CN101450422A - 一种激光焊接薄板铝材的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光焊接薄板铝材的方法，其特征在于：将薄板铝材的焊接平面放置在聚焦镜的焦距处，并在所述薄板铝材的焊接位置处以一定频率多次释放激光，以达到要求的焊接深度和背痕强度。本发明采用小能量多次焊接模式焊接，避免外界干扰造成焊接的不稳定，避免产生飞溅和母材缺失，焊接效果好。本发明还能避免能量过大击穿板。本发明采用焦点处焊接，不易受到焦点浮动和振动造成的高度变化产生的能量不稳定影响。本发明稳定可靠、焊接效果好。本发明无需使用保护气体，成本低。

Description

一种激光焊接薄板铝材的方法

技术领域

本发明涉及焊接方法，尤其涉及一种激光焊接薄板铝材的方法。

背景技术

近年来由于电子、电器行业的蓬勃发展，数码产品的日新月异，随之而来对于电池性能的要求也越来越高，尤其在电池安全性方面，目前电池安全性能的高低已经成为衡量电池性能好坏的一个重要标准。电池中的安全帽正是保证电池安全工作的部件之一，一个性能良好的电池安全帽不仅要在危险情况下及时断开回路、防止电池爆炸、漏液，还要在正常使用时保持低阻态、抵御外力的冲击和扭曲，保证供电的稳定性。正是由于电池安全帽在电池中的作用极为重要，使得焊接电池安全帽的生产和质量检验流程变得十分苛刻，常规焊接方式根本无法满足其要求。

激光焊接作为一种新型的加工工艺具有速度快、深度大、变形小、焊点精美、非接触式焊接等优势，使其非常适合于电池安全帽的焊接。现有的激光焊接方法采用一次性焊接方式，即在焊接位置上仅释放一次激光。为了一次性达到焊接深度和强度，传统的焊接工艺只能采用大能量焊接，使上下两层铝材一次性熔化，融合并在背面形成背痕，由于电池安全帽板材较薄仅为0.09mm，对焊接时能量的稳定性十分敏感，当焊接过程有多种外界因素干扰时很难控制焊接的稳定性，加之大能量容易产生飞溅，使母材缺失造成更严重的影响，焊接效果自然不好。现有技术需采用离焦方式焊接、焊接位置处光斑也相应很大，能量不稳定。目前焊接电池安全帽一般采用点焊2至4个点的方式加工，由于电池安全帽上下两板的铝材厚度较薄(一般上板0.09mm，下板0.12mm)，并且影响焊接效果的因素众多，如：上下两板的贴合度、夹具定位精度、有无保护气体等，想要准确控制生产中各个环节的精度和一致性较为困难，同时也会增加生产的连带成本，所以用传统激光焊接方式生产的成品电池安全帽其背痕一致性较差、断开拉力测试强度及扭曲测试强度值参差不齐、相差悬殊、难以控制。现有技术的不足之处总结如下：背痕一致性较差且面积过大，由于其只采用两个点焊接，具体表现为：其中一个点成型很明显，另一个却未成型，经常有类似击穿现象发生，使其无法降低成品电池从背痕处漏液、漏气可能性。无法控制断开压力值，其产品允许的断开压力值范围为6至9bar，其成品的断开压力值成无规律的分布在允许范围内且超出范围现象严重，经常由于生产出的某一批次成品安全帽不能通过最后的抽检而全部报废。扭力测试值大小不一。在无保户气体存在的条件下生产，其良率很低，因成品率低而导致产品生产成本很高。

而背痕一致性、断开压力值、扭力值等指标正是衡量电池安全帽质量及稳定性的主要标准，所以一直以来，寻找一个优良的焊接工艺方法，使之能够生产出稳定可靠的电池安全帽产品成为世界范围内生产商的共同难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是为了克服以上的不足，提出了一种焊接效果好的激光焊接薄板铝材的方法。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种激光焊接薄板铝材的方法，将薄板铝材的焊接平面放置在聚焦镜的焦距处，并在所述薄板铝材的焊接位置处以一定频率进行至少三激光释放，以达到要求的焊接深度和背痕强度。

所述激光焊接薄板铝材的方法具体包括如下步骤：第一步：根据所述薄板铝材确定焊接位置处的光斑大小，并根据D1＝D2*f1/f2选择相应的光纤、准直镜和聚焦镜，其中D1是光斑的直径，D2是光纤的直径、f1是聚焦镜的焦距，f2是准直镜的焦距；第二步：寻找所述聚焦镜的焦点，并将所述薄板铝材的焊接平面放置在所述焦点处；第三步：选择适当的焊接频率、单次焊接能量、总焊接次数对所述薄板铝材进行焊接。

所述第二步中寻找所述聚焦镜的焦点的具体方法如下：

21)、连续出光并同时调整所述聚焦镜到焊接平面的高度，观察火焰高度直至火焰高度最高处停止，记录此时聚焦镜到焊接平面的高度h1；22)、选取合适的能量，以h1为中心按一定步距改变聚焦镜到焊接平面的高度，并进行焊接，保存焊接样品并记录相应高度；23)、检测对应于中间高度的多个焊接样品的背痕及焊点，背痕成形最明显、且焊点面积最小的焊接样品所对应的高度即为聚焦镜的焦点。

所述步骤21)中激光的出光频率为1-2Hz，所述步骤22)中的步距为0.05mm。

所述第一步中的光斑不大于0.5mm。

所述第三步中单次焊接的能量波形为：第一波形或第二波形或第三波形，所述第一波形在t1时段，能量从0上升到第一功率；在t2时段，能量保持在第一功率；在t3时段，能量下降至第二功率；在t4时段，能量下降至第三功率；在t4时段结束时能量下降为0；所述第二波形在t1时段，能量从0上升到第一功率；在t2时段，能量保持在第一功率；在t3时段，能量下降至0；所述第三波形在t1时段，能量从0上升到第一功率；在t2时段，能量保持在第一功率；在t2时段结束时能量下降为0。

所述薄板铝材为电池安全帽。

所述单次焊接的能量波形中的第一功率的调整方法为：41)、使所述第一功率等于第一预设值，焊接电池安全帽并记录下此时的第一断开压力值；42)、使所述第一功率增加预设幅度，焊接电池安全帽并记录下此时的第二断开压力值；43)、判断第二断开压力值是否大于第一断开压力值，如果是则进入44)，如果否则调低所述第一预设值，并重新返回41)；44)、判断第二断开压力值是否达到要求，如果是则完成了第一功率的调整，如果否则返回42)。

所述焊接位置有至少两个，所述第三步之后还包括调整各焊接位置之间的距离。

每个焊接位置前三次的单次焊接能量是之后的单次焊接能量的70％-90％。

本发明与现有技术对比的有益效果是：本发明采用小能量多次焊接模式焊接，避免外界干扰造成焊接的不稳定，避免产生飞溅和母材缺失，焊接效果好。本发明还能避免能量过大击穿板。本发明采用焦点处焊接，不易受到焦点浮动和振动造成的高度变化产生的能量不稳定影响。本发明稳定可靠、焊接效果好。本发明无需使用保护气体，成本低。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的第一种单次焊接的能量波形示意图；

图2是本发明具体实施方式第二种单次焊接的能量波形示意图；

图3是本发明具体实施方式第三种单次焊接的能量波形示意图；

图4是本发明具体实施方式中调整单次焊接能量之前的波形示意图；

图5是本发明具体实施方式中调整单次焊接能量之后的波形示意图；

图6是使用本发明的一实例中采用的单次焊接能量的波形示意图；

图7是采用本发明的焊接样品的背痕的示意图；

图8是采用现有技术的焊接样品的背痕的示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施方式并结合附图对本发明做进一步详细说明。

一种激光焊接薄板铝材的方法，将薄板铝材的焊接平面放置在聚焦镜的焦距处，并在所述薄板铝材的焊接位置处以一定频率多次(至少三次)释放激光，以达到要求的焊接深度和背痕强度。

一种激光焊接薄板铝材的方法，具体包括如下步骤：

第一步：根据所述薄板铝材确定焊接位置处的光斑大小，并根据D1＝D2*f1/f2选择相应的光纤、准直镜和聚焦镜，其中D1是光斑的直径，D2是光纤的直径、f1是聚焦镜的焦距，f2是准直镜的焦距。

所述光斑不大于0.5mm。光斑小能降低击穿板的机率，提高稳定性。

第二步：寻找所述聚焦镜的焦点，并将所述薄板铝材的焊接平面放置在所述焦点处。

因为本发明采用焦点处焊接，所以确定精确的焦点位置尤为重要。

寻找所述聚焦镜的焦点的具体方法如下：

21)、使用任意能量大小的一束激光进行连续出光并同时调整所述聚焦镜到焊接平面的高度，观察激光在焊接平面产生的火焰高度，直至火焰高度最高处停止出光，记录此时聚焦镜到焊接平面的高度h1。为方便肉眼观察，激光能量不可太小，以防在焦点附近火焰高度过低影响判断。还可将激光的出光频率调整为1至2Hz，以方便观察。

22)、选取合适的能量，以h1为中心按一定步距改变聚焦镜到焊接平面的高度，并进行焊接，保存焊接样品并记录相应高度。

由于能量的大小变化，通过聚焦镜之后聚焦的位置会发生偏移。优选地，所述合适的能量应为实际焊接时的能量，即可实现找到严格的焦点。所述合适的能量还可为一较小能量，例如：使用该能量在同一位置连续焊接四至五次后，刚好在背面形成背痕。将焊接次数设为四至五次是为了提高寻找焦点的效率。

在一个实施例中，可以先以h1为中心、以一定步距向负离焦方向移动，在每一步位置进行焊接，并保存焊接样品，记录相应高度，直至不能完成焊接。回到h1处，按一定步距向正离焦方向移动并焊接，保存焊接样品，同时记录相应高度，直至不能完成焊接。所述步距可为0.05mm。当然，步距大小可依精度要求自行调整，精度要求越高步距应设的越小。此外为确保焊接效果的准确性可在同一位置焊接两至三个样品方便以后比较。

23)、检测对应于中间高度的多个焊接样品的背痕及焊点，背痕成形最明显、且焊点面积最小的焊接样品所对应的高度即为聚焦镜的焦点。

我们可以按高度顺序排列步骤22)中所焊接的样品，取最中间的五至六组高度样品到放大镜下观察其背痕及焊点。

第三步：选择适当的焊接频率、单次焊接能量、总焊接次数对所述薄板铝材进行焊接。

由于本发明采用高频率脉冲焊接方式进行焊接，属于热量积累的焊接过程，所以对单次焊接的能量波形并无明确要求。虽然任何波形都可以完成焊接，但考虑到方便调整单次能量的需要可将波形设为如下几种形式。

如图1所示，所述单次焊接的能量波形可为第一波形。所述第一波形在t1时段，能量从0上升到第一功率；在t2时段，能量保持在第一功率；在t3时段，能量下降至第二功率；在t4时段，能量下降至第三功率；在t4时段结束时能量下降为0。

如图2所示，所述单次焊接的能量波形可为第二波形。所述第二波形在t1时段，能量从0上升到第一功率；在t2时段，能量保持在第一功率；在t3时段，能量下降至0。

如图3所示，所述单次焊接的能量波形可为第三波形。所述第三波形在t1时段，能量从0上升到第一功率；在t2时段，能量保持在第一功率；在t2时段结束时能量下降为0。

我们可以根据焊接深度自由选择波形，如焊接深度较小对能量变化较为敏感可选择图1所示的波形；如果焊接深度较大，对能量不十分敏感则可采用图2、图3所示的波形。

单次焊接能量的大小可以通过调整激光的峰值功率实现。如要进行细微调节则可通过调整上述能量波形中的第一功率实现。例如：当使用图4所示的波形能量时(第一功率为90％的峰值功率)背痕不明显。如图5所示，我们就可以增大第一功率，使第一功率调整为92％的峰值功率。通过调整单次焊接能量即可调整背痕成形。

焊接位置处的总焊接次数决定了焊接的稳定性，次数越多稳定性越高。而焊接频率的设置可参照生产效率的要求，公式如下：

最低焊接频率＝总焊接点数/要求的单个产品焊接时间。只要将频率设为最低频率之上便可满足生产要求，设置时要考虑频率和焊接次数的配合问题，不能一味追求焊接的稳定性而忽略焊接效率，应在满足焊接效率的基础之上尽量提高稳定性即增加总焊接次数。

所述薄板铝材为电池安全帽。

本发明还可调整断开压力值。由于按本发明焊接的产品的断开压力值与总的焊接能量成高斯分布关系，当总能量增加到一定程度后，其断开压力值不再随总能量的增加而增加，反而会降低。因此调整断开压力值时应正确判断其状态是在抛物线的上升段还是下降段，并将其调整其到抛物线的上升段。总能量是由单点能量和焊接次数共同决定的，所以调整总能量即是调整单点能量和总焊接次数的配合关系。由于焊接次数一般固定，我们可以通过调整单次焊接能量实现断开压力值的调整，具体而言我们通过调整单次焊接的能量波形中的第一功率实现断开压力值的调整。

具体调整方法包括如下步骤：

41)、使所述第一功率等于第一预设值，焊接电池安全帽并记录下此时的第一断开压力值。

42)、使所述第一功率增加预设幅度(例如：使第一功率在第一预设值的基础上增加1％至2％)，焊接电池安全帽并记录下此时的第二断开压力值。

43)、判断第二断开压力值是否大于第一断开压力值，如果是则进入44)，如果否则调低所述第一预设值，并重新返回41)。

44)、判断第二断开压力值是否达到要求，如果是则完成了第一功率的调整，如果否则返回42)。

所述焊接位置有至少两个，所述第三步之后还包括调整各焊接位置之间的距离。通过增大或减小焊点间的距离实现扭力值的调整。试验表明增大两点间的距离可提高扭力值，反之亦然。

本发明还可调整背痕一致性。通过调整渐进渐出实现，即：使每个焊接位置前三次的单次焊接能量是之后的单次焊接能量的70％-90％。这可使电池安全帽的上板和下板先有少许连接，防止焊接时产生的内部应力增大板间的间隙，影响背痕的一致性，同时防止由于表面异物的存在直接用大能量焊接产生的飞溅现象。本发明采用较高频率焊接，当两点背痕有差异时可以通过增减点数来平衡背痕。由于焊接方式为上面材料先融化后向下贴合下面材料完成焊接，所以对上下板的间隙变化并不敏感。

现有技术由于存在贴合度等其他外在因素，很难控制焊点的一致性，而本发明可以很好的克服这一缺陷，背痕一致性十分理想。其次本发明因为单点能量较小所以不会像现有技术一样打出很大面积的背痕，一般仅为原来的十分之一左右。

由于铝材在常温状态下对激光的吸收率很低仅为3％，激光在到达铝材表面后多数被反射回去而没有被吸收。本发明采用小能量定点多次焊接模式焊接就可以有效地避免上述不稳定因素的影响。

如图1-3所示，本发明单次焊接开始时先用相对较高能量加热铝材表面使其熔化，当铝材由固态变为熔融状态后其吸收率会有所升高，此时就可改用相对较小的能量在保证未达到热平衡的条件下使其保持表层熔融状态并将热量向下传导，使下层材料继续软化，重复以上过程直到在下层材料背面形成背痕，反复试验表明此种焊接波形应用于铝材焊接，可达到用相对较小能量得到相同熔深的效果，既节约了生产成本提高生产效率又可有效防止飞溅的产生。

本发明可提高焊接的稳定程度。其基本原理如下：

假设焊接材料上板厚度为0.09mm，下板厚度为0.12mm，则总焊接深度为0.21mm，如采用传统方式焊接时，由于焊接能量和深度成一定比例关系，如果焊接能量有5％的扰动，则焊接深度必然有5％的浮动，其值为0.21×0.05＝0.0105mm

如采用本发明的小能量定点多次焊接方式。假设焊接次数为30次，理论上每一点形成的焊接深度为0.21÷30＝0.007mm，则由于其中一点能量5％扰动造成的影响为0.007×0.05＝0.00035mm，可见本发明造成的影响仅为现有技术的三十分之一，焊接深度的变化会直接体现在背痕的成型和的大小，而焊点面积的大小直接决定了焊接完成后产品的断开压力值，所以用本发明焊接的成品背痕一致性及断开压力值的稳定性远远好于现有技术。

本发明采用小光斑形成的背痕相对较小，这对保证电池的安全性十分有利。由于电池安全帽焊接区域较小，一般仅为直径2mm的圆形范围内，按照检验要求，断开拉力测试后裂盘拉孔不能为通孔，以防止成品电池由此漏液。通过采用小光斑同时在设置焊点位置时尽量增大点间距可有效避免拉穿现象。

本发明采用焦点处焊接可提高能量稳定性。现有技术采用离焦方式焊接，虽然正离焦焊接表面效果好，负离焦容深大，但能量的稳定性会大打折扣。根据激光和聚焦镜原理聚焦镜焦点处的能量稳定性最佳，不易受到焦点浮动和振动造成的高度变化产生的能量不稳定影响。

下面通过一个实例对本发明做进一步说明：电池安全帽的光斑需要0.16mm，我们可以使用大族激光科技股份有限公司生产的PB50A功率反馈型光纤传输焊接机，该机型准直聚焦镜组为100/80。再确定焦点位置，采用焦点处焊接方式。采用图6所示的单次焊接能量波形，焊接频率设为15Hz，单点(一个焊接位置处)总焊接次数设为28次，其单点能量仅为1.47J。能量渐变设置如下：每个焊接位置第一次的焊接能量是标准的80％，第二次的焊接能量是标准的80％，第三次的焊接能量是标准的90％，第四次之后的焊接能量即为标准。

采用本发明后随机抽取二十个成品其断裂测试结果如下：

 

序号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											测试值	7.79	8.05	7.77	7.82	8.04	7.79	8.22	7.44	8.01	7.82
序号	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
											测试值	7.81	7.68	7.75	7.52	8.02	8.01	7.96	7.80	7.80	8.04

二十个断开压力值的平均值为7.86，最小值为7.44，最大值为8.22，高低差为0.78，并且检测结果主要集中在7.75至7.82之间，满足正态分布。其生产能力检测结果表明，在一百万个产品中小于最低断开压力值的产品为0个，高于最高断开压力值的产品为0.02个，共有0.02个不合格品，可见本发明几乎可以完全杜绝不良品的出现，最大限度的节约了生产成本，真正实现了零不良率的理想生产状态。经生产实践证明本发明具有良好的稳定性，生产结果表明无一断开压力值超出范围现象发生。

采用现有技术随机抽取二十个成品其断裂测试结果如下：

 

序号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											测试值	7.65	8.49	7.35	8.35	7.68	7.55	8.34	7.66	8.34	8.17
序号	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20

 

测试值

8.67

7.95

7.26

7.96

7.53

7.32

7.69

8.80

7.52

8.04

二十个断开压力值的平均值为7.92，最小值为7.26，最大值为8.80，高低差为1.54，其分布无明显集中区域。其生产能力检测结果表明，在一百万个产品中小于最低断开压力值的产品为158.66个，高于最高断开压力值的产品为15971.82个，共有16130.48个不合格品，可见现有技术生产损耗的数额之巨大。

如图7所示，采用本发明的焊接样品的背痕一致性好，如图8所示，采用现有技术的焊接样品的背痕一致性差且面积过大。本发明改善效果十分明显。

此外在跌落测试方面本发明生产出的产品也有不俗表现，按照检验标准，产品要在一米以上的高度自由落体十次以上焊接处不断裂才算合格，现有技术生产出的产品一般能够达到10至12次，本发明生产出的产品跌落测试结果品均值在17至20次以上，其中一大部分产品能够经受30次以上不断裂，可见其产品并没因背痕的减小引起强度的降低。

此外，本发明使我们控制整批成品断开压力值成为可能，由于本发明生产出的电池安全帽产品断开压力值非常接近，一般在0.7bar左右并且满足正态分布，这就使得我们可以在允许的断开压力值范围内按需要调整整批材料的断开压力值，用以满足不同类型产品的需要。我们已成功生产了平均压力值为7.10bar和7.80bar的两种产品，这也是电池安全帽生产中从未成功实现的。

最后，以往生产厂商为了提高生产稳定性还采用气体保护的方式生产，由于电池安全帽生产其产品数量巨大，所以这也带来了一笔巨大的生产费用，而采用本发明由于不用使用保护气体，可为生产商节约大量生产成本。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光焊接薄板铝材的方法，其特征在于：将薄板铝材的焊接平面放置在聚焦镜的焦距处，并在所述薄板铝材的焊接位置处以一定频率进行至少三次激光释放，以达到要求的焊接深度和背痕强度。

2.根据权利要求1所述的激光焊接薄板铝材的方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

第一步：根据所述薄板铝材确定焊接位置处的光斑大小，并根据

D1＝D2*f1/f2选择相应的光纤、准直镜和聚焦镜，其中D1是光斑的直径，D2是光纤的直径、f1是聚焦镜的焦距，f2是准直镜的焦距；

第二步：寻找所述聚焦镜的焦点，并将所述薄板铝材的焊接平面放置在所述焦点处；

第三步：选择适当的焊接频率、单次焊接能量、总焊接次数对所述薄板铝材进行焊接。

3.根据权利要求2所述的激光焊接薄板铝材的方法，其特征在于：所述第二步中寻找所述聚焦镜的焦点的具体方法如下：

21)、连续出光并同时调整所述聚焦镜到焊接平面的高度，观察火焰高度直至火焰高度最高处停止，记录此时聚焦镜到焊接平面的高度h1；

22)、选取合适的能量，以h1为中心按一定步距改变聚焦镜到焊接平面的高度，并进行焊接，保存焊接样品并记录相应高度；

23)、检测对应于中间高度的多个焊接样品的背痕及焊点，背痕成形最明显、且焊点面积最小的焊接样品所对应的高度即为聚焦镜的焦点。

4.根据权利要求3所述的激光焊接薄板铝材的方法，其特征在于：所述步骤21)中激光的出光频率为1-2Hz，所述步骤22)中的步距为0.05mm。

5.根据权利要求2所述的激光焊接薄板铝材的方法，其特征在于：所述第一步中的光斑不大于0.5mm。

6.根据权利要求2-5任一所述的激光焊接薄板铝材的方法，其特征在于：所述第三步中单次焊接的能量波形为：第一波形或第二波形或第三波形，所述第一波形在t1时段，能量从0上升到第一功率；在t2时段，能量保持在第一功率；在t3时段，能量下降至第二功率；在t4时段，能量下降至第三功率；在t4时段结束时能量下降为0；

所述第二波形在t1时段，能量从0上升到第一功率；在t2时段，能量保持在第一功率；在t3时段，能量下降至0；

所述第三波形在t1时段，能量从0上升到第一功率；在t2时段，能量保持在第一功率；在t2时段结束时能量下降为0。

7.根据权利要求6所述的激光焊接薄板铝材的方法，其特征在于：所述薄板铝材为电池安全帽。

8.根据权利要求7所述的激光焊接薄板铝材的方法，其特征在于：所述单次焊接的能量波形中的第一功率的调整方法为：

41)、使所述第一功率等于第一预设值，焊接电池安全帽并记录下此时的第一断开压力值；

42)、使所述第一功率增加预设幅度，焊接电池安全帽并记录下此时的第二断开压力值；

43)、判断第二断开压力值是否大于第一断开压力值，如果是则进入44)，如果否则调低所述第一预设值，并重新返回41)；

44)、判断第二断开压力值是否达到要求，如果是则完成了第一功率的调整，如果否则返回42)。

9.根据权利要求7所述的激光焊接薄板铝材的方法，其特征在于：所述焊接位置有至少两个，所述第三步之后还包括调整各焊接位置之间的距离。

10.根据权利要求9所述的激光焊接薄板铝材的方法，其特征在于：每个焊接位置前三次的单次焊接能量是之后的单次焊接能量的70％-90％。

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