CN116727864B - 一种压铸铝合金电池包托盘的复合焊接工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复合焊接技术领域，具体涉及一种压铸铝合金电池包托盘的复合焊接工艺，可以减少焊接过程中外部气体进入熔池的时间，此外通过超高频脉冲电弧焊枪的电磁搅拌增强了熔池流动性，使得液态金属有更长的时间向焊缝两边铺展，增加了焊缝熔池的长度和宽度，在均质金属的同时增加了熔池中气体逸出的时间和面积，优化焊缝组织，减少气体残留，使焊缝气孔率降低至1%以下，同时抑制高速焊接时产生的咬边问题，焊缝成形良好，焊缝组织致密均匀，强度可达母材的90%以上，且焊接速度的提升使得整个焊接效率相比于现有焊接工艺大幅提高，提升了生产效率，降低了焊接成本。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体为一种压铸铝合金电池包托盘的复合焊接工艺。
背景技术
传统铝合金电池托盘采用挤压型材拼焊工艺，其主要问题在于一方面焊接工序较多，产品精度很难控制，制造工序繁杂，托盘质量控制具有较大难度且生产周期较长；另一方面因现有工艺限制，难以进一步进行轻量优化。因此，许多电池制造厂商都提出了制造铝合金电池托盘新方法的需求。
压铸铝合金可以避免组装焊缝数量过多的缺点，但由于尺寸的限制仍然需要焊接，且现有的焊接工艺焊接速度较慢，焊接时熔焊的高温会导致焊接热影响区产生表面鼓泡现象，焊缝和熔合区还会由于气体释放和膨胀而导致严重的气孔缺陷，除此之外，氢元素还会在热影响区引起氢的集聚，产生晶间气孔，破坏焊接接头组织，这些因素都阻碍了压铸铝合金焊接性能的提升。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明的主要目的是提出一种压铸铝合金电池包托盘的复合焊接工艺，具体技术方案如下：
一种压铸铝合金电池包托盘的复合焊接工艺，采用激光-电弧复合焊接工艺实现压铸铝合金工件的焊接，以焊接方向为前方，实现激光焊接的激光头在前，电弧焊接的电弧焊枪在后，焊接速度≥8m/min，且激光焊接作用于压铸铝合金工件的热源与电弧焊接作用于压铸铝合金工件的热源的间距为1~3mm。
作为本发明所述的一种压铸铝合金电池包托盘的复合焊接工艺的优选方案，其中：压铸铝合金工件为2~6个。
作为本发明所述的一种压铸铝合金电池包托盘的复合焊接工艺的优选方案，其中：激光焊接的功率为2000~4000W，离焦量为0~5mm。
作为本发明所述的一种压铸铝合金电池包托盘的复合焊接工艺的优选方案，其中：电弧焊枪的焊接电流与压铸铝合金工件的焊接部位的厚度之比为40~53A/mm。
作为本发明所述的一种压铸铝合金电池包托盘的复合焊接工艺的优选方案，其中：电弧焊枪的氩气流量为15~20L/min，背部保护的氩气流量为15~20L/min。
作为本发明所述的一种压铸铝合金电池包托盘的复合焊接工艺的优选方案，其中：激光焊接的激光头的底端与压铸铝合金工件的垂直距离为200~220mm，电弧焊接的电弧焊枪的底端与压铸铝合金工件的垂直距离为2~3mm。
作为本发明所述的一种压铸铝合金电池包托盘的复合焊接工艺的优选方案，其中：焊接过程中，以焊接方向为前方，激光头向后方倾斜，且其中心轴线与垂直于压铸铝合金工件表面的法线方向的夹角θ为8~10°，电弧焊枪的头部向前方倾斜，其中心轴线与压铸铝合金工件表面之间的夹角β为50~60°。
作为本发明所述的一种压铸铝合金电池包托盘的复合焊接工艺的优选方案，其中：电弧焊枪为输出脉冲电流频率为15~30kHz的超高频脉冲电弧焊枪。
作为本发明所述的一种压铸铝合金电池包托盘的复合焊接工艺的优选方案，其中：焊接采用无坡口对接焊，焊接部位厚度为3~5mm，压铸铝合金工件之间的焊接间隙为0~0.1mm。
作为本发明所述的一种压铸铝合金电池包托盘的复合焊接工艺的优选方案，其中：焊接前采用激光清洗压铸铝合金工件焊接部位直至露出金属光泽。
本发明的有益效果如下：
本发明提出一种压铸铝合金电池包托盘的复合焊接工艺，采用激光-电弧复合焊接工艺实现压铸铝合金工件的焊接，以焊接方向为前方，实现激光焊接的激光头在前，电弧焊接的电弧焊枪在后，焊接速度≥8m/min，且激光焊接作用于压铸铝合金工件的热源与电弧焊接作用于压铸铝合金工件的热源的间距为1~3mm，本发明复合焊接工艺减少了焊接过程中外部气体进入熔池的时间，并通过超高频脉冲电弧焊枪的电磁搅拌增强熔池流动性，使得液态金属有更长的时间向焊缝两边铺展，增加了焊缝熔池的长度和宽度，在均质金属的同时增加了熔池中气体逸出的时间和面积，优化焊缝组织，减少气体残留，使焊缝气孔率降低至1%以下，同时抑制高速焊接时产生的咬边问题，焊缝成形良好，焊缝组织致密均匀，强度可达母材的90%以上，且焊接速度的提升使得整个焊接效率相比于现有焊接工艺大幅提高，提升了生产效率，降低了焊接成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明复合焊接工艺焊接状态示意图；
图2为本发明实施例1的焊缝示意图。
1-激光头，2-电弧焊枪，3-压铸铝合金工件。
具体实施方式
下面将结合实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
如图1所示，一种压铸铝合金电池包托盘的复合焊接工艺，采用激光-电弧复合焊接工艺实现压铸铝合金工件3的焊接，以焊接方向为前方，实现激光焊接的激光头1在前，电弧焊接的电弧焊枪2在后，焊接速度≥8m/min，且激光焊接作用于压铸铝合金工件3的热源与电弧焊接作用于压铸铝合金工件3的热源的间距D为1~3mm。具体的，焊接速度可以为例如但不限于8m/min、8.5m/min、9m/min、9.5m/min、10m/min等等，激光焊接作用于压铸铝合金工件3的热源与电弧焊接作用于压铸铝合金工件3的热源的间距D可以为例如但不限于1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm中的任意一者或任意两者之间的范围；本发明通过固定激光头1和电弧焊枪2，移动压铸铝合金工件3实现对压铸铝合金工件3的焊接。激光作为主热源对焊缝起到熔透的作用，本发明采用单束激光即可，保证焊接区域精确控制的前提下实现更优的焊接效果；电弧主要是起到预热及熔池搅拌作用，同时还有熔化焊丝填充金属的作用。
优选的，压铸铝合金工件3为2~6个，具体可以根据电池包托盘成品的尺寸需求和压铸铝合金工件3的尺寸进行调整；
优选的，激光焊接的功率为2000~4000W，离焦量为0~5mm；具体的，激光焊接的功率可以为例如但不限于2000W、2500W、3000W、3500W、4000W中的任意一者或任意两者之间的范围，离焦量可以为例如但不限于0mm、0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm中的任意一者或任意两者之间的范围。
优选的，电弧焊枪2的焊接电流与压铸铝合金工件3的焊接部位的厚度之比为40~53A/mm。具体的，电弧焊枪2的焊接电流与压铸铝合金3工件的焊接部位的厚度之比可以为例如但不限于40A/mm、45A/mm、50A/mm、53A/mm中的任意一者或任意两者之间的范围；
优选的，电弧焊枪2的氩气流量为15~20L/min，背部保护的氩气流量为15~20L/min。具体的，电弧焊枪2的氩气流量可以为例如但不限于15L/min、16L/min、17L/min、18L/min、19L/min、20L/min中的任意一者或任意两者之间的范围；背部保护的氩气流量可以为例如但不限于15L/min、16L/min、17L/min、18L/min、19L/min、20L/min中的任意一者或任意两者之间的范围；氩气为纯度为99.9％的氩气。
优选的，激光焊接的激光头1的底端与压铸铝合金工件3焊接部位的垂直距离为200~220mm，电弧焊接的电弧焊枪2的底端与压铸铝合金工件3焊接部位的垂直距离为2~3mm。具体的，激光焊接的激光头1的底端与压铸铝合金工件3焊接部位的垂直距离可以为例如但不限于200mm、205mm、210mm、215mm、220mm中的任意一者或任意两者之间的范围；电弧焊接的电弧焊枪2的底端与压铸铝合金工件3焊接部位的垂直距离可以为例如但不限于2mm、2.1mm、2.2mm、2.3mm、2.4mm、2.5mm、2.6mm、2.7mm、2.8mm、2.9mm、3mm中的任意一者或任意两者之间的范围。
优选的，焊接过程中，以焊接方向为前方，激光头1向后方倾斜，且其中心轴线与垂直于压铸铝合金工件3表面的法线方向的夹角θ为8~10°，电弧焊枪2的头部向前方倾斜，其中心轴线与压铸铝合金工件3表面之间的夹角β为50~60°。具体的，激光头1中心轴线与垂直于工件的法线方向的夹角θ可以为例如但不限于8°、9°、10°中的任意一者或任意两者之间的范围；电弧焊枪2的中心轴线与压铸铝合金工件3表面之间的夹角β可以为例如但不限于50°、55°、60°中的任意一者或任意两者之间的范围；
优选的，电弧焊枪2为输出脉冲电流频率最大为30kHz的超高频脉冲电弧焊枪2，具体的，电弧焊枪2为输出脉冲电流频率为15~30kHz的超高频脉冲电弧焊枪。
优选的，焊接采用无坡口对接焊，压铸铝合金工件之间的焊接间隙为0~0.1mm；压铸铝合金工件3的焊接部位的厚度为3~5mm，具体的，压铸铝合金工件3的焊接部位的厚度可以为例如但不限于3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm中的任意一者或任意两者之间的范围；
优选的，焊接前采用激光清洗压铸铝合金工件焊接部位直至露出金属光泽。
以下结合具体实施例对本发明技术方案进行进一步说明。
以下各实施例和对比例对C37（AlSi9MnMoZr）压铸铝合金工件进行焊接，C37压铸铝合金板的元素组成如下（质量百分比）：Si 10.5%，Fe 0.15%，Cu 0.05%，Mn 0.45%，Mg0.06%，Zn 0.07%，Sr 0.013%，其他杂质≤0.05%，余量为Al。
实施例1
一种压铸铝合金电池包托盘的复合焊接工艺，采用激光-电弧复合焊接工艺实现2个焊接部位厚度为4mm的C37压铸铝合金工件3的焊接，以焊接方向为前方，实现激光焊接的激光头1在前，实现电弧焊接的电弧焊枪2在后，焊接速度为8m/min，且激光焊接作用于压铸铝合金工件3的热源与电弧焊接作用于压铸铝合金工件3的热源的间距D为3mm；焊接过程中，以焊接方向为前方，激光头1向后方倾斜，且其中心轴线与垂直于压铸铝合金工件3表面的法线方向的夹角θ为8°，电弧焊枪2的头部向前方倾斜，其中心轴线与压铸铝合金工件3表面之间的夹角β为50°；
激光焊接的激光头1的底端与压铸铝合金工件3焊接部位的垂直距离为210mm，激光焊接的功率为2300W，离焦量为0mm；
电弧焊枪2为输出脉冲电流频率为30kHz的超高频脉冲电弧焊枪，电弧焊接的电弧焊枪2的底端与压铸铝合金工件3焊接部位的垂直距离为2mm，电弧焊枪2的焊接电流为165A，电弧焊枪2的氩气流量为15L/min，背部保护的氩气流量为15L/min，氩气为纯度为99.9％的氩气；
焊接前采用激光清洗压铸铝合金工件3焊接部位直至露出金属光泽，焊接采用无坡口对接焊，压铸铝合金工件3之间的焊接间隙为0.05mm，焊接时，固定激光头1和电弧焊枪2，移动压铸铝合金工件3实现对压铸铝合金工件3的焊接，焊接后的焊缝如图2所示，正面焊缝、背面焊缝良好，无明显咬边，未熔合等缺陷。通过对焊缝进行射线检测分析，结果显示焊缝内部气孔率为0.71%。另外本实施例对焊缝进行拉伸试验，结果显示焊缝强度为母材强度的92.33%。
实施例2
一种压铸铝合金电池包托盘的复合焊接工艺，采用激光-电弧复合焊接工艺实现3个焊接部位厚度为3mm的C37压铸铝合金工件3的焊接，以焊接方向为前方，实现激光焊接的激光头1在前，实现电弧焊接的电弧焊枪2在后，焊接速度为9m/min，且激光焊接作用于压铸铝合金工件3的热源与电弧焊接作用于压铸铝合金工件3的热源的间距D为2mm；焊接过程中，以焊接方向为前方，激光头1向后方倾斜，且其中心轴线与垂直于压铸铝合金工件3表面的法线方向的夹角θ为9°，电弧焊枪2的头部向前方倾斜，其中心轴线与压铸铝合金工件3表面之间的夹角β为55°；
实现激光焊接的激光头1的底端与压铸铝合金工件3焊接部位的垂直距离为200mm，激光焊接的功率为2400W，离焦量为5mm；
电弧焊枪2为输出脉冲电流频率为15kHz的超高频脉冲电弧焊枪，实现电弧焊接的电弧焊枪2的底端与压铸铝合金工件3焊接部位的垂直距离为3mm，电弧焊枪2的焊接电流为150A，电弧焊枪2的氩气流量为20L/min，背部保护的氩气流量为20L/min，氩气为纯度为99.9％的氩气；
焊接前采用激光清洗压铸铝合金工件3焊接部位直至露出金属光泽，焊接采用无坡口对接焊，压铸铝合金工件3之间的焊接间隙为0mm，焊接时，固定激光头1和电弧焊枪2，移动压铸铝合金工件3实现对压铸铝合金工件3的焊接，焊接后的正面焊缝、背面焊缝良好，无明显咬边，未熔合等缺陷。通过对焊缝进行射线检测分析，结果显示焊缝内部气孔率为0.63%。另外本实施例对焊缝进行拉伸试验，结果显示焊缝强度为母材强度的93.16%。
实施例3
一种压铸铝合金电池包托盘的复合焊接工艺，采用激光-电弧复合焊接工艺实现6个焊接部位厚度为5mm的C37压铸铝合金工件3的焊接，以焊接方向为前方，实现激光焊接的激光头1在前，电弧焊接的电弧焊枪2在后，焊接速度为9.5m/min，且激光焊接作用于压铸铝合金工件3的热源与电弧焊接作用于压铸铝合金工件3的热源的间距D为1mm；焊接过程中，以焊接方向为前方，激光头1向后方倾斜，且其中心轴线与垂直于压铸铝合金工件3表面的法线方向的夹角θ为10°，电弧焊枪2的头部向前方倾斜，其中心轴线与压铸铝合金工件3表面之间的夹角β为60°；
实现激光焊接的激光头1的底端与压铸铝合金工件3焊接部位的垂直距离为220mm，激光焊接的功率为4000W，离焦量为3mm；
电弧焊枪2为输出脉冲电流频率为20kHz的超高频脉冲电弧焊枪，实现电弧焊接的电弧焊枪2的底端与压铸铝合金工件3焊接部位的垂直距离为2.5mm，电弧焊枪2的焊接电流为200A，电弧焊枪2的氩气流量为15L/min，背部保护的氩气流量为20L/min，氩气为纯度为99.9％的氩气；
焊接前采用激光清洗压铸铝合金工件3焊接部位直至露出金属光泽，焊接采用无坡口对接焊，压铸铝合金工件3之间的焊接间隙为0.1mm，焊接时，固定激光头1和电弧焊枪2，移动压铸铝合金工件3实现对压铸铝合金工件3的焊接，焊接后的正面焊缝、背面焊缝良好，无明显咬边，未熔合等缺陷。通过对焊缝进行射线检测分析，结果显示焊缝内部气孔率为0.75%。另外本实施例对焊缝进行拉伸试验，结果显示焊缝强度为母材强度的92.68%。
对比例1
与实施例1的不同之处在于，不采用电弧焊接，仅采用实施例1中的激光焊接工艺。
焊接后的焊缝内部气孔率为2.35%，另外本对比例对焊缝进行拉伸试验，结果显示焊缝强度为母材强度的78.42%。
对比例2
与实施例1的不同之处在于，不采用激光焊接，仅采用实施例1中的电弧焊接工艺。
焊接后的焊缝内部气孔率为2.23%，另外本对比例对焊缝进行拉伸试验，结果显示焊缝强度为母材强度的80.56%。
对比例3
与实施例1的不同之处在于，焊接过程中，以焊接方向为前方，激光头1向后方倾斜，且其中心轴线与垂直于压铸铝合金工件3表面的法线方向的夹角θ为5°，电弧焊枪2的头部向前方倾斜，其中心轴线与压铸铝合金工件3表面之间的夹角β为40°；
焊接后的焊缝内部气孔率为5.75%，另外本对比例对焊缝进行拉伸试验，结果显示焊缝强度为母材强度的71.22%。
对比例4
与实施例1的不同之处在于，激光焊接的功率为1600W。
焊接后的焊缝未焊透，另外本对比例对焊缝进行拉伸试验，结果显示焊缝强度为母材强度的50.69%。
对比例5
与实施例1的不同之处在于，激光焊接的功率为4500W。
焊接后的焊缝出现了非常严重的咬边及凹陷问题，且焊缝气孔率高达10.15%，另外本对比例对焊缝进行拉伸试验，结果显示焊缝强度为母材强度的61.34%。
对比例6
与实施例1的不同之处在于，电弧焊枪2的焊接电流为130A。
焊接后的焊缝内部气孔率为3.51%，另外本对比例对焊缝进行拉伸试验，结果显示焊缝强度为母材强度的75.24%。
对比例7
与实施例1的不同之处在于，激光焊接作用于压铸铝合金工件3的热源与电弧焊接作用于压铸铝合金工件3的热源的间距D为5mm。
焊接后的焊缝内部气孔率为3.68%，另外本对比例对焊缝进行拉伸试验，结果显示焊缝强度为母材强度的73.18%。
本发明采用激光-电弧复合焊接工艺实现压铸铝合金工件的焊接，以焊接方向为前方，实现激光焊接的激光头在前，电弧焊接的电弧焊枪在后，焊接速度≥8m/min，且激光焊接作用于压铸铝合金工件的热源与电弧焊接作用于压铸铝合金工件的热源的间距为1~3mm，本发明复合焊接工艺可以匹配更快的焊接速度，减少了焊接过程中外部气体进入熔池的时间，此外通过超高频脉冲电弧焊枪的电磁搅拌增强了熔池流动性，使得液态金属有更长的时间向焊缝两边铺展，增加了焊缝熔池的长度和宽度，在均质金属的同时增加了熔池中气体逸出的时间和面积，优化焊缝组织，减少气体残留，且通过优化工艺参数，使焊缝气孔率稳定降低至1%以下，同时抑制高速焊接时产生的咬边问题，焊缝成形良好，焊缝组织致密均匀，强度可稳定达母材的90%以上，且焊接速度的提升使得整个焊接效率相比于现有焊接工艺大幅提高（至少提高了3倍以上），提升了生产效率，降低了焊接成本。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (3)
1.一种压铸铝合金电池包托盘的复合焊接工艺，其特征在于，采用激光-电弧复合焊接工艺实现压铸铝合金工件的焊接，以焊接方向为前方，实现激光焊接的激光头在前，电弧焊接的电弧焊枪在后，焊接速度≥8m/min，且激光焊接作用于压铸铝合金工件的热源与电弧焊接作用于压铸铝合金工件的热源的间距为1~2.5mm；
焊接过程中，以焊接方向为前方，激光头向后方倾斜，且其中心轴线与垂直于压铸铝合金工件表面的法线方向的夹角θ为8~10°，电弧焊枪的头部向前方倾斜，其中心轴线与压铸铝合金工件表面之间的夹角β为50~60°；
激光焊接的功率为2000~4000W，离焦量为0~5mm；
电弧焊枪的焊接电流与压铸铝合金工件的焊接部位的厚度之比为40~53A/mm；
电弧焊枪的氩气流量为15~20L/min，背部保护的氩气流量为15~20L/min；激光焊接的激光头的底端与压铸铝合金工件的垂直距离为200~220mm，电弧焊接的电弧焊枪的底端与压铸铝合金工件的垂直距离为2~3mm；电弧焊枪为输出脉冲电流频率为15~30kHz的超高频脉冲电弧焊枪；焊接采用无坡口对接焊，焊接部位厚度为3~5mm，压铸铝合金工件之间的焊接间隙为0~0.1mm。
2.根据权利要求1所述的压铸铝合金电池包托盘的复合焊接工艺，其特征在于，压铸铝合金工件为2~6个。
3.根据权利要求1所述的压铸铝合金电池包托盘的复合焊接工艺，其特征在于，焊接前采用激光清洗压铸铝合金工件焊接部位直至露出金属光泽。
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