多层铜铝异种金属激光焊接焊缝成形及组织性能试验研究

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动力电池容量大小对新能源汽车的续航里程具有重要的决定作用,大容量动力电池涉及多层极耳和汇流排的焊接,其焊接质量的好坏对新能源汽车的寿命及安全性至关重要,动力电池模组中铜极耳(厚度为0.3mm的TU1铜镀镍片)与铝汇流排(厚度为2mm的6061铝合金)的焊接属于异种薄板金属焊接。使用传统焊接方式极易产生各类焊接缺陷,影响电池性能。激光焊接能量密度高、速度快、焊后变形小,适用于新能源汽车动力电池模组中薄板材料的焊接。本文采用IPG光纤激光器作为焊接热源,对新能源汽车动力电池双层铜极耳材料和铝汇流排进行了异种金属的激光搭接焊,分别研究了工艺参数及层数对动力电池极耳材料和铝汇流排激光搭接焊焊缝组织以及力学性能的影响规律。首先,研究了激光功率和焊接速度对Cu/Cu/Al焊接头焊缝形貌的影响。焊接速度一定,焊缝表面烧蚀程度随着激光功率增加而加剧,焊接质量恶化;焊接功率一定,焊缝表面烧蚀程度随焊接速度的增加而降低,焊缝表面质量得到改善。激光功率对焊缝熔宽熔深的影响比焊接速度更显著。其次,使用SEM及EDS对不同功率参数下的Cu/Cu/Al焊接头截面区域进行了微观组织的观察和成分分析。发现各焊接头在铝侧焊缝区均发生了明显的分层现象。焊缝区铝侧熔合线附近晶粒形状和大小差异较大。焊缝区晶间和裂纹处铝原子数高于铜原子数,晶面处铜原子数高于铝原子数。功率较高时,焊缝区物相种类较多。再次,Cu/Cu/Al焊接头进行了力学性能测试和硬度分析。Cu/Cu/Al焊接头硬度变化曲线总体呈倒“U”型,热影响区所占区域较小。随着激光功率的增加,从母材区到焊缝区,硬度值总体不断增大。焊缝区高功率与低功率工艺参数下硬度差值较大。随着焊接速度的增加,从母材区到焊缝区,硬度值总体不断增大。焊缝区硬度值随功率的变化程度较小。Cu/Cu/Al焊接头抗剪切力随着激光功率和焊接速度地增加均呈现先升高后下降的趋势。最后,对Cu/Cu/Al焊接头和Cu/Al焊接头进行焊缝组织及力学性能的对比分析。Cu/Al焊接头熔宽总体大于Cu/Cu/Al焊接头熔宽,Cu/Al焊接头熔深总体小于Cu/Cu/Al焊接头熔深。Cu/Al有明显的热影响区;Cu/Cu/Al焊接头硬度值总体高于Cu/Al焊接头硬度值。Cu/Al焊接头抗剪切力值较高。Cu/Cu/Al焊接头焊缝分层现象明显,物相种类较多,Cu/Al焊接头分层现象较弱,物相种类较少。
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