钠硫电池焊接工艺的研究

2012-11-30徐青李郝林上海理工大学200093

装备机械 2012年4期

关键词：弧焊钎焊电子束

徐青李郝林上海理工大学 (200093）

曾乐才上海电气集团股份有限公司中央研究院 (200070）

徐青（1986年～），男，硕士生，从事钠硫电池技术研究。

0 原理与结构

钠硫电池是一种电化学储能技术，具有比能量高、充放电效率高、容量大、可大电流、高功率放电和对环境友好等特点。

钠硫电池以钠和硫分别用作负极和正极，Beta-氧化铝陶瓷同时起隔膜和电解质的双重作用。常用的电池是由一个液体电解质将两个固体电极隔开，而NaS电池正相反，它是由固体电解质将两个液体电极隔开：一个由Na—β—Al2O3固体电解质做成的中心管，将内室的熔融钠(熔点98℃)和外室的熔融硫(熔点119℃)隔开，并允许Na+离子通过。整个装置密封于金属容器内，此容器又兼作硫电极的集流器。在电池内部，Na+离子穿过固体电解质和硫反应从而传递电流。350℃时，NaS电池的断路电压为2.08V。钠硫电池的反应如下：

负极的反应物质是熔融的钠在负极腔内，正极的反应物质是熔融的硫在正极腔内。正极和负极之间α—Al2O3电绝缘体密封。正极腔和负极腔之间有β—Al2O3陶瓷管电解质。电解质只能自由传导离子，而对电子是绝缘体。当外电路接通时，负极不断产生钠离子并放出电子，电子通过外电路移向正极，而钠离子通过β—Al2O3电解质和正极的反应物质生成钠的硫化物。

1 焊接工艺的选取

钠硫电池的工作温度大约为300～350℃，电池中的活性物质，钠和硫易燃，硫蒸气压高，如密封不良，对电池乃至整个电池模块都将产生严重的影响。因此，钠硫电池的密封对于确保其安全运行及性能稳定是非常重要的。其次，钠硫电池在装配过程中采用的焊接工艺，产生的温度不能过高，大约要低于90℃（钠熔点98℃，硫熔点119℃)，否则在装配时会影响固体的预制硫极和钠芯。最后，钠硫电池装配选取的焊接工艺易于实现自动化生产装配，具有高的焊接效率和良好的经济性。

传统的焊接工艺有电弧焊、电阻焊、高能束焊（电子束焊、激光焊）、钎焊等。

在所有的焊接工艺中，到目前为止，电弧焊是最为普遍的，应用最广泛的焊接方法。电弧焊可以分为有多类：手弧焊、埋弧焊、等离子弧焊、钨极气体保护电弧焊和熔化极气体保护焊等。按所用电极是否被熔化可分为两类，一类是熔化电极，有埋弧焊、气体保护电弧焊、管状焊丝电弧焊等。另一类是不熔化电极，有钨极氩弧焊、等离子弧焊等。手弧焊的焊缝表面质量一般，手弧焊焊接时通常采用手工，人为因素对焊接质量的影响较大，同一性低，并且效率偏低，不适合大批量生产。钠硫电池生产时要保证良好的同一性，以及在生产装配时采用自动化生产流水线，因此，手弧焊不适合钠硫电池的焊接。

等离子弧焊是利用等离子弧作为热源的焊接方法。气体由电弧加热产生离解，在高速通过水冷喷嘴时受到压缩，增大能量密度和离解度，形成等离子弧。它的稳定性、发热量和温度都高于一般电弧，因而具有较大的熔透力和焊接速度。形成等离子弧的气体和它周围的保护气体一般用氩。等离子弧焊与氩弧类似，但其焊炬会产生压缩电弧，以提高弧温和能量密度，它比氩弧焊速度快、熔深大。

电阻焊是用来焊接薄金属件，在两个电极间夹紧被焊工件通过大的电流熔化电极接触的表面，即通过工件电阻发热来实施焊接。工件易变形，电阻焊通过接头两边焊合，电阻焊所用电极需经常维护以清除氧化物和从工件粘连着的金属。

钎焊也适用于金属之间的焊接，钎焊是一种用于精密焊接的焊接工艺，常用于电路板等精密元件的焊接，近年来发展迅速，目前这种焊接工艺比较成熟。钎焊与间接扩散连接相似，在焊接母材之间要加入钎料，通常钎料的熔点要比母材低。在反应初期，在温度的作用下，钎料开始熔化，并慢慢开始湿润母材，随着反应的深入，钎料逐步深入连接坡口的间隙，并开始填充坡口，母材之间开始相互扩散，最终完成连接。钎焊速度快，并且不容易使零件变形，因为在焊接过程中没有像扩撒连接那样施加压力，但是钎焊的使用不灵活，容易受到零件结构、焊接部位的影响。对于结构相对复杂或者坡口尺寸比较小的零件，钎焊是不适合的。钠硫电池的焊缝都呈圆周状的，受到结构的限制，钎焊无法应用于钠硫电池的焊接。

电子束焊的原理是利用高能密度的电子流，撞击工件，在工件表面很小的面积上，短时间内产生很大的热量，将金属熔化，产生“小孔”效应，将其焊接在一起。电子束焊效率比较高，工件也不容易变形，热影响区很小，不会影响到其他不焊接的零部件的表面。电子束焊接的弊端之一是通常需要在真空环境下进行，主要原因是为了防止电子散射，如果不在真空环境下进行焊接，也是可行的，但是大大影响焊接效率和质量，在空气中电子聚焦不好易于发生散射。电子束焊也会受到磁场的影响，在磁场的作用下会使电子流偏转，因此在使用之前必须去磁。除此之外，电子束焊中的X射线十分强，对人体会有伤害，在使用时要考虑安全问题。综上所述，电子束焊设备太过复杂，成本十分高，在一些实际应用中，对工件的尺寸和结构也有特殊的要求，使用场合也受到很大的限制。考虑到钠硫电池的结构特点和电子束焊的特点，钠硫电池的焊接不适合使用电子束焊。

激光焊接从20世纪60年代激光器诞生不久就开始了研究，经历了50多年的发展。激光焊接技术的发展历经了固体受激物质→气体受激物质→固体受激物质、脉冲激光焊接→连续激光焊接、低功率→高功率、薄板→厚件、低速→高速、低频→高频及低效→高效的历史。激光焊接工艺和其他焊接工艺相比，具有以下特点：应用范围广，可焊接难熔材料，并可对异性材料进行焊接。焊接速度快、热影响区域小，工件变形小。焊接时产生的温度比较低。非接触式焊接、可焊接传统焊接难以到达的部位。焊点深宽比大，焊接质量高，可进行微型焊接。无需使用电极，洁净环保等优点。

对比各种焊接工艺的特点，根据钠硫电池对焊接质量的要求以及钠硫电池结构特点，结果表明：传统的焊接工艺不适用于钠硫电池的焊接，因此，钠硫电池的焊接选用激光焊接工艺。

表1 各种焊接工艺的对比

2 焊接实验

实验材料选用3系铝合金3003牌号，3系铝合金具有良好的焊接特性。如图3所示，试样由上下两个零件

组成，除了高度尺寸外，其余尺寸包括坡口都与原电池一样，这样既能准确的进行试验，同时可以减少材料的浪费。

表2 3003铝合金的化学成分（质量分数，%）

图3 焊接接头形式

激光焊接设备的选取要针对焊接工件本身材料的特性、焊接质量的要求、适用场合、效率、成本等因素。

激光焊接技术中所采用的激光器有：气体激光器、固体激光器和光纤激光器等。与气体激光器相比，固体激光器的输出波长小一个数量级，对金属的反射率低，因而与金属的耦合效率高。通过光纤传输，实现远程焊接，而且可以借用功率分割，方便地将一束激光传输给多个工位焊接。与气体和固体等激光器相比，光纤激光器具有输出功率高，热性能优异，电光效率较高，节水节电，尤其重要的是可长期免维护使用，可节约大量维护经费和时间，提高工作效率。此外，光纤激光器具有体积小质量轻、寿命长和节点节水的特点。

表3 固体激光器和光纤激光器对比

激光焊接机理分为：热传导焊接和激光深熔焊。

激光焊接按照机理的不同，可以分为两类：一类称为热传导焊接，另一类称为激光深熔焊接。二者的原理和实际使用有很大的不同。

热传导焊接一般使用在熔深较浅的焊接中。在焊接过程中，激光束照射在金属表面，金属一般都具有高的反射率，大部分激光束被反射，金属材料吸收了一部分激光束。激光的高能量在介质的作用下转化成热能，在温度达到一定程度后，开始熔化金属材料表面。在激光能量不断的累积下，热量越来越多，这些热量通过传递，使内部的金属受到热量，开始熔化，进而形成熔池，最终形成焊接。热传导焊接可以通过控制和调节工艺参数，来达到焊接效果。

激光深熔焊接的热量要高得多，金属材料在吸收了大量热能后，材料开始熔化，随着温度的不断升高，金属材料伴随有汽化现象，形成金属蒸汽，在金属蒸汽退去之后，熔化的金属表面受到反作用力之后，将液体金属向四周排挤，进而形成凹坑。随着激光束的不断照射，热量不断增加，凹坑不断向内深入，直至被焊内层，在激光束停止照射之后，受到排挤作用的金属液体，回流到凹坑之内，在冷却之后就形成了焊点。

图4 热传导焊接与激光深熔焊

从上述分析来看，光纤激光器更为优越，同时，连续激光焊接更适合钠硫电池的焊接。所以选取500W连续激光焊接系统进行焊接实验，图5所示，500W连续激光焊接系统由连续激光器、光纤藕合系统、光纤导光系统、冷却系统等组成。激光焊接的工艺参数对于焊接质量有着直接的影响，激光焊接的工艺参数主要包括：激光功率、焊接速度、离焦量和保护气体等参数。实验时对各种参数进行设定：最大功率500W，实际功率400W，光斑直径Ø0.2mm，焊接速度35mm/s，正离交1.5mm，氦气保护气体，流量18L/min。