陸巍巍 陳晨曦 徐港來 葛金波 溫業(yè)勇

摘要： 動力電池連接片虛焊會影響模組的強度和過流，對產(chǎn)品的使用功能造成不良影響。文中從焊接工藝過程分析了連接片虛焊產(chǎn)生的原因，研究了焊接工藝參數(shù)對接頭熔深的影響。結(jié)果表明，在動力電池激光焊接生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，振鏡臟污、抽塵速度過小、氣體保護氣流量過大、連接片有殘膠、激光功率衰減、離焦量變化是產(chǎn)生虛焊的主要原因，生產(chǎn)過程需要對以上要素進行有效的管控。

關(guān)鍵詞： 動力電池；焊接工藝參數(shù)；激光焊接；虛焊

中圖分類號： TG 441.7

Analysis and improvement of laser welding pseudo weld causes of power battery connectors

Lu Weiwei1，Chen Chenxi2，Xu Ganglai1，Ge Jinbo1，Wen Yeyong1

（1.Sunwoda Mobility Energy Technology Co.，Ltd.，Shenzhen，518107 Guangdong，China；2.TRUMPF China Co.， Ltd.，Taicang，215499 Jiangsu，China）

Abstract： Thepseudo welding of the power battery connection would affect the strength and overcurrent of the module， which would have an adverse effect on the function of the product. In this paper， the reasons of the joint sheet pseudo welding were analyzed from the welding process， and the influence of welding process parameters on the joint penetration is studied. The results showed that in the production of power battery laser welding， the main causes of pseudo welding a were dirty galvanometer， too small dust extraction speed， too large gas protection gas flow， residual glue in the connection sheet， laser power attenuation， and outofcontrol defocus. The production process needed to effectively control the above factors.

Key words： ?power battery；welding process parameters；laser welding；pseudo welding

0前言鋁合金具有密度小，比強度高、比剛度高、良好的塑性加工性能、良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能、良好的耐腐蝕性和可焊性等優(yōu)良特性，廣泛應(yīng)用航空、航天、交通運輸、建筑、機電等領(lǐng)域［1］。在動力電池領(lǐng)域，1060Al合金具有良好的導(dǎo)電性、耐腐蝕等優(yōu)良特性，是作為動力電池焊接材料的發(fā)展方向之一［2］。電芯極柱與連接片的接頭被要求具有較強的機械可靠性及良好的導(dǎo)電性能，傳統(tǒng)的焊接方法極易出現(xiàn)變形，焊接速度慢等問題。激光焊接具有激光功率密度大、焊接速度快、熔池深寬比大等優(yōu)勢，成為動力電池連接片焊接的最佳選擇。

目前，在動力電池連接片激光深熔焊接的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，焊接接頭熔深過淺發(fā)生虛焊的現(xiàn)象時有發(fā)生。研究表明，影響焊接接頭熔深的工藝參數(shù)較多，例如氣體保護氣流量［3-5］、激光功率［6］、離焦量［7］等，而鮮有關(guān)于系統(tǒng)全面分析虛焊產(chǎn)生原因分析的報道。因此，文中從動力電池激光焊接生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的人、機、料、法的角度切入，重點分析生產(chǎn)制造工藝中虛焊產(chǎn)生的原因，研究抽塵速度、振鏡潔凈度、保護氣流量、激光功率等工藝參數(shù)對接頭的熔深的影響。

1試驗材料及方法

激光焊接設(shè)備主要由通快（中國）有限公司生產(chǎn)的環(huán)形光斑激光器（Trufiber 6000 S型BLW）和德國庫卡（KUKA）生產(chǎn)的六軸焊接機器人組成。激光器輸出功率長時間波動小于±1%，具備功率實時監(jiān)控，實時負(fù)反饋功能。內(nèi)芯和外環(huán)功率都可以在總功率10%～90%區(qū)間調(diào)整。模擬實際產(chǎn)品，接頭采用搭接接頭，下部使用2.5 mm厚的電芯頂蓋，如圖1所示，上部使用1.5 mm厚的1060純鋁板，材料成分與產(chǎn)品相同，如表1所示。主要焊接參數(shù)為焊接功率2.8 kW、焊接速度75 mm/s、離焦量﹢2 mm，N2保護氣吹氣角度30°。

試驗?zāi)康氖茄芯空耒R潔凈度、抽塵速度、保護氣流量等因素對動力電池連接片焊接接頭熔深的影響，虛焊發(fā)生的現(xiàn)象一般可以通過觀察熔深來判斷，為了定量描述虛焊現(xiàn)象，如圖2所示，試驗將接頭的熔深≤0.5 mm稱為虛焊現(xiàn)象。將焊接接頭打磨拋光至無劃痕平面，分別采用掃描電鏡觀察激光焊接接頭的組織、EDS觀察焊接接頭組織的成分和金相顯微鏡觀察焊接接頭的熔深。

2結(jié)果與討論

試驗從人、機、料、法4個角度切入，分析動力電池生產(chǎn)環(huán)節(jié)中虛焊產(chǎn)生的原因。圖3是不同角度引起虛焊的故障樹分析，從圖中可以看出，動力電池焊接工藝生產(chǎn)過程中，虛焊的主要原因分別是極柱和連接片上異物未清潔、抽塵效果差、振鏡保護鏡片潔凈度差、連接片異物未清潔、功率衰減異常、離焦量異常及保護氣流量異常，其他因素是次要失效原因。下面逐一討論以上因素對接頭熔深的影響。

2.1離焦量變化引起虛焊

自動化激光焊接連接片時，離焦量是由測距儀測定的。然而實際焊接工況較為復(fù)雜，測定的距離可能發(fā)生較大的波動，導(dǎo)致離焦量變化。試驗采用手動測量實際的離焦量，研究實際離焦量對接頭熔深的影響。由圖4可知，離焦量為+2 mm時，實際離焦量皆為正離焦，且接頭熔深隨著離焦量的增加而逐漸減小。當(dāng)實際離焦量為+4 mm 時，接頭的平均熔深為0.45 mm?？梢酝茰y出，離焦量變化也有可能導(dǎo)致虛焊現(xiàn)象的發(fā)生。研究表明，熔池激光的能量與焦點的位置密切相關(guān)，當(dāng)激光的離焦量從負(fù)離焦向正離焦轉(zhuǎn)變時，激光焊接由深熔焊接轉(zhuǎn)變成熱傳導(dǎo)型焊接［7］。在焊接過程中，離焦量為正時，激光的焦平面位于工件表面的正上方，當(dāng)正離焦越大，焦平面離工件表面的距離越遠(yuǎn)，工件表面的激光功率密度就越小，因此接頭熔深越小。

2.2激光功率衰減引起虛焊

激光器隨著工作時間的增加，激光的功率衰減程度會逐漸的增加。下面采用功率衰減測試儀器采集激光實際的功率，來研究激光衰減程度對接頭平均熔深的影響。由圖5可知，接頭平均熔深隨著激光衰減后功率的降低而逐漸降低，當(dāng)激光功率衰減至2.55 kW時，接頭的熔深減小至0.40 mm。因此可以推測，在實際生產(chǎn)過程中，缺少對激光器的維護時，接頭的熔深可能會發(fā)生虛焊現(xiàn)象。分析認(rèn)為，當(dāng)激光器功率發(fā)生衰減時，激光有效功率密度減小，導(dǎo)致熔池的深度減小。因此當(dāng)激光功率衰減至一定程度時，激光器內(nèi)部元器件老化，如果無功率負(fù)反饋功能，接頭可能發(fā)生虛焊現(xiàn)象。

2.3抽塵風(fēng)速過小引起的虛焊

由圖6可知，當(dāng)抽塵風(fēng)量為30～90 L/min時，接頭平均熔深隨著抽塵風(fēng)量的增加而逐漸增加，接頭熔深由0.83 mm增加至1.02 mm；而當(dāng)抽塵風(fēng)量降至0 L/min時，接頭熔深迅速下降至0.48 mm。分析認(rèn)為，當(dāng)抽塵風(fēng)量較小時，由于焊接過程產(chǎn)生的金屬蒸汽和焊接煙塵擋住了激光束，使得激光功率下降，最終導(dǎo)致接頭熔深下降，產(chǎn)生虛焊。因此，當(dāng)抽塵機發(fā)生故障、抽塵管道被焊渣堵住時，接頭有可能發(fā)生虛焊現(xiàn)象。

2.4保護氣流量過大引起虛焊

由圖7可知，接頭的熔深隨著N2保護氣流量的增大先增加后減小，當(dāng)保護氣流量為20 L/min時，平均熔深達(dá)到最大0.83 mm，當(dāng)保護氣流量為30 L/min時，平均熔深降至最低0.37 mm。研究表明，當(dāng)保護氣流量相對較小，對應(yīng)本實驗中的10 ～20 L/min時，保護氣抑制了金屬蒸汽等離子云對激光束的屏蔽效果，增加了激光焊接的有效功率，從而使得焊接熔深較大，而當(dāng)氣體保護氣流量過大，對應(yīng)試驗中的30 L/min時，一方面，焊接銅嘴中的氣流由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪?，將氣體卷入熔池［8］，而另一方面由于氣體本身對激光光束具有屏蔽作用，使得有效激光功率下降，焊接熔深變淺［9-10］，同時過大的保護氣會帶走部分熱量，使得熔池能量減小。因此，保護氣流量參數(shù)設(shè)置過大時，接頭可能會發(fā)生虛焊現(xiàn)象。

2.5連接片殘膠引起虛焊穿孔

從圖8可以看出，當(dāng)極柱出現(xiàn)殘膠時，焊縫出現(xiàn)了炸焊、穿孔的現(xiàn)象，通過EDS能譜分析，從表2可以看出，焊縫處的O含量為37.17%，C元素含量為10.86%。在激光焊接的過程中，當(dāng)連接片上出現(xiàn)殘膠時，由于熔池溫度已經(jīng)超過殘余膠水的沸點，殘余膠水迅速汽化，導(dǎo)致熔池發(fā)生飛濺，同時熔池中的金屬元素和膠水中的C、H、O等元素發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生金屬氧化物等雜質(zhì)，最終影響焊接的外觀質(zhì)量和力學(xué)性能。

2.6激光振鏡臟污引起的虛焊

研究表明激光振鏡在焊接中擺動時，增加了光束與熔池的接觸面積，加快了融熔金屬的增加，增加了焊接小孔的穩(wěn)定性［11］。而在激光焊接過程中，熔池中的液態(tài)鋁合金可能飛濺至振鏡上，造成振鏡透光率下降，影響了焊接接頭的質(zhì)量。為了定量描述激光振鏡的臟污程度，制訂標(biāo)準(zhǔn)如下為，①整個鏡片表面無焊渣為合格；，②直徑＜0.6 mm的臟污為1個單位；，③直徑0.6～1 mm的臟污為4個單位；④直徑1～2 mm的臟污為9個單位。由圖9可知，接頭的平均熔深隨著振鏡潔凈度的下降而逐漸減小，當(dāng)振鏡臟污度由0增加至45個單位時，焊接接頭的平均熔深由0.93 mm減小至0.42 mm。因此可以推測出，當(dāng)振鏡臟污至一定程度時，接頭可能產(chǎn)生虛焊現(xiàn)象。分析認(rèn)為，振鏡處的臟污阻擋了激光光束，使得熔池處的激光功率密度降低，振鏡的臟污面積越大，阻擋的光束就越多，熔池處的激光功率密度越小，最終導(dǎo)致接頭熔深越小。

3結(jié)論

（1）在激光焊接的過程中，抽塵速度過小、激光功率衰減、離焦量失控、保護氣流量過大、激光振鏡臟污時，接頭可能會產(chǎn)生虛焊現(xiàn)象。以上因素直接或間接影響了熔池處的激光有效功率密度，最終導(dǎo)致接頭熔深過小。

（2）當(dāng)連接片的殘膠未清理干凈時，在激光焊接的過程中，殘膠會瞬間氣化導(dǎo)致炸焊穿孔的現(xiàn)象，同時Al合金中的金屬元素與殘膠中的C、H、O元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生了氧化物和其他的金屬化合物。

（3）在激光焊接的生產(chǎn)過程中，為避免虛焊的發(fā)生，應(yīng)該對抽塵速度、激光功率衰減、離焦量變化、保護氣流量過大、激光振鏡臟污和基材表面殘膠等因素進行嚴(yán)格管控。

參考文獻(xiàn)

［1］高秀峰、葉云、盧芳，等.1060鋁合金激光穿透焊接組織及性能［J］.山西冶金.2023，46（3）：4-7.

［2］周金旭、沈其明、李歡，等.鋁合金薄板激光搭接接頭組織及力學(xué)性能［J］.有色金屬加工.2023，52（3）：18-20.

［3］雷小偉、萬自永、孫現(xiàn)龍，等.氣體保護焊氣體的選用［J］.材料開發(fā)與應(yīng)用.2014，29（4）：90-94.

［4］Zhang M， Zhang Z， Tang K， et al. Analysis of mechanisms of under fill in full penetration laser welding of thick stainless steel with a 10 kW fiber laser［J］. Optics & Laser Technology， 2018， 98： 97-105.

［5］孔華、楊武雄、鄒江林，等.高速保護氣流向?qū)饫w激光深熔焊接羽輝的影響［J］焊接學(xué)報，2023，44（8）：14-20.

［6］張振宇、陸郡、劉芳.激光功率對6061-T6鋁合金激光填絲焊接接頭組織及性能的影響。［J］.有色金屬材料與工程. 2023，44（3）：1-8.

［7］張健、林仕君、蘇紹興，等.光纖激光焊接鋁合金離焦量對焊縫成形的影響［J］.激光與光電子學(xué)進展.2016，53（12）：180-185.

［8］魏延宏，王建勛.保護氣體流態(tài)分析及提高氣體保護效果的措施［J］.電焊機.2015（10）

［9］吳家洲、張華、李玉龍，等.激光焊中側(cè)吹保護氣質(zhì)量分布的數(shù)值分析［J］.焊接學(xué)報.2018，39（2）：39-43.

［10］曾盼林、王曉南、章順虎，等.保護氣對微合金C-Mn鋼激光焊接接頭組織和性能的影響［J］中國激光，2017，44（4）：59-66.

［11］呂賢良、智小冬、顧恩澤.電池模組鋁合金殼體部件振鏡焊接工藝［J］.焊接.2018（12）：33-36.

收稿日期： 2024-01-10

陸巍巍簡介： 1984年出生，碩士，主要研究方向為動力電池先進制造技術(shù)。