动力电池外壳激光焊接试验分析_王中林
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收稿日期： 2012-02-27 基金项目： 武汉市市级重点科学研究项目 （2007KA002）
图 2 壳体焊缝表面金相 100×
图 3 封盖搭焊处表面金相 100×
2 热传导焊接过程分析
2.1 激光功率密度对焊接影响
功率密度对激光焊接是最关键的影响因素之一。
据有关文献记载，
激光功率密度
q=
0.886TK （ατ）1/2
（3） : 9-12. ［4］ 刘 俊 . 铝 合 金 激 光 焊 接 工 艺 特 性 ［J］. 现 代 制 造 工 程 ， 2003，
（3） : 55-56.
参考文献： ［1］ 王 中 林 ， 吴 晓 红 ， 邓 传 经. 铝 合 金 薄 板 焊 接 工 艺 及 YAG 激 光 器
［5］ 关振中. 激 光 加 工 工 艺 手 册 ［M］. 北 京: 中 国 计 量 出 版 社 ， 2005: 112.
动力电池外壳激光焊接工艺质量提升具有一定的现实指导意义。
关键词： 动力电池； 激光； 焊接； 分析
中图分类号： TG456.7
文献标志码： B
铝合金激光焊接以非接触、 热形变小、 环保等 优点在很多领域取代了传统焊接方法。 铝合金焊接 的难点在于铝合金对激光的反射率极高， 焊接过程 中气孔敏感性高， 且易形成热裂纹［1］。 笔者选用典型 铝合金动力电池外壳进行激光焊接密封试验， 并对 结果进行了金相分析。 同时， 从激光与物质相互作 用的角度， 对焊接过程进行一定的理论分析。
率为 200 W 左右， 脉宽 2.5 ms， 频率 20 Hz， 利用公
式
P＝
P軈 Tf
（P軈 为峰值功率， 为平均功率， T 为脉宽， f
为频率）， 代入运算可知， 峰值功率为 4×103 W。 根
据离焦量 3 mm、 聚 焦 光 斑 大 小 0.3 mm 及 实 际 激 光
打在相纸上试验判断， 焊接处光斑大小接近 0.4 mm，
1.2 焊接工艺参数
试验将激光束中心轴与焊接面保持垂直， 采用
热传导穿透焊， 焊接工艺参数见表 1。
表 1 焊接工艺参数
平均功率 脉宽 频率 离焦量 焊接速度 聚焦光斑大小 保护气体流量 激光
/W /ms /Hz /mm /(mm·s-1)
/mm
/(L·min-1) 波形
200 2.5 20 +3
8
3 结论 通过动力电池激光焊接密封试验及理论分析过
程， 要使封装后的电池达到较好的气密性， 需要适 当设置激光焊接参数， 连接处保持良好接触， 同时 注意保护气体的应用。 关于焊接过程的更深入的理
Welding Technology Vol．41 No．7 Jul. 2012 文 章 编 号 ：1002－025X(2012)07-0013-04
收稿日期： 2012-01-21
图 2 所示。
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
论实践研究及焊接模型建立， 需要更加详实准确的
［3］ 陈彦宾， 曹丽杰. 铝合金激光焊接研究现状 ［J］. 焊接， 2001， 45
基础测量数据。 要达到更好的焊接工艺效果， 需对 试验做进一步研究。
发展。 高炉铜冷却壁实物如图 1 所示。
越 广 泛地研 究和应用 。 ［1-2］ 自 德 国 MAN.GHH 公 司 从
20 世 纪 70 年 代 末 开 始 研 制 铜 冷 却 壁 以 来 ， 世 界 各
国围绕铜冷却壁的寿命相继从高炉操作、 模拟分析、
热分析、 结构优化设计等方面展开了研究， 铜冷却
图 5 两层材料激光穿透焊时各面温度变化曲线
图 4 优化脉冲激光波形
铝合金激光焊接气孔是铝合金焊接的常见缺陷。 空气中的水分以及氧化膜中吸附的水分是产生焊缝 气孔的主要原因［4］。 采用氮气保护激光焊接， 可以减 少壳体表面焊接过程中氧化， 减少焊缝气孔， 同时 保护聚焦镜片。
图 6 要求最小激光焊接能量与两层材料间隙关系
壁 的 研 制 技 术也有了相应提高 。 ［3~4］ 然而 ， 生产实践
表明： 尽管在寿命上， 铜冷却壁要比铸铁冷却壁有
了很大提高， 但铜冷却壁还是没能避免因自身失效
而导致高炉寿命不长的缺点。 因此， 对铜冷却壁的
图 1 高炉铜冷却壁实物图
失效进行分析， 进而指导研制和生产实践显得尤为 重要。 常见的失效有形变、 开裂和脱落等 3 种， 如
多光路系统设计［J］. 焊接技术， 2008， 37（6）： 30-32.
［2］ 张 军. Li-ion 电 池 的 激 光 焊 接 ［J］. 中 国 机 械 工 程 ， 2001， 12 （S0） : 213-215.
作者简介： 王中林 （1975—）， 男， 湖北潜江人， 硕士， 副教授， 高 级工程师， 主要从事应用光学， 激光加工方面的研究工作.
，
其中
α为 热 扩 散 率 ， K 为 热 传 导 率 ， τ 脉 宽 ， T为 温 度 ［2］。
动力电池铝外壳熔点 574~635 ℃， 沸点约为 2 000 ℃，
12 ·试验与研究·
代入激光功率密度式中 运 算 ， 要 求 功 率 密 度 在 4.1× 104~1.3×105 W/cm2 范 围 ， 符 合 电 池 焊 接 处 于 激 光 热 传导焊接状态要求。 实际试验过程中， 激光平均功
透焊接， 装配不可能做到理想接触， 中间存在空气 隙。 空气隙热传导率远低于焊接壳体， 激光在间隙 间的传递表现为对流传导效应， 计算起来相当复杂。 据有关文献记载， 参考其提出某种零件实施激光穿 透焊时上层上表面、 下表面以及下层上表面温度变 化曲 线， 如图 5 所 示 。 动 力 电 池 壳 体 在 脉 宽 2.5 ms 内可能达到最高峰， 同时密封盖焊接处也处于熔点 以上， 能够熔化， 完成焊接， 准确数据需进一步试 验研究。 图 6 显示所需最小激光能量与两层材料间 隙关系， 在间隙小于上层材料 1/10 时， 能量增加要 求不明显 ， 但在 1/10~1/2 之间时 ， 需要能量几 乎与 间隙成线性增加关系。 超过 1/2， 无法焊接［5］。 在试 验过程中对壳体与密封盖结合处加压， 所需激光功 率较小， 符合以上分析。
Welding Technology Vol．41 No．7 Jul. 2012 文 章 编 号 ：1002－025X(2012)07-0011-03
动力电池外壳激光焊接试验分析
·试验与研究· 11
王中林
（武汉软件工程职业学院， 湖北 武汉 430205）
摘要： 开展了动力电池外壳激光焊接密封试验， 对激光焊接动力电池外壳有关理论进行了深入分析， 并取得了较好效果。 试验结果对
0.3
指数
5
衰减型
1.3 焊接工艺效果 试验结果， 电池外壳与密封盖焊接成功， 满足
9.806 65 kN 不漏气的气密性要求， 采用数显金相显 微镜检测， 壳体与封盖焊接部位金相组织图如图 2， 3 所示， 未见明显气孔、 裂纹， 壳体焊透， 且封 装后电池内部未见焊接熔渣。
图 1 焊接区域及焊接方法
1 试验方法及效果 1.1 焊接材料及方法
动力电池外壳材料包括钢和铝合金， 其中 AL3003 铝合金 材料具 有 优 秀 的 防 锈 特 性 ， 成 形 性 、 焊接性、 耐蚀性均良好。 利用 450 W 固体 YAG 激光 对 厚 0.6 mm AL3003 电 池 外 壳 ， 与 外 壳 连 接 处 0.8 mm 厚密封盖进行密封焊接试验。 焊接时采用穿透焊 对壳体与密封盖进行连接， 如图 1 所示。
轴晶以及相应的过渡晶， 其焊缝中存在未熔合、 气孔和变向生长柱状晶等焊接缺陷。 铜冷却壁Ⅱ晶粒相对均匀， 焊缝组织中未发现明
显的焊接缺陷。 根据研究结果， 提出了改进铜冷却壁的焊接工艺。
关键词： 铜冷却壁； 原位金相； 显微组织； 管板焊接； 焊接缺陷
中图分类号： TF57； TG113
文献标志码： B
始高峰部分可以使铝合金材料通过瞬间温度升高来
提高动力电池外壳对激光的吸收率， 后沿下降避免
材料表面功率密度过高， 形成深熔焊， 击穿壳体。
同时采用该脉冲波形， 还可以有效减少气孔和裂纹
产生几率， 提高电池的气密性。
焊接技术 第 41 卷第 7 期 2012 年 7 月
2.3 工件装配对激光焊接影响 动力电池采用铝合金外壳与密封盖下沿叠加穿
冷却壁在高炉中有保护炉壳、 冷却支撑和维护
目前， 高炉使用的冷却壁主要有铸铁冷却壁和
炉渣等作用， 是炼铁高炉的重要组成部分， 其一旦 铜冷却壁 2 种。 相对于铸铁冷却壁， 铜冷却壁以其
损坏， 高炉就不得不停炉修缮， 严重影响炼铁进程、 良好的导热性能、 耐热震性能、 耐高热流冲击性
企业效益及与钢铁相关的多项重要国民支柱经济的 能、 使用寿命长、 操作成本低等优异特点得到越来
·ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ验与研究· 13
炼铁高炉中铜冷却壁焊缝组织的原位金相
崔 静， 瞿体明， 曾 攀
（清华大学 机械工程系， 北京 100084）
摘要： 研究了 2 种不同高炉铜冷却壁Ⅰ （焊丝为合金）， Ⅱ （焊丝为纯铜） 管板焊接结构处的原位显微组织。 经观察发现， 对金相图片
进行特殊的原位处理后， 可找到焊接熔合线， 并由此确定焊缝区、 热影响区及母材区。 铜冷却壁Ⅰ中存在外形显著有别的柱状晶、 等
计算可知峰值功率密度约为 2.5×106 W/cm2， 其超过
理论计算值。 但动力电池外壳厚度为 0.6 mm， 且属
于穿透焊接， 需要一定的熔深， 焊接功率密度略超
过沸点要求， 功率密度能达到更好的焊接效果。 2.2 铝合金材料表面对焊接影响
材料对激光的吸收率随温度的变化由公式 ελ（T） =0.365 軈ρ[1+β（T-20）/λ 軈1/2 决 定 ， 其 中 ρ 为 铝 合 金 20 ℃时直流电导率， β 为电阻温度系数， λ 为激光波 长。 按公式做出基本估算， 铝合金对 YAG 激光在 20 ℃吸 收 率 大 约 在 20%。 在 焊 接 过 程 中 采 用 类 似 图 4 优化激光脉冲［3］， 设置指数形式衰减波， 激光波形开
图 2 壳体焊缝表面金相 100×
图 3 封盖搭焊处表面金相 100×
2 热传导焊接过程分析
2.1 激光功率密度对焊接影响
功率密度对激光焊接是最关键的影响因素之一。
据有关文献记载，
激光功率密度
q=
0.886TK （ατ）1/2
（3） : 9-12. ［4］ 刘 俊 . 铝 合 金 激 光 焊 接 工 艺 特 性 ［J］. 现 代 制 造 工 程 ， 2003，
（3） : 55-56.
参考文献： ［1］ 王 中 林 ， 吴 晓 红 ， 邓 传 经. 铝 合 金 薄 板 焊 接 工 艺 及 YAG 激 光 器
［5］ 关振中. 激 光 加 工 工 艺 手 册 ［M］. 北 京: 中 国 计 量 出 版 社 ， 2005: 112.
动力电池外壳激光焊接工艺质量提升具有一定的现实指导意义。
关键词： 动力电池； 激光； 焊接； 分析
中图分类号： TG456.7
文献标志码： B
铝合金激光焊接以非接触、 热形变小、 环保等 优点在很多领域取代了传统焊接方法。 铝合金焊接 的难点在于铝合金对激光的反射率极高， 焊接过程 中气孔敏感性高， 且易形成热裂纹［1］。 笔者选用典型 铝合金动力电池外壳进行激光焊接密封试验， 并对 结果进行了金相分析。 同时， 从激光与物质相互作 用的角度， 对焊接过程进行一定的理论分析。
率为 200 W 左右， 脉宽 2.5 ms， 频率 20 Hz， 利用公
式
P＝
P軈 Tf
（P軈 为峰值功率， 为平均功率， T 为脉宽， f
为频率）， 代入运算可知， 峰值功率为 4×103 W。 根
据离焦量 3 mm、 聚 焦 光 斑 大 小 0.3 mm 及 实 际 激 光
打在相纸上试验判断， 焊接处光斑大小接近 0.4 mm，
1.2 焊接工艺参数
试验将激光束中心轴与焊接面保持垂直， 采用
热传导穿透焊， 焊接工艺参数见表 1。
表 1 焊接工艺参数
平均功率 脉宽 频率 离焦量 焊接速度 聚焦光斑大小 保护气体流量 激光
/W /ms /Hz /mm /(mm·s-1)
/mm
/(L·min-1) 波形
200 2.5 20 +3
8
3 结论 通过动力电池激光焊接密封试验及理论分析过
程， 要使封装后的电池达到较好的气密性， 需要适 当设置激光焊接参数， 连接处保持良好接触， 同时 注意保护气体的应用。 关于焊接过程的更深入的理
Welding Technology Vol．41 No．7 Jul. 2012 文 章 编 号 ：1002－025X(2012)07-0013-04
收稿日期： 2012-01-21
图 2 所示。
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
论实践研究及焊接模型建立， 需要更加详实准确的
［3］ 陈彦宾， 曹丽杰. 铝合金激光焊接研究现状 ［J］. 焊接， 2001， 45
基础测量数据。 要达到更好的焊接工艺效果， 需对 试验做进一步研究。
发展。 高炉铜冷却壁实物如图 1 所示。
越 广 泛地研 究和应用 。 ［1-2］ 自 德 国 MAN.GHH 公 司 从
20 世 纪 70 年 代 末 开 始 研 制 铜 冷 却 壁 以 来 ， 世 界 各
国围绕铜冷却壁的寿命相继从高炉操作、 模拟分析、
热分析、 结构优化设计等方面展开了研究， 铜冷却
图 5 两层材料激光穿透焊时各面温度变化曲线
图 4 优化脉冲激光波形
铝合金激光焊接气孔是铝合金焊接的常见缺陷。 空气中的水分以及氧化膜中吸附的水分是产生焊缝 气孔的主要原因［4］。 采用氮气保护激光焊接， 可以减 少壳体表面焊接过程中氧化， 减少焊缝气孔， 同时 保护聚焦镜片。
图 6 要求最小激光焊接能量与两层材料间隙关系
壁 的 研 制 技 术也有了相应提高 。 ［3~4］ 然而 ， 生产实践
表明： 尽管在寿命上， 铜冷却壁要比铸铁冷却壁有
了很大提高， 但铜冷却壁还是没能避免因自身失效
而导致高炉寿命不长的缺点。 因此， 对铜冷却壁的
图 1 高炉铜冷却壁实物图
失效进行分析， 进而指导研制和生产实践显得尤为 重要。 常见的失效有形变、 开裂和脱落等 3 种， 如
多光路系统设计［J］. 焊接技术， 2008， 37（6）： 30-32.
［2］ 张 军. Li-ion 电 池 的 激 光 焊 接 ［J］. 中 国 机 械 工 程 ， 2001， 12 （S0） : 213-215.
作者简介： 王中林 （1975—）， 男， 湖北潜江人， 硕士， 副教授， 高 级工程师， 主要从事应用光学， 激光加工方面的研究工作.
，
其中
α为 热 扩 散 率 ， K 为 热 传 导 率 ， τ 脉 宽 ， T为 温 度 ［2］。
动力电池铝外壳熔点 574~635 ℃， 沸点约为 2 000 ℃，
12 ·试验与研究·
代入激光功率密度式中 运 算 ， 要 求 功 率 密 度 在 4.1× 104~1.3×105 W/cm2 范 围 ， 符 合 电 池 焊 接 处 于 激 光 热 传导焊接状态要求。 实际试验过程中， 激光平均功
透焊接， 装配不可能做到理想接触， 中间存在空气 隙。 空气隙热传导率远低于焊接壳体， 激光在间隙 间的传递表现为对流传导效应， 计算起来相当复杂。 据有关文献记载， 参考其提出某种零件实施激光穿 透焊时上层上表面、 下表面以及下层上表面温度变 化曲 线， 如图 5 所 示 。 动 力 电 池 壳 体 在 脉 宽 2.5 ms 内可能达到最高峰， 同时密封盖焊接处也处于熔点 以上， 能够熔化， 完成焊接， 准确数据需进一步试 验研究。 图 6 显示所需最小激光能量与两层材料间 隙关系， 在间隙小于上层材料 1/10 时， 能量增加要 求不明显 ， 但在 1/10~1/2 之间时 ， 需要能量几 乎与 间隙成线性增加关系。 超过 1/2， 无法焊接［5］。 在试 验过程中对壳体与密封盖结合处加压， 所需激光功 率较小， 符合以上分析。
Welding Technology Vol．41 No．7 Jul. 2012 文 章 编 号 ：1002－025X(2012)07-0011-03
动力电池外壳激光焊接试验分析
·试验与研究· 11
王中林
（武汉软件工程职业学院， 湖北 武汉 430205）
摘要： 开展了动力电池外壳激光焊接密封试验， 对激光焊接动力电池外壳有关理论进行了深入分析， 并取得了较好效果。 试验结果对
0.3
指数
5
衰减型
1.3 焊接工艺效果 试验结果， 电池外壳与密封盖焊接成功， 满足
9.806 65 kN 不漏气的气密性要求， 采用数显金相显 微镜检测， 壳体与封盖焊接部位金相组织图如图 2， 3 所示， 未见明显气孔、 裂纹， 壳体焊透， 且封 装后电池内部未见焊接熔渣。
图 1 焊接区域及焊接方法
1 试验方法及效果 1.1 焊接材料及方法
动力电池外壳材料包括钢和铝合金， 其中 AL3003 铝合金 材料具 有 优 秀 的 防 锈 特 性 ， 成 形 性 、 焊接性、 耐蚀性均良好。 利用 450 W 固体 YAG 激光 对 厚 0.6 mm AL3003 电 池 外 壳 ， 与 外 壳 连 接 处 0.8 mm 厚密封盖进行密封焊接试验。 焊接时采用穿透焊 对壳体与密封盖进行连接， 如图 1 所示。
轴晶以及相应的过渡晶， 其焊缝中存在未熔合、 气孔和变向生长柱状晶等焊接缺陷。 铜冷却壁Ⅱ晶粒相对均匀， 焊缝组织中未发现明
显的焊接缺陷。 根据研究结果， 提出了改进铜冷却壁的焊接工艺。
关键词： 铜冷却壁； 原位金相； 显微组织； 管板焊接； 焊接缺陷
中图分类号： TF57； TG113
文献标志码： B
始高峰部分可以使铝合金材料通过瞬间温度升高来
提高动力电池外壳对激光的吸收率， 后沿下降避免
材料表面功率密度过高， 形成深熔焊， 击穿壳体。
同时采用该脉冲波形， 还可以有效减少气孔和裂纹
产生几率， 提高电池的气密性。
焊接技术 第 41 卷第 7 期 2012 年 7 月
2.3 工件装配对激光焊接影响 动力电池采用铝合金外壳与密封盖下沿叠加穿
冷却壁在高炉中有保护炉壳、 冷却支撑和维护
目前， 高炉使用的冷却壁主要有铸铁冷却壁和
炉渣等作用， 是炼铁高炉的重要组成部分， 其一旦 铜冷却壁 2 种。 相对于铸铁冷却壁， 铜冷却壁以其
损坏， 高炉就不得不停炉修缮， 严重影响炼铁进程、 良好的导热性能、 耐热震性能、 耐高热流冲击性
企业效益及与钢铁相关的多项重要国民支柱经济的 能、 使用寿命长、 操作成本低等优异特点得到越来
·ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ验与研究· 13
炼铁高炉中铜冷却壁焊缝组织的原位金相
崔 静， 瞿体明， 曾 攀
（清华大学 机械工程系， 北京 100084）
摘要： 研究了 2 种不同高炉铜冷却壁Ⅰ （焊丝为合金）， Ⅱ （焊丝为纯铜） 管板焊接结构处的原位显微组织。 经观察发现， 对金相图片
进行特殊的原位处理后， 可找到焊接熔合线， 并由此确定焊缝区、 热影响区及母材区。 铜冷却壁Ⅰ中存在外形显著有别的柱状晶、 等
计算可知峰值功率密度约为 2.5×106 W/cm2， 其超过
理论计算值。 但动力电池外壳厚度为 0.6 mm， 且属
于穿透焊接， 需要一定的熔深， 焊接功率密度略超
过沸点要求， 功率密度能达到更好的焊接效果。 2.2 铝合金材料表面对焊接影响
材料对激光的吸收率随温度的变化由公式 ελ（T） =0.365 軈ρ[1+β（T-20）/λ 軈1/2 决 定 ， 其 中 ρ 为 铝 合 金 20 ℃时直流电导率， β 为电阻温度系数， λ 为激光波 长。 按公式做出基本估算， 铝合金对 YAG 激光在 20 ℃吸 收 率 大 约 在 20%。 在 焊 接 过 程 中 采 用 类 似 图 4 优化激光脉冲［3］， 设置指数形式衰减波， 激光波形开