鋰離子電池外殼光纖激光焊氣孔的分析

inkMacSystemFont, 'Helvetica Neue', 'PingFang SC', 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei UI', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;color:#333333;font-size:16px;font-weight:normal;" align="center"> 采用準連續光纖激光焊對鋰離子電池外殼進行密封焊接，使用v|tome|x s 240 檢測焊縫內(nei) 氣孔的等效直徑、球度及體(ti) 積率，對氣孔的等效直徑和球度進行統計分析與(yu) 正態分布擬合，還研究了工藝參量對氣孔的體(ti) 積率及形貌的影響。

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inkMacSystemFont, 'Helvetica Neue', 'PingFang SC', 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei UI', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;color:#333333;font-size:16px;font-weight:normal;" align="center"> 結果表明：鋰離子電池外殼焊接為(wei) 激光傳(chuan) 導焊，主要產(chan) 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(ge) 以上的小氣孔合並貫穿而形成的不規則的大氣孔；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(ti) 積率呈下降趨勢，但氣孔形貌即球度未發生明顯改變；當激光功率為(wei) 450W，焊接速度為(wei) 1500 mm/min 時，氣孔體(ti) 積率最小為(wei) 1.1%。

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inkMacSystemFont, 'Helvetica Neue', 'PingFang SC', 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei UI', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;color:#333333;font-size:16px;font-weight:normal;" align="center"> 電動汽車具有高效節能、低排放的優(you) 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(guan) 鍵作用，是限製動力汽車開發的最大瓶頸。鋰離子動力電池外殼是用於(yu) 封裝電芯和電解液的，是動力電池的關(guan) 鍵部件，外殼的焊接質量直接關(guan) 係到電池的安全性能和使用壽命。

inkMacSystemFont, 'Helvetica Neue', 'PingFang SC', 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei UI', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;color:#333333;font-size:16px;font-weight:normal;" align="center"> 鋰離子電池外殼一般采用防鏽鋁3003， 3003 鋁合金具有優(you) 良的防鏽性、耐腐蝕性和焊接性。傳(chuan) 統的鋰離子電池外殼焊接一般采用Nd： YAG 脈衝(chong) 激光焊接，固體(ti) 脈衝(chong) 激光器電光轉換效率較低，同時為(wei) 了滿足焊點重疊度要求，焊接速度一般也較慢，隨著激光焊接技術的發展，電光轉換效率更高、光束質量更好的光纖激光焊開始逐步替代脈衝(chong) 激光進行鋰離子電池外殼密封焊接［1－4］。由於(yu) 鋁合金表層的氧化膜易吸附水分，焊接過程中可能發生反應生成氫，同時鋁合金內(nei) 部的合金元素如鋅、錳的沸點較低，焊接過程中也可能氣化，所以無論是脈衝(chong) 激光焊還是光纖激光連續焊，焊後易產(chan) 生氣孔，外殼焊縫內(nei) 部的氣孔可能會(hui) 影響殼體(ti) 的密封性，同時在疲勞加載下，氣孔也易成為(wei) 斷裂源，形成應力集中，影響焊縫的抗疲勞性能［5－6］，從(cong) 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。

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inkMacSystemFont, 'Helvetica Neue', 'PingFang SC', 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei UI', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;color:#333333;font-size:16px;font-weight:normal;" align="center"> 電池殼體(ti) 采用3003 防鏽鋁，蓋板采用1010 工業(ye) 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。設計專(zhuan) 用夾具，確保蓋板與(yu) 殼體(ti) 間的間隙小於(yu) 0.1 mm，焊後在注液口處對殼體(ti) 抽真空，檢測焊縫的密封性。

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inkMacSystemFont, 'Helvetica Neue', 'PingFang SC', 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei UI', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;color:#333333;font-size:16px;font-weight:normal;" align="center"> 激光器由德國IPG 的準連續光纖激光器YLS-450-4500-QCW-AC，激光波長為(wei) 1 070 nm，光斑直徑為(wei) 0.2 mm，光束質量2.2 mm·mrad；連續模式下，平均功率500 W；脈衝(chong) 模式下，單脈衝(chong) 能量45 J，峰值功率4 500 W，脈寬0.2~50 ms，頻率1~100 Hz。試驗所用檢測設備為(wei) 德國Phoenix 的v|tome|x s 240，分辨率達微米級。試驗參數為(wei) ：光子能量160 keV，曝光時間1 s，樣品與(yu) 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。斷層掃描完後使用VG studio 軟件對斷層照片進行重構與(yu) 分析，對切片中的氣孔進行標記、分割和三維特征參數測量，測量參數包括氣孔的等效直徑、球度和體(ti) 積率；最後對所得到的氣孔形貌特征進行辨識和統計分析。測量步驟如圖2 所示，為(wei) 了提高測量精度，截取電池殼體(ti) 的一部分進行測量分析。

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inkMacSystemFont, 'Helvetica Neue', 'PingFang SC', 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei UI', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;color:#333333;font-size:16px;font-weight:normal;" align="center"> 利用激光功率密度公式Φ=P/（π×r2），式中Φ 為(wei) 功率密度（W/cm2）， P 為(wei) 激光功率（W）， r 為(wei) 光斑半徑（cm），通過計算可知，試驗中激光功率密度約為(wei) 1.43×106~1.59×106 W/cm2 ，小於(yu) 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(cong) 圖3 中可以看到明顯的熔合線，焊縫橫截麵呈V形，焊縫熔深為(wei) 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(chuan) 導焊焊縫。

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inkMacSystemFont, 'Helvetica Neue', 'PingFang SC', 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei UI', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;color:#333333;font-size:16px;font-weight:normal;" align="center"> 通過CT 檢測發現鋁殼焊縫中存在數量較多的氣孔（圖4a），按氣孔尺寸及形貌特征可將氣孔分為(wei) 兩(liang) 種，其中一種尺寸較小，且近似球形（圖3），另一種尺寸較大，形狀不規則；分析認為(wei) ：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(yu) 熔池中的液態鋁反應生成氫，而氫在液態鋁中的溶解度遠遠大於(yu) 固態鋁的，隨著熔池金屬的冷凝，氫會(hui) 從(cong) 液態鋁中析出，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；鋁殼焊接屬於(yu) 激光傳(chuan) 導焊，焊接過程中不會(hui) 發生小孔效應，所以尺寸不規則的大氣孔並非由匙孔不穩定塌陷形成的工藝孔，而應該是由2 個(ge) 以上的氫氣孔合並而成的，從(cong) 圖4b 中可以清晰地看到幾個(ge) 小氣孔正在合並貫穿。所以激光熱傳(chuan) 導焊下，鋰離子電池殼體(ti) 中出現的近似球形的小氣孔和尺寸不規則的大氣孔其實質都是冶金型氣孔。

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inkMacSystemFont, 'Helvetica Neue', 'PingFang SC', 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei UI', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;color:#333333;font-size:16px;font-weight:normal;" align="center"> 從(cong) 圖4a 中可以看出氣孔在焊縫內(nei) 部的分散性大，分布十分複雜，需結合統計分析理論，對測得的焊縫內(nei) 氣孔的等效直徑d 和球度進行分析。先對d和球度ψ 進行分組統計，再對其頻率直方圖進行正態分布擬合。圖5，圖6 是焊縫內(nei) 部氣孔的等效直徑d 和球度ψ 的直方圖及正態擬合曲線， μ 為(wei) 正態分布的期望， σ 為(wei) 正態分布的方差。

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inkMacSystemFont, 'Helvetica Neue', 'PingFang SC', 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei UI', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;color:#333333;font-size:16px;font-weight:normal;"> 改變工藝參數，焊縫內(nei) 氣孔的等效直徑的數量和尺寸會(hui) 隨之改變，用氣孔體(ti) 積率來表征氣孔的嚴(yan) 重程度。從(cong) 表1 和圖7 中可以看出，降低激光功率或增大激光速度，即減小熱輸入，焊縫的氣孔體(ti) 積率會(hui) 出現降低的趨勢，當激光功率為(wei) 450 W，焊接速度為(wei) 1 500 mm/min 時，氣孔的體(ti) 積率僅(jin) 為(wei) 1.1%，低於(yu) 其他試驗組的氣孔體(ti) 積率。

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inkMacSystemFont, 'Helvetica Neue', 'PingFang SC', 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei UI', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;color:#333333;font-size:16px;font-weight:normal;"> 3 結論

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