新能源汽車動力電池,作為新能源汽車的驅(qū)動能源,其質(zhì)量好壞直接影響到新能源汽車的使用壽命。激光加工技術(shù)已成為發(fā)展最快的高新技術(shù)之一,為傳統(tǒng)制造業(yè)改造提供了充足支持。相較于傳統(tǒng)極耳焊接、極片切割模式而言激光切割模式可以實現(xiàn)自動化操作,并解決毛刺、露白、掉粉等一系列問題。激光焊接具有較高的能量密度、較快的焊接速度以及較小的加熱區(qū)域,適用于對焊接變形及精度要求較高的新能源汽車動力電池模組生產(chǎn)中。動力電池極耳部分(厚度為0.3mm 的TU1銅鍍鎳片和1050鋁合金片)要與模組兩側(cè)匯流排(Busbar,6061鋁合金)焊接在一起。這類材料使用傳統(tǒng)焊接方式時,很容易在焊接過程中產(chǎn)生裂紋和變形,影響電池質(zhì)量。
極耳激光切割應(yīng)用
設(shè)備選型
對于鋰電池負(fù)極銅箔,可以選擇 1064nmMOPA 型光纖激光器,其峰值功率密度為 2.4×106W/mm2 ,可以通過對種子源的電進(jìn)行調(diào)制,在兆赫茲工作頻率內(nèi)實現(xiàn)幾納米到幾十納米的“窄脈寬”切割。
在應(yīng)用 1064nmMOPA 型光纖激光器切割 8.0μm 銅箔(鋰電池負(fù)極)時,可以設(shè)定脈寬為20ns,工作頻率與單脈沖能量分別為760kHz、0.13mJ,改善銅箔切割毛刺問題,并將毛刺尺寸控制在 10μm 內(nèi),同時減少鋰電池銅箔極片切割飛濺、熔融層尺寸誤差。部分情況下,為了減少熔融層“魚鱗紋”現(xiàn)象,也可以將脈沖頻率進(jìn)行進(jìn)一步提高,杜絕熔融重新凝結(jié)層。需要注意的是,在將脈寬一定、調(diào)高平均功率的同時,還需要根據(jù)激光器聚焦需要,調(diào)整焦點光斑直徑為 60μm,調(diào)整銅箔切割時振鏡走筆速度為 800mm/s。
極耳激光焊接分析
保持焊接速度不變,當(dāng)激光功率為 1000W 時,焊縫表面的魚鱗紋中發(fā)現(xiàn)部分未熔化的銅,說明此時的激光功率較低,達(dá)不到上層銅全部熔化的焊接要求;當(dāng)激光功率為 1100W 時,此時銅鋁焊接頭表面焊縫的魚鱗紋均勻光滑,較為清晰,且焊縫與母材交界線較為平直。當(dāng)激光功率為 1300W 和 1400W 時,銅鋁焊接頭焊縫表面燒損嚴(yán)重,魚鱗紋已經(jīng)消失,熱影響區(qū)與母材交界線出現(xiàn)凹凸不平的缺口。觀察銅鋁焊接頭焊縫截面形貌,當(dāng)功率為 1000W 時,我們可以看到熔池內(nèi)銅鋁發(fā)生反應(yīng),焊縫由黑色陰影處(下)和銅鋁混合處(上)兩部分構(gòu)成,發(fā)生了明顯的“鋁侵入銅”的現(xiàn)象,并伴有微小的氣孔產(chǎn)生。隨著激光功率增加,焊縫中陰影部分面積增加,且“鋁侵入銅”的現(xiàn)象也越來越明顯,且容易在焊縫中形成氣孔。這是因為激光功率增加導(dǎo)致熔池熔深和熔池中的鋁元素增加,故銅鋁反應(yīng)也就越劇烈,“鋁侵入銅”的現(xiàn)象就越明顯。當(dāng)激光功率為 1400W 時,可以看到焊縫沒有了陰影部分,但更多的鋁元素進(jìn)入了上層銅中去,焊縫整體呈灰白色,且分布著大小不均的氣孔。
保持焊接速度 55mm/s 不變,銅鋁焊接頭焊縫的熔寬和熔深都與激光功率呈正相關(guān),且熔深與激光功率的線性相關(guān)性更強。當(dāng)激光功率從 1000W 增加到1300W 時,焊縫的熔深迅速從 0.21mm 增加到 0.68mm,而焊縫的熔寬從起始的 1.51mm逐漸增加到 1.61mm 后趨于平穩(wěn),這是因為此階段產(chǎn)生的熱量基本上用來增加焊縫熔深了,用來擴展熔合線的能量較少,故熔寬增加增加緩慢。當(dāng)激光功率為 1400W 時,焊縫熔深的增大的速率放緩,熔深增而大至 0.76mm,熔寬卻增大突然至 1.68mm。這是因為在焊接過程中,隨著激光功率增加,焊縫熔池上方的焊接材料蒸氣以及等離子體會逐漸增多,吸收了照射激光地部分能量,減緩了熔池熔深增大速率,卻增強了對焊縫熔池表面的輻射作用,使得焊縫表面熔寬增大。
鋁鋁焊接頭焊縫表面形貌可以看出,當(dāng)焊接速度為 25mm/s 時,此時焊縫表面的魚鱗紋較為密集,焊縫區(qū)與母材區(qū)的交界線彎曲突起,不平滑。此時當(dāng)焊接速度越慢,焊接頭擺動速度一定,單位時間內(nèi)移動的距離短,在該段長度范圍內(nèi)擺動的次數(shù)越多,形成的魚鱗紋也就越密集,且熱輸入較大,焊縫區(qū)與母材區(qū)的交界線不規(guī)范。當(dāng)焊接速度逐漸增大時,焊縫表面的魚鱗紋密集程度開始減弱,焊縫區(qū)與母材區(qū)的交界線逐漸變得平直,這是因為焊接速度增加,單位時間內(nèi)焊接頭移動的距離增加,焊接頭在該段長度范圍內(nèi)擺動的次數(shù)減少,單位時間內(nèi)焊縫中的熱輸入減少,焊縫區(qū)與母材區(qū)的交界線處的熔池條件得到改善,交界線變得平直。從鋁鋁焊接頭焊縫截面形貌中可以看出,當(dāng)焊接速度為 25mm/s 時,焊縫擁有最深的焊縫熔深,但此時焊縫中氣孔數(shù)量較多。這是因為在相同的激光功率下,較低焊接速度對應(yīng)的焊接熱輸入較大,導(dǎo)致焊縫熔池加深,氣孔溢出焊縫表面時間也就越長,氣孔留在焊縫中的機率就越大。當(dāng)焊接速度增加時,焊接頭焊縫的熔深逐漸減小,焊縫中氣孔的數(shù)量逐漸減少。在焊接速度為 55mm/s 時,焊縫中氣孔的數(shù)量最少,氣孔直徑最小。當(dāng)焊接速度繼續(xù)增加時,焊縫截面形貌狀態(tài)出現(xiàn)惡化,氣孔直徑變大。這是因為過大的焊接速度使得激光在焊縫中停留的相對時間變短,熔池得深度變淺,熔池在冷卻時氣泡來不及所導(dǎo)致。因此焊接速度過快和過慢都不行,只有選擇合適的焊接速度,才能減少焊縫中氣孔的數(shù)量。
保持激光功率 700W 不變,隨著焊接速度的不斷增加,鋁鋁焊接頭焊縫區(qū)的熔寬和熔深都不斷降低。當(dāng)焊接速度從 25mm /s 增加到 65mm/s 時,鋁鋁焊接頭焊縫熔寬從 1.54mm 減小到 1.49mm,熔深從 0.24mm 減小到 0.17mm。由公式(3-1)可知,當(dāng)焊接速度增加時,對應(yīng)的激光焊接熱輸入會減少,熔池在單位長度上吸收激光能量變少,所能熔化的金屬量減少,故焊縫表面的熔寬會減??;與此同時,焊接速度增加使得激光在焊接時激光地穿透能力減弱,焊縫的熔深也會減少。
銅鋁焊接頭焊縫表面形貌可以看出,當(dāng)焊接速度為 25mm/s 時,此時銅鋁焊接頭焊縫表面的魚鱗紋較為密集。當(dāng)焊接速度逐漸增大時,焊縫表面的魚鱗紋密集程度開始減弱。特別的,當(dāng)焊接速度為 65mm/s 時,此時焊縫表面的魚鱗紋已經(jīng)消失,取而代之的是擺動焊接頭擺動焊接的軌跡,但由于焊接速度太快,焊接熱輸入不足,焊縫表面還有部分銅為被熔化。當(dāng)焊接速度為 25mm/s 時,銅鋁焊接頭截面焊縫擁有最深的熔深,此時熔化的銅層下出現(xiàn)少量“鋁侵入銅”的現(xiàn)象,焊縫中心處有一處氣孔,且在焊縫熔池兩邊下角由黑色的陰影區(qū)域。當(dāng)焊接速度逐漸增加時,銅鋁焊接頭的熔深逐漸降低,焊縫中“鋁侵入銅”程度減小,焊縫中氣孔數(shù)量開始增多。這是因為焊接速度增加,焊縫熔池變淺,熔池中的鋁元素減少,焊縫中產(chǎn)生氣孔來不及逸出排除造成氣孔數(shù)量相對增多。當(dāng)焊接速度增加到 65mm/s 時,此時激光剛剛?cè)鄞┥蠈鱼~,只熔化下層鋁上極少部分,此時幾乎沒有“鋁侵入銅”現(xiàn)象發(fā)生。
保持激光功率 900W 不變,當(dāng)焊接速度增加,銅鋁焊接頭焊縫熔寬和熔深與激光功率均呈負(fù)相關(guān)性。當(dāng)焊接速度從 25mm/s 增加 65mm/s 到時,銅鋁焊接頭焊縫熔寬從 1.525mm 減小到 1.445mm,焊縫的熔深從 0.226mm 減小到 0.102mm。焊接速度地增加導(dǎo)致焊接熱輸入輸入嚴(yán)重不足,是焊縫的熔深和熔寬不斷減少的主要原因。
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