一种铝/铜异种材料薄板激光高速螺旋点焊方法

本发明涉及一种激光焊接方法，特别是异种材料薄板的激光焊接方法，属于材料连接技术领域。

背景技术：

中国社会科学院等单位联合发布的《产业蓝皮书：中国产业竞争力报告(2020)》指出，目前中国已成为新能源汽车保有量最多的国家，并建成了世界上规模最大的充电设施。根据预测，“十四五”期间，中国新能源汽车的产销总规模可达到千万辆。数据显示，2020年10月新能源汽车产销分别完成16.7万辆和16万辆，同比分别增长69.7％和104.5％。

锂离子电池具有能量比较高、使用寿命长、额定电压高、具备高功率承受力、重量轻、绿色环保等特点，可以实现稳定、便捷、轻量化等技术指标，所以现在主流的新能源汽车采用的动力电源为锂离子电池(磷铁酸锂电池、三元锂电池)。

新能源汽车电源采用的锂离子电池为电池包，新能源电池包是由大量的电芯连接而成，对于具有较大能量密度的锂电芯，其极耳通常是铝和铜。用来连接电极的busbar材料有铝、铜、镀镍铜等。电池极耳的连接，极耳与busbar的连接都是铝/铜异种材料的连接。由于铝、铜两种金属的材料物理参数差异较大，而且两者极易产生alcu、al2cu、al3cu4、al4cu9等铝铜金属间化合物，这些铝铜金属间化合物具有硬、脆、电阻大等特点，对焊缝接头的力学、电学性能有明显影响。国内外对薄板铝/铜异种材料焊接仍然未有有效的方法。

现有的激光熔化焊接、激光熔钎焊接分别采用了熔化焊与钎焊原理。熔化焊过程中，焊缝中不可避免地产生金属间化合物。接头强度随金属间化合物的增加而下降，在金属间化合物层处于连续致密状时接头静载荷强度下降尤为严重。而且通常采用如图所示1的扫描路径扩展焊缝连接面面积，这种工艺极易产生如图2焊缝纵截面所示的气孔缺陷，影响接头性能。而激光熔钎焊效率低，工艺窗口窄且接头强度亦不高。纳秒激光的高能量密度使得在焊接过程中出现剧烈的飞溅焊接缺陷，如图3所示，螺旋会进一步增加飞溅的产生，极大影响接头性能，还会导致工艺窗口狭窄等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种铝/铜异种材料薄板焊接方法，从而解决现有技术中的铝/铜异种材料薄板焊接接头性能和焊接效率问题。。

本发明的技术方案如下。

本发明提供了一种铝/铜异种材料薄板激光高速螺旋点焊方法，包括如下步骤：

步骤s1，在铜板表面电镀一层金属镍，并对铝板和镀镍铜板待焊部位表面进行清洗；

步骤s2，采用铝上、铜下的搭接形式进行装配；

步骤s3，采用扫描振镜按螺旋线扫描方式进行激光螺旋点焊焊接。

优选地，所述步骤s1中的金属镍的厚度为1～3μm。

优选地，所述步骤s3中激光焊接的激光功率为200-1000w。

优选地，所述步骤s3中激光焊接的聚焦光斑直径为20-100μm。

优选地，所述步骤s3中激光焊接的功率密度为(1～5)×10⁷w/cm²。

优选地，所述步骤s3中激光焊接的扫描速度为100-1000mm/s。

优选地，所述步骤s3中激光焊接的螺距为0.8-1.5倍光斑直径。

优选地，所述铝板的厚度为100-500μm。

优选地，所述步骤s3根据铝板厚度选取合适的焊接工艺参数，将铜板上的熔深控制在40μm以下。

优选地，所述步骤s3中铜板上的熔深控制在20μm以下。

本发明在铜板表面电镀一层厚度为1～3μm的金属镍，并使用基模激光器和扫描振镜系统进行高速扫描，依靠精确且极低的热输入，精确控制铜的熔化量，从而减少焊接过程中铝铜间金属间化合物的形成，保证接头性能，实现高效焊接。

在铜板表面电镀一层厚度为1～3μm的金属镍，镍和铜可以形成无限固溶体，可以有效减少铝铜金属间化合物的形成。使用基模光纤激光器和扫描振镜系统进行高速扫描，提供调整工艺可以有效避免纳秒激光器造成的飞溅和烧损依靠精确且极低的热输入，精确控制铜的熔化量。本发明采用了熔化焊和熔钎焊相结合的接头形式，在扫描路径上产生部分熔化，在未搭接部分形成扩散连接，减少了焊点中缺陷的产生，提高接头性能的同时提高了焊接效率。

附图说明

图1是现有技术中的激光焊接扫描路径示意图；

图2是图1中激光焊接扫描获得的焊缝纵截面图；

图3是现有技术中纳秒激光螺旋点焊表面及横截面示意图；

图4是根据本发明的激光焊接扫描路径示意图；

图5是图4中激光焊接获得的焊点表面图；

图6是图4中激光焊接获得的焊点截面图。

具体实施方式

本发明所使用的术语“螺旋点焊”是指采用螺旋线扫描方式熔化母材形成焊点的焊接方式。

本发明所述使用的术语“金属间化合物”是指由两个或更多的金属组元或类金属组元按比例组成的具有金属基本特性和不同于其组元的长程有序晶体结构的化合物。

本发明所使用的术语“eds扫描分析”是指用x射线能谱分析仪对样品进行元素定性半定量分析。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做具体的说明。

本发明的技术目的是实现厚度100-500μm的铝板与不同厚度铜板焊接。

首先，在铜板表面电镀一层厚度为1～3μm的金属镍，以减少在焊接过程中铝铜金属间化合物的形成，提高接头性能。

然后，采用铝板在上、铜板在下的搭接形式装配。

最后，采用高光束质量激光器和扫描振镜系统进行螺旋点焊焊接。

激光束聚焦光斑直径20-100μm，功率密度10⁷w/cm²以上，焊接过程中在铝板上形成深熔小孔。在一优选的实施方式中

焊接过程中，激光束按照如图4所示的螺旋路径高速扫描，选择合适的工艺参数，将铜侧的熔深控制在40μm以下。

本领域技术人员能够理解，虽然图4中所示的螺旋路径为左旋的螺线，然而本发明并不局限于此。任何适用于作为激光扫描路径的二维螺线均可适用于本发明，诸如左旋或右旋的等速螺线、等角螺线等。

本发明在铜板表面电镀一层厚度为1～3μm的金属镍，并使用基模激光器和扫描振镜系统进行高速扫描，依靠精确且极低的热输入，精确控制铜的熔化量，从而减少焊接过程中铝铜间金属间化合物的形成，保证接头性能，实现高效焊接。

在铜板表面电镀一层厚度为1～3μm的金属镍，镍和铜可以形成无限固溶体，可以有效减少铝铜金属间化合物的形成。使用基模光纤激光器和扫描振镜系统进行高速扫描，提供调整工艺可以有效避免纳秒激光器造成的飞溅和烧损依靠精确且极低的热输入，精确控制铜的熔化量。本发明采用了熔化焊和熔钎焊相结合的接头形式，在扫描路径上产生部分熔化，在未搭接部分形成扩散连接，减少了焊点中缺陷的产生，提高接头性能的同时提高了焊接效率。

实施例1

本实施例提供了将厚度为100-500μm的铝板与铜板焊接在一起的方法，所采用的具体技术方案如下。

在铜板表面电镀一层厚度为1～3μm的金属镍，并对铝板和镀镍铜板待焊部位表面进行清洗。

采用铝上、铜下的搭接形式进行装配。

采用扫描振镜按图4所示的螺旋线扫描方式进行激光螺旋点焊焊接。

激光焊接的步骤中，根据铝板的厚度选取合适的焊接参数。在一优选的实施方式中，焊接参数范围如下：

激光功率：200-1000w；

聚焦光斑直径：20-100μm；

功率密度：(1～5)×10⁷w/cm²；

扫描速度：100-1000mm/s；

螺距：0.8-1.5倍光斑直径。

实施例2

本实施例提供了将厚度为200μm的铝板与铜板焊接在一起的方法。本实施例所采用的具体技术方案如下。

在铜板表面电镀一层厚度为2μm的金属镍，并对铝板和镀镍铜板待焊部位表面进行清洗。

采用铝上、铜下的搭接形式进行装配。

采用扫描振镜按图4所示的螺旋线扫描方式进行激光螺旋点焊焊接。

激光焊接的步骤中，根据铝板的厚度选取合适的焊接参数，具体的焊接参数范围如下：

激光功率：300w

光斑直径：55μm

扫描速度：500mm/s

螺距：80μm

焊点直径：0.8mm

根据本实施例的方法的激光焊接获得的焊点表面图如图5所示，焊点截面图如图6所示。可以看出，本实施例获得了熔化焊和熔钎焊相结合的接头形式，在扫描路径上产生部分熔化，在未搭接部分形成扩散连接，减少了焊点中缺陷的产生，提高接头性能的同时提高了焊接效率。

以上所述仅仅是本发明的优选实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。本领域技术人员在不脱离本发明技术方案的范围内，利用本发明公开的技术内容作出的简单变形或等同变化的实施方式，都应属于本发明的范围内。