寬比大、熱影響區(qū)小、操作連續(xù)性和可重復(fù)性以及容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)，因此適用于很多行業(yè)[3。激光器出光通常采用準(zhǔn)直頭和振鏡這兩種方式，振鏡具有響應(yīng)速度快、定位精準(zhǔn)的特點(diǎn)，若激光焊接設(shè)備采用振鏡掃描，其焊接的精度、速度、效率及靈活性等方面也將會(huì)大大提高[4，5]。

振鏡掃描系統(tǒng)主要由振鏡和場(chǎng)鏡組成，是一種操作性能良好的矢量掃描元器件，其操作方式是通過電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)振鏡角度的擺動(dòng)?；驹硎峭娋€圈在磁場(chǎng)中產(chǎn)生力矩，但與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)不同，其轉(zhuǎn)子上通過機(jī)械扭簧或電子的方法加有復(fù)位力矩，大小與轉(zhuǎn)子偏離平衡位置的角度成正比。當(dāng)線圈通以一定的電流而轉(zhuǎn)子發(fā)生偏轉(zhuǎn)到一定的角度時(shí)，電磁力矩與回復(fù)力矩大小相等，因此旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)不能像普通電動(dòng)機(jī)一樣旋轉(zhuǎn)，只能夠產(chǎn)生一定角度的偏轉(zhuǎn)，其偏轉(zhuǎn)角與電流成正比。基于振鏡掃描式的激光焊接的工作原理是將激光束入射到兩組反射鏡（振鏡）上，這兩個(gè)反射鏡可分別沿X、Y軸旋轉(zhuǎn)掃描，通過計(jì)算機(jī)控制反射鏡的反射角度，實(shí)現(xiàn)激光束的偏轉(zhuǎn)，使具有一定功率密度的激光聚焦光斑在加工材料上按所需的要求運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到焊接加工的目的，振鏡掃描焊接原理如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)條件及方法

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

本實(shí)驗(yàn)焊接設(shè)備采用IPG激光振鏡掃描焊接機(jī)，激光器最大輸出功率為 6 0 0 0 W 。激光焊接樣品選用8個(gè)動(dòng)力鋰電池蓋板和16導(dǎo)電轉(zhuǎn)接片，正極為6061系列鋁合

金，化學(xué)成分組成見表 ；負(fù)極為金屬銅，其中電池導(dǎo)電轉(zhuǎn)接片厚為 1 m m ，為保證焊接質(zhì)量在焊接前徹底去除焊接材質(zhì)表面的油污和氧化膜。

2.實(shí)驗(yàn)方法

1）實(shí)驗(yàn)采用控制變量法，通過設(shè)置 2 m m 、2 . 4 m m 、3mm及4mm的焊接寬度，觀察鋁合金和金屬銅激光振鏡掃描焊接焊縫的外觀質(zhì)量，探索激光振鏡掃描焊接的振鏡掃描的擺動(dòng)范圍及焊接效果。

2）鋁合金激光振鏡掃描焊接采用焊接功率2 4 0 0 W 、焊接速度 、離焦量0.9，振鏡擺幅分別設(shè)置為 1 . 0 m m ， 1 . 2 m m 、 1 . 5 m m 及 2 . 0 m m ，觀察焊縫熔池的熔深熔寬尺寸，研究激光振鏡擺幅對(duì)鋁合金的焊接質(zhì)量影響規(guī)律。

3）金屬銅激光振鏡掃描焊接采用焊接功率5100W、焊接速度 、離焦量0.9，振鏡擺幅分別設(shè)置為 1 . 0 m m 、 1 . 2 m m 、 1 . 5 m m 及 2 . 0 m m ，觀察焊縫熔池的熔深熔寬尺寸，研究激光振鏡擺幅對(duì)銅的焊接質(zhì)量影響規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

1.焊接外觀

焊接外觀是焊接質(zhì)量最直接的表現(xiàn)形式，焊接外觀質(zhì)量可以直觀的表現(xiàn)出工藝參數(shù)的有效與否，焊接面積決定了導(dǎo)電轉(zhuǎn)接片的過流量，在焊接長度一定的情況下，焊縫越寬導(dǎo)電片的有效過流量也就越大。通過設(shè)置不同的焊接寬度，可以測(cè)試激光器振鏡的有效擺動(dòng)范圍，為激光振鏡掃描焊接工藝參數(shù)優(yōu)化提供一定的參考依據(jù)，鋁合金與銅不同寬度焊縫焊接質(zhì)量如圖2和圖3所示。

觀察分析可得：鋁合金和銅兩種金屬導(dǎo)電轉(zhuǎn)接片采用激光掃描焊接，不同寬度的焊縫焊接外觀質(zhì)量目測(cè)良好。焊縫平整光滑，無斷焊、爆點(diǎn)等情況出現(xiàn)，表明激光振鏡掃描焊接工藝滿足焊接外觀質(zhì)量控制要求。

（質(zhì)量分?jǐn)?shù) . % ）

2.金相結(jié)果

在顯微鏡下可以觀察金屬的微觀焊接質(zhì)量，通過測(cè)量焊縫的熔池尺寸，分析焊接質(zhì)量是否滿足焊接工藝設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)可以觀察焊縫內(nèi)部是否出現(xiàn)氣孔、爆點(diǎn)等焊接缺陷。鋁合金的激光掃描焊接金相結(jié)果如圖4所示，金屬銅的激光掃描焊接金相結(jié)果如圖5所示。

對(duì)比不同擺幅鋁合金和銅的焊接熔深熔寬，如圖6所示，分析可得：

1）振鏡擺幅在 1 . 0 ～ 2 . 0 m m ，鋁合金和銅兩種金屬材質(zhì)導(dǎo)電轉(zhuǎn)接片激光振鏡掃描焊接的熔池效果良好，未出現(xiàn)氣孔、爆點(diǎn)等焊接缺陷。

圖5不同擺幅金屬銅焊接金相結(jié)果

池的熔寬也隨之增大，表明通過增大擺幅可以有效地增加熔池的熔寬，該方法可提高導(dǎo)電轉(zhuǎn)接片的有效過流面積。

2）隨著振鏡擺幅的變大，金屬銅和鋁合金焊接熔

3）隨著振鏡擺幅的變大，金屬銅和鋁合金焊接熔池的熔深略微少有降低，但是總體還是比較穩(wěn)定，表明在焊接功率、焊接速度不變的情況下，增加擺幅對(duì)焊縫熔池熔深的影響不大。

結(jié)語

激光掃描焊接鋁合金和銅兩種金屬導(dǎo)電轉(zhuǎn)接片，焊縫寬度在""焊接外觀質(zhì)量目測(cè)良好，焊縫平整光滑，無斷焊、爆點(diǎn)、氣孔等焊接缺陷出現(xiàn)，表明激光振鏡掃描焊接工藝滿足焊接外觀質(zhì)量控制要求。

同樣情況下隨著振鏡擺幅的變大，金屬銅和鋁合金焊接熔池的熔寬也隨之增大，熔深同比略有減小，但是總體還是比較穩(wěn)定；表明在焊接功率、焊接速度不變的情況下，增加擺幅可提高導(dǎo)電轉(zhuǎn)接片的有效過流面積。

激光振鏡掃描焊接相比于傳統(tǒng)激光準(zhǔn)直頭焊接方式，在不改變焊接工藝和焊接裝置的情況下，可以有效地增大焊縫寬度，相比傳統(tǒng)工藝可以提高生產(chǎn)效率，提升設(shè)備產(chǎn)能。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊忠陽，劉瑾.動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)調(diào)查[N].經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)，2022-11-03（1）.D0I：10.28425/n.cnki.njjrb.2022.006785.

[2]楊科林.銅-鋁異種金屬搭接間隙及激光焊接參數(shù)對(duì)性能影響研究[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2020，33（4）：213-215.D01：10.16576/j.cnki.1007-4414.2020.04.065.

[3]楊彪，劉福運(yùn)，檀財(cái)旺，等.動(dòng)力電池激光焊接技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J].焊接，2022（9）：1-9.

[4]陶汪，陳彥賓，李俐群，等.304不銹鋼激光點(diǎn)焊工藝研究[J].應(yīng)用激光，2005（4）：233-236.

[5]黃冬林.基于振鏡掃描的激光焊接技術(shù)研究[D].華南理工大學(xué)，2010.

[6]師文慶.振鏡掃描式激光點(diǎn)焊技術(shù)中掃描路徑的優(yōu)化[J].應(yīng)用激光，2008（4）：332-335.

[7]謝樹茂，雷廣玉，鄭紹唐.聚焦強(qiáng)激光束大氣傳輸?shù)臄?shù)值模擬[J].強(qiáng)激光與粒子束，1996（3）：407-412.

[8]閆勝鴻.鋁/銅異種金屬激光焊接技術(shù)研究[D].長春理工大學(xué)，2020.D0I：10.26977/d.cnki.gccgc.2020.000722.AUT01950