CN114986001A - 一种超薄板异种金属焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超薄板异种金属焊接方法，包括以下步骤：使用清洗剂对第一待焊工件和第二待焊工件进行超声清洗预定时间；将所述第一待焊工件和所述第二待焊工件装配在焊接夹具上；控制环形激光设备将输出的激光束投射于所述第一待焊工件的上表面形成混合光斑，并控制所述混合光斑按照具有预定螺旋线直径和预定螺距的螺旋线路径对预定焊接点依次进行点焊。通过采用环形激光设备按照螺旋线路径对预定焊接点依次进行点焊，并通过控制热输入来控制铜的熔化量，达到减少金属间化合物的目的。由于环形激光设备输出的光斑为混合光斑，所以在中心处为熔化焊接头，在螺旋间隔内为熔钎焊接头，大大提高了加工效率。
Description
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域，尤其涉及一种超薄板异种金属焊接方法。
背景技术
锂离子电池具有能量比较高、使用寿命长、额定电压高、具备高功率承受力、重量轻、绿色环保等优点，可以实现稳定、便捷、轻量化等技术指标，所以现在主流的新能源汽车采用的动力电源为锂离子电池(磷铁酸锂电池、三元锂电池)。目前新能源汽车动力源主要采用的是动力电池PACK，动力电池包是由大量的电芯连接而成，对于具有较大能量密度的锂电芯，其极耳通常是铝和铜。用来连接电极的BUSBAR材料有铝、铜、镀镍铜等。电池极耳与电池极耳的连接，以及极耳与BUSBAR的连接都是铝铜的异种金属连接。由于铝与铜两种金属的热物理性能相差较大，例如熔点、热膨胀系数、热导率等，所以焊接后容易出现焊接缺陷。在熔化过程中，液态金属铝与液态金属铜相互扩散会产生多种硬、脆、电阻大的金属间化合物，力学性能和电学性能较差。
激光具有聚焦光斑尺寸微小、光束可达性好、热输入精确可控的优点，所以被广泛应用于精密制造业。目前，应用于超薄铝铜板异种焊接的方法主要为激光缝焊，其中包括激光熔化焊接、激光熔钎焊接。激光熔化焊接采用铝上铜下的搭接模式，使光束聚焦在铝板的上表面。激光熔化铝和部分铜形成焊缝。而激光熔钎焊接，使用振镜扫描系统使得聚焦光束在激光行进方向上形成相叠加的圆形轨迹，在这个过程中铝发生熔化而铜不熔化。
现有的激光熔化焊接、激光熔钎焊接分别采用了熔化焊与钎焊原理。熔化焊过程中，接头中铜的质量分数一般都在30％左右、不可避免地产生金属间化合物。接头的静载荷强度会随金属间化合物的增加而下降，在金属间化合物层处于连续致密状时接头静载荷强度下降尤为严重。激光熔钎焊的扫描路径呈圆形叠加状，在加工过程中加工效率低，接头强度不高。
发明内容
本发明提供一种超薄板异种金属焊接方法，用以解决现有的激光焊接技术存在金属间化合物多，焊点强度低焊接效率低以及焊点电阻大的问题。
本发明提供一种超薄板异种金属焊接方法，包括以下步骤：
步骤100，使用清洗剂对第一待焊工件和第二待焊工件进行超声清洗预定时间；
步骤200，将所述第一待焊工件和所述第二待焊工件装配在焊接夹具上，其中，所述第一待焊工件位于所述第二待焊工件的上部；
步骤300，控制环形激光设备将输出的激光束投射于所述第一待焊工件的上表面形成混合光斑，并控制所述混合光斑按照具有预定螺旋线直径和预定螺距的螺旋线路径对预定焊接点依次进行点焊。
根据本发明实施例提供的一种超薄板异种金属焊接方法，在执行所述步骤300的同时还执行以下步骤：
采用旁轴保护的方式对处于焊接的所述预定焊接点施加保护气体。
根据本发明实施例提供的一种超薄板异种金属焊接方法，在执行所述步骤200之前还执行以下步骤：
使用压缩空气将所述第一待焊工件和所述第二待焊工件表面的清洗剂吹干。
根据本发明实施例提供的一种超薄板异种金属焊接方法，所述第一待焊工件为铝板，所述第二待焊工件为铜板，所述第二待焊工件表面镀有镍层。
根据本发明实施例提供的一种超薄板异种金属焊接方法，所述镍层的厚度为2-5μm。
根据本发明实施例提供的一种超薄板异种金属焊接方法，所述预定螺旋线直径为0.6-0.9mm，所述预定螺距为0.06-0.09mm。
根据本发明实施例提供的一种超薄板异种金属焊接方法，所述混合光斑的环形光斑的直径为60-90μm，所述混合光斑的中心光斑的直径为20-30μm。
根据本发明实施例提供的一种超薄板异种金属焊接方法，相邻两个所述预定焊接点之间的距离为2mm-4mm。
根据本发明实施例提供的一种超薄板异种金属焊接方法，所述环形激光设备输出的激光功率为250-350W，所述环形激光设备的焊接速度为300-800mm/s，所述环形激光设备的离焦量为0。
根据本发明实施例提供的一种超薄板异种金属焊接方法，所述保护气体的流量为15-25L/min。
本发明实施例提供的超薄板异种金属焊接方法，通过采用环形激光设备按照螺旋线路径对预定焊接点依次进行点焊，并通过控制热输入来控制铜的熔化量，达到减少金属间化合物的目的。由于环形激光设备输出的光斑为由中心光斑和环形光斑组成的混合光斑，所以在中心处为熔化焊接头，在螺旋间隔内为熔钎焊接头，从而形成有别于传统焊点呈混合接头形式，混合接头性能良好，大大提高了加工效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的超薄板异种金属焊接方法的焊接过程示意图；
图2是本发明实施例提供的使用超薄板异种金属焊接方法焊接之后工件的截面扫描图。
附图标记：
110、第一待焊工件；120、第二待焊工件；130、焊接夹具；140、激光束；150、预定焊接点；160、保护气体；170、夹持力。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
在介绍本发明实施例的超薄板异种金属焊接方法之前，先对相关术语进行说明。
超薄板：厚度小于等于0.2mm的金属板材。
螺旋点焊：采用螺旋线的扫描方式熔化母材形成焊点的焊接方式。
环形光束可调激光器：可以实现高斯光斑、环形光斑、混合光斑等不同模式输出，根据加工要求，任意切换输出模式。同时，纤芯、环芯功率可独立调节。
金属间化合物：由两个或更多的金属组元或类金属组元按比例组成的具有金属基本特性和不同于其组元的长程有序晶体结构的化合物。
图1示例了本发明实施例提供的超薄板异种金属焊接方法的焊接过程示意图，图2示例了本发明实施例提供的使用超薄板异种金属焊接方法焊接之后的截面扫描图，如图1和图2所示，超薄板异种金属焊接方法包括以下步骤：
步骤100，使用清洗剂对第一待焊工件110和第二待焊工件120进行超声清洗预定时间；
使用清洗剂对第一待焊工件110和第二待焊工件120进行超声清洗的目的在于去除工件表面的杂质，防止对焊接效果造成影响。本实施例中预定时间为10min，当然，预定时间并不限定于此，具体根据超声清洗设备的功率，以及第一待焊工件110和第二待焊工件120表面干净程度进行确定。清洗剂为无水乙醇，当然，清洁剂的类型并不限定于此，清洗剂还可以为与无水乙醇具有相同功能的其他液体清洗剂。
步骤200，将第一待焊工件110和第二待焊工件120装配在焊接夹具130上，其中，第一待焊工件110位于第二待焊工件120的上部；
将第一待焊工件110和第二待焊工件120装配在焊接夹具130上的目的在于，使得第一待焊工件110的下表面与第二待焊工件120的上表面贴合紧密，确保第一待焊工件110和第二待焊工件120焊接效果更好。本实施例中第一待焊工件110和第二待焊工件120的长度均为60mm，第一待焊工件110和第二待焊工件120的宽度均为15mm，第一待焊工件110和第二待焊工件120的厚度均为0.2mm。当然，第一待焊工件110和第二待焊工件120的尺寸并不限定于此，具体根据实际需要进行确定。焊接夹具130对第一待焊工件110和第二待焊工件120的夹持力170设置为150kg。
步骤300，控制环形激光设备将输出的激光束140投射于第一待焊工件110的上表面形成混合光斑，并控制混合光斑按照具有预定螺旋线直径和预定螺距的螺旋线路径对预定焊接点150依次进行点焊。
环形激光设备包括环形光束可调激光器与二维振镜，环形光束可调激光器输出的激光束140可通过二维振镜投射于第一待焊工件110的上表面形成混合光斑，混合光斑由中心光斑和位于中心光斑外周的环形光斑构成。本发明不同于现有的激光缝焊的焊接接头，通过对二维振镜进行控制，使得激光束140按照螺旋线的扫描路径高速扫描形成焊点，提高了焊接效率。通过对环形光束可调激光器进行调节，实现控制热输入来控制铜的熔化量，达到减少金属间化合物的目的，使得金属间化合物层的厚度约为2-3μm。
本发明实施例提供的超薄板异种金属焊接方法，通过采用环形激光设备按照螺旋线路径对预定焊接点150依次进行点焊，并通过控制热输入来控制铜的熔化量，达到减少金属间化合物的目的。由于环形激光设备输出的光斑为由中心光斑和环形光斑组成的混合光斑，所以在中心处为熔化焊接头，在螺旋间隔内为熔钎焊接头，从而形成有别于传统焊点呈混合接头形式，混合接头性能良好，大大提高了加工效率。
可以理解的是，在执行步骤300的同时还执行以下步骤：
采用旁轴保护的方式对处于焊接的预定焊接点150施加保护气体160，通过在焊接过程中对焊接点施加保护气具有以下作用：1、吹入保护气体160会有效保护焊缝熔池减少甚至避免被氧化；2、吹入保护气体160可以有效减小焊接过程中产生的飞溅；3、吹入保护气体160可以使得焊点成型均匀美观；4、吹入保护气体160可以有效减小金属蒸汽或者等离子云对激光的屏蔽作用，增大激光的有效利用率；5、吹入保护气体160可以有效减少焊缝气孔。保护气体160的流量为15-25L/min，优选项为20L/min。
可以理解的是，在执行步骤200之前还执行以下步骤：
使用压缩空气将第一待焊工件110和第二待焊工件120表面的清洗剂吹干，将清洗剂吹干的目的在于避免清洗剂对激光焊接产生影响，影响焊接效果，当然清洗剂的去除方式并不限定于此，也可采用烘干、自然风干或者擦拭等方式。
可以理解的是，第一待焊工件110为铝板，第二待焊工件120为铜板，第二待焊工件120表面镀有镍层。在铜板的表面镀镍层的目的在于镍层可以提高激光吸收率，减少铝铜金属间化合物的生成。镍层的厚度为2-5μm，镍层的具体厚度根据实际需要进行确定。
可以理解的是，预定螺旋线直径为0.6-0.9mm，优选项为0.8mm。预定螺距为0.06-0.09mm，优选项为0.08mm。焊接过程中通过对预定螺旋线直径、预定螺距、激光功率、扫描速度和焊点分布等参数进行控制，既可以保证接头的剪切强度，又可以对铜熔化量进行控制，最大程度的减少铝铜金属间化合物的生成，使得金属间化合物层的厚度只有2-3μm，提高焊点强度，减小焊点电阻。应用于动力电池铝/铜异种金属极耳焊接，能够提升电池电学性能及稳定性。
可以理解的是，混合光斑的环形光斑的直径为60-90μm，优选地，环形光斑的直径为75μm。混合光斑的中心光斑的直径为20-30μm，优选地，中心光斑的直径为25μm。不同于传统焊头，本发明的混合光斑由中心光斑和环形光斑组成，中心处为熔化焊接头，在螺旋间隔内为熔钎焊接头，从而形成熔化焊与熔钎焊的混合接头，混合接头性能良好，大大提高了加工效率。由于螺旋扫描点焊的热输入减小，接头力学性能有一定的提高，同时加工效率大大提高。
可以理解的是，如图1和图2所示，相邻两个预定焊接点150之间的距离为2mm-4mm，本实施例中沿着第一待焊工件110的宽度方向设置有三个预定焊接点150，当然预定焊接点150的数量并不限定于此，具体根据第一待焊工件110的宽度进行确定。图2中向下凹陷的位置为预定焊接点150焊接之后的效果，从图中可以看到金属间化合物减少，因此提高焊点强度，减小焊点电阻。
可以理解的是，环形激光设备输出的激光功率为250-350W，环形激光设备的焊接速度为300-800mm/s，环形激光设备的离焦量为0。
下面结合图1至图2描述本发明的一个具体实施例：超薄板异种金属焊接方法包括以下步骤：
步骤100，使用清洗剂对第一待焊工件110和第二待焊工件120进行超声清洗预定时间；
步骤200，使用压缩空气将第一待焊工件110和第二待焊工件120表面的清洗剂吹干。
步骤300，将第一待焊工件110和第二待焊工件120装配在焊接夹具130上，其中，第一待焊工件110位于第二待焊工件120的上部；
步骤400，控制环形激光设备将输出的激光束140投射于第一待焊工件110的上表面形成混合光斑，并控制混合光斑按照具有预定螺旋线直径和预定螺距的螺旋线路径对预定焊接点150依次进行点焊。同时，采用旁轴保护的方式对处于焊接的预定焊接点150施加保护气体160。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种超薄板异种金属焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤100，使用清洗剂对第一待焊工件和第二待焊工件进行超声清洗预定时间；
步骤200，将所述第一待焊工件和所述第二待焊工件装配在焊接夹具上，其中，所述第一待焊工件位于所述第二待焊工件的上部；
步骤300，控制环形激光设备将输出的激光束投射于所述第一待焊工件的上表面形成混合光斑，并控制所述混合光斑按照具有预定螺旋线直径和预定螺距的螺旋线路径对预定焊接点依次进行点焊。
2.根据权利要求1所述的超薄板异种金属焊接方法，其特征在于，在执行所述步骤300的同时还执行以下步骤：
采用旁轴保护的方式对处于焊接的所述预定焊接点施加保护气体。
3.根据权利要求1所述的超薄板异种金属焊接方法，其特征在于，在执行所述步骤200之前还执行以下步骤：
使用压缩空气将所述第一待焊工件和所述第二待焊工件表面的清洗剂吹干。
4.根据权利要求1所述的超薄板异种金属焊接方法，其特征在于，所述第一待焊工件为铝板，所述第二待焊工件为铜板，所述第二待焊工件表面镀有镍层。
5.根据权利要求4所述的超薄板异种金属焊接方法，其特征在于，所述镍层的厚度为2-5μm。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的超薄板异种金属焊接方法，其特征在于，所述预定螺旋线直径为0.6-0.9mm，所述预定螺距为0.06-0.09mm。
7.根据权利要求1至5中任意一项所述的超薄板异种金属焊接方法，其特征在于，所述混合光斑的环形光斑的直径为60-90μm，所述混合光斑的中心光斑的直径为20-30μm。
8.根据权利要求1至5中任意一项所述的超薄板异种金属焊接方法，其特征在于，相邻两个所述预定焊接点之间的距离为2mm-4mm。
9.根据权利要求1至5中任意一项所述的超薄板异种金属焊接方法，其特征在于，所述环形激光设备输出的激光功率为250-350W，所述环形激光设备的焊接速度为300-800mm/s，所述环形激光设备的离焦量为0。
10.根据权利要求1至5中任意一项所述的超薄板异种金属焊接方法，其特征在于，所述保护气体的流量为15-25L/min。
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