金屬激光振鏡掃描焊接工藝研究

動力電池是新能源汽車的核心零部件之一，其占據整車成本的近 40 % ，重要性堪比汽車的“心臟”，在“雙碳”自標驅動的產業變革中，動力鋰電池的性能直接決定新能源汽車的市場核心競爭力[12]。

目前動力鋰電池蓋板與導電連接片的主要連接方式是采用激光焊接，許多場合要求鋰電池具有大倍率的放電能力，這就要求激光焊接面積能滿足大倍率放電的過流面積要求。隨著工藝技術發展，電池能量密度的逐步提高，要求導電連接片尺寸相對較小，激光焊接的區域也隨著變小。傳統激光焊接采用準直頭，其焊縫面積較窄，需要焊接多條焊縫才能滿足過流面積要求，多條焊縫容易導致焊接空間避讓不足，使激光焊線偏移至轉接片邊緣位置，引起虛焊或者過流能力不足。同時，不同焊縫之間還需要有足夠大的間距以免焊縫重疊產生的焊接爆點，因此需要尋找新的焊接方式來增加焊縫的過流面積。

激光振鏡掃描焊原理

激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源，通過高能量密度的激光使金屬局部融化，形成有效的熔池從而將金屬焊接在一起。激光焊接技術具有熱輸入量少、熔池深寬比大、熱影響區小、操作連續性和可重復性以及容易實現自動化等特點，因此適用于很多行業[3。激光器出光通常采用準直頭和振鏡這兩種方式，振鏡具有響應速度快、定位精準的特點，若激光焊接設備采用振鏡掃描，其焊接的精度、速度、效率及靈活性等方面也將會大大提高[4，5]。

振鏡掃描系統主要由振鏡和場鏡組成，是一種操作性能良好的矢量掃描元器件，其操作方式是通過電動機的旋轉帶動振鏡角度的擺動。基本原理是通電線圈在磁場中產生力矩，但與旋轉電動機不同，其轉子上通過機械扭簧或電子的方法加有復位力矩，大小與轉子偏離平衡位置的角度成正比。當線圈通以一定的電流而轉子發生偏轉到一定的角度時，電磁力矩與回復力矩大小相等，因此旋轉電動機不能像普通電動機一樣旋轉，只能夠產生一定角度的偏轉，其偏轉角與電流成正比。基于振鏡掃描式的激光焊接的工作原理是將激光束入射到兩組反射鏡（振鏡）上，這兩個反射鏡可分別沿X、Y軸旋轉掃描，通過計算機控制反射鏡的反射角度，實現激光束的偏轉，使具有一定功率密度的激光聚焦光斑在加工材料上按所需的要求運動，從而達到焊接加工的目的，振鏡掃描焊接原理如圖1所示。

實驗條件及方法

1.實驗設備及材料

本實驗焊接設備采用IPG激光振鏡掃描焊接機，激光器最大輸出功率為 6 0 0 0 W 。激光焊接樣品選用8個動力鋰電池蓋板和16導電轉接片，正極為6061系列鋁合

金，化學成分組成見表 ；負極為金屬銅，其中電池導電轉接片厚為 1 m m ，為保證焊接質量在焊接前徹底去除焊接材質表面的油污和氧化膜。

2.實驗方法

1）實驗采用控制變量法，通過設置 2 m m 、2 . 4 m m 、3mm及4mm的焊接寬度，觀察鋁合金和金屬銅激光振鏡掃描焊接焊縫的外觀質量，探索激光振鏡掃描焊接的振鏡掃描的擺動范圍及焊接效果。

2）鋁合金激光振鏡掃描焊接采用焊接功率2 4 0 0 W 、焊接速度 、離焦量0.9，振鏡擺幅分別設置為 1 . 0 m m ， 1 . 2 m m 、 1 . 5 m m 及 2 . 0 m m ，觀察焊縫熔池的熔深熔寬尺寸，研究激光振鏡擺幅對鋁合金的焊接質量影響規律。

3）金屬銅激光振鏡掃描焊接采用焊接功率5100W、焊接速度 、離焦量0.9，振鏡擺幅分別設置為 1 . 0 m m 、 1 . 2 m m 、 1 . 5 m m 及 2 . 0 m m ，觀察焊縫熔池的熔深熔寬尺寸，研究激光振鏡擺幅對銅的焊接質量影響規律。

實驗結果與討論

1.焊接外觀

焊接外觀是焊接質量最直接的表現形式，焊接外觀質量可以直觀的表現出工藝參數的有效與否，焊接面積決定了導電轉接片的過流量，在焊接長度一定的情況下，焊縫越寬導電片的有效過流量也就越大。通過設置不同的焊接寬度，可以測試激光器振鏡的有效擺動范圍，為激光振鏡掃描焊接工藝參數優化提供一定的參考依據，鋁合金與銅不同寬度焊縫焊接質量如圖2和圖3所示。

觀察分析可得：鋁合金和銅兩種金屬導電轉接片采用激光掃描焊接，不同寬度的焊縫焊接外觀質量目測良好。焊縫平整光滑，無斷焊、爆點等情況出現，表明激光振鏡掃描焊接工藝滿足焊接外觀質量控制要求。

（質量分數 . % ）

2.金相結果

在顯微鏡下可以觀察金屬的微觀焊接質量，通過測量焊縫的熔池尺寸，分析焊接質量是否滿足焊接工藝設計標準，同時可以觀察焊縫內部是否出現氣孔、爆點等焊接缺陷。鋁合金的激光掃描焊接金相結果如圖4所示，金屬銅的激光掃描焊接金相結果如圖5所示。

對比不同擺幅鋁合金和銅的焊接熔深熔寬，如圖6所示，分析可得：

1）振鏡擺幅在 1 . 0 ～ 2 . 0 m m ，鋁合金和銅兩種金屬材質導電轉接片激光振鏡掃描焊接的熔池效果良好，未出現氣孔、爆點等焊接缺陷。

圖5不同擺幅金屬銅焊接金相結果

池的熔寬也隨之增大，表明通過增大擺幅可以有效地增加熔池的熔寬，該方法可提高導電轉接片的有效過流面積。

2）隨著振鏡擺幅的變大，金屬銅和鋁合金焊接熔

3）隨著振鏡擺幅的變大，金屬銅和鋁合金焊接熔池的熔深略微少有降低，但是總體還是比較穩定，表明在焊接功率、焊接速度不變的情況下，增加擺幅對焊縫熔池熔深的影響不大。

結語

激光掃描焊接鋁合金和銅兩種金屬導電轉接片，焊縫寬度在""焊接外觀質量目測良好，焊縫平整光滑，無斷焊、爆點、氣孔等焊接缺陷出現，表明激光振鏡掃描焊接工藝滿足焊接外觀質量控制要求。

同樣情況下隨著振鏡擺幅的變大，金屬銅和鋁合金焊接熔池的熔寬也隨之增大，熔深同比略有減小，但是總體還是比較穩定；表明在焊接功率、焊接速度不變的情況下，增加擺幅可提高導電轉接片的有效過流面積。

激光振鏡掃描焊接相比于傳統激光準直頭焊接方式，在不改變焊接工藝和焊接裝置的情況下，可以有效地增大焊縫寬度，相比傳統工藝可以提高生產效率，提升設備產能。

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