CN103361521A - 具有优异激光焊接性能的铝合金板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有优异激光焊接性能的铝合金板及制备方法，成分：Fe1.2~1.8wt%，Mn0.05~0.5wt%，Ti≤0.012wt%，B≤10ppm，余量为Al和不可避免的杂质；或还含有：0.2wt%以下的Si、0.2wt%以下的Cu、0.15wt%以下的Cr中的一种或多种。铝合金板对Nd：YAG脉冲激光的吸收率达到18.8%以上，合金板材具有优异的激光焊接性能，即使脉冲激光焊接的熔深超过0.4mm，也没有异常焊池、飞溅、裂纹产生，同时具有良好的机械性能和成形性能，能满足不同容量规格的锂离子电池壳体的制造要求。

Description

具有优异激光焊接性能的铝合金板及其制备方法

技术领域

本发明涉及动力锂离子电池壳体用铝合金及其板材，尤其涉及一种具有优异激光焊接性能的铝合金板及其制备方法，属于铝合金加工技术领域。

背景技术

目前专门用于电动汽车锂离子电池外壳用的铝合金尚处于研发起始阶段。出于对合金信赖性的考虑，目前国内动力锂离子电池外壳广泛使用1050与3003合金。但上述合金存在有一定的问题：（1）1050合金材质较软，在包装及运输过程中受外力冲撞或挤压后易造成壳口和平面变形；（2）激光焊接时易出现气孔和漏气，品质不良率较高；（3）焊池熔深超过0.35mm时，焊池均匀性显著变差，且飞溅严重，影响壳体的密封性和电池安全性能。

通过对动力锂离子电池制造商的调研了解到，出于提高汽车行驶安全性角度，以及电池增容对外壳减薄的要求，需要有强度更高和激光焊接性能更好的铝合金板材。

尤其是，目前单体容量为60~200Ah乃至更大容量的电池壳壁厚达到1~1.2mm，其封装时焊池熔深需要超过0.5mm。现有的1050、3003合金的激光焊接性能很难满足这种焊接熔深要求，这些合金在焊池熔深达到0.35mm时就会出现严重的飞溅，而且焊池外观变得非常差。

专利申请号为201110083279.0的专利申请公开了一种电池箱用铝合金板以及电池箱，含有0.1~2wt%Fe、0.05~0.5wt%Si、0.05~0.5wt%Mn，合金焊接没有裂纹，但对焊池均匀性不满足要求，尤其是板材深熔焊（熔深达到0.4mm以上）特性不明。

专利申请号为200810129598.9的专利申请公开了一种激光可焊性优良的电池壳体盖用铝合金板材，含有1.4~2wt%Fe、0.3wt%以下的Si、0.2wt%以下的Cu、0.2wt%以下的Mg。该合金适合制造手机或笔记本电脑等用的小型锂离子电池壳体及盖，对焊池均匀性没做要求，是否能满足动力电池壳体盖的激光焊接性能不明。

专利号为200610146750.5、200710300846.7以及申请号为201010573300.0的专利公开了电池盖板用铝合金，含有1.15~1.35 wt%Fe、0.4~0.6wt%Mn、0.005~015wt%Ti、0.0005~0.05wt%B。该合金适于制造电池盖板，但能否满足电池壳的焊接要求不明。

上述专利提到的铝合金板用来作为动力锂离子电池（尤其是大容量锂离子电池）壳体盖用材料均未具备必须满足的特性，尤其是能否在焊池熔深达到0.4mm以上时依旧保持良好的均匀性。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光焊接性能优异的铝合金板及其制备方法，其具有优异的脉冲激光焊接性能，在焊池熔深0.4mm以下，没有任何异常焊池、裂纹发生，即使焊池的熔深超过0.4mm，也没有异常焊池、飞溅、裂纹产生；同时具有良好的机械性能和成形性能，满足不同容量的锂离子电池壳体的制造要求。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

具有优异激光焊接性能的铝合金板，其成分的质量百分含量为：Fe 1.2~1.8wt%，Mn 0.05~0.5wt%，Ti ≤0.012wt%，B ≤10ppm，余量为Al和不可避免的杂质。

进一步地，上述的具有优异激光焊接性能的铝合金板，所述合金成分还含有：0.2wt%以下的Si、0.2wt%以下的Cu、0.15wt%以下的Cr中的一种或多种。

更进一步地，上述的具有优异激光焊接性能的铝合金板，所述铝合金板对Nd：YAG脉冲激光吸收率在18.8%以上。

再进一步地，上述的具有优异激光焊接性能的铝合金板，所述铝合金板材在脉冲激光焊接熔深0.4mm以下，无任何异常焊池、裂纹发生，即使焊池的熔深超过0.4mm，也无异常焊池、飞溅、裂纹产生。

再进一步地，上述的具有优异激光焊接性能的铝合金板，铝合金板材O态抗拉强度≥105MPa，延伸率≥40%；H14态抗拉强度≥160MPa，延伸率≥10% 。

本发明具有优异激光焊接性能的铝合金板的制备方法，先将纯铝、各种中间合金按配比熔化，熔体经精炼处理后利用半连铸设备铸造出铸锭；将铸锭铣面后在箱式炉中以低于100℃/h的加热速率升温到550~610℃保温1h或以上，再以低于100℃/h的冷却速率降温到450~550℃并保温1h或以上，然后进行热轧；将热轧板冷轧到需要厚度，对获得的冷轧板以低于100℃/h的加热速率升温并在350~420℃退火1h或以上，板材退火后空冷，获得O态板材；或者，将冷轧板以500℃/min以上的加热速率升温到450~550℃保温30~90s进行退火，获得O态板材；再或者，将冷轧板以低于100℃/h的加热速率升温到350~420℃保温1h或以上进行退火，再冷轧到需要的厚度，获得H14态板材。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

①通过控制Ti、B元素成分范围，防止焊接过程中异常焊池、飞溅的产生，使铝合金板具有优异的激光焊接性能； 

②通过控制Fe、Mn元素成分范围，保证铝合金板具有较高的强度；

③Si元素的加入，与Fe、Mn形成Al（FeMn）Si化合物，增加化合物数量，有利于电池壳体的冲压成型；

④Cr元素的加入，细化晶粒，有利于提高板材的机械性能；

⑤Cu元素的加入，提高合金的强度和蠕变特性；

⑥铝合金板材对Nd：YAG脉冲激光吸收率达到18.8%以上，满足大容量锂离子电池壳的制造、焊接要求，即使焊池的熔深超过0.4mm，也没有异常焊池、飞溅、裂纹产生。

具体实施方式

具有优异激光焊接性能的铝合金板，其成分的质量百分含量为：Fe 1.2~1.8wt%，Mn 0.05~0.5wt%，Ti ≤0.012wt%，B ≤10ppm，余量为Al和不可避免的杂质。理想的是，合金成分还含有：0.2wt%以下的Si、0.2wt%以下的Cu、0.15wt%以下的Cr中的一种或多种。

本发明的铝合金板，以Fe、Mn、Ti、B在特定含量范围内，余量由Al和不可避免的杂质组成的。

Fe、Mn：合金强化元素，并能与Al形成细小的金属间化合物，细化晶粒，利于冲压成形性能。Fe、Mn含量不足，达不到需要的强度。Fe、Mn含量过多时，会形成粗大的金属间化合物，不利于板材的性能。

Ti、B：是影响激光焊接异常焊池、飞溅的关键元素，控制在较低水平时，可以使合金具有优异的激光焊接性能。Ti、B含量较高时，合金的激光焊接性能明显下降。

铝合金板材对Nd：YAG脉冲激光吸收率达到18.8%以上（激光吸收率采用紫外-可见近红外分光光度计测试，测试光斑直径为1mm，波长为1060nm，即Nd：YAG脉冲激光的波长）。吸收率大，有利于铝合金板材的焊接，可以在较小的激光能量下就获得焊接要求。吸收率小，难以获得更深的焊池熔深，或者说，为达到更深的熔深需要采用更大的激光能量，而激光能量的增加对焊池均匀性不利，且容易造成飞溅。

合金中还可以含有Si、Cu、Cr元素中的一种或几种。Si：能与Al、Fe、Mn形成Al（FeMn）Si化合物，增加金属间化合物数量，有利于电池壳体的冲压成型。Si含量过多，对合金成形不利，也会恶化合金的激光焊接性能。Cu：有利于提高合金的强度或蠕变特性；含量过高时，会使焊接裂纹产生倾向增大。Cr：能细化晶粒；含量过高时，易形成粗大的化合物，降低成型性。

制备出的板材激光焊性能优异，对激光焊接设备和焊接工艺参数适用性强。在焊池熔深0.4mm以下，没有任何异常焊池、裂纹发生，即使焊池的熔深超过0.4mm，也没有异常焊池、飞溅、裂纹产生。能满足大容量电池对焊池均匀性、熔深的要求，以及有利于提高电池封装成品率。

制备出的板材O态抗拉强度≥105MPa，延伸率≥40%；H14态抗拉强度≥160MPa，延伸率≥10%。保证优良的加工成形性能和壳体强度要求，提高冲制效率。强度偏低，不利于冲制，且电池在使用过程中易出现鼓包现象。延伸率偏小，不利于板材的加工成形，容易造成冲制时壳体开裂。

本发明合金板材的制备工艺为：先将纯铝、各种中间合金按配比熔化，熔体经精炼处理后利用半连铸设备铸造出铸锭；将铸锭铣面后在箱式炉中以不高于100℃/h的加热速率升温到550~610℃保温1h或以上，再以不高于100℃/h的冷却速率降温到450~550℃并保温1h或以上，然后进行热轧；将热轧板冷轧到需要厚度，对获得的冷轧板以不高于100℃/h的加热速率升温并在350~420℃退火1h或以上，板材退火后空冷，获得O态板材。或者，将冷轧板以500℃/min以上的加热速率升温到450~550℃保温30~90s进行退火，获得O态板材。再或者，将冷轧板以不高于100℃/h的加热速率升温到350~420℃保温1h或以上进行退火，再冷轧到需要的厚度（冷轧加工率控制在30~45%范围内），获得H14态板材。

实施例

熔铸出表1所给合金，将合金铸锭以50℃/h的升温速率从室温升温至600℃并保温2h，再以50℃/h的速率降温到500℃保温2h，然后进行热轧；再将热轧板冷轧到1.0mm厚度，对冷轧板以30℃/h的速率升温到380℃保温1h后空冷，最终得到需要的板材。

表1

表2给出了表1中各合金板材的抗拉强度、延伸率和脉冲激光焊接性能的评价结果。

  表2

 备注：1）脉冲激光焊接性能是在焊池熔深在0.4~0.6mm范围内进行评价的；

2）通过光学显微镜观察焊池表面，焊池没有飞溅的为“O”，发生飞溅的为“×”；

3）通过光学显微镜观察焊池表面，焊池均匀性优异的为“O”，一般的为“△”，差的为“×”；

4）通过光学显微镜观察焊池表面，焊池没有裂纹的为“O”，发生裂纹的为“×”。

由表1和表2可以比较出，本发明通过控制合金成分，采用科学制备方法，在保证合金较高强度的基础上，提高了合金的激光焊接性能。合金板材具有优异的激光焊接性能，即使脉冲激光焊接的熔深超过0.4mm，也没有异常焊池、飞溅、裂纹产生，同时具有良好的机械性能和成形性能，能满足不同容量规格的锂离子电池壳体的制造要求。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (6)

1.具有优异激光焊接性能的铝合金板，其特征在于其成分的质量百分含量为：Fe 1.2~1.8wt%，Mn 0.05~0.5wt%，Ti ≤0.012wt%，B ≤10ppm，余量为Al和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的具有优异激光焊接性能的铝合金板，其特征在于：所述合金成分还含有：0.2wt%以下Si、0.2wt%以下Cu、0.15wt%以下Cr中的一种或多种。

3.根据权利要求1或2所述的具有优异激光焊接性能的铝合金板，其特征在于：所述铝合金板材O态抗拉强度≥105MPa，延伸率≥40%；H14态抗拉强度≥160MPa，延伸率≥10%。

4.根据权利要求1或2所述的具有优异激光焊接性能的铝合金板，其特征在于：所述铝合金板对Nd：YAG脉冲激光吸收率在18.8%以上。

5.根据权利要求1或2所述的具有优异激光焊接性能的铝合金板，其特征在于：所述铝合金板材在脉冲激光焊接熔深0.4mm以下，无任何异常焊池、裂纹发生，即使焊池的熔深超过0.4mm，也无异常焊池、飞溅、裂纹产生。

6.权利要求1所述的具有优异激光焊接性能的铝合金板的制备方法，其特征在于：先将纯铝、各种中间合金按配比熔化，熔体经精炼处理后利用半连铸设备铸造出铸锭；将铸锭铣面后在箱式炉中以低于100℃/h的加热速率升温到550~610℃保温1h或以上，再以低于100℃/h的冷却速率降温到450~550℃并保温1h或以上，然后进行热轧；将热轧板冷轧到需要厚度，对获得的冷轧板以低于100℃/h的加热速率升温并在350~420℃退火1h或以上，板材退火后空冷，获得O态板材；或者，将冷轧板以500℃/min以上的加热速率升温到450~550℃保温30~90s进行退火，获得O态板材；再或者，将冷轧板以低于100℃/h的加热速率升温到350~420℃保温1h或以上进行退火，再冷轧到需要的厚度，获得H14态板材。