铝壳激光焊接是怎么焊接的

『壹』 铝壳电池在激光焊接过程中的几个难题如何解决

新能源电池越来越多的出现在我们生活的周边！电池外观，电池容量，电池耐久性都在不断的贴合我们的需求。激光焊接自然是电池厂商首选生产设备之一！下面精焊激光为您分享一下对于电池激光焊接的一些技术难点：电池的厚度参数： 常规电池壳体厚度都要求达到1.0毫米以下，目前根据电池容量不同壳体材料厚度以0.6mm和0.8mm两种规格主流厂家使用较多。在激光焊接方式上，主要有2种：侧焊和顶焊。首先，侧焊技术优点是对电芯内部的影响较小，飞溅物不会轻易进入壳盖内侧。缺点是：焊接后可能会导致凸起，这对后续工艺的装配会有些微影响，因此侧焊工艺对激光器 的稳定性、材料的洁净度和顶盖与壳体的配合间隙有较高的要求。其次是顶焊，顶焊工艺由于焊接在一个面上，可采用更高效的振镜扫描焊接方式，但对前道工序入壳及定位要 求很高，对设备的自动化要求高。效果精美！

高效精密的激光焊接可以大大提高汽车动力电池的安全性、可靠性和使用寿命，将为今后的汽车动力技术带来革命化进步。动力电池的激光焊接部位多，有耐压和漏液测试要求，材料多数为铝材，因此焊接难度大，对焊接工艺的要求更高。

一般来讲，动力电池壳体的焊接主要为侧焊和顶焊两种方式，它们各有优势和缺点，而铝壳电池因为其材料的特殊性，容易出现凸起、气孔、诈或等问题，方形电池焊接在拐角处容易出现问题。

一般壳体厚度都要求达到1.0毫米以下，主流厂家目前根据电池容量不同壳体材料厚度以0.6mm和0.8mm两种为主。焊接方式主要分为侧焊和顶焊，其中侧焊的主要好处是对电芯内部的影响较小，飞溅物不会轻易进入壳盖内侧。由于焊接后可能会导致凸起，这对后续工艺的装配会有些微影响，因此侧焊工艺对激光器的稳定性、材料的洁净度和顶盖与壳体的配合间隙有较高的要求。而顶焊工艺由于焊接在一个面上，可采用更高效的振镜扫描焊接方式，但对前道工序入壳及定位要求很高，对设备的自动化要求高。

激光焊接是以激光束作为能量源，利用聚焦装置使激光聚集成高功率密度的光束照射在工件表面进行加热，在金属材料的热传导作用下材料内部溶化形成特定的溶池。激光焊接是一种新型的焊接方式，目前还处在高速发展阶段。采用激光焊接时，工件的热影响区较小；焊点小，焊接尺寸精度高；其焊接方式属于非接触性焊接，无需加外力，产品变形小；焊接质量高；效率高，易于实现自动化生产。

『贰』 如何把铝合金零件焊接在一起

铝合金焊接的几种先进工艺:搅拌摩擦焊、激光焊、激光- 电弧复合焊、电子束焊。针对于焊接性不好和曾认为不可焊接的合金提出了有效的解决方法,几种工艺均具有优越性,并可对厚板铝合金进行焊接。
关键词: 铝合金 搅拌摩擦焊 激光焊 激光- 电弧复合焊 电子束焊

1 铝合金焊接的特点
铝合金由于重量轻、比强度高、耐腐蚀性能好、无磁性、成形性好及低温性能好等特点而被广泛地应用于各种焊接结构产品中,采用铝合金代替钢板材料焊接,结构重量可减轻50 %以上。
铝合金焊接有几大难点:
①铝合金焊接接头软化严重,强度系数低,这也是阻碍铝合金应用的最大障碍;
②铝合金表面易产生难熔的氧化膜(Al2O3 其熔点为2060 ℃) ,这就需要采用大功率密度的焊接工艺;
③铝合金焊接容易产生气孔;
④铝合金焊接易产生热裂纹;
⑤线膨胀系数大,易产生焊接变形;
⑥铝合金热导率大(约为钢的4 倍) ,相同焊接速度下,热输入要比焊接钢材大2～4 倍。
因此,铝合金的焊接要求采用能量密度大、焊接热输入小、焊接速度高的高效焊接方法。

2 铝合金的先进焊接工艺
针对铝合金焊接的难点,近些年来提出了几种新工艺,在交通、航天、航空等行业得到了一定应用,几种新工艺可以很好地解决铝合金焊接的难点,焊后接头性能良好,并可以对以前焊接性不好或不可焊的铝合金进行焊接。

2. 1 铝合金的搅拌摩擦焊接
搅拌摩擦焊FSW( Friction Stir Welding) 是由英国焊接研究所TWI ( The Welding Institute) 1991 年提出的新的固态塑性连接工艺[1～2 ] 。图1为搅拌摩擦焊接示意图[3 ] 。其工作原理是用一种特殊形式的搅拌头插入工件待焊部位,通过搅拌头高速旋转与工件间的搅拌摩擦,摩擦产生热使该部位金属处于热塑性状态,并在搅拌头的压力作用下从其前端向后部塑性流动,从而使焊件压焊在一起。图2 为搅拌摩擦焊接过程[4 ] 。由于搅拌摩擦焊过程中不存在金属的熔化,是一种固态连接过程,故焊接时不存在熔焊的各种缺陷,可以焊接用熔焊方法难以焊接的有色金属材料,如铝及高强铝合金、铜合金、钛合金以及异种材料、复合材料焊接等。目前搅拌摩擦焊在铝合金的焊接方面研究应用较多。已经成功地进行了搅拌摩擦焊接的铝合金包括2000 系列(Al- Cu) 、5000 系列(Al - Mg) 、6000 系列(Al - Mg - Si) 、7000 系列(Al - Zn) 、8000 系列(Al - Li) 等。国外已经.进入工业化生产阶段,在挪威已经应用此技术焊接快艇上长为20 m 的结构件,美国洛克希德·马丁航空航天公司用该项技术焊接了铝合金储存液氧的低温容器火箭结构件。

铝合金搅拌摩擦焊焊缝是经过塑性变形和动态再结晶而形成,焊缝区晶粒细化,无熔焊的树枝晶,组织细密,热影响区较熔化焊时窄,无合金元素烧损、裂纹和气孔等缺陷,综合性能良好。与传统熔焊方法相比,它无飞溅、烟尘,不需要添加焊丝和保护气体,接头性能良好。由于是固相焊接工艺,加热温度低,焊接热影响区显微组织变化小,如亚稳定相基本保持不变,这对于热处理强化铝合金及沉淀强化铝合金非常有利。焊后的残余应力和变形非常小,对于薄板铝合金焊后基本不变形。与普通摩擦焊相比,它可不受轴类零件的限制,可焊接直焊缝、角焊缝。传统焊接工艺焊接铝合金要求对表面进行去除氧化膜,并在48 h 内进行加工,而搅拌摩擦焊工艺只要在焊前去除油污即可,并对装配要求不高。并且搅拌摩擦焊比熔化焊节省能源、污染小。
搅拌摩擦焊铝合金也存在一定的缺点:
①铝合金搅拌摩擦焊接时速度低于熔化焊;
②焊件夹持要求高,焊接过程中对焊件要求加一定的压力,反面要求有垫板;
③焊后端头形成一个搅拌头残留的孔洞,一般需要补焊上或机械切除;
④搅拌头适应性差,不同厚度铝合金板材要求不同结构的搅拌头,且搅拌头磨损快;
⑤工艺还不成熟,目前限于结构简单的构件,如平直的结构、圆形结构。搅拌摩擦焊工艺参数简单,主要有搅拌头的旋转速度、搅拌头的移动速度、对焊件的压力及搅拌头的尺寸等。

2.2 铝合金的激光焊接
铝及铝合金激光焊接技术(Laser Welding) 是近十几年来发展起来的一项新技术,与传统焊接工艺相比,它具有功能强、可靠性高、无需真空条件及效率高等特点。其功率密度大、热输入总量低、同等热输入量熔深大、热影响区小、焊接变形小、速度高、易于工业自动化等优点,特别对热处理铝合金有较大的应用优势。可提高加工速度并极大地降低热输入,从而可提高生产效率,改善焊接质量。在焊接高强度大厚度铝合金时,传统的焊接方法根本不可能单道焊透,而激光深熔焊时形成大深度的匙孔,发生匙孔效应,则可以得到实现。
激光焊接铝合金有以下优点:
①能量密度高,热输入低,热变形量小,熔化区和热影响区窄而熔深大;
②冷却速度高而得到微细焊缝组织,接头性能良好;
③与接触焊相比,激光焊不用电极,所以减少了工时和成本;
④不需要电子束焊时的真空气氛,且保护气和压力可选择,被焊工件的形状不受电磁影响,不产生X 射线;
⑤可对密闭透明物体内部金属材料进行焊接;
⑥激光可用光导纤维进行远距离的传输,从而使工艺适应性好,配合计算机和机械手,可实现焊接过程的自动化与精密控制。
现在应用的激光器主要是CO2 和YAG 激光器,CO2 激光器功率大,对于要求大功率的厚板焊接比较适合。但铝合金表面对CO2 激光束的吸收率比较小,在焊接过程中造成大量的能量损失。YAG激光一般功率比较小,铝合金表面对YAG激光束的吸收率相对CO2激光较大,可用光导纤维传导,适应性强,工艺安排简单等。
在焊接大厚度铝合金时,传统的焊接方法根本不可能单道焊透,而激光深熔焊时形成大深度的匙孔,发生匙孔效应,则可以得到实现。图3 为激光焊接时的小孔形状。图4 为激光深熔焊示意图[5 ] 。

铝及铝合金的激光焊接难点在于铝及铝合金对辐射能的吸收很弱,对CO2 激光束(波长为10. 6μm) 表面初始吸收率1. 7 %;对YAG激光束(波长为1. 06 μm)吸收率接近5 %。图5 为不同金属对激光的吸收率。比较复杂,高频引弧时引起电极烧损和电弧摆动,起弧后稳定性不强,同时在电弧的高温状态下,电极迅速烧损。但激光与等离子弧复合可明显提高熔深和焊接速度

『叁』 激光复合焊接的技术要领

一，概述

激光（Laser）是利用辐射激发光放大原理而产生一种单色、方向性强、光亮度大的光束经透射或反射镜聚焦后获得高密度功率的能束。它可用于焊接、切割和材料表面处理的热源。激光焊（LW）是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密的焊接方法。按照激光发生器工作性质的不同激光分为固体、液体、气体、半导体等激光；按照激光对工件的作用和激光器输出能量的不同激光焊可分为连续激光焊和脉冲激光焊；按照激光聚焦后光斑作用在工件上的功率密度激光焊可分为传热焊（熔透焊）和深熔焊（锁孔焊、穿孔焊、小孔焊）。

激光焊机主要由激光器（核心部分，目前主要是YAG固体激光器和CO2气体激光器）、光束传输和聚焦系统、焊炬、工作台、电源和控制装置、气源、水源、操作盘数控装置等组成。目前常见激光焊机的型号有：HH200～500、XHY-LF200～3000、NJH-30、JKg、DH-WM01、GD-10-1等等。主要应用在航空、电子议表、机械、汽车、医疗、食品、核能等领域。

激光焊有其显著的优点：具有很高功率密度（10³W/cm²）,可小孔焊和高速焊；激光能发射、透射，能通过光纤、棱镜等光学方法弯曲传输、偏转、聚焦，特别适于微型另件、难以接近的部位或远距离的焊接；一台激光器可供多个工作台进行不同的工作（焊接、切割、合金化、热处理等）；激光可穿过玻璃等透明物体，适于在玻璃制成的密封容器内焊接铍合金等剧毒材料；激光不受电磁场影响，没有X射线；激光在大气中损耗不大，也不需要真空保护；除了能焊接碳钢、低合金钢、不锈钢、硅钢、铝、钛等有色金属，在一定条件下，铜-镍、镍-钛、铜-钛、钛-钼、黄铜-铜、低碳钢-铜、不锈钢-铜等异种金属材料可进行激光焊，也可以焊接金属与陶瓷、玻璃、复合材料等非金属，对于高熔点金属、非金属材料（陶瓷、有机玻璃等）、对热输入敏感的材料进行激光焊，焊后无需热处理。激光焊没有得到广泛应用主要是：价格太贵；对焊件加工、组装、定位要求高；光能转换率低（10～20%）。

二，激光复合焊介绍

为了扩大激光焊的应用范围、提高激光焊的质量、增加焊件厚度以及避免单纯激光焊的局限性，便出现了新的焊接工艺：激光复合焊，这里要注意激光复焊的优点不单单是两种焊接方法的叠加！特别是能量的利用率远远大于两种热源的简单相加。激光复合焊的优点在于：能量利用率提高，母材处于固态时对激光的吸收率很低，而熔化后对激光的吸收率提高到50～100%；熔深增加很多，在电弧的作用下，母材熔化形成熔池，而激光又作用在电弧形成的底部，加上液态金属对激光束的吸收率高，因此激光复合焊要比单纯激光焊熔深要大；电弧很稳定，比如单独用TIG或MIG焊接时，焊接电弧有时不稳定特别是在小电流情况下，当焊接速度提高到一定值时会引起电弧漂移，而采用激光复合焊时，激光产生的等离子体有助于稳定电弧；提高激光焊接时对接接头间隙的适应性，降低激光焊的装配精度从而实现高效率。

1，激光焊的工艺参数，脉冲激光焊有四个主要参数：脉冲能量、脉冲宽度、功率密度和离焦量；连续激光焊的参数主要有：激光功率、焊接速度、光斑直径、离焦量、保护气体的种类和流量等；双光束激光焊的参数有：光束排布方式、间距、两光束角度、聚焦位置、两光束的能量比等。激光复合焊种类有：激光-电弧复合焊、激光-高频焊、激光-压焊、激光-钎焊等；其中激光-电弧焊最为常见，如激光-氩弧焊（TIG）、激光-气保焊（MIG）等。按照激光与电弧的相对位置不同有：同轴复合式、交叉复合式、偏离复合式。

2,应用在大厚板深熔焊接，由于单纯激光焊严格的装配要求和大功率激光器成本高限制了厚板焊接。采用激光-电弧复合焊可进行厚板深熔焊接，并且提高对焊接坡口的制备、光束对中性和接头装配间隙的适应性。在造船业得到很好的应用，对于低合金高强度钢可不预热焊接，用激光-电弧复合焊单道焊熔深可达15mm,双道焊熔深达30mm焊接变形量仅为双丝焊的1/10，焊接厚度16mm的T形接头焊接速度可达3m/min。

3，应用在铝合金的激光焊接，激光焊接铝合金存在反射率大，易产生气孔、裂纹、成分变化等问题。采用激光-电弧复合焊，由于电弧的作用，激光束能够直接照射到液态熔池表面，增大吸收率，提高熔深。采用交流TIG或直流反接，可在激光焊前面清理氧化膜，同时电弧形成的熔池在激光束前方移动，增大熔池与固态金属之间的润湿性，防止咬边。

4，应用在搭接接头，搭接焊缝广泛应用于汽车的框架和底板结构中，目前汽车壳体焊接中很多都采用了镀锌钢板搭接焊和铝板焊接。采用激光-电弧复合焊可以减小焊接部件的变形量、消除下凹、咬边等缺陷，并大大提高焊接速度。比如：采用10kW的CO2激光与MIG电弧复合热源焊接低碳钢板的搭接接头，可实现间隙为0.5～1.5mm的搭接焊，熔深可达地板厚度的40%。又如：采用2.7kW的YAG激光-MIG电弧复合高速焊接的铝合金搭接接头，焊接速度可达8m/min。

5，应用在薄板高速焊上，激光高速焊接薄板的主要问题是焊缝成形连续性差，焊道表面易出现隆起等缺陷。采用等离子弧辅助YAG或CO2激光进行薄板（0.14mm）复合焊接，焊接速度为单独激光焊提高1倍，即使焊接速度达到100m/min电弧也很稳定，可获得较宽的焊道和光滑的焊缝表面。

三，焊后处理

一般地讲激光焊焊后不处理，但对于像马氏体、铁素体不锈钢等有淬火倾响的材料要进行焊后热处理。

『肆』 激光焊接原理

激光焊接原理是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。

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 0C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。

(4)铝壳激光焊接是怎么焊接的扩展阅读

工艺参数：

(1)功率密度。 功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度，在微秒时间范围内，表层即可加热至沸点，产生大量汽化。

因此，高功率密度对于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。对于较低功率密度，表层温度达到沸点需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。因此，在传导型激光焊接中，功率密度在范围在10^4~10^6W/CM^2。

(2)激光脉冲波形。 激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题，尤其对于薄片焊接更为重要。当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有60~98%的激光能量反射而损失掉，且反射率随表面温度变化。在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率的变化很大。

(3)激光脉冲宽度。 脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它既是区别于材料去除和材料熔化的重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数。

『伍』 铝合金焊接方法

铝合金的气焊
氧－乙炔气焊的热效率低，焊接热输入不集中，焊接铝及铝合金时需采用熔剂，焊后又需清除残渣，接头质量及性能也不高。因为气焊设备简单，无需电源，操作方便灵活，常用于焊接对质量要求不高的铝合金构件，如厚度较薄的薄板及小零件，以及补焊铝合金构件和铝铸件。
（1）气焊的接头形式
气焊铝合金时，不宜采用搭接接头和T形接头，这种接头难以清理流入缝隙中的残留熔剂和焊渣，应尽可能采用对接接头。为保证焊件焊接时既焊透又不塌陷和烧穿，可以采用带槽的垫板，垫板一般用不锈钢或纯铜等制成，带垫板焊接可获得良好的反面成形，提高焊接生产率。
（2）气焊熔剂的选用
铝合金气焊时，为了使焊接过程顺利进行，保证焊缝质量，气焊时需要加熔剂来去除铝表面的氧化膜及其他杂质。
气焊熔剂（又称气剂）是气焊时的助熔剂，主要作用是去除气焊过程中生成在铝表面的氧化膜，改善母材的润湿性能，促使获得致密的焊缝组织等。气焊铝合金必须采用熔剂，一般是在焊前熔剂直接撒在被焊工件坡口上，或者沾在焊丝上加入熔池内。
铝合金熔剂是钾、钠、钙、锂等元素的氯人盐，是粉碎后过筛并按一定比例配制的粉状化合物。例如铝冰晶石（Na3AlF6）在1000℃进可以熔解氧化铝，又如氯化钾等可使难熔的氧化铝转变为易熔的氯化铝。这种熔剂的熔点低，流动性好，还能改善熔化金属的流动性，使焊缝成形良好。
（3）焊嘴和火焰的选择
铝合金有强烈的氧化性和吸气性。气焊时，为使铝不被氧化，应采用中性焰或微弱碳化焰（乙炔既过剩的碳化焰），使铝熔池置于还原性气氛的保护下而不被氧化。严禁采用氧化焰，因为用氧化性较强的氧化焰会使铝强烈氧化，阻碍焊接过程进行；而乙炔过多，游离的氢可能溶入熔池，会促使缝产生气孔，使焊缝疏松。
（4）定位焊缝
为防止焊件在焊接中产生尺寸和相对位置的变化，焊件焊前需要点固焊。由于铝的线膨胀系数大、导热速度快、气焊加热面积大，因此，定位焊缝较钢件应密一些。
定位焊用的填充焊丝与产品焊接时相同，定位焊接前应在焊缝间隙内涂一层气剂。定位焊的火焰功率比气焊时稍大。
（5）气焊操作
焊接钢铁材料时，可以从钢材的颜色变化判断加热的温度。但焊铝时，却没有这个方便条件。因为铝合金从室温加热到熔化的过程中没有颜色的明显变化，给操作者带来控制焊接温度困难。但可根据以下现象掌握施焊时机：
1）当被加热的工件表面由光亮白色变成暗淡的银白色，表面氧化膜起皱，加热处金属有波动现象时，表明即将达到熔化温度，可以施焊；
2）用蘸有熔剂的焊丝端头及被加热处，焊丝与母材能熔合时，即达到熔化温度，可以施焊；
3）母材边棱有倒下现象时，母材达到熔化温度，可以施焊。
气焊薄板可采用左焊法，焊丝位于焊接火焰之前，这种焊法因火焰指向未焊的冷金属，热量散失一部分，有利于防止熔池过热、热影响区金属晶粒长大和烧穿。母材厚度大于5㎜可采用右焊法，此法焊丝在焊炬后面，火焰指向焊缝，热量损失小，熔深大，加热效率高。
气焊厚度小于3㎜的薄件时，焊炬倾角为20～40°；气焊厚件时，焊炬倾角为40～80°，焊丝与焊炬夹角为80～100°。铝合金气焊应尽量将接头一次焊成，不堆敷第二层，因为堆敷第二层时会造成焊缝夹渣等。