何 瓊 楊 晟 吳 軒 雷 波

(1.武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院 湖北 武漢：430205；2.武漢逸飛激光設(shè)備有限公司 湖北 武漢：430074)

動力電池廣泛使用激光焊接技術(shù)，例如注液孔焊接、全極耳焊接、殼體與頂蓋焊接、防爆閥焊接、PACK電池組焊接。其中防爆閥的激光焊接容易出現(xiàn)過焊穿孔現(xiàn)象，動力電池防爆閥是確保電池安全的重要部件，可有效的防止電池?zé)崾Э貢r(shí)發(fā)生爆炸，動力電池防爆閥是一種厚度在0.08-0.1mm之間純鋁質(zhì)(AL1060)薄片，鋁材對激光的反射率高，必須提高單脈沖能量，能量過大又會造成薄片過焊穿孔[1]。研究了防爆閥的激光焊接工藝，選擇MOPA光纖激光器為光源，優(yōu)化設(shè)計(jì)了工裝夾具，提高了防爆閥薄片和殼體的貼和緊密度，較好解決了過焊穿孔現(xiàn)象，焊接成品率達(dá)到99%以上。為提高生產(chǎn)效率采用雙工位設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)盤式工位循環(huán)的半自動工作方式，生產(chǎn)效率≥45個(gè)/分鐘。系統(tǒng)可充分滿足方型動力、圓柱型等動力電池防爆閥的焊接生產(chǎn)要求。

1 基本原理與結(jié)構(gòu)

動力電池防爆閥激光焊接系統(tǒng)主要由MOPA光纖激光器、激光焊接頭、焊接工作臺、焊接夾具組成，如圖1所示，其中激光焊接頭及激光運(yùn)動機(jī)構(gòu)如圖2所示。

MOPA光纖激光器脈寬和頻率獨(dú)立可調(diào)，具有光斑精細(xì)，熱應(yīng)力和熱影響區(qū)小，不容易破壞材料的優(yōu)點(diǎn)，且可獲得較高的焊接速度。

激光焊接頭配備水循環(huán)冷卻，防溫度升高影響激光能量穩(wěn)定，聚焦單元FF=150mm，配置同軸CCD監(jiān)視系統(tǒng)，監(jiān)控焊接過程，Z軸手動調(diào)節(jié)焦距。激光運(yùn)動機(jī)構(gòu)由X、Y精密二軸焊接工作臺構(gòu)成，控制系統(tǒng)主要由PLC、人機(jī)界面等組成，支持激光緩升緩降控制、支持運(yùn)動速度等焊接參數(shù)可調(diào)、支持I/O信號測試與監(jiān)控、支持實(shí)時(shí)故障報(bào)警提示[2]。為提高焊接效率，采用兩組夾具輪換工作方式，每組夾具可并排安裝8組電池防爆閥，如圖3所示。夾具活動塊定位到2工位轉(zhuǎn)盤上，轉(zhuǎn)盤由精密間歇凸輪分割器驅(qū)動，進(jìn)行工件上下料與激光焊接工位切換[3]。

圖1 動力電池防爆閥激光焊接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 激光焊接頭及激光運(yùn)動機(jī)構(gòu)

圖3 電池防爆閥焊接夾具結(jié)構(gòu)圖

2 焊接工藝設(shè)計(jì)

防爆閥是一種純鋁質(zhì)(AL1060)薄片，厚度在0.08-0.1mm之間，電池蓋板采用厚度2-3mm(AL3003)鋁合金材料[4]，防爆閥焊接位置如圖4所示，焊縫間隙大約0.05-0.1mm。焊接工藝設(shè)計(jì)為對接穿透密封焊。

防爆閥焊接過焊穿孔現(xiàn)象主要原因在于：對接穿透密封焊方式，中間空氣隙的熱傳導(dǎo)率遠(yuǎn)小于金屬，上層下表面和下層上表面在間隙消失前，由于激光熱源的能量傳導(dǎo)守阻，上層表面溫度呈現(xiàn)急劇上升過程，易超過沸點(diǎn)形成材料汽化以至孔洞。

必須盡量減小間隙，夾具設(shè)計(jì)采取真空負(fù)壓技術(shù)，使防爆閥和電池蓋板的配合緊密，如圖5所示。同時(shí)夾具內(nèi)部還設(shè)計(jì)有水冷通道，防止防爆閥薄片焊接過程受熱變形[5]。

焊接表面的水平度也是影響焊接質(zhì)量的重要因素，夾具設(shè)計(jì)防爆閥凸臺精確定位電池防爆閥和蓋板的位置和水平度，保證夾具上8組電池防爆閥焊接位置的一致性。

圖4 防爆閥焊接位置

圖5 焊接夾具設(shè)計(jì)

工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)也很重要，電池防爆閥AL1060熔點(diǎn)約為660℃，沸點(diǎn)約為2467℃，電池蓋板AL3003熔點(diǎn)和沸點(diǎn)比AL1060純鋁略小一點(diǎn)[6]。要求焊接光斑覆蓋焊縫間隙，0.3mm>焊接熔深>0.2mm。鋁及鋁合金對激光反射率高，焊接時(shí)需要較大功率密度，但過大的功率密度容易造成防爆閥過焊穿孔，設(shè)計(jì)功率密度qc=3×104W/cm2，焊接光斑直徑0.5mm。

光源選用武漢銳科MOPA脈沖光纖激光器，波長1064nm，額定輸出功率100W，峰值功率≤15kW，重復(fù)頻率范圍10-1000kHz，脈調(diào)節(jié)范圍在2-350ns，最大單脈沖能量1mJ。MOPA光纖激光器的特點(diǎn)是脈沖寬度和重復(fù)頻率獨(dú)立可調(diào)，焊接薄板具有技術(shù)優(yōu)勢。夾具和工藝的優(yōu)化大幅提高了合格率。

為滿足生產(chǎn)效率需要，設(shè)計(jì)兩組夾具輪換工作方式，每組夾具并排安裝8組電池防爆閥，可實(shí)施不間斷焊接模式。

3 焊接實(shí)驗(yàn)及分析

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用的武漢銳科激光公司生產(chǎn)的MOPA脈沖光纖激光器，測試了幾組不同的工藝參數(shù)見表1。

實(shí)驗(yàn)表明，脈寬小于100ns時(shí),激光器的單脈沖能量下降，焊接熔深不夠。脈寬100ns，頻率80kHz時(shí)可獲得最佳焊接效果，焊接速度可達(dá)100mm/s，焊接時(shí)采用同軸氮?dú)獗Ｗo(hù)也可有效防止穿孔，同時(shí)可減少焊接表面的氧化及保護(hù)聚焦鏡片[7]。

表1 激光器脈寬與頻率值

焊接效果如圖6所示，采取正離焦+2mm，焊縫均勻一致，無虛焊、焊穿、焊偏等不良，氣密性滿足9.80665kN不漏氣的氣密性要求，合格率≥99%。

圖6 防爆閥焊接效果圖

4 結(jié)論

基于MOPA光纖激光器的動力電池防爆閥激光焊接系統(tǒng)，具有脈寬和頻率獨(dú)立可調(diào)、脈寬窄、頻率高、焊接速度快、光斑精細(xì)、熱應(yīng)力和熱影響區(qū)小等優(yōu)量性能。測試了不同的激光工藝參數(shù)，同時(shí)夾具設(shè)計(jì)方面，采取真空負(fù)壓技術(shù)，使防爆閥和電池蓋板的配合緊密，水冷通道設(shè)計(jì)防止防爆閥薄片焊接過程受熱變形，兩組夾具輪換工作方式等一系列設(shè)計(jì)較好解決了電池防爆閥激光焊接過焊穿孔現(xiàn)象，焊接成品率提高到99%以上，生產(chǎn)效率提高到45個(gè)/分鐘以上，為動力電池生產(chǎn)商提供了一種更先進(jìn)的技術(shù)方案。