□ 潘紅濤□ 徐中超□ 魏 錚

1.上海電氣鈉硫儲(chǔ)能技術(shù)有限公司 上海 201815

2.上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

鈉硫電池不銹鋼真空激光焊接工藝的研究＊

□ 潘紅濤1□ 徐中超1□ 魏 錚2

1.上海電氣鈉硫儲(chǔ)能技術(shù)有限公司 上海 201815

2.上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

研究了大功率光纖激光器在真空下對(duì)鈉硫電池正極側(cè)封口進(jìn)行焊接的問題，分析了焊接夾具、真空度、速度，以及熱影響等因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響，并確定了最佳焊接工藝。通過進(jìn)行焊接件氣密性測(cè)試、焊縫金相分析、接頭強(qiáng)度測(cè)試等，表明所確定的工藝可以滿足鈉硫電池技術(shù)要求。

鈉硫電池；不銹鋼；激光焊接

1 課題背景

儲(chǔ)能系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)必備的能量緩沖環(huán)節(jié)，能夠起到電網(wǎng)電力調(diào)峰、提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性及提高電能質(zhì)量的作用。鈉硫電池被認(rèn)為是最具有應(yīng)用前景的大容量儲(chǔ)能電池，分別以硫和鈉為正、負(fù)極材料，以鈉離子導(dǎo)體β"-Al2O3陶瓷管為電解質(zhì)[1-2]，具有比能量高（達(dá)760 Wh/kg）、充放電效率高、可大電流充放電、無自放電、原料來源容易、運(yùn)行費(fèi)用低、維護(hù)較方便、不污染環(huán)境和壽命長等優(yōu)點(diǎn)，適合電力系統(tǒng)的儲(chǔ)能使用。鈉硫電池工作溫度為300～350℃，在該溫度范圍內(nèi)，正、負(fù)極材料均為液態(tài)。為了確保正、負(fù)極活性物質(zhì)與外界空氣隔絕，在結(jié)構(gòu)上必須要求電池為全密封結(jié)構(gòu)。

激光焊接具有焊接速度快、深度大、變形小、熱量小、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，并能在特殊條件下焊接，如在真空、空氣及某些氣體環(huán)境中均能施焊，因此被用于鈉硫電池金屬與金屬間的焊接[3-4]。由于鈉硫電池的正極側(cè)需要真空環(huán)境，因此正極側(cè)的封口焊接需在真空環(huán)境中進(jìn)行。由于在焊接位置處不僅有316L不銹鋼，還有與其熱膨脹系數(shù)相差較大的金屬鋁和α-Al2O3陶瓷材料，在對(duì)316L不銹鋼進(jìn)行激光焊接的同時(shí)，需要考慮熱量對(duì)金屬鋁和陶瓷材料作用時(shí)所產(chǎn)生的熱膨脹情況，否則將會(huì)破壞不銹鋼和陶瓷的結(jié)合或陶瓷自身性能。另外，常規(guī)連續(xù)激光焊接時(shí)，一般會(huì)有惰性氣體對(duì)焊接位置進(jìn)行吹氣保護(hù)，在保護(hù)氣體的作用下，焊縫的寬度也會(huì)變大，有助于激光焊接性能的提高。然而，在真空環(huán)境中，焊接過程中形成的等離子體籠罩在焊接位置的表面，吸收和散射了激光，導(dǎo)致激光有效功率降低[5-8]，這也大大增加了真空焊接的難度。因此，筆者通過試驗(yàn)，研究了鈉硫電池不銹鋼材料在真空環(huán)境下的激光焊接性能。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)使用的激光焊接方式為連續(xù)激光焊，設(shè)備為IPG2000型光纖激光器，光纖耦合輸出，最高功率為2 000 W，激光波長為1 064 nm，光纖芯徑為150 μm。焊接工藝采用自行設(shè)計(jì)的夾具，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，焊接件在夾具中焊接精度可滿足激光焊接的要求。

2.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的材料為鈉硫電池焊接零件用316L不銹鋼，其主要成分見表1。焊接試件由上、下兩個(gè)零件組成，如圖1所示。

表1 316L不銹鋼成分%

圖1 鈉硫電池真空激光焊接試件結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 方法及過程

試驗(yàn)過程中，對(duì)夾具精度進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，通過對(duì)鈉硫電池的模擬金屬件進(jìn)行不同工藝條件下的焊接試驗(yàn)，探討工藝參數(shù)對(duì)焊縫氣密性、尺寸、強(qiáng)度、晶粒度，以及陶瓷-不銹鋼結(jié)合面受熱情況的影響，以獲得最佳工藝參數(shù)。試驗(yàn)前，將兩個(gè)需要焊接的零件放入自行設(shè)計(jì)的焊接夾具中，并進(jìn)行機(jī)械固定，通過底部旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)激光器激光發(fā)射的位置及焊接離焦位置，使激光束對(duì)準(zhǔn)待焊件的配合縫隙。為了獲得更有效的焊接熔深，試驗(yàn)中激光焦距為負(fù)離焦?fàn)顟B(tài)[9-10]。焊接時(shí)，通過底部旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)使焊接試件以一定速度旋轉(zhuǎn)。焊接后通過氦氣檢漏測(cè)試儀來進(jìn)行焊縫氣密性測(cè)試，采用內(nèi)水壓測(cè)試及剪切拉伸試驗(yàn)來評(píng)定焊接接頭的強(qiáng)度，并用金相顯微鏡觀察焊縫的尺寸、缺陷及微觀結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)果與討論

3.1 真空激光焊接機(jī)理

激光深熔焊接一般采用連續(xù)激光光束完成材料的連接，在具有足夠功率密度的激光照射下，焊接材料蒸發(fā)并形成小孔。這個(gè)充滿蒸氣的小孔猶如一個(gè)黑體，幾乎吸收全部的入射光束能量，孔腔內(nèi)平衡溫度達(dá)2500℃左右[10]。熱量從這個(gè)高溫孔腔外壁傳遞出來，使包圍在這個(gè)孔腔四周的金屬熔化。小孔內(nèi)充滿在光束照射下母體材料連續(xù)蒸發(fā)所產(chǎn)生的高溫蒸氣，小孔四壁包圍著熔融金屬，液態(tài)金屬四周包圍著固體材料?？妆谕庖后w流動(dòng)和壁層表面張力與孔腔內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生的蒸氣壓力保持著動(dòng)態(tài)平衡，光束不斷進(jìn)入小孔，小孔外的材料在連續(xù)流動(dòng)，隨著光束移動(dòng)，小孔始終處于流動(dòng)的穩(wěn)定狀態(tài)。因此，小孔和圍著孔壁的熔融金屬隨著前導(dǎo)光束的前進(jìn)而向前移動(dòng)，熔融金屬充填著小孔移開后留下的空隙并隨之冷凝，進(jìn)而形成焊縫[7,11]。

3.2 夾具對(duì)真空激光焊接質(zhì)量的影響

在激光焊接中，夾具的精度是影響電池焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。對(duì)于圓柱型電池而言，一般采用橫焊的方式進(jìn)行焊接。在焊接過程中，當(dāng)焊接參數(shù)不變時(shí)，軸向竄動(dòng)和徑向跳動(dòng)的大小直接決定焊接熔深及熔寬一致性的好壞。由于鈉硫電池的不銹鋼外殼為薄壁管，圓度較差，普通夾具并不能滿足焊接精度要求，因此，試驗(yàn)過程中設(shè)計(jì)了如圖2所示的三點(diǎn)定心夾具裝置。這一裝置由兩個(gè)固定定心軸承和一個(gè)伸縮定心軸承組成，焊接過程中，在伸縮定心軸承的作用下，可以保證焊接點(diǎn)與激光頭間的距離不變，即離焦量恒定。

圖2 鈉硫電池激光焊接三點(diǎn)定心夾具示意圖

圖3和圖4為電池在普通夾具和改進(jìn)夾具中徑向跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)的情況，可以看出，改進(jìn)后的電池在夾具中軸向竄動(dòng)和徑向跳動(dòng)都不超過0.12 mm。圖5為不同軸向竄動(dòng)對(duì)有效焊接熔深的影響，圖中a、b、c依次為偏離 0.2 mm、0.12 mm和 0 mm，其有效焊接熔深對(duì)應(yīng)減小0.30 mm、0.12 mm和0 mm，由偏離量及實(shí)際焊接要求可以看出，軸向竄動(dòng)在0.12 mm以內(nèi)較好，改進(jìn)后的夾具精度剛好可以滿足要求。

圖3 鈉硫電池在真空夾具中徑向跳動(dòng)情況

圖4 鈉硫電池在真空夾具中軸向竄動(dòng)情況

圖5 電池在真空夾具中軸向竄動(dòng)對(duì)焊接偏離量的影響

3.3 焊接工藝對(duì)焊接質(zhì)量的影響

在鈉硫電池真空激光焊接過程中，焊接真空度、焊接速度及熱影響等是影響真空焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

（1）真空度的影響。表2是不同真空度下焊縫的外觀，可以看出：隨著真空度的不斷升高，焊縫的外觀顏色逐漸接近金屬光澤；在100 Pa時(shí)，焊縫表面氧化嚴(yán)重，為黑褐色；在10 Pa時(shí)，焊縫為金黃色；在1 Pa時(shí)，焊縫為金屬亮色。產(chǎn)生這些現(xiàn)象主要是因?yàn)檎婵斩仍礁撸h(huán)境中氧氣含量越少，高真空環(huán)境下焊接可避免焊縫的氧化和不銹鋼的燒損[8]。雖然隨著真空度的提高，對(duì)等離子體的抑制作用不斷加強(qiáng)，導(dǎo)致等離子體熱傳導(dǎo)作用大大減弱[4]，但由于焊接速度較快，達(dá)50 mm/s，焊接功率達(dá)1 020 W，此時(shí)等離子體不會(huì)大量吸收激光能量，對(duì)激光產(chǎn)生散射和折射作用不明顯，焊縫的熔寬并沒有明顯變化。

表2 真空度對(duì)焊接質(zhì)量的影響

表3為在1 Pa真空度下，電池在不同焊接速度下的焊接熔深及熔寬情況，可以看出，隨著真空焊接速度減小，焊接熔寬和熔深逐漸增大。這主要是由于當(dāng)焊接速度較慢時(shí)，激光在焊接位置上停留的時(shí)間長，使熔池部位金屬獲得較充分的能量，從而使焊接熔深及熔寬變大。

表3 焊接速度對(duì)焊接質(zhì)量的影響

（2）吸熱材料的影響。在鈉硫電池結(jié)構(gòu)中，真空激光焊縫離陶瓷與不銹鋼的封接面僅有5.5 mm，在焊接過程中，熔池的瞬間溫度高達(dá)2 500℃，由于陶瓷、不銹鋼及鋁的熱膨脹系數(shù)相差較大（表4），陶瓷-鋁-不銹鋼封接面受到瞬間的熱沖擊，產(chǎn)生熱應(yīng)力，甚至?xí)?dǎo)致陶瓷開裂?？梢?，在焊接過程中需要對(duì)焊接金屬進(jìn)行冷卻，在真空中最有效的方法是在焊接面附近位置增加吸熱材料。試驗(yàn)中，在電池結(jié)構(gòu)中的下部凹環(huán)處增加與之緊固配合的純銅套。在加純銅套作吸熱材料之后，焊接過程中沒有出現(xiàn)材料受熱后因膨脹不均勻而產(chǎn)生開裂的情況。因此，鈉硫電池在真空激光焊接過程中，增加吸熱材料可有效提高焊接質(zhì)量。

表4不同材料熱膨脹系數(shù)

3.4 焊接件氣密性測(cè)試

焊接件的氣密性是評(píng)價(jià)焊接質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。試驗(yàn)中，對(duì)焊接試樣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中一次焊接氣密性合格率達(dá)100%，即氦檢漏率均不大于5.0×10-8Pa·m3/s。經(jīng)對(duì)焊接產(chǎn)品進(jìn)行跟蹤統(tǒng)計(jì)，尚未發(fā)現(xiàn)焊縫處有泄漏情況發(fā)生。

3.5 焊縫質(zhì)量及微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試

焊縫的質(zhì)量包括焊縫熔深、焊縫熔寬、焊縫表面微觀結(jié)構(gòu)及焊縫內(nèi)部微觀金相結(jié)構(gòu)，一般要求焊縫熔深不得小于有效焊接厚度的2/3。由圖6可以看出，實(shí)際焊接熔深為1.12 mm，而焊接位置有效厚度為1.25 mm，熔寬為1.22 mm，可滿足焊接要求。

圖6 真空焊接試樣焊縫外觀形貌

如圖7所示，比較大氣中激光焊接和真空激光焊接焊縫晶粒度大小，可以發(fā)現(xiàn)，在真空中焊接的接頭焊縫區(qū)晶粒度要小于在大氣中焊接焊縫區(qū)的晶粒度，焊縫為奧氏體和少量鐵素體，且組織呈枝晶分布。這主要是由于在焊接時(shí)，等離子體對(duì)工件起到熱傳導(dǎo)作用，真空中激光焊接產(chǎn)生的等離子體被很好抑制了，而大氣中激光焊接產(chǎn)生的等離子體沒有被抑制。

圖7 激光焊接焊縫晶粒度

3.6 焊接件拉伸強(qiáng)度及內(nèi)水壓強(qiáng)度測(cè)試

對(duì)焊接件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)得結(jié)果代入式（1），計(jì)算拉伸強(qiáng)度Ts：

式中：F為試樣拉伸至斷裂過程中出現(xiàn)的最大力，N；W為試樣斷裂橫截面的寬度，mm；b為試樣焊縫的深度，mm。

經(jīng)測(cè)量，此試件的斷裂橫截面寬度為11.7 mm，所以，拉伸強(qiáng)度Ts為：

316L不銹鋼的抗拉強(qiáng)度一般為480 MPa，而真空激光焊接焊縫的強(qiáng)度要高于母材強(qiáng)度，這一點(diǎn)也驗(yàn)證了焊縫微觀分析的結(jié)論。

此外，內(nèi)水壓強(qiáng)度測(cè)試表明，在爆破壓力為15.24 MPa時(shí)，真空激光焊接位置沒有發(fā)生任何變化，而此時(shí)母材本身發(fā)生變形，這也說明采用真空激光焊接時(shí)，焊縫的強(qiáng)度要好于母材強(qiáng)度。

3.7 真空激光焊接在鈉硫電池中的應(yīng)用

真空激光焊接工藝技術(shù)已應(yīng)用于鈉硫電池的生產(chǎn),焊接的密封可靠性和穩(wěn)定性相比前期研制階段采用的工藝有了很大改進(jìn),氦檢合格率高達(dá)100%,電池在300～350℃工作溫度下長期運(yùn)行，真空焊接位置也未出現(xiàn)任何損壞現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

（1）研究并驗(yàn)證了鈉硫電池不銹鋼的真空焊接夾具對(duì)焊接質(zhì)量的影響，在軸向竄動(dòng)不大于0.12 mm時(shí)焊接,焊縫可滿足電池要求。

（2）驗(yàn)證了真空激光焊接的真空度、速度及吸熱材料等對(duì)鈉硫電池真空焊接的影響，得出在真空度為1 Pa、焊接速度為50.4 mm/s、焊接增加吸熱材料的情況下，焊接效果較為理想。

（3）優(yōu)選工藝下焊接出的焊縫氣密性可滿足要求，氦檢漏率不大于5×10-8Pa·m3/s，熔寬為1.22 mm，熔深為1.12 mm，焊接拉伸強(qiáng)度為574.8 MPa，超過母材強(qiáng)度。

（4）真空激光焊接技術(shù)已成功用于鈉硫電池結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵部件的焊接，并在實(shí)際電池的充放電循環(huán)中經(jīng)受了考驗(yàn)。

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The welding of the positive side seal of sodiumsulfur battery under vacuum by high power fiber laser wasstudied.Theimpact of thefactorsincludingweldingfixture,vacuumlevel,speed,and heat influenceon theweldingquality wasanalyzed,and theoptimumweldingprocesswasdetermined.Through air tightnesstest of theweldment,metallographic analysisof theweldingseam,strength test of thejoint,it showsthat theprocesscan satisfy thetechnical requirementsof sodiumsulfur batteries.

Sodium Sulfur Battery；Stainless Steel；Laser Welding

TH140.1；TM911

A

1672-0555（2017）03-001-05

＊上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科研技術(shù)項(xiàng)目（編號(hào)：15DZ2283101）

2017年5月

潘紅濤（1985—），男，碩士，工程師，主要從事鈉硫電池封裝工藝研究工作

（編輯：啟 德）