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(gè)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(shì)， 但氣孔形貌即球度未發(fā)生明顯改變； 當(dāng)激光功率為450W， 焊接速度為1500 mm/min 時(shí)， 氣孔體積率最小為1.1%。

引言

電動(dòng)汽車具有高效節(jié)能、低排放的優(yōu)勢(shì)， 越來(lái)越受到重視， 車載動(dòng)力電池的一致性、安全性能對(duì)電動(dòng)汽車的性能起到關(guān)鍵作用， 是限制動(dòng)力汽車開(kāi)發(fā)的最大瓶頸。鋰離子動(dòng)力電池外殼是用于封裝電芯和電解液的， 是動(dòng)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(shí)為了滿足焊點(diǎn)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(kāi)始逐步替代脈沖激光進(jìn)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(guò)程中可能發(fā)生反應(yīng)生成氫，同時(shí)鋁合金內(nèi)部的合金元素如鋅、錳的沸點(diǎn)較低，焊接過(guò)程中也可能氣化， 所以無(wú)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(huì)影響殼體的密封性， 同時(shí)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(duì)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(zhǔn)連續(xù)光纖激光器對(duì)鋰離子電池外殼進(jìn)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(duì)氣孔的影響。

1 試驗(yàn)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(zhǎng)邊—圓角—短邊一次焊接成形， 如圖1 所示。設(shè)計(jì)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(duì)殼體抽真空， 檢測(cè)焊縫的密封性。

激光器由德國(guó)IPG 的準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器YLS-450-4500-QCW-AC， 激光波長(zhǎng)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(yàn)所用檢測(cè)設(shè)備為德國(guó)Phoenix 的v|tome|x s 240，分辨率達(dá)微米級(jí)。試驗(yàn)參數(shù)為： 光子能量160 keV， 曝光時(shí)間1 s， 樣品與探測(cè)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(duì)斷層照片進(jìn)行重構(gòu)與分析， 對(duì)切片中的氣孔進(jìn)行標(biāo)記、分割和三維特征參數(shù)測(cè)量， 測(cè)量參數(shù)包括氣孔的等效直徑、球度和體積率； 最后對(duì)所得到的氣孔形貌特征進(jìn)行辨識(shí)和統(tǒng)計(jì)分析。測(cè)量步驟如圖2 所示， 為了提高測(cè)量精度， 截取電池殼體的一部分進(jìn)行測(cè)量分析。

通過(guò)前期的工藝試驗(yàn)， 已知保護(hù)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(duì)氣孔的影響， 具體試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

2 試驗(yàn)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(guò)計(jì)算可知， 試驗(yàn)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(guò)1， 是典型的激光傳導(dǎo)焊焊縫。

通過(guò)CT 檢測(cè)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(rèn)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(hù)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于固態(tài)鋁的， 隨著熔池金屬的冷凝， 氫會(huì)從液態(tài)鋁中析出， 且激光焊接速度快， 熔池冷凝時(shí)間短，氣泡來(lái)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(guò)程中不會(huì)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(gè)以上的氫氣孔合并而成的， 從圖4b 中可以清晰地看到幾個(gè)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(shí)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(jì)分析理論， 對(duì)測(cè)得的焊縫內(nèi)氣孔的等效直徑d 和球度進(jìn)行分析。先對(duì)d和球度ψ 進(jìn)行分組統(tǒng)計(jì)， 再對(duì)其頻率直方圖進(jìn)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。