基于MOPA激光器的动力电池防爆阀激光焊接系统

何 琼 杨 晟 吴 轩 雷 波

(1.武汉软件工程职业学院 湖北 武汉：430205；2.武汉逸飞激光设备有限公司 湖北 武汉：430074)

动力电池广泛使用激光焊接技术，例如注液孔焊接、全极耳焊接、壳体与顶盖焊接、防爆阀焊接、PACK电池组焊接。其中防爆阀的激光焊接容易出现过焊穿孔现象，动力电池防爆阀是确保电池安全的重要部件，可有效的防止电池热失控时发生爆炸，动力电池防爆阀是一种厚度在0.08-0.1mm之间纯铝质(AL1060)薄片，铝材对激光的反射率高，必须提高单脉冲能量，能量过大又会造成薄片过焊穿孔[1]。研究了防爆阀的激光焊接工艺，选择MOPA光纤激光器为光源，优化设计了工装夹具，提高了防爆阀薄片和壳体的贴和紧密度，较好解决了过焊穿孔现象，焊接成品率达到99%以上。为提高生产效率采用双工位设计、转盘式工位循环的半自动工作方式，生产效率≥45个/分钟。系统可充分满足方型动力、圆柱型等动力电池防爆阀的焊接生产要求。

1 基本原理与结构

动力电池防爆阀激光焊接系统主要由MOPA光纤激光器、激光焊接头、焊接工作台、焊接夹具组成，如图1所示，其中激光焊接头及激光运动机构如图2所示。

MOPA光纤激光器脉宽和频率独立可调，具有光斑精细，热应力和热影响区小，不容易破坏材料的优点，且可获得较高的焊接速度。

激光焊接头配备水循环冷却，防温度升高影响激光能量稳定，聚焦单元FF=150mm，配置同轴CCD监视系统，监控焊接过程，Z轴手动调节焦距。激光运动机构由X、Y精密二轴焊接工作台构成，控制系统主要由PLC、人机界面等组成，支持激光缓升缓降控制、支持运动速度等焊接参数可调、支持I/O信号测试与监控、支持实时故障报警提示[2]。为提高焊接效率，采用两组夹具轮换工作方式，每组夹具可并排安装8组电池防爆阀，如图3所示。夹具活动块定位到2工位转盘上，转盘由精密间歇凸轮分割器驱动，进行工件上下料与激光焊接工位切换[3]。

图1 动力电池防爆阀激光焊接系统结构图

图2 激光焊接头及激光运动机构

图3 电池防爆阀焊接夹具结构图

2 焊接工艺设计

防爆阀是一种纯铝质(AL1060)薄片，厚度在0.08-0.1mm之间，电池盖板采用厚度2-3mm(AL3003)铝合金材料[4]，防爆阀焊接位置如图4所示，焊缝间隙大约0.05-0.1mm。焊接工艺设计为对接穿透密封焊。

防爆阀焊接过焊穿孔现象主要原因在于：对接穿透密封焊方式，中间空气隙的热传导率远小于金属，上层下表面和下层上表面在间隙消失前，由于激光热源的能量传导守阻，上层表面温度呈现急剧上升过程，易超过沸点形成材料汽化以至孔洞。

必须尽量减小间隙，夹具设计采取真空负压技术，使防爆阀和电池盖板的配合紧密，如图5所示。同时夹具内部还设计有水冷通道，防止防爆阀薄片焊接过程受热变形[5]。

焊接表面的水平度也是影响焊接质量的重要因素，夹具设计防爆阀凸台精确定位电池防爆阀和盖板的位置和水平度，保证夹具上8组电池防爆阀焊接位置的一致性。

图4 防爆阀焊接位置

图5 焊接夹具设计

工艺参数的设计也很重要，电池防爆阀AL1060熔点约为660℃，沸点约为2467℃，电池盖板AL3003熔点和沸点比AL1060纯铝略小一点[6]。要求焊接光斑覆盖焊缝间隙，0.3mm>焊接熔深>0.2mm。铝及铝合金对激光反射率高，焊接时需要较大功率密度，但过大的功率密度容易造成防爆阀过焊穿孔，设计功率密度qc=3×104W/cm2，焊接光斑直径0.5mm。

光源选用武汉锐科MOPA脉冲光纤激光器，波长1064nm，额定输出功率100W，峰值功率≤15kW，重复频率范围10-1000kHz，脉调节范围在2-350ns，最大单脉冲能量1mJ。MOPA光纤激光器的特点是脉冲宽度和重复频率独立可调，焊接薄板具有技术优势。夹具和工艺的优化大幅提高了合格率。

为满足生产效率需要，设计两组夹具轮换工作方式，每组夹具并排安装8组电池防爆阀，可实施不间断焊接模式。

3 焊接实验及分析

实验系统使用的武汉锐科激光公司生产的MOPA脉冲光纤激光器，测试了几组不同的工艺参数见表1。

实验表明，脉宽小于100ns时,激光器的单脉冲能量下降，焊接熔深不够。脉宽100ns，频率80kHz时可获得最佳焊接效果，焊接速度可达100mm/s，焊接时采用同轴氮气保护也可有效防止穿孔，同时可减少焊接表面的氧化及保护聚焦镜片[7]。

表1 激光器脉宽与频率值

焊接效果如图6所示，采取正离焦+2mm，焊缝均匀一致，无虚焊、焊穿、焊偏等不良，气密性满足9.80665kN不漏气的气密性要求，合格率≥99%。

图6 防爆阀焊接效果图

4 结论

基于MOPA光纤激光器的动力电池防爆阀激光焊接系统，具有脉宽和频率独立可调、脉宽窄、频率高、焊接速度快、光斑精细、热应力和热影响区小等优量性能。测试了不同的激光工艺参数，同时夹具设计方面，采取真空负压技术，使防爆阀和电池盖板的配合紧密，水冷通道设计防止防爆阀薄片焊接过程受热变形，两组夹具轮换工作方式等一系列设计较好解决了电池防爆阀激光焊接过焊穿孔现象，焊接成品率提高到99%以上，生产效率提高到45个/分钟以上，为动力电池生产商提供了一种更先进的技术方案。