汽车动力电池铝合金外壳激光焊接工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及汽车动力电池外壳制造领域，特别是一种汽车动力电池铝合金外壳激 光焊接工艺。
【背景技术】
[0002] 本发明涉及一种汽车锂离子电池工业纯铝外壳激光焊接波形，属于汽车动力电 池制造领域。
[0003] 锂离子电池以其高比能量，自放电少，循环寿命长，无记忆效应和绿色环保等特点 备受关注，锂离子电池的发展势头极为迅猛，锂离子电池已应用在笔记本电脑、移动电话、 录像机、小型医疗保健设备、摩托车、自行车、照相机等领域，锂离子电池在电动汽车、航空、 航天、航海、和军事领域的应用研究也正在积极展开，具有替代各种二次电源的潜力，具有 广阔的前景。而电池外壳（普遍采用1系、3系铝合金）的焊接是其中关键工艺。
[0004] 激光的方向性和亮度构成了能量在空间和时间上的高度集中，可传输极远距离并 具有高能量或高强度，在材料加工领域（包括焊接）中被视为理想的热源。
[0005] 但金属焊接时对激光的反射率随激光作用时间而发生变化，如图1为其变化曲 线。在激光开始作用时，由于材料表面为室温，反射率很高；当光照区温度逐渐上升时，反射 率迅速下降（图1中ab段）；温度到达熔点tm后，光照区处于熔化状态，反射率基本稳定于 某一值；随着熔化区温度继续上升，材料达到沸点时，反射率又一次迅速下降，如图1中be 段下降到20 %左右。
[0006] 锂离子电池广泛使用铝合金外壳，激光焊接时由于冷却速度快，容易导致低熔点 元素偏析聚集在柱状晶晶界，而低熔点元素（如：Si、Mg等）容易与铝形成多种脆性的低熔 点共晶相，造成在焊接冷却过程中形成严重的裂纹，导致力学性能显著降低。
[0007] 锂离子电池工业纯铝外壳的焊接现有的技术方案主要有：
[0008] 1)传统的钎焊工序为：首先进行工件装配并预置焊料（置于焊接坡口或焊缝内）， 接下来进行焊缝周围或电池外壳整体的大面积加热，融化预置焊料，在大面积的加热进行 保温缓冷。
[0009] 2)传统的TIG焊（氩弧焊）、MIG焊（熔化极惰性气体保护焊）工序为：首先进行 工件装配，再进行大热量输入的焊接，MIG焊、TIG焊焊接同时均需融化4043(含5% Si的 Al~Si焊丝）等焊丝，以防止焊接热裂纹。
[0010] 3)传统的波形未控制的激光焊接，工序为：首先对待焊接工件进行装配，直接采 取峰值（即等功率的单脉冲）脉冲进行连续焊接，焊接过程需添加4043 (含5 % Si的Al~ Si焊丝）等焊丝，以防止焊接热裂纹。
[0011] 现有方案主要有以下缺点：
[0012] 1)工业纯铝（1系、3系铝合金）热导大、线膨胀系数大，传统焊接方法需要加大热 量输入或整体加热，容易导致咬边、翘曲变形等缺陷；
[0013] 2)由于需要加大热量输入或整体加热，所以能耗大、生产效率低下；
[0014] 3)传统的焊接方法由于铝的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的2倍，凝固时的 体积收缩率达6. 5%左右，同时焊接界面为平面、热输入大，生产过程中易产生热裂纹。必须 采取保温或焊接过程中添加焊丝增加韧性，减少热裂纹。
【发明内容】
[0015] 本发明的主要目的是提供一种抗拉性能优异的汽车动力电池铝合金外壳激光焊 接工艺。
[0016] 本发明提供的技术方案为：一种汽车动力电池铝合金外壳激光焊接工艺，所述的 工艺为在惰性气体的保护下，在铝合金的焊缝处以激光钎焊的方式进行焊接，所述的激光 的脉冲宽度为3~7ms，其中，所述的脉冲范围内由预热阶段、加热阶段、保温阶段组成，其 中预热阶段不少于lms，加热阶段不少于lms，保温阶段不少于lms，预热阶段和保温阶段的 功率均为3~4kw，所述的加热阶段的功率先增加后降低，峰值功率为6~8. 5kw。
[0017] 在上述的汽车动力电池铝合金外壳激光焊接工艺中，所述的激光由多个单脉冲激 光叠加而成，其中单脉冲激光的频率8~10Hz，能量17~22J，平均输出功率200W。
[0018] 在上述的汽车动力电池铝合金外壳激光焊接工艺中，所述的激光的光斑直径为 0· 6 ~0· 8mm〇
[0019] 在上述的汽车动力电池错合金外壳激光焊接工艺中，焊接速度为1. 8~2. 4mm/s。
[0020] 在上述的汽车动力电池铝合金外壳激光焊接工艺中，所述的预热阶段、加热阶段、 保温阶段的时间比为1 :1 :1。
[0021] 在上述的汽车动力电池铝合金外壳激光焊接工艺中，所述的铝合金为1系、3系铝 合金，错合金的厚度为0. 8~I. 2mm。
[0022] 本发明的有益效果如下：
[0023] 本发明采用激光能量脉冲波形的整形，前部预热波形，最大限度地提高能量利用 率，维持焊缝稳定，提高母材温度。中部急增的加热波形，增加焊接深宽比，减少动力电池铝 外壳焊接热影响区，最大限度的减少焊接工件的膨胀、变形。尾部的保温波形，确保焊缝冷 却速度、与母材温度梯度在合理范围，减少偏析和脆性共晶组织析出，杜绝了焊缝凝固的热 裂纹，减少了传统焊接和无整形脉冲激光焊接的焊丝添加的材料及工序成本。
[0024] 通过本发明得到的焊接后的铝合金具体抗拉强度好，同时少能量输入实现焊接， 最大限度的控制输入到焊缝的热量，降低能耗，提高生产效率，焊接过程不需要额外的添加 焊丝，减少工序，节约成本。
【附图说明】
[0025] 图1是本发明【背景技术】中焊接进程对激光反射率的影响；
[0026] 图2是本发明的实施例1的焊接示意图；
[0027] 图3是本发明的实施例1的脉冲激光的脉冲波形图；
[0028] 图4是本发明实施例2的预热、保温的功率对拉伸强度的影响曲线图；
[0029] 图5是本发明实施例3的加热阶段的峰值功率对焊缝深度的影响；
[0030] 图6是本发明实施例3的加热阶段的峰值功率对焊缝宽度的影响；
[0031] 图7是本发明实施例5的在0. 6mm的激光光斑的条件下单脉冲能量、脉冲宽度的 可调整范围示意图；
[0032] 图8是本发明实施例5的在0. 8mm的激光光斑的条件下单脉冲能量、脉冲宽度的 可调整范围示意图；
[0033] 图9为本发明的对比例1的脉冲激光的脉冲波形图。
【具体实施方式】
[0034] 下面结合【具体实施方式】，对本发明的技术方案作进一步的详细说明，但不构成对 本发明的任何限制。
[0035] 实施例1
[0036] 如图2所示，待焊工件35为1系铝合金，厚度I. 2mm，其结合部设有焊缝33,焊接 时使用的Nd :YAG固体脉冲激光器，最大功率为1000W，峰值功率可达10KW。最小光斑直径 0. 6mm，脉宽范围1~10ms，激光波长1. 064 μ m，激光功率不稳定度彡3%，聚焦元件的焦距 f为80mm。激光器发出的激光采用光纤传输并聚焦到焊缝，采用待焊工件35水平面内移 动，激光束31不动的方式使激光束31以2. lmm/s的速度扫描焊缝33,实现待焊工件35的 焊接。焊接过程中使用通过保护气气嘴32对焊接融池34吹扫适当的Ar气体气流进行保 护，以防止焊缝33氧化。激光的光斑直径为0. 6_。
[0037] -个脉冲持续时间为3ms由许多单脉冲叠加而成，脉冲频率为10HZ，单脉冲能量 22J。前Ims内为预热波，组合的单脉冲功率迅速由3KW提高至4KW，到达点11 ;并再接下来 的的Ims内为加热波，功率线性增加到峰值7. 5~8KW，到达点12 ;然后线性降低到4KW，到 达点13 ;接下来的Ims内为保温波，组成的单脉冲功率逐步降低到3KW，到达点14。
[0038] 波形如图3，横坐标为时间，纵坐标为功率。
[0039] 实施例2
[0040] 待焊工件35为3系铝合金，厚度0. 8mm，使用同一激光焊接设备，焊接速度相同。 本实施例的主要目的是考察预热、保温阶段的功率选择，其包含6个具体的实施方案。
[0041] 在本实施例中，预热、保温的功率均相同，其参数与实施例1相同，不同的地方在 于，预热、保温的功率在2~6KW范围内调节，具体来说其功率为0~1、1~2、2~3、3~ 4、4~5、5~6kw，如图4所示，红点代表终了功率，横坐标为预热、保温的功率，纵坐标为拉 伸强度测试结果，依据GB/T 2652~1989焊缝及熔敷金属拉伸试验方法测试抗拉强度数据 (N/mm2)。
[0042] 预热作用之一是提高焊接前母材温度，提高焊接时的激光吸收率，但经理论及试 验分析，表明由于预热材料未融化，激光吸收率在0. 02到0. 06之间变化，对激光吸收率提 尚影响不明显。
[0043] 预热可以减少焊接前母材与融池的温度梯度、利于熔池的稳定持续，降低焊接激 光功率和提高熔深。
[0044] 预热对焊接后保温也有促进，母材具有一定的预热温度，与熔池形成相对小的温 度梯度。因为铝合金的激光焊接时冷却速度快、温度梯度大。对冷却过程中将沿着晶界快 速生产柱状晶，合金元素在晶界偏析。如果焊接前，母材没有预热到足够的温度，焊接后的 保温只能够维持焊缝温度或控制下降速度，很难再对母材产生影响，这时随着冷却的进行， 溶池与母材的界面附近的柱状晶结晶将产生显