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結(jié)果表明： 鋰離子電池外殼焊接為激光傳導(dǎo)焊， 主要產(chǎn)生冶金型氣孔， 冶金型氣孔中既有近似球形的小氣孔， 又有由2 個以上的小氣孔合并貫穿而形成的不規(guī)則的大氣孔； 鋁殼焊縫中氣孔尺寸集中在250～550 μm 之間， 球度在0.6～0.7 之間； 隨著激光功率的降低和焊接速度的增加， 氣孔的體積率呈下降趨勢， 但氣孔形貌即球度未發(fā)生明顯改變； 當激光功率為450W， 焊接速度為1500 mm/min 時， 氣孔體積率最小為1.1%。

引言

電動汽車具有高效節(jié)能、低排放的優(yōu)勢， 越來越受到重視， 車載動力電池的一致性、安全性能對電動汽車的性能起到關(guān)鍵作用， 是限制動力汽車開發(fā)的最大瓶頸。鋰離子動力電池外殼是用于封裝電芯和電解液的， 是動力電池的關(guān)鍵部件， 外殼的焊接質(zhì)量直接關(guān)系到電池的安全性能和使用壽命。

鋰離子電池外殼一般采用防銹鋁3003， 3003 鋁合金具有優(yōu)良的防銹性、耐腐蝕性和焊接性。傳統(tǒng)的鋰離子電池外殼焊接一般采用Nd： YAG 脈沖激光焊接， 固體脈沖激光器電光轉(zhuǎn)換效率較低， 同時為了滿足焊點重疊度要求， 焊接速度一般也較慢， 隨著激光焊接技術(shù)的發(fā)展， 電光轉(zhuǎn)換效率更高、光束質(zhì)量更好的光纖激光焊開始逐步替代脈沖激光進行鋰離子電池外殼密封焊接［1－4］。由于鋁合金表層的氧化膜易吸附水分， 焊接過程中可能發(fā)生反應(yīng)生成氫，同時鋁合金內(nèi)部的合金元素如鋅、錳的沸點較低，焊接過程中也可能氣化， 所以無論是脈沖激光焊還是光纖激光連續(xù)焊， 焊后易產(chǎn)生氣孔， 外殼焊縫內(nèi)部的氣孔可能會影響殼體的密封性， 同時在疲勞加載下， 氣孔也易成為斷裂源， 形成應(yīng)力集中， 影響焊縫的抗疲勞性能［5－6］， 從而影響電池的安全性能，因此， 研究工藝對鋰離子電池外殼焊接氣孔的影響是很有必要的。

本文采用準連續(xù)光纖激光器對鋰離子電池外殼進行密封焊接， 研究殼體焊縫中氣孔大小及形貌的分布規(guī)律及工藝參數(shù)對氣孔的影響。

1 試驗方法

電池殼體采用3003 防銹鋁， 蓋板采用1010 工業(yè)純鋁， 采用頂焊方式， 按長邊—圓角—短邊一次焊接成形， 如圖1 所示。設(shè)計專用夾具， 確保蓋板與殼體間的間隙小于0.1 mm， 焊后在注液口處對殼體抽真空， 檢測焊縫的密封性。

激光器由德國IPG 的準連續(xù)光纖激光器YLS-450-4500-QCW-AC， 激光波長為1 070 nm， 光斑直徑為0.2 mm， 光束質(zhì)量2.2 mm·mrad； 連續(xù)模式下，平均功率500 W； 脈沖模式下， 單脈沖能量45 J，峰值功率4 500 W， 脈寬0.2~50 ms， 頻率1~100 Hz。試驗所用檢測設(shè)備為德國Phoenix 的v|tome|x s 240，分辨率達微米級。試驗參數(shù)為： 光子能量160 keV， 曝光時間1 s， 樣品與探測器探頭間的間距20 cm， 每次掃描斷層照片3 000 張， 空間分辨率25 μm。斷層掃描完后使用VG studio 軟件對斷層照片進行重構(gòu)與分析， 對切片中的氣孔進行標記、分割和三維特征參數(shù)測量， 測量參數(shù)包括氣孔的等效直徑、球度和體積率； 最后對所得到的氣孔形貌特征進行辨識和統(tǒng)計分析。測量步驟如圖2 所示， 為了提高測量精度， 截取電池殼體的一部分進行測量分析。

通過前期的工藝試驗， 已知保護氣流量為20L/min， 離焦量為+0.5 mm， 激光功率450~500 W，焊接速度1 200~1 500 mm/min， 均可獲得密封性良

好的焊縫， 本文僅改變激光功率和焊接速度研究工藝參數(shù)對氣孔的影響， 具體試驗參數(shù)見表1。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 氣孔特征分析

利用激光功率密度公式Φ=P/（π×r2）， 式中Φ 為功率密度（W/cm2）， P 為激光功率（W）， r 為光斑半徑（cm）， 通過計算可知， 試驗中激光功率密度約為1.43×106~1.59×106 W/cm2 ， 小于鋁合金激光深熔焊功率密度的閾值。焊接接頭的顯微組織如圖3 所示。從圖3 中可以看到明顯的熔合線， 焊縫橫截面呈V形， 焊縫熔深為0.8~1 mm 之間， 熔寬接近1 mm，深寬比不超過1， 是典型的激光傳導(dǎo)焊焊縫。

通過CT 檢測發(fā)現(xiàn)鋁殼焊縫中存在數(shù)量較多的氣孔（圖4a）， 按氣孔尺寸及形貌特征可將氣孔分為兩種， 其中一種尺寸較小， 且近似球形（圖3）， 另一種尺寸較大， 形狀不規(guī)則； 分析認為： 近似球形的小氣孔是蓋板和鋁殼表層氧化膜和空氣、保護氣中所吸附的水分在激光熱源的作用下分解或與熔池中的液態(tài)鋁反應(yīng)生成氫， 而氫在液態(tài)鋁中的溶解度遠遠大于固態(tài)鋁的， 隨著熔池金屬的冷凝， 氫會從液態(tài)鋁中析出， 且激光焊接速度快， 熔池冷凝時間短，氣泡來不及溢出殘留在熔池中形成近似球形的氫氣孔； 鋁殼焊接屬于激光傳導(dǎo)焊， 焊接過程中不會發(fā)生小孔效應(yīng)， 所以尺寸不規(guī)則的大氣孔并非由匙孔不穩(wěn)定塌陷形成的工藝孔， 而應(yīng)該是由2 個以上的氫氣孔合并而成的， 從圖4b 中可以清晰地看到幾個小氣孔正在合并貫穿。所以激光熱傳導(dǎo)焊下， 鋰離子電池殼體中出現(xiàn)的近似球形的小氣孔和尺寸不規(guī)則的大氣孔其實質(zhì)都是冶金型氣孔。

從圖4a 中可以看出氣孔在焊縫內(nèi)部的分散性大， 分布十分復(fù)雜， 需結(jié)合統(tǒng)計分析理論， 對測得的焊縫內(nèi)氣孔的等效直徑d 和球度進行分析。先對d和球度ψ 進行分組統(tǒng)計， 再對其頻率直方圖進行正態(tài)分布擬合。圖5， 圖6 是焊縫內(nèi)部氣孔的等效直徑d 和球度ψ 的直方圖及正態(tài)擬合曲線， μ 為正態(tài)分布的期望， σ 為正態(tài)分布的方差。