激光焊接是將激光束通過光學(xué)鏡片聚焦到工件表面,讓材料快速熔化形成熔池,然后快速冷卻形成焊接接頭,它具有深寬比大、焊接速度快、與工件非接觸等特點,很容易實現(xiàn)自動化生產(chǎn),因此該工藝已經(jīng)被大量廣泛使用。
但是,高反材料在激光焊接過程中由于激光熱源與材料相互作用復(fù)雜,以及鋁合金、銅合金本身特殊的物理性能,焊接時存在對激光反射率高、焊接過程不穩(wěn)定、易產(chǎn)生氣孔缺陷等問題。采用普通激光焊接鋁、銅這些高反材料時,鑰孔塌陷會產(chǎn)生小孔、飛濺,由于飛濺會導(dǎo)致焊縫金屬減少,致使表面坑洼、不平整;而且,這些材料對激光反射率高、吸收率低,大部分能量都被反射掉了,導(dǎo)致填充物融合不好;同時在冷卻過程中,由于冷卻速度過快,使得氫氣等氣體在熔池內(nèi)的溶解度急劇降低且來不及逸出,導(dǎo)致氣孔產(chǎn)生。
主流降低飛濺和氣孔的焊接方法
如何降低飛濺、減少氣孔、獲得平滑的焊縫是高反材料焊接的一大難點。國內(nèi)外很多企業(yè)也在這方面不斷探索,推出了各自的產(chǎn)品。
(1)使用擺動焊接頭
采用擺動焊接的方式可以分散能量密度,改善焊縫溫度的均勻性,能在一定程度上減少飛濺與氣孔的產(chǎn)生。目前主流的激光頭廠商(如:嘉強、萬順興、麒麟等)都有推出類似的擺動激光焊接頭。但同時也存在一定弊端,由于激光的能量密度被降低,不得不加大功率或者放慢焊接速度。
(2)使用雙波長復(fù)合焊接頭
通過雙波長復(fù)合焊接頭將光纖激光與半導(dǎo)體激光復(fù)合在一起,在焊接點上重合,光纖激光進行深熔焊接,半導(dǎo)體激光具備預(yù)熱緩冷的作用,可以一定程度地減少飛濺。目前像嘉強、萬順興這樣的激光頭廠商也都有推出這樣的焊接頭。但這樣的焊接方式需要用用到兩臺激光器,設(shè)備組合上較為復(fù)雜。
(3)采用特殊光斑的激光器
性價比最好的方案在激光器端,將高斯分布激光改為環(huán)形+中心光,中心光斑保證熔池深度,環(huán)形光斑起到預(yù)熱緩冷的作用,這與上述提到的雙波長復(fù)合焊接原理較為類似。典型的激光器廠家都有推出類似的激光器,如IPG的AMB激光器、銳科的ABP激光器。
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光惠激光的FRM是什么
針對上述高反材料的焊接難點,光惠激光在技術(shù)發(fā)展的道路上不斷探索,推出了高反材料焊接專家——FRM(Flexible Ring Mode)動態(tài)光斑輸出激光器,可以有效減少高反材料焊接過程中飛濺與氣孔的產(chǎn)生。
FRM激光器通過定制化的耦合器將兩個光模塊耦合進光纖的纖芯層和環(huán)芯層,將兩束激光耦合成一束激光后聚焦到工件表面形成復(fù)合光斑。通過調(diào)整合適的能量配比,能形成相對較寬的焊寬和較低的焊縫深寬比,有效提高鑰孔的穩(wěn)定性,可以明顯地減少飛濺并降低氣孔敏感性。
FRM激光器可任意控制纖芯光和環(huán)芯光的功率大小,可以只開中心光或環(huán)形光,也可以兩者同時開,形成普通光斑、環(huán)形光斑、復(fù)合光斑三種模式;若同時開啟可以中芯和環(huán)芯,可以使中芯功率大于環(huán)芯功率,也可以中芯功率小于環(huán)芯功率,或者中芯功率等于環(huán)芯功率,共可切換五種不同光斑形態(tài)。
中心光斑直徑小、能量密度大,焊接基于深熔焊模式,會產(chǎn)生匙孔,能形成深寬比大的熔池。但它對配合間隙要求較高,且深熔焊焊接形成匙孔時大量高壓金屬蒸汽釋放,易產(chǎn)生飛濺、爆點,熔池溫度高且內(nèi)部流動劇烈,熔池波動明顯。
環(huán)形光斑直徑大、能量密度小,焊接基于熱傳導(dǎo)模式,能形成較寬的熔池,由于熱導(dǎo)焊不形成匙孔,所以焊接過程中熔池溫度較低,不產(chǎn)生明顯熔池波動,焊接無飛濺,焊縫平整美觀。但由于分散了能量密度,無法獲得較大的熔深。
將兩者復(fù)合在一起,通過調(diào)整合適的能量配比,在中心光斑保障熔池深度的同時,環(huán)形光斑增加了熔池的寬度和存在時間,一方面提高了鑰孔的穩(wěn)定性,減少了飛濺的產(chǎn)生;另一方面,使熔池的流動更加穩(wěn)定,氣泡有較長時間溢出,降低了氣孔形成的幾率。
FRM激光器最高可提供20KW的總輸出功率,并可靈活調(diào)整輸出光的參數(shù)。中心光束輸出光纖直徑50μm/150μm,輸出功率最高可達10KW;環(huán)形光束輸出光纖直徑150μm/300μm,輸出功率最高可達10KW。中心光束為1070nm波長的光纖激光,環(huán)形光束除1070nm的光纖激光外,還可配置976nm的半導(dǎo)體激光,實現(xiàn)雙波長雙激光束的復(fù)合。
FRM優(yōu)異的焊接效果
為了體現(xiàn)FRM的焊接效果,以下用FRM激光器和普通激光器分別焊接鋁合金,并進行了對比。
用1.5KW+1.5KW(50μm+150μm)的FRM激光器焊接3mm厚度的6061鋁合金,并和3KW(100μm)的普通激光器進行對比??梢悦黠@發(fā)現(xiàn):FRM激光器焊接時的飛濺要明顯小于普通激光器的焊接。
將焊接完后的樣品切開后進行金相觀察。FRM激光器由于環(huán)形光斑的作用,焊接得到的焊縫呈現(xiàn)上寬下窄形貌,上下兩表面基本平整;而普通激光器焊接的焊縫上下熔寬基本齊平,上表面存在塌陷伴隨下表面凸出。
對焊接完后的焊縫進行拉力測試,F(xiàn)RM焊接的抗拉強度要優(yōu)于普通激光器焊接。
FRM的重要應(yīng)用
中國將新能源汽車作為七大戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一。由于動力鋰電池組是新能源汽車組成的一個關(guān)鍵核心部件,隨著新能源汽車的不斷發(fā)展,它也相應(yīng)地被廣泛的使用和發(fā)展。
根據(jù)中研普華研究院的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示:2017-2020年全球鋰電池需求量持續(xù)上升,且在未來3-5年內(nèi)鋰電設(shè)備需求將持續(xù)增長。鋰電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,致使各大企業(yè)紛紛加大對新工廠的建設(shè)與產(chǎn)能的擴充。
電池組的安全性是至關(guān)重要的,一旦發(fā)生相關(guān)故障,將會導(dǎo)致非常嚴重的結(jié)果,威脅人們的生命安全。其中,對電動汽車的安全起著決定性作用的因素就是動力電池組關(guān)鍵部位的焊接,這些位置最主要的材料就是鋁合金,其中包括防爆閥、電芯封口、極耳、匯流排等;其次是紫銅材料,如極柱、極耳轉(zhuǎn)接片等。這些位置的焊接質(zhì)量好壞將直接影響作電池組質(zhì)量的可靠性。
對于動力電池不同部件的焊接,采用光惠激光的FRM激光器可有效化解焊接難題,實現(xiàn)焊接零飛濺、表面無氣孔、熔深穩(wěn)定、焊縫平滑美觀,顯著提高焊接質(zhì)量,有效保證動力電池的穩(wěn)定性與安全性。
全球汽車市場向電動化轉(zhuǎn)型已是大勢所趨,而在這一發(fā)展大勢下,勢必會對鋰電焊接工藝提出更高要求,鋰電池加工已然成為國內(nèi)激光企業(yè)爭奪的重要市場。光惠激光將持續(xù)發(fā)力鋰電池焊接領(lǐng)域,通過自主創(chuàng)新,進行激光器迭代升級,助力客戶改進焊接工藝,提升產(chǎn)品安全性和競爭力。
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