汽车动力电池外壳用铝合金的激光焊接脉冲波形对焊接效果的影响
激光脉冲波形在脉冲激光焊接中的影响
苏州领创激光科技有限公司
激光脉冲波形在脉冲激光焊接中的影响激光的脉冲波形：对于采用脉冲激光进行焊接的加工，激光脉冲波形在脉冲激光焊接中是一个重要的问题。
当高强度的激光入射至材料的表面时，金属表面会将60%~98%的激光能量反射掉，且反射率随表面温度变化。
因此，不同的金属对于激光的反射率和激光的利用率都不一样，要进行有效的焊接就必须输入不同波形的激光，这样焊缝处的金属组织才能在最佳的方式结晶，形成与基体金属一致的组织，才能形成高质量的焊缝。
国内一般的机器都采用廉价的单波形激光电源，因此，其焊接的柔性较低，难以适应多种模具材料的焊接，并且经常要进行返工，大大浪费了焊接材料的时间，并可能造成模具的报废。
不同的金属材料表面对激光的反射和吸收程度差别很大，而同一束激光对不同的金属会产生不同的焊接效果，并影响其熔深、焊接速度、结晶速度和硬度，因此单一的矩形波焊接并不能解决不同的模具金属焊接的要求。
苏州领创激光科技有限公司。
动力电池主要焊接问题
动力电池主要焊接问题
1.气孔
铝合金的激光焊接过程中容易产生气孔，主要有两类：氢气孔和气泡破灭产生的气孔。
由于激光焊接的冷却速度太快，氢气孔问题更加严重，并且在激光焊接中还多了一类由于小孔的塌陷而产生的孔洞。
2.热裂纹
铝合金属于典型的共晶型合金，焊接时容易出现热裂纹，包括焊缝结晶裂纹和HAZ 液化裂纹，由于焊缝区成分偏析会发生共晶偏析而出现晶界熔化，在应力作用下会在晶界处形成液化裂纹，降低焊接接头的性能。
3.炸火
炸火（也称飞溅）问题。
引起炸火的因素很多，如材料的清洁度、材料本身的纯度、材料自身的特性等，而起决定性作用的则是激光器的稳定性。
壳体表面凸起、气孔、内部气泡。
究其原因，主要是光纤芯径过小或者激光能量设置过高所致。
并不是一些激光设备提供商宣传的“光束质量越好，焊接效果越优秀”，好的光束质量适合于熔深较大的叠加焊接。
寻找合适的工艺参数才是解决问题的致胜法宝。
动力电池外壳激光焊接试验分析_王中林
图 2 壳体焊缝表面金相 100×
图 3 封盖搭焊处表面金相 100×
2 热传导焊接过程分析
2.1 激光功率密度对焊接影响
功率密度对激光焊接是最关键的影响因素之一。
据有关文献记载，
激光功率密度
q=
0.886TK （ατ）1/2
（3） : 9-12. ［4］ 刘 俊 . 铝 合 金 激 光 焊 接 工 艺 特 性 ［J］. 现 代 制 造 工 程 ， 2003，
（3） : 55-56.
参考文献： ［1］ 王 中 林 ， 吴 晓 红 ， 邓 传 经. 铝 合 金 薄 板 焊 接 工 艺 及 YAG 激 光 器
［5］ 关振中. 激 光 加 工 工 艺 手 册 ［M］. 北 京: 中 国 计 量 出 版 社 ， 2005: 112.
动力电池外壳激光焊接工艺质量提升具有一定的现实指导意义。
关键词： 动力电池； 激光； 焊接； 分析
中图分类号： TG456.7
文献标志码： B
铝合金激光焊接以非接触、 热形变小、 环保等 优点在很多领域取代了传统焊接方法。 铝合金焊接 的难点在于铝合金对激光的反射率极高， 焊接过程 中气孔敏感性高， 且易形成热裂纹［1］。 笔者选用典型 铝合金动力电池外壳进行激光焊接密封试验， 并对 结果进行了金相分析。 同时， 从激光与物质相互作 用的角度， 对焊接过程进行一定的理论分析。
率为 200 W 左右， 脉宽 2.5 ms， 频率 20 Hz， 利用公
式
P＝
P軈 Tf
（P軈 为峰值功率， 为平均功率， T 为脉宽， f
为频率）， 代入运算可知， 峰值功率为 4×103 W。 根
动力电池外壳激光焊接试验分析
２４（ ） ｘ
１６ ００Байду номын сангаас
始 高 峰部 分 可 以使 铝 合 金材 料 通 过 瞬 间 温度 升高 来 提 高 动 力 电池 外 壳 对 激 光 的 吸收 率 ，后 沿下 降避 免 材 料 表 面 功 率 密 度 过 高 ，形 成 深 熔 焊 ，击 穿 壳 体 。 同时 采 用该 脉 冲波 形 ，还 可 以有 效 减 少气 孔 和裂 纹 产生 几 率 ，提 高 电池 的气密 性 。
当设 置 激 光 焊 接 参 数 ，连 接 处 保 持 良好 接触 ，同 时
注 意保 护气 体 的应 用 。关 于焊 接 过 程 的 更 深 入 的 理
３ 结 论
通 过动 力 电池 激 光 焊接 密 封 试 验 及 理 论 分 析 过
气 孔 的 主要 原 因 。采用氮 气保 护激 光焊 接 ，可 以减 少 壳 体 表 面焊 接 过 程 中 氧化 ，减 少 焊 缝气 孔 ， 同时
保 护 聚焦镜 片 。
程 ，要 使 封 装 后 的 电池 达 到 较 好 的气 密性 ．需 要 适
理 论计 算 值 。但 动 力 电池 外 壳 厚度 为 ０６ｍｍ，且 属 ．
于 穿 透 焊接 ，需 要 一 定 的熔 深 ，焊 接 功率 密度 略超 过沸 点要 求 ，功率 密度 能达 到更好 的焊 接效 果 。 ２２ 铝合 金材 料表 面对 焊接影 响 ．
材 料对 激 光 的吸 收率 随温 度 的变化 由公 式 （ ）
６
８０ ｏ
ｔｍｓ ／
圈 ５ 两 层 材 料 激 光 穿 透 焊 时 各 面 温 度 变 化 曲线
影响焊接质量的焊接工艺和参数
激光焊接的历程中，偶然间会出现焊接欠好的环境，各人知道影响这些焊接工艺的参数都有哪些吗？深圳铭镭激光就来为各人分享下，关于影响激光焊接机质量的焊接工艺参数重要有激光输出功率、焊接速率、激光波形、脉冲宽度、离焦量和掩护气体。
出功率、焊接速率对熔深的影响。
激光波形重要有脉冲激光器常用的脉冲波形和一连焊接时的缝焊波形。
脉冲波形对焊接质量的影响（针对脉冲激光器）◆对付焊接铜、铝、金、银高反射质料时，为了突破高反射率的屏蔽，可以使用带有前置尖峰的激光波形。
但这种波形在高重复率缝焊时不宜接纳，容易孕育发生飞溅，形成不规矩的孔洞。
◆对付铁、镍等玄色金属，外貌反射率低，宜接纳矩形波或缓衰减波形。
一连焊接时的缝焊波形：焊波形便是激光功率随焊接时间变革的曲线。
在质料要求焊接密封时此波形尤为重要。
在焊接开始时激光功率迟钝上升，竣事时迟钝降落，在一连激光器焊接时，末端处出现的凹坑，宜接纳此波形，减小凹坑水平，以到达焊接结果。
脉冲宽度（针对脉冲激光器）：光的脉冲宽度针对YAG固体激光器来说是焊接的重要参数之一，它决定质料是否熔化，为了包管激光焊接中质料外貌不出现猛烈气化，一样通常假定在脉冲停止时质料外貌温度到达沸点。
脉宽越长，焊点直径越大，雷同的事情间隔时，熔深越深。
离焦量：光焊接时通常必要肯定的离焦量，由于激光核心处光斑中央的功率密度过高，容易蒸发成孔。
脱离激光核心的各平面上，功率密度漫衍相对匀称。
离焦方法有两种：正离焦和负离焦。
必要较大熔深时宜接纳正离焦。
离焦方法：肯定的激光功率和焊接速率下，当核心处于最佳焊接位置范畴内时，可以得到最大熔深和洽的焊缝形状。
掩护气体：护气体的种类、气体流量及吹气方法也是影响焊接质量的重要焊接工艺参数之一。
常用的掩护气体有氮气N2、氩气Ar、氦气He以及氩气和氦气的混淆气体。
通常环境下，焊接碳钢时宜接纳Ar，不锈钢宜接纳N2，钛合金宜接纳He，铝合金宜接纳Ar和He的混淆气体。
气体流量的巨细需凭据现实焊接环境而定。
铝合金激光焊接中裂纹和氧化现象研究
铝合金激光焊接中裂纹和氧化现象研究随着工业的发展，激光焊接技术在制造业中得到了广泛应用。
铝合金作为轻质高强材料，在汽车、航空航天、电子等领域也有着广泛的应用。
铝合金激光焊接是目前应用最为广泛的焊接方法之一，但在实际操作中，会出现裂纹和氧化现象，影响焊接效果和质量。
裂纹现象铝合金在激光焊接过程中，易发生裂纹现象，这是由于铝合金的成分和微观结构导致的。
铝合金中含有大量的氧化物，其中氧化铝在焊接过程中容易产生热裂纹。
此外，铝合金的结晶组织和晶粒大小也会影响裂纹的生成。
在焊接过程中，焊接池的形成、扩散和凝固是导致裂纹的关键。
对于大尺寸厚度的铝合金板料，焊接池的形成和凝固会导致内部应力的累积，进而产生裂纹。
因此，在激光焊接过程中，应该采用适当的焊接参数和工艺，尽可能避免裂纹的出现。
氧化现象铝合金具有高反应性和氧化性，焊接过程中容易产生氧化现象。
在高温下，铝合金表面会与周围的氧气或水蒸汽发生化学反应，形成氧化铝层，导致焊缝的质量下降。
氧化现象不仅会影响焊接质量，还会造成焊接过程中的一些问题。
例如，氧化会影响光束的传输，导致焊接池形成不良，影响焊接效果。
另外，氧化物还会形成表面粘附物，影响外观美观度。
降低氧化的方法控制气氛控制焊接环境中的气氛是避免氧化的一个重要方法。
通过封闭式焊接盒、气体干燥器、气密焊接室等装置，焊接过程中保持恒定的气氛，降低氧气和水蒸气的浓度，从而减少氧化现象的发生。
选择适当的焊接参数和工艺选择合适的焊接参数和工艺，是避免氧化现象的关键。
参数过低会导致焊缝不充分和过热区域过小，而高参数则会加重氧化现象。
因此，需要根据具体情况选择适当的焊接参数和工艺。
焊前清洁为避免氧化现象，焊前清洁是必不可少的。
在焊接前应将铝合金表面清洗干净，尽量避免油脂、灰尘等物质附着在焊缝上。
同时也可以采用预热的方法，将板材在焊接前加热至一定温度，降低氧化的发生。
深入研究铝合金激光焊接铝合金激光焊接在工业应用中有着广泛的前景，在焊接质量和生产效率方面都有很大优势。
脉冲激光焊的脉冲波形对薄板镁合金焊缝成型的影响
脉冲激光焊的脉冲波形对薄板镁合金焊缝成型的影响作者：张效宾李志勇来源：《卷宗》2018年第15期摘要：本文采用Nd-YAG脉冲激光器对AZ31镁合金薄板进行自熔焊，在其他工艺参数相同的情况下，研究脉冲激光波形对焊缝成型及焊缝尺寸的影响及变化规律。
实验结果发现，脉冲波形对焊缝形貌有着重要影响，恒定波形，光斑粗大；附加缓升和缓降的波形，焊缝形貌好；附加尖峰能量的波形，适合反射率高的母材。
关键字：激光脉冲波形；薄板镁合金；焊缝成型由于镁合金的密度小、表面张力小、熔点低、沸点低、热导率和热膨胀系数大，化学性质活泼等特性，使得传统焊接方法焊接镁合金时存在一些困难[1-2]。
激光焊由于其具有能量密度高、焊接变形小和自动化程度高等特点，因而适用于镁合金的焊接 [3]。
采用Nd：YAG脉冲激光焊接时，脉冲波形对焊缝形貌有显著影响。
郭永强[4]研究了激光脉冲波形对铝合金焊接效果的影响，分析脉冲波形对焊缝形貌以及力学性能的影响；师文庆[5]通过研究脉冲激光焊接H62黄铜，发现选择快速上升、缓慢下降的波形时，可以提高对激光能量的吸收效率。
然而，目前Nd：YAG激光脉冲波形对镁合金薄板的自熔焊的研究还不多，有必要开展相关研究。
本文针对应用较广泛的AZ31镁合金进行表面自熔焊，在相同的参数下，通过改变激光脉冲波形，探究焊缝的表面形貌和焊缝的尺寸变化规律，为后续研究提供实验基础。
1、实验条件1.1实验材料实验选择的焊接材料为2mm厚的AZ31镁合金薄板，尺寸为60mm×30mm×2mm，母材的化学成分如表1所示。
1.2实验设备实验采用的设备为AC-300W型Nd-YAG固体激光器，最大平均功率为300W，最小光斑直径为0.2mm，激光波长为1.06μm，移动平台采用CNC2000数控系统操作。
实验结束后，用焊接检验尺测量焊缝的宽度。
1.3实验方法实验前，先用砂纸打磨试样表面，去除表面氧化物，然后用丙酮溶液擦拭试样表面并吹干；由于镁合金易氧化，因此焊接过程中需通入惰性气体（Ar）保护熔池。
激光焊的主要工艺参数对焊接质量的影响
激光焊的主要工艺参数对焊接质量的影响一、激光焊接原理激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现，激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。
功率密度小于104~105W/cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于105~107W/cm2时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。
其中热传导型激光焊接原理为：激光辐射加热待加工表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等激光参数，使工件熔化，形成特定的熔池。
用于齿轮焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接机主要涉及激光深熔焊接。
下面重点介绍激光深熔焊接的原理。
激光深熔焊接一般采用连续激光光束完成材料的连接，其冶金物理过程与电子束焊接极为相似，即能量转换机制是通过“小孔”（Key-hole）结构来完成的。
在足够高的功率密度激光照射下，材料产生蒸发并形成小孔。
这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体，几乎吸收全部的入射光束能量，孔腔内平衡温度达2500℃左右，热量从这个高温孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔四周的金属熔化。
小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸汽，小孔四壁包围着熔融金属，液态金属四周包围着固体材料（而在大多数常规焊接过程和激光传导焊接中，能量首先沉积于工件表面，然后靠传递输送到内部）。
孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。
光束不断进入小孔，小孔外的材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于流动的稳定状态。
就是说，小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动，熔融金属充填着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，焊缝于是形成。
上述过程的所有这一切发生得如此快，使焊接速度很容易达到每分钟数米。
二、激光深熔焊接的主要工艺参数1. 激光功率激光焊接中存在一个激光能量密度阈值，低于此值，熔深很浅，一旦达到或超过此值，熔深会大幅度提高。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
图５焊接试样断口扫描电镜图
２．４汽车动力电池壳试样焊接
综上实验分析，选取焊接效果最好的优化脉冲波形预热保温波进行汽车动力电池外壳试 样的密封焊接。试样及设备如图６所示。试样密封性良好，成品率９０％以上，能够承受３公 斤以上压力，满足汽车动力电池外壳使用所需的要求，验证了研究结果的ｕｊ靠性。
图６动力电池外壳试样及焊接设备 ３结论
的锥形，如试样１８所示。其它波形出现不同程度的塌陷、烧损和飞溅。
图３焊接完成时的焊缝横截面形貌
２．２拉伸曲线如图４所示：预热保温波能达到很好的抗拉强度。
∞
¨
一．Ｅ、若暑ａｃ世≮∞ｉｃ－卜
０
图４不同波形随单脉冲能量变化曲线
３＇１
２．３拉伸断口分析 利用扫描电镜对拉伸断１：３进行观察，预热保温波拉伸断口中有部分剪切韧窝，为韧性脆 性综合型断裂，如图５（ａ）。而矩形波、前罱尖峰波和梯形波的拉伸断口均很平滑，为准解 理型断裂，如图５（ｂ）。
在优化的脉冲波形及合适的工艺参数下，铝合金汽车动力电池外壳的激光密封焊接能获 得较为美观的焊缝，焊缝表面平整，内部无裂纹、气孔缺陷，满足汽车动力电池对铝合金外
壳较好密封性要求及抗压要求。
３８
１实验条件
实验所厂仃的激光器为Ｎｄ：ＹＡＧ固体激光器，最人功率１０００Ｗ。焊接试样的拉伸试验采用
瑞格尔仪器有限公司ＲＧＭ．４３００微机控制电子万能材料试验机。焊接试样截面做金相检测采 用４ＸＣ型金相显微镜。断面形貌采用ＺＥＩＳＳ 图１所示：
Ｕｌｔｒａ
５５场发射扫描电子显微镜。实验布黄，如
图１激光焊接原理图 实验选择ｌｍｍ厚３００３ Ｈ１４铝合＝｛；；：板进行研究，然后根据研究结果，采用最佳参数进行 电池壳样品密封焊实验并进行性能测试，验证研究结果可靠性。
汽车动力电池外壳用铝合金的激光焊接 脉冲波形对焊接效果的影响
作者：郭永强
单位：上海市激光技术研究所地址：徐汇区宜山路７７０号１号楼３１５窒
Hale Waihona Puke 关键训：激光焊接；３００３ Ｈ１４铝合金：汽车动力电池壳；脉冲波形
引言： 当今，世界能源同趋枯竭，环境污染日益加剧，迫使世界各国寻找新的能源。由于私家 汽车的火量增加，石油危机日益严重，各国必须发展新的交通工具。因此，电动交通上具的 发展被放在巫要的位置。电动交通工具的核心是动力电池，随着科学技术的迅猛发展和环保 意识的同益增强，动力电池成为当今世界的研究热点，动力电池的研发应用已变得至关重要。 其中，动力电池外壳的密封焊接问题是面临的重要问题。电池外壳采用世界范围内Ｊ“泛使用 的３００３铝合金。
２实验结果与分析 采用Ｎｄ：ＹＡＧ脉冲激光器对１ｒａｍ厚的３００３ Ｈ１４铝壳进行激光密封焊接，详细研究了 Ｎｄ：ＹＡＧ激光器脉冲波形对铝合余焊接效果的影响。波形如图２所示。
３６
堇
ｌ
｜
主
＝
ｉ ｜
图２不同类型脉冲波形 ２．１脉冲波形对焊缝成肜的影响： 由图３川。以看出：预热保温波焊缝基本无飞溅，表面形貌较好，焊缝成形最好，为较好