薄壁铝壳锂离子电池焊接变形的研讨

长三角G60激光联盟导读

针对激光封口焊接，做相关的工艺考证 来控制铝合金薄壳的焊接变形。

引 言

在方形锂离子电池组装过程中，需经过合芯、超声波焊、包膜、入壳等工序后，最后进行壳体与盖板激光封口焊接，完成单体锂电池的组装，为顺应电池能量密度的不时提升，往常主流应用的壳体厚度已降至 0.6 mm，而且还在往更薄的方向延展（0.5 mm、0.4 mm），这对激光封口工艺提出了更高的请求。

目前方形电池壳体材质普通为铝合金（大多为 3003 系），而铝合金资料线收缩系数大，凝固收缩率高，在封口焊接过程中，铝合金由于其特性吸收了更多的热量，盖板和薄壳体之间熔合区产生部分热量汇集，熔合区及近焊缝区因热收缩遭到限制会发作塑性挤压，焊后冷却过程中该部位因热收缩遭到限制会发作塑性拉伸，塑性挤压量和塑性拉伸量的差别，就会产生剩余紧缩塑性应变，其大小和散布决议了最终的剩余应力和变形，进而引发电池大面凹凸变形，特别是对尺寸较大且壁厚较薄的壳体，其变形更为明显。因而需求针对激光封口焊接，做相关的工艺考证 来控制铝合金薄壳的焊接变形。

一、薄壁铝壳焊接变形评测

1. 薄壁铝壳焊接变形丈量措施

X 光射线波长很短，而能量特别大，照在物质上时，物质仅能吸收一小部分，而大部分 X 光射线的能量会从物质原子的间隙中穿过去，表示出极强的穿透才干。X-ray 检测设备就是应用 X光射线的穿透力与物质密度的关系，能量差别吸收这种性质能够把密度不同的物质分辨开来，假如被检测物体呈现断裂、厚度不一，外形改动时，关于X光射线的吸收不同，所产生的图像也不同，从而能够产生出差别化的黑白图像，完成无损检测的目的。应用 X-ray 设备的这种特性，能够用来检测电池大面的凹凸变形量，呈现图像如图 1所示。

图 1 薄壁铝壳来料变形

2. 薄壁铝壳来料变形

薄壁铝壳因加工工艺、运输、寄存等缘由，来料会有一定的凹凸变形量，在封口焊接后此凹凸变形量会加大，因而双方面研讨封口焊接的变形量，需求去除壳体来料变形的影响要素。以尺寸为 221 mm×22 mm×100 mm×0.5 mm（长 ×宽 × 高 × 厚）的壳体进行研讨，来料壳体大面变形实测数据如图 2所示，大面变形量均值为0.89 mm，动摇范围0.45~1.36 mm。

图 2 薄壁铝壳来料变形量

二、实验过程

1. 实验思绪

铝壳体焊后变形产生的基本缘由主要是焊接过程中的热变形，而热变形与焊接能量输入及环境温度场存在紧密关系，本实验主要优化方向为：一是沿着降低焊接能量输入，二是减少熔合区与近焊缝区温度差的方向优化焊接工艺，降低焊接变形量。

（1）选取丈量过凹凸变形量的电池壳体及电池组件，运用不同的焊接参数进行激光封口焊接，焊接完成后静置2 h，待剩余应力释放完整后，丈量电池壳体大面变形量。

（2）在焊接前增加电池整体烘烤工序，经过整体预热电池壳体和盖板的措施来减少熔合区与近焊缝区域温度差，从而降低焊缝区域的塑性挤压量和塑性紧缩量，焊接完成后同样静置 2 h，丈量焊后变形量。

2. 不同焊接参数对薄壁铝壳焊接变形的影响

在不同的焊接参数实验条件下，采取先点焊，后连续焊的焊接方式，电池壳体的焊接状况如表1 和壳体变形量如图 3，从丈量结果上能够看出，焊接功率越小有利于降低壳体焊后变形，但焊接功率过小会招致焊线不全。分离焊接状况和焊接变形量得出，焊接参数：功率 890 W、焊接速度60 mm/s、离焦量 1.2 mm，综合焊接质量最优。

表1 不同焊接参数下焊接效果表

图 3 不同焊接参数下壳体焊接变形量

3. 烘烤工艺对薄壁铝壳焊接变形的影响

将壳体、电芯、盖板在激光封口前整体放入90℃的烘箱进行预热，运用多通道测温仪丈量电池壳体名义在烘箱内部的实践温度，研讨电池壳体名义在烘箱中实践温度变更，为进一步优化烘烤温度和时间提供数据支撑。取各个通道的均值做壳体的温升曲线图 4，壳体在 90℃的烘箱中烘烤 60 min，壳体名义温度为 72.8℃。

图 4 电池壳体烘箱中温升曲线图

选取 100 支实验壳体及电池组件，50 支正常焊接，50支增加烘烤（90℃，60 min）工艺后焊接，考证烘烤工艺对薄壁铝壳焊接变形的影响。结果表明，在890 W＆60 mm/s＆+1.2 mm焊接参数下，正常工艺和增加烘烤工艺的焊线均良好，正常电池的大面变形量为 0.5986 mm，增加烘烤工艺的大面变形量为 0.4526mm。

表 2 烘烤工艺下不同焊接参数焊接效果表

图 5 烘烤工艺焊接变形量对比图

4. 焊缝质量和气密性测试

单体电池完成激光封口后，需求经过焊缝熔深& 熔宽、焊缝承压才干及气密性检测，来确保焊接后电池质量满足工艺请求。从表3实验结果能够看出，在三种工艺条件下，电池的焊缝熔深 & 熔宽、焊缝承压、气密性测试相差不大，且均满足工艺请求。

备注：上述数据是 50 组实验的均值，焊缝承压才干在夹紧状态下测试。

表3 不同焊接工艺条件下焊缝质量和气密性测试对比剖析

三、总结

激光封口焊接是方形铝壳锂离子电池的关键工序，针对薄壁铝壳焊接后变形问题，提出了两个优化方向，经过降低焊接功率和增加焊前烘烤工艺，结果表明两种方式均能对焊接变形有所改善，在此基础上进行实验，当电池在烘烤90℃， 60 min，焊接参数为 890 W ＆ 60 mm/s ＆ +1.2 mm工艺条件下取得了最佳的焊接变形效果，为后续进一步优化薄壁铝壳焊接变形提供了参考方向。

文章来源：《山东工业技术》期刊2022 年 第 2 期

文章作者：曹贝贝，张 凯

文章编号：1006-7523（2022）02-0043-04

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2022.02.007

长三角G60激光联盟陈长军转载