一种铜及铜合金材料的焊接方法及装置与流程

本发明涉及激光焊接技术领域，尤其涉及一种铜及铜合金材料的焊接方法及装置。

背景技术：

汽车动力电池是指应用于电动车辆的电池，具有较大的存储容量和输出功率，可用作电动车辆的驱动电源。目前市面上常用的汽车动力电池是锂电池(电池组)，其制作工序非常多，其中需要用到激光焊接的有：防爆阀密封焊接、极耳焊接、软连接焊接、安全帽焊接、壳体封口密封焊接、模组焊接、pack包焊接、电极极柱焊接、汇流排焊接等等，其材质主要是纯铜、铝及铝合金、不锈钢等。

铜及铜合金具有优异的导电性能，所以在汽车动力电池中不可避免的需要使用铜及铜合金，但是铜及铜合金的传统激光焊接方式在焊接时存在一系列的问题，具体为：①对激光器的功率上限要求较大，因为大部分能量会被反射进而被浪费，不利于控制设备成本；②焊接速度不够快，通常只有80mm/s左右，超过120mm/s时会产生严重的焊缝缺陷；③容易产生气孔，焊缝成型不均匀。所以非常有必要进行焊接技术的创新。

综上，传统的铜及铜合金的焊接过程中，焊接时存在焊缝成型差、气孔多、焊接速度慢以及对激光器功率上限要求高的问题。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种铜及铜合金材料的焊接方法及装置，用以解决现有技术中焊接时存在焊缝成型差、气孔多、焊接速度慢以及对激光器功率上限要求高的问题。

第一方面，本发明实施例提供一种铜及铜合金材料的焊接方法，包括：

通过主波段激光器输出主波段激光；

通过次波段激光器输出次波段激光；

通过激光转接头输出复合激光，以使得所述复合激光对待焊接区域进行焊接，所述复合激光包括所述主波段激光和所述次波段激光，且所述主波段激光和所述次波段激光同轴，所述待焊接区域对所述主波段激光的吸收率大于所述待焊接区域对所述次波段激光的吸收率，所述待焊接区域为铜与铜的接触区域、铜合金与铜合金的接触区域、铜与铜合金的接触区域中的一种。

第二方面，本发明实施例提供一种铜及铜合金材料的焊接装置，该装置包括：主波段激光器、次波段激光器和激光转接头，其中：

所述主波段激光器用于输出主波段激光；

所述次波段激光器用于输出次波段激光；

所述激光转接头用于输出复合激光，以使得所述复合激光对待焊接区域进行焊接，所述复合激光包括所述主波段激光和所述次波段激光，且所述主波段激光和所述次波段激光同轴，所述待焊接区域对所述主波段激光的吸收率大于所述待焊接区域对所述次波段激光的吸收率，所述待焊接区域为铜与铜的接触区域、铜合金与铜合金的接触区域、铜与铜合金的接触区域中的一种。

本发明实施例提供的一种铜及铜合金的焊接方法及装置，通过使用两种波长不同的两束激光对待焊接区域进行焊接，由于待焊接区域对主波段激光的吸收率较高，可以实现较低功率时即可熔化待焊接区域，并将待焊接区域由固态变为液态熔池。而液态的待焊材料熔池金属对次波段激光的吸收率会大幅提高，进而实现次波段激光功率能够有效作用于熔池金属以进一步增加熔池深度，扩大熔池体积，导致熔池凝固时间变长，有利于气泡从熔池中逸出，防止在焊缝内形成气孔。

因为激光束的能量利用率提高了，所以同样的激光功率水平下，可以实现更高速度的焊接，而高速焊接有利于铜及铜合金的凝固成型，从而可以利用复合焊接的方法实现铜及铜合金的高速稳定的焊接，同时还可以保证焊缝成型以及焊缝质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种铜及铜合金材料的焊接方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种铜及铜合金材料的焊接装置的结构示意图；

图3为本发明一实施例两块铜及铜合金汽车动力电池材料焊接接头为叠焊时的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的一种铜及铜合金材料的焊接方法的流程图，如图1所示，该方法包括：

s1，通过主波段激光器输出主波段激光；

s2，通过次波段激光器输出次波段激光；

s3，通过激光转接头输出复合激光，以使得所述复合激光对待焊接区域进行焊接，所述复合激光包括所述主波段激光和所述次波段激光，且所述主波段激光和所述次波段激光同轴，所述待焊接区域对所述主波段激光的吸收率大于所述待焊接区域对所述次波段激光的吸收率，所述待焊接区域为铜与铜的接触区域、铜合金与铜合金的接触区域、铜与铜合金的接触区域中的一种。

本发明实施例中的焊接材料为铜或者是铜合金，本发明实施例以对两块紫铜焊接为例进行说明。

使用本发明实施例对焊接材料进行焊接前，需要进行相关的准备操作，根据焊接材料的焊接位置，进行去污去油清洗，然后将待焊接材料组装并固定在工作台上，使得两块紫铜的待焊接处相接触，并允许接触处局部存在≤0.1mm的间隙量，形成待焊接区域。

同时准备一种焊接装置，包括两台激光器，其分别为主波段激光器和次波段激光器，调整主波段激光器和次波段激光器的输出功率，控制符合激光的能量。

符合激光中主波段激光功率和次波段激光功率确定后，在焊接过程中的稳定阶段均保持不变。

并且调整激光转接头的位置和倾斜角，使激光转接头与待焊接区域之间的距离为预设距离，激光转接头发射的复合激光与待焊接区域之间的角度为预设入射角度。

预设距离和预设入射角度确定之后，在焊接过程中均保持不变。

在焊接时，通过主波段激光器输出主波段激光，次波段激光器输出次波段激光，主波段激光的聚焦光斑直径和次波段激光的波长不同。在激光转接头部分对主波段激光和次波段激光进行处理，使得最后得到的复合激光为一束光，也就是说主波段激光和次波段激光同轴。

本发明实施例提供的一种铜及铜合金的焊接方法，通过使用两种波长不同的两束激光对待焊接区域进行焊接，由于待焊接区域对主波段激光的吸收率较高，可以实现较低功率时即可熔化待焊接区域，并将待焊接区域由固态变为液态熔池。而液态的待焊材料熔池金属对次波段激光的吸收率会大幅提高，进而实现次波段激光功率能够有效作用于熔池金属以进一步增加熔池深度，扩大熔池体积，导致熔池凝固时间变长，有利于气泡从熔池中逸出，防止在焊缝内形成气孔。

因为激光束的能量利用率提高了，所以同样的激光功率水平下，可以实现更高速度的焊接，而高速焊接有利于铜及铜合金的凝固成型，从而可以利用复合焊接的方法实现铜及铜合金的高速稳定的焊接，同时还可以保证焊缝成型以及焊缝质量。

在上述实施例的基础上，所述激光转接头在焊接过程中与所述待焊接区域之间的距离为预设距离，所述预设距离通过离焦量确定，所述激光转接头在焊接过程中与所述待焊接区域之间的角度为预设入射角度，所述预设入射角度通过光束倾角确定，所述预设距离和所述预设入射角在焊接过程中均保持不变。

具体地，焊接转接头与待焊接区域之间的保持预设距离，预设距离的值是通过焊接过程中的工艺参数--离焦量来确定的，激光转接头发射出的激光在焊接过程中与待焊接区域之间的角度为预设入射角度，预设入射角度通过焊接过程中的工艺参数--光束倾角来确定。

上述预设距离和预设入射角度确定后，在焊接过程中均保持不变。

相对传统制作工艺，不同波长激光复合焊接铜及铜合金汽车动力电池材料时可以实现高效率、无气孔、成型均匀的焊接效果。

在上述实施例的基础上，优选地，所述主波段激光的波长范围为375nm～500nm，所述次波段激光的波长范围为800nm～1100nm；

当所述待焊接区域为固态时，所述主波段激光被所述待焊接区域的吸收率为50％以上，所述次波段激光被所述待焊接区域的吸收率在10％以下；

当所述待焊接区域为态时，所述次波段激光被所述待焊接区域的吸收率在20％以上。

波长为375nm～500nm的主波段激光在焊接铜时，刚开始焊接时其被吸收率可达50％以上，远远高于波长为800nm～1100nm激光焊接铜时10％的吸收率(甚至更小)，但是当焊接开始后，即铜已经开始熔化后，两类波长的激光的被吸收率均会大幅增加，所以利用这种长短波长两种激光复合焊接铜及铜合金材料时可以有效减小对激光器功率上限的要求，使得铜及铜合金材料变得容易焊接，并且焊缝熔池会变得更大，凝固时间更长，有利于焊缝成型以及气孔的逸出，以保证焊缝质量。

在上述实施例的基础上，优选地，所述主波段激光的功率为第一预设功率值，所述次波段激光功率为第二预设功率值，在焊接过程中的稳定阶段保持不变。

具体地，所述主波段激光在焊接开始时均使用所述第一预设功率值的第一预设比例开始出射激光，并逐渐线性增大，在之后的第一预设时间段内激光功率达到所述第一预设功率值，保持所述第一预设功率值直到焊接过程结束前第二预设时间段，之后激光功率开始逐步减小直到焊接结束时激光功率降为所述第一预设功率值的所述第一预设比例。

具体地，所述次波段激光在焊接开始时均使用所述第二预设功率值的第二预设比例开始出射激光，并逐渐线性增大，在之后的第三预设时间段内激光功率达到所述第二预设功率值，保持所述第二预设功率值直到焊接过程结束前第四预设时间段，之后激光功率开始逐步减小直到焊接结束时激光功率降为所述第二预设功率值的所述第二预设比例。

在实际焊接过程中，使用数控系统控制焊接工艺参数，并在焊接开始和焊接结束时均使用功率坡调功能控制主波段激光和次波段激光的缓升和缓降，焊接过程中使用高速电机控制的焊接平台实现高速稳定焊接。

需要说明的是，本发明实施例中，第一预设比例为5％至10％，第一预设时间段为10ms，第二预设时间段为50ms。

第二预设比例为10％到20％，第三预设时间段为50ms，第四预设时间段为100ms。

功率坡调功能是通过电气控制输出激光功率使其能够缓升或者缓降，具体为，主波段激光在焊接开始时均使用第一预设功率值的5％-10％开始出光并逐渐线性增大，在之后的10ms内激光功率达到第一预设功率值，保持第一预设功率值直到焊接过程结束前50ms，之后激光功率开始逐步减小直到焊接结束时激光功率降为第一预设功率值的5％-10％。

次波段激光在焊接开始时均使用第二预设功率值的5％-10％开始出光并逐渐线性增大，在之后的50ms内激光功率达到第二预设功率值，保持第二预设功率值直到焊接过程结束前100ms，之后激光功率开始逐步减小直到焊接结束时激光功率降为第二预设功率值的5％-10％。

复合激光中的主波段激光功率和次波段激光功率确定后，在焊接过程中的稳定阶段均保持不变。

下面以主波段激光是波长为450nm的主波段激光器、次波段激光是波长为1080nm的次波段激光器为例对本发明实施例进行说明。

首先焊接准备，根据待焊铜及铜合金汽车动力电池材料的焊接位置进行去污去油清洗，然后将待焊的铜及铜合金汽车动力电池材料组装并固定在工作台上，使两块紫铜的待焊处相接触，允许接触处局部存在≤0.1mm的间隙量，接着准备一种焊接装置，包括两台激光器，其分别是波长为450nm的主波段激光器和波长为1080nm的次波段激光器。

然后调整两种激光器的出光，使两者的出光同轴，输出的复合激光对准两块铜及铜合金汽车动力电池材料上的待焊接区域。

接着调整两个激光器的输出功率，控制复合激光的能量，复合激光中的主波段激光功率和次波段激光功率确定后，在焊接过程中均保持不变。

调整上述激光器的激光转接头与待焊接的两块铜及铜合金汽车动力电池材料之间的相对距离，同时调整复合激光束入射待焊接区域的角度，上述预设距离和预设入射角度确定后，在焊接过程中均保持不变。

调整好主波段激光器与次波段激光器的输出功率及上述预设距离和预设入射角度后，开始焊接铜及铜合金汽车动力电池材料，在实际焊接过程中，使用数控系统控制焊接工艺参数，在焊接开始时主波段激光和次波段激光同时开始与待焊母材进行作用，焊接完成后同时结束相互作用状态。

在焊接开始时，主波段激光使用第一预设功率值的预设比例开始出光并逐渐线性增大，在之后的10ms内激光功率达到设定的第一预设比例，保持第一预设功率直到焊接过程结束前50ms，之后激光功率开始逐步减小直到焊接结束时激光功率降为设定值的预设比例，第一预设比例可以是5％到10％之间的任何比例，也就是说输出功率在第一时间段内的起始值在第一预设功率的5％到第一预设功率的10％之间。

次波段激光使用第二预设功率值的第二预设比例开始出光并逐渐线性增大，在之后的50ms内激光功率达到设定的第二预设功率，保持第二预设功率直到焊接过程结束前100ms，之后激光功率开始逐步减小直到焊接结束时激光功率降为设定值的预设比例，第二预设比例可以是10％到20％之间的任何比例，也就是说输出功率在第一时间段内的起始值在第二预设功率的10％到第二预设功率的20％之间。

具体地，主波段激光器的最大输出功率是10w-1000w，波长是450±10nm，配备光纤芯径是100μm-200μm，次波段激光器的最大输出功率是1000w-4000w，波长是1080±10nm，配备光纤芯径是100μm-200μm。

本发明实施例中两种激光器同时参入焊接过程，其特征在于两台激光器输出的激光波长不同。

采用特定的激光头，该激光头能够使两激光束同轴，采用适当的数控系统，其特征在于能够分别控制两束激光输出能量的大小及其他焊接工艺参数，采用适当的焊接工艺参数，其特征在于能够保证焊缝成型及质量稳定，使用高速稳定的电机系统，其特征在于能够保证焊接轨迹精度。

上述的焊接方法，激光焊接头是能够使两束激光同轴，即进入焊接头的两束激光分别经过一个准直镜后形成两束平行光，然后经过同一个聚焦镜后聚焦在同一个点形成复合光源。所用第一准直镜是主波段激光光路准直镜，其焦长为100mm～200mm、次波段激光光路的第二准直镜的焦长是100mm～200mm，聚焦镜的焦长是100mm～200mm。

其中，数控系统是能够分别控制两束激光的输出能量及其他焊接工艺参数。

其中，焊接工艺参数包括主波段激光器输出功率、次波段激光器输出功率、焊接速度、离焦量、光束入射待焊材料的角度、焊缝熔池保护气体种类及流量。

主波段激光器的输出功率是10w～1000w，次波段激光器的输出功率是1000w～4000w，焊接速度是30mm/s～200mm/s，离焦量是-5mm～+5mm，光束入射待焊材料的角度是0～30°，焊缝熔池保护气体是空气、氩气或氦气，其流量为10l/min～30l/min。

其中，适用于所有铜及铜合金汽车动力电池材料焊接接头形式，包括叠焊、对接、搭接、角接接头，此方法的关键机理在于主波段激光输出能量能够非常容易的熔化待焊母材，其主要作用是对待焊母材进行熔化；而次波段激光输出能量作为焊接过程所需的主要能量来源，其主要作用是进一步熔化待焊母材并形成所需的焊接熔深，同时可以控制焊缝熔池开口面积以及控制熔池的凝固时间，进而控制焊缝内气孔的形成以及焊缝成型。

总体而言，通过本发明实施例所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明相比于现有焊接工艺，操作更为简单，控制更为准确。

(2)本发明设置了具有不同波长激光复合焊接铜及铜合金汽车动力电池材料的激光焊接工艺，能够保证焊缝成型满足产品需求，并且无需额外辅助手段来控制焊缝质量即可获得基本无气孔无裂纹的焊缝。

图2为本发明实施例提供的一种铜及铜合金材料的焊接装置的结构示意图，如图2所示，该装置包括：主波段激光器201、次波段激光器202和激光转接头203，其中：

所述主波段激光器201用于输出主波段激光；

所述次波段激光器202用于输出次波段激光；

所述激光转接头203用于输出复合激光，以使得所述复合激光对待焊接区域进行焊接，所述复合激光包括所述主波段激光和所述次波段激光，且所述主波段激光和所述次波段激光同轴，所述待焊接区域对所述主波段激光的吸收率大于所述待焊接区域对所述次波段激光的吸收率，所述待焊接区域为铜与铜的接触区域、铜合金与铜合金的接触区域、铜与铜合金的接触区域中的一种。

使用本发明实施例对焊接材料进行焊接前，需要进行相关的准备操作，根据焊接材料的焊接位置，进行去污去油清洗，然后将待焊接材料组装并固定在工作台上，使得两块紫铜的待焊接处相接触，并允许接触处局部存在≤0.1mm的间隙量，形成待焊接区域。

同时准备一种焊接装置，包括两台激光器，其分别为主波段激光器201和次波段激光器202，调整主波段激光器201和次波段激光器202的输出功率，控制符合激光的能量。

符合激光中主波段激光功率和次波段激光功率确定后，在焊接过程中的稳定阶段均保持不变。

并且调整激光转接头203的位置和倾斜角，使激光转接头203与待焊接区域之间的距离为预设距离，激光转接头203发射的复合激光与待焊接区域之间的角度为预设入射角度。

预设距离和预设入射角度确定之后，在焊接过程中均保持不变。

在焊接时，通过主波段激光器201输出主波段激光，次波段激光器202输出次波段激光，主波段激光的聚焦光斑直径和次波段激光的波长不同。在激光转接头部分对主波段激光和次波段激光进行处理，使得最后得到的复合激光为一束光，也就是说主波段激光和次波段激光同轴。

本装置实施例的具体实现方式与上述方法实施例的具体实现方式相同，具体请参考上述方法实施例的具体实现方式，本装置实施例在此不再赘述。

在上述实施例的基础上，优选地，所述激光转接头包括第一准直镜、第二准直镜和聚焦镜，相应地：

通过所述第一准直镜对所述主波段激光进行准直；

通过所述第二准直镜对所述次波段激光进行准直；

通过所述聚焦镜使准直后的主波段激光和准直后的次波段激光聚焦，聚焦后的主波段激光和聚焦后的次波段激光同轴。

具体地，激光转接头内部通过第一准直镜、第二准直镜和聚焦镜来对主波段激光和次波段激光进行处理，使得准直后的主波段激光和准直后的次波段激光平行，然后准直后的主波段激光和准直后的次波段激光经过聚焦镜后变为一束激光，也就是本发明实施例中的复合激光，在复合激光中，主波段激光和次波段激光是同轴的。

在上述实施例的基础上，优选地，还包括保护模块，所述保护模块用于输出焊缝保护气体以保证焊缝成型质量以及吹走熔池上方的金属蒸汽羽。

在焊接过程中，一边通过复合激光对待焊接区域进行焊接，一边又通过保护模块输出焊缝保护气体对焊接区域进行保护，保证焊缝成型。

在上述实施例的基础上，优选地，所述保护模块输出焊缝保护气体的流量是10l/min～30l/min。

具体地，该焊缝保护气体为空气、氩气或者是氦气。

图3为本发明一实施例两块铜及铜合金汽车动力电池材料焊接接头为叠焊时的结构示意图，如图3所示，铜及铜合金汽车动力电池材料3和铜及铜合金汽车动力电池材料4的接头形式叠焊接头，材料厚度为1mm，上下两层材料完全贴合，主波段激光器的光纤芯径为100μm，次波段激光器的光纤芯径为100μm，所使用的激光复合焊接头的聚焦镜焦长为200mm，主波段激光光路准直镜焦长为100mm，次波段激光光路准直镜焦长为100mm。

采用的焊接参数为复合激光1的总功率包括主波段激光器功率150w和次波段激光器功率1000w，焊接速度40mm/s，离焦量为0，焊接时保持激光束入射焊缝角度为8°，保护气体是氩气，流量是15l/min；焊接完成后，焊缝2成型美观，未发现气孔、裂纹。

综上，相对于现有技术，本发明采用不同波长激光复合焊接铜及铜合金汽车动力电池材料的焊接工艺，可以实现当前铜及铜合金汽车动力电池材料焊接领域的需求，其具有无可比拟的优势：

(1)相对于传统制作工艺，不同波长激光复合焊接铜及铜合金汽车动力电池材料的焊接方法热输入效率高，而且可以集中在焊缝区域，所以总的热输入量相对较低，焊缝热影响区极小，焊缝接头变形小，可以很好的满足产品的要求。

(2)相对于传统制作工艺，不同波长激光复合焊接铜及铜合金汽车动力电池材料的焊接方法可以实现无气孔无裂纹的焊缝接头的连接。

(3)相对于现有的以两束同种激光焊接铜及铜合金汽车动力电池材料的工艺，本申请以不同波长激光复合焊接铜及铜合金汽车动力电池材料，对工艺控制的要求降低，节约能源，本发明的焊接工艺焊接效率高，易实现自动化。

(4)相对于常规激光焊接制造工艺，不同波长激光复合焊接铜及铜合金汽车动力电池材料的焊接方法可以同时兼顾焊缝熔深以及焊缝气孔及裂纹的控制。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。