1激光焊接原理

 

激光焊接是利用激光束優(yōu)異的方向性和高功率密度等特性進行工作，通過光學系統(tǒng)將激光束聚焦在很小的區(qū)域內，在極短的時間內使被焊處形成一個能量高度集中的熱源區(qū)，從而使被焊物熔化并形成牢固的焊點和焊縫。

 

2激光焊接類型

 

熱傳導焊接和深熔焊

 

激光功率密度為105~106w/cm2形成激光熱傳導焊，激光功率密度為105~106w/cm2形成激光深熔焊

 

穿透焊和縫焊

 

穿透焊，連接片無需沖孔，加工相對簡單。穿透焊要功率較大的激光焊機。穿透焊的熔深比縫焊的熔深要低，可靠性相對差點。

 

縫焊相比穿透焊，只需較小功率激光焊機。縫焊的熔深比穿透焊的熔深要高，可靠性相對較好。但連接片需沖孔，加工相對困難。

 

脈沖焊接和持續(xù)焊接

 

1）脈沖模式焊接

 

激光焊接時應選擇合適的焊接波形，常用脈沖波形有方波、尖峰波、雙峰波等，鋁合金表面對光的反射率太高，當高強度激光束射至材料表面，金屬表面將會有60%-98%的激光能量因反射而損失掉，且反射率隨表面溫度變化。一般焊接鋁合金時最優(yōu)選擇尖形波和雙峰波，此種焊接波形后面緩降部分脈寬較長，能夠有效地減少氣孔和裂紋的出現(xiàn)。

 

脈沖激光焊接樣品

 

由于鋁合金對激光的反射率較高，為了防止激光束垂直入射造成垂直反射而損害激光聚焦鏡，焊接過程中通常將焊接頭偏轉一定角度。焊點直徑和有效結合面的直徑隨激光傾斜角增大而增大，當激光傾斜角度為40時，獲得最大的焊點及有效結合面。焊點熔深和有效熔深隨激光傾斜角減小，當大于60時，其有效焊接熔深降為零。所以傾斜焊接頭到一定角度，可以適當新增焊縫熔深和熔寬。

 

另外在焊接時，以焊縫為界，需將激光焊斑偏蓋板65%、殼體35%進行焊接，可以有效減少因合蓋問題導致的炸火。

 

2）持續(xù)模式焊接

 

持續(xù)激光器焊接由于其受熱過程不像脈沖機器驟冷驟熱，焊接時裂紋傾向不是很明顯，為了改善焊縫質量，采用持續(xù)激光器焊接，焊縫表面平滑均勻，無飛濺，無缺陷，焊縫內部未發(fā)現(xiàn)裂紋。在鋁合金的焊接方面，持續(xù)激光器的優(yōu)勢很明顯，與傳統(tǒng)的焊接方法相比，生產(chǎn)效率高，且無需填絲；與脈沖激光焊相比可以解決其在焊后出現(xiàn)的缺陷，如裂紋、氣孔、飛濺等，保證鋁合金在焊后有良好的機械性能；焊后不會凹陷，焊后拋光打磨量減少，節(jié)約了生產(chǎn)成本，但是因為持續(xù)激光器的光斑比較小，所以對工件的裝配精度要求較高。

 

持續(xù)激光焊接樣品

 

在動力鋰電池焊接當中，焊接工藝技術人員會根據(jù)客戶的電池材料、形狀、厚度、拉力要求等選擇合適的激光器和焊接工藝參數(shù)，包括焊接速度、波形、峰值、焊頭傾斜角度等來設置合理的焊接工藝參數(shù)，以保證最終的焊接效果滿足動力鋰電池廠家的要求。

 

3激光焊接優(yōu)點

 

能量集中，焊接效率高、加工精度高，焊縫深寬比大。激光束易于聚焦、對準及受光學儀器所導引，可放置在離工件適當之距離，可在工件周圍的夾具或障礙間再導引，其他焊接法則因受到上述的空間限制而無法發(fā)揮。

 

熱輸入量小，熱影響區(qū)小，工件殘余應力和變形??；焊接能量可精確控制，焊接效果穩(wěn)定，焊接外觀好；

 

非接觸式焊接，光纖傳輸，可達性較好，自動化程度高。焊接薄材或細徑線材時，不會像電弧焊接般易有回熔的困擾。用于動力鋰電池的電芯由于遵循輕便的原則，通常會采用較輕的鋁材質外，還要做得更薄，一般殼、蓋、底基本都要求達到1.0mm以下，主流廠家目前基本材料厚度均在0.8mm左右。

 

能為各種材料組合供應高強度焊接，尤其是在進行銅材料之間和鋁材料之間焊接的時候更為有效。這也是唯一可以將電鍍鎳焊接至銅材料上的技術。

 

4激光焊接工藝難點

 

目前，鋁合金材料的電池殼占整個動力鋰電池的90%以上。其焊接的難點在于鋁合金對激光的反射率極高,焊接過程中氣孔敏感性高,焊接時不可防止地會出現(xiàn)一些問題缺陷，其中最重要的是氣孔、熱裂紋和炸火。

 

鋁合金的激光焊接過程中容易出現(xiàn)氣孔，重要有兩類：氫氣孔和氣泡破滅出現(xiàn)的氣孔。由于激光焊接的冷卻速度太快，氫氣孔問題更加嚴重，并且在激光焊接中還多了一類由于小孔的塌陷而出現(xiàn)的孔洞。

 

熱裂紋問題。鋁合金屬于典型的共晶型合金，焊接時容易出現(xiàn)熱裂紋，包括焊縫結晶裂紋和HAZ液化裂紋，由于焊縫區(qū)成分偏析會發(fā)生共晶偏析而出現(xiàn)晶界熔化，在應力用途下會在晶界處形成液化裂紋，降低焊接接頭的性能。

 

炸火（也稱飛濺）問題。引起炸火的因素很多，如材料的清潔度、材料本身的純度、材料自身的特性等，而起決定性用途的則是激光器的穩(wěn)定性。殼體表面凸起、氣孔、內部氣泡。究其原因，重要是光纖芯徑過小或者激光能量設置過高所致。并不是一些激光設備供應商宣傳的光束質量越好，焊接效果越優(yōu)秀，好的光束質量適合于熔深較大的疊加焊接。尋找合適的工藝參數(shù)才是解決問題的致勝法寶。