1.上海交通大学 200240；2.上海航天电源技术有限责任公司 201615
摘要：采用PB500脉冲激光焊接机对锂离子动力电池A3003锰系合金铝外壳进行密封焊接，研究了动力电池外壳激光密封焊接的工艺特性。实验结果表明：激光功率、激光频率和焊接速度对焊接强度、熔深等焊接质量产生了较大的影响。通过正交实验确定了符合动力电池焊接质量要求的焊接工艺参数。
关键词：锂离子动力电池；铝合金；激光密封焊接
近年来，随着环保和节能需求日益迫切，国际国内在新能源汽车产业发展迅速。锂离子电池因其高安全性能、高能量密度和长循环寿命等特点，目前已成为电动汽车用动力能源的首选。为满足动力电池高安全性和长循环寿命等方面的要求，动力电池外壳需要具有优越的密封性和牢靠性。动力电池外壳目前主要以铝合金外壳为主，主要通过焊接方式实现外壳密封。传统的铝合金焊接方式有钨极惰性气体保护电弧焊、熔化惰性气体保护电弧焊等，而激光焊接作为一种铝合金新型焊接技术，因其焊接速度快、热传输小和焊接质量稳定等特点，近年来得到广泛采用[1，2]。锂离子动力电池外壳密封焊接技术要求主要包含以下几个方面：（1）良好气密性，一般要求漏率指标在1*10-6Pa?m3/s以下；（2）较高的耐压强度，通常要求铝合金电池外壳的耐压强度不低于15bar；（3）合适的焊接熔深及焊缝宽度，熔深大小直接影响气密性和耐压强度等焊接质量。通过对动力电池铝合金外壳激光密封焊接工艺特性进行实验研究，明确激光焊接功率、焊接频率和焊接速度等焊接参数与焊接质量的相关性，确定最佳焊接工艺参数，提高焊接质量。
1试验
1.1试验材料
铝壳动力电池外壳材质为A3003锰系合金铝，外壳壳壁厚度为0.6m，盖板接头处有台阶与壳身配合拼接，结构尺寸见图1。
图2 激光焊接设备
1.2试验设备
激光焊接设备机型为PB500，最大激光峰值功率为9kW，额定功率为40J/10ms，主机耗电功率为12kW，脉冲宽度为0.1ms~30ms，最大脉冲能量为100J，最大脉冲频率为200Hz。图2为激光焊接设备实物图。
1.3试验方法
采用无水乙醇和超声波清洗设备清洗电池外壳和盖板焊接材料，然后将外壳和盖板固定在焊接工作台的夹具上，采用搭接焊接方式。焊接过程采用侧吹氩气方式对焊接区域进行保护，避免焊接区氧化。
2.试验结果与讨论
2.1激光功率对焊接质量影响研究
在铝合金激光焊接工艺上，激光功率是影响焊接质量的关键工艺参数之一[3]。图3是不同激光功率条件下铝合金外壳焊缝宽度和焊缝熔深的变化情况图。
图3 铝壳不同的激光功率条件下的焊缝宽度和熔深变化趋势
从上图可以看出，随着激光功率逐步升高，焊缝宽度呈逐渐增大趋势，同时焊缝熔深也呈逐渐增大趋势。在激光功率较低时，焊接熔深较小，这时焊接能量较低，无法确定焊接区域充分熔融。在激光功率较高，焊接熔深较大，但继续增大激光功率，焊接熔深并未发生继续增大。试验结果表明，对于锂离子动力电池所采用的锰系合金铝外壳密封而言，激光功率宜控制在5.4-5.8kW范围，此时焊接熔深基本控制在壳壁整体厚度50-60%范围，具有较高的焊接强度，且不会因功率过高导致焊接区温度偏高，形成热裂纹等不良情况。
2.2激光功率、激光频率和焊接速度最优化研究
激光功率、激光频率和焊接速度是影响焊缝熔深和焊缝耐压强度等焊接质量的关键工艺参数。在实验研究过程中，设计了激光功率、激光频率和焊接速度三个参数之间的正交试验[4]，并采用焊接熔深作为评价指标。正交实验方案如表1所示。
下图是实验因素与指标之间的关系，如图4所示。
从图4可知，对于激光频率而言，通常需要选定较为适当的参数方有利于焊缝熔深的控制，过低或过高的脉冲频率均不利于焊接质量控制。对于焊接速度而言，过快的焊接速度将会导致焊接质量出现较为明显的下降。激光功率的与焊接质量存在正相关性，提高激光功率有利于提高焊缝熔深。按照以上方法统计比较了不同因素水平对焊缝耐压强度的影响情况，得出较为一致的结论。实验结果表明，当激光功率在5.4kW、激光频率在30Hz，焊接速度在5.5mm/s时，可以获得较佳的焊接结果。
图4 正交实验因素与指标关系
2.3焊接区域金相分析
采用金相显微镜观察了试验样品焊接区域的内部结构情况，如图5所示。
从铝合金外壳的焊缝熔深金相显微图来看，焊缝熔融区域结构明显，熔接界面边缘组织连续完整，熔接区域未见气孔裂纹和粗晶等不良现象，整体熔接效果较理想，由此说明A3003 锰系合金铝具有较好的可焊性[4]。对焊接样品密封性进行了测定，漏率可以达到1*10-6Pa?m3/s以上。
图5 铝合金外壳焊缝熔深金相显微图（200X）
3结论
（1）随激光器输出功率升高，焊接区域熔深增大，有利于提升焊接强度。研究结果表明对于动力电池A3003铝壳而言，激光输出功率控制在5.0-5.8kW范围内可获得较佳的焊接效果。
（2）选择适当的离焦量、激光脉冲波形情况下，激光功率、激光频率和焊接速度三个关键参数具有较大的相关性，通过三者之间的优化组合，有利于获得较佳的焊接质量。实验结果表明，当激光功率在5.4kW、激光频率在30Hz，焊接速度在5.5mm/s时，可以获得较佳的焊接结果，且实验样品金相组织界面连续均匀，无气孔裂纹和粗晶现象，密封性符合要求。
参考文献
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[2]SONG D F，HU Sh S，MA L，Development of laser-based welding of alumimum alloy[J].Electric Welding Machine，2004，34（9）：1-3
[3]Zuo Dungui，Li Fang，Hua Xueming，et al.New welding technology of aluminium alloy in auto industry[J].Electric Welding Machine，2007，37（7）：1-5.
[4]徐鹏嵩，郭亮，庞振华等.正交实验方法在激光焊接中的应用[J].机电工程技术，2011，40（1）：89-91.
[5]刘世永，孟德，黄德康.铝合金激光焊接的研究现状[J].机械工程材料，2004，28（9）：5-8.
论文作者:余招宇
论文发表刊物:《电力技术》2016年第8期
论文发表时间:2016/10/20
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