结果表明：锂离子电池外壳焊接为激光传导焊， 主要产生冶金型气孔， 冶金型气孔中既有近似球形的小气孔， 又有由2 个以上的小气孔合并贯穿而形成的不规则的大气孔；铝壳焊缝中气孔尺寸集中在250～550 μm 之间， 球度在0.6～0.7 之间；随着激光功率的降低和焊接速度的增加， 气孔的体积率呈下降趋势， 但气孔形貌即球度未发生明显改变；当激光功率为450W， 焊接速度为1500 mm/min 时， 气孔体积率最小为1.1%。

引言

电动汽车具有高效节能、低排放的优势， 越来越受到重视， 车载动力电池的一致性、安全性能对电动汽车的性能起到关键作用， 是限制动力汽车开发的最大瓶颈。锂离子动力电池外壳是用于封装电芯和电解液的， 是动力电池的关键部件， 外壳的焊接质量直接关系到电池的安全性能和使用寿命。

锂离子电池外壳一般采用防锈铝3003， 3003 铝合金具有优良的防锈性、耐腐蚀性和焊接性。传统的锂离子电池外壳焊接一般采用Nd：YAG 脉冲激光焊接， 固体脉冲激光器电光转换效率较低， 同时为了满足焊点重叠度要求， 焊接速度一般也较慢， 随着激光焊接技术的发展， 电光转换效率更高、光束质量更好的光纤激光焊开始逐步替代脉冲激光进行锂离子电池外壳密封焊接［1－4］。由于铝合金表层的氧化膜易吸附水分， 焊接过程中可能发生反应生成氢，同时铝合金内部的合金元素如锌、锰的沸点较低，焊接过程中也可能气化， 所以无论是脉冲激光焊还是光纤激光连续焊， 焊后易产生气孔， 外壳焊缝内部的气孔可能会影响壳体的密封性， 同时在疲劳加载下， 气孔也易成为断裂源， 形成应力集中， 影响焊缝的抗疲劳性能［5－6］， 从而影响电池的安全性能，因此， 研究工艺对锂离子电池外壳焊接气孔的影响是很有必要的。

本文采用准连续光纤激光器对锂离子电池外壳进行密封焊接， 研究壳体焊缝中气孔大小及形貌的分布规律及工艺参数对气孔的影响。

1 试验方法

电池壳体采用3003 防锈铝， 盖板采用1010 工业纯铝， 采用顶焊方式， 按长边—圆角—短边一次焊接成形， 如图1 所示。设计专用夹具， 确保盖板与壳体间的间隙小于0.1 mm， 焊后在注液口处对壳体抽真空， 检测焊缝的密封性。

激光器由德国IPG 的准连续光纤激光器YLS-450-4500-QCW-AC， 激光波长为1 070 nm， 光斑直径为0.2 mm， 光束质量2.2 mm·mrad；连续模式下，平均功率500 W；脉冲模式下， 单脉冲能量45 J，峰值功率4 500 W， 脉宽0.2~50 ms， 频率1~100 Hz。试验所用检测设备为德国Phoenix 的v|tome|x s 240，分辨率达微米级。试验参数为：光子能量160 keV， 曝光时间1 s， 样品与探测器探头间的间距20 cm， 每次扫描断层照片3 000 张， 空间分辨率25 μm。断层扫描完后使用VG studio 软件对断层照片进行重构与分析， 对切片中的气孔进行标记、分割和三维特征参数测量， 测量参数包括气孔的等效直径、球度和体积率；最后对所得到的气孔形貌特征进行辨识和统计分析。测量步骤如图2 所示， 为了提高测量精度， 截取电池壳体的一部分进行测量分析。

通过前期的工艺试验， 已知保护气流量为20L/min， 离焦量为+0.5 mm， 激光功率450~500 W，焊接速度1 200~1 500 mm/min， 均可获得密封性良

好的焊缝， 本文仅改变激光功率和焊接速度研究工艺参数对气孔的影响， 具体试验参数见表1。

2 试验结果与分析

2.1 气孔特征分析

利用激光功率密度公式Φ=P/（π×r2）， 式中Φ 为功率密度（W/cm2）， P 为激光功率（W）， r 为光斑半径（cm）， 通过计算可知， 试验中激光功率密度约为1.43×106~1.59×106 W/cm2 ， 小于铝合金激光深熔焊功率密度的阈值。焊接接头的显微组织如图3 所示。从图3 中可以看到明显的熔合线， 焊缝横截面呈V形， 焊缝熔深为0.8~1 mm 之间， 熔宽接近1 mm，深宽比不超过1， 是典型的激光传导焊焊缝。

通过CT 检测发现铝壳焊缝中存在数量较多的气孔（图4a）， 按气孔尺寸及形貌特征可将气孔分为两种， 其中一种尺寸较小， 且近似球形（图3）， 另一种尺寸较大， 形状不规则；分析认为：近似球形的小气孔是盖板和铝壳表层氧化膜和空气、保护气中所吸附的水分在激光热源的作用下分解或与熔池中的液态铝反应生成氢， 而氢在液态铝中的溶解度远远大于固态铝的， 随着熔池金属的冷凝， 氢会从液态铝中析出， 且激光焊接速度快， 熔池冷凝时间短，气泡来不及溢出残留在熔池中形成近似球形的氢气孔；铝壳焊接属于激光传导焊， 焊接过程中不会发生小孔效应， 所以尺寸不规则的大气孔并非由匙孔不稳定塌陷形成的工艺孔， 而应该是由2 个以上的氢气孔合并而成的， 从图4b 中可以清晰地看到几个小气孔正在合并贯穿。所以激光热传导焊下， 锂离子电池壳体中出现的近似球形的小气孔和尺寸不规则的大气孔其实质都是冶金型气孔。

从图4a 中可以看出气孔在焊缝内部的分散性大， 分布十分复杂， 需结合统计分析理论， 对测得的焊缝内气孔的等效直径d 和球度进行分析。先对d和球度ψ 进行分组统计， 再对其频率直方图进行正态分布拟合。图5， 图6 是焊缝内部气孔的等效直径d 和球度ψ 的直方图及正态拟合曲线， μ 为正态分布的期望， σ 为正态分布的方差。