基于温度场模拟的防爆阀激光焊接工艺

(1.哈尔滨工业大学 机电工程学院，哈尔滨 150001;2.深圳市大德激光技术有限公司，广东 深圳 518055)

基于温度场模拟的防爆阀激光焊接工艺

耿立博1杨亚涛2富宏亚1

(1.哈尔滨工业大学机电工程学院，哈尔滨150001;2.深圳市大德激光技术有限公司，广东深圳518055)

为了分析不同工艺参数的激光焊接热输入对汽车动力电池盖板防爆力的影响，采用有限元法模拟汽车动力电池盖板防爆阀激光焊接的温度场。根据再结晶退火和均匀化退火对Al3003晶内偏析的影响，结合防爆阀爆破区的显微组织，分析防爆力在不同焊接热输入时变化规律。同时，根据防爆力指标为0.9±0.05 MPa，优选防爆阀焊接工艺参数。结果表明，当激光功率增大时，防爆力呈抛物线趋势变化；当激光功率为1 050 W、竖坐标为+161 mm和焊接速度为50 mm/s时，防爆力最接近目标值0.9 MPa。

防爆力激光焊温度场模拟显微组织

0 序 言

汽车动力电池盖板是汽车动力电池的重要组成部分，直接影响动力电池的安全性和使用性能。随着动力电池应用环境的复杂化，电池受到撞击、挤压、过热的可能性增大。当动力电池内气压过大时，防爆阀自动爆破泄压，可以防止电池爆炸[1]。汽车动力电池盖板的正、负极柱是电动汽车的接线柱，直接影响动力电池充电、放电的可靠性。

防爆阀的材料为铝合金，焊接要求为焊缝宽度小，焊接精度高。因为激光焊具有效率高、精度高、焊缝美观等优点[2]，所以激光焊是合适的防爆阀焊接方法。但是，激光焊高度集中的热输入会引起高梯度的温度场，容易影响汽车动力电池盖板的防爆力。同时激光焊焊缝的气孔缺陷会降低连接强度，影响防爆阀的使用性能[3]。

文中分析了不同工艺参数的激光焊接热输入对汽车动力电池盖板防爆力的影响。同时优选防爆阀激光焊接工艺参数，为实际生产中汽车动力电池盖板防爆阀激光焊接的工艺优化提供依据。

1 试验材料与设备

激光焊接试样为汽车动力电池盖板，包括顶盖片、防爆阀等零件。防爆阀焊接的目的是连接防爆阀和顶盖片。防爆阀焊后的防爆力理想值为0.9±0.05 MPa。防爆阀和顶盖片的材料为Al3003，材料的主要化学成分见表1，物理性能参数见表2。热导率和比热容为热物理参数，根据已知温度的热导率和比热容，通过插值法和外推法确定其它温度的参数值。试验设备为1 500 W激光器，激光波长1 070 nm。

表1 Al3003主要化学成分(质量分数，%)

表2 Al3003材料物理性能参数(室温)

2 防爆阀焊接温度场模拟

2.1 温度场模拟分析

汽车动力电池盖板温度场分析为非线性瞬态分析，在求解前应确定初始条件和边界条件[4]。初始条件为汽车动力电池盖板初始温度，取室温20 ℃。汽车动力电池盖板表面有对流传热和辐射传热，将对流传热系数和辐射传热系数综合在一起为表面传热系数。计算得到汽车动力电池盖板和周围环境的表面传热系数如表3所示。

选择组合热源模型模拟激光对防爆阀焊缝的加热作用[5]。选择平面高斯热源模型模拟金属蒸气羽和表面熔池对焊件的加热作用，选择旋转高斯体热源模型模拟匙孔对激光的菲涅尔吸收。平面高斯热源和旋转高斯热源的能量分配比例为4∶6，激光吸收系数为0.75，激光加热半径为0.5 mm，平面高斯热源模型的表达式如式(1)所示：

表3 不同温度的表面传热系数

(1)

式中：q1为焊缝表面距离热源中心r处的热流密度；Q为焊缝表面吸收的激光能量；R为热源半径。

旋转高斯体热源模型z轴处的热流密度相等，且z向各截面内激光能量服从高斯函数分布，模型的表达式如式(2)所示：

(2)

式中：q2为焊缝深度z且距离热源中心r处的热流密度；H为热源深度。当激光功率为1 000 W和1 200 W时，H分别取1.2 mm和1.4 mm。

汽车动力电池盖板的细节特征将影响网格的数量、形状和大小。因此，忽略不会造成局部高温的特征，建立防爆阀激光焊接几何模型如图1所示。

图1 防爆阀激光焊接几何模型

划分疏密不同的网格，靠近和远离防爆阀激光焊接区的网格尺寸分别为0.2 mm和1 mm，如图2所示，单元类型为SOLID70。

2.2 温度场模拟结果

汽动力电池盖板激光焊涉及激光、传热、冶金等复杂过程，为了简化计算，作如下假设：

图2 防爆阀有限元模型网格

(1) 采用等效热导率补偿熔池对流。

(2) 忽略激光焊接加速和减速阶段。

(3) 忽略夹具对汽车动力电池盖板传热的影响。

2.2.1 温度场云图

当防爆阀焊接功率P为1 000 W、纵坐标为+161 mm、焊接速度v为50 mm/s时，防爆阀焊接温度场如图3所示。当t=0.016 s时，完成防爆阀四个对称位置的点焊，当t=1.376 s时，完成防爆阀连续激光焊，5 s内动力电池盖板冷却较快，最高温度降低到476 K，10 s时最高温度降低到410 K，然后缓慢冷却。

图3 不同时刻的防爆阀焊接温度场云图

2.2.2 防爆阀焊接热输入对防爆力的影响

汽车动力电池盖板的材料Al3003是热处理不可强化铝合金，均匀化退火温度为863～893 K，再结晶退火温度为593～623 K。Al3003加工工艺的特点是锰易产生晶内偏析，使再结晶退火时产生粗大晶粒。因此，降低锰晶内偏析的措施如均匀化退火，可以减小晶粒粗化的倾向，提高合金强度，如表4所示。

表4 均匀化退火对Al3003晶粒度的影响[6]

不同激光功率的防爆阀爆破区显微组织如图4所示。析出相主要为金属化合物MnAl6和AlMnFe，数量较多。防爆阀爆破区厚度仅为0.1 mm，取爆破区任一节点Node 13462，激光功率分别为1 000 W和1 200 W时该节点的热循环曲线如图5所示。由图可知，激光功率分别为1 000 W和1 200 W时防爆阀爆破区的最高温度分别为698.2 K和879.1 K。因此，当激光功率为1 000 W时，防爆阀爆破区温度高于再结晶退火温度，且由于焊缝中心的热传导，爆破区温度下降平缓，析出相尺寸增大，分布不均匀，尤其出现面积较大的棒状析出相，第二相强化效果减弱。当激光功率为1 200 W时，防爆阀爆破区温度达到均匀化退火温度，降低了锰晶内偏析，析出相分布较均匀，强化效果增大，防爆力增大。

图4 不同激光功率的爆破区显微组织

图5 不同激光功率的防爆阀温度变化曲线

3 试验结果

3.1 热源模型验证

防爆阀激光焊实际焊缝和模拟熔池的对比如图6所示。防爆阀焊接实际熔深为1.023 mm，模拟熔深为1.005 mm，模拟的相对误差为1.8%，在5.0%内。说明组合热源模型可以较好地模拟激光对焊件的加热作用。选择节点Node 176181，测量不同激光功率的防爆阀激光焊接实际温度变化，与模拟的温度变化对比，如图7所示。由图可知，温度测量值和模拟值吻合良好[7]。

图6 实际和模拟的熔池形状对比

3.2 防爆力分析验证

当激光功率为800～1 200 W时，采用控制变量法在不同激光功率下分别焊接防爆阀，测量防爆力，得到防爆力变化曲线如图8所示，防爆阀实际焊缝如图9所示。

由图8可得，当激光功率增加至1 000 W时，防爆力减小，当激光功率增加至1 200 W时，防爆力增大，与防爆力变化的理论分析一致。且当激光功率为1 050 W时，防爆力达到极小值。

图7 实际和模拟温度的对比

图8 不同激光功率时的防爆力

图9 不同激光功率的防爆阀焊缝

4 结 论

(1) 当激光功率增大时，焊接热输入引起防爆阀爆破区显微组织变化，影响第二相强化效果，使防爆力呈抛物线趋势变化。

(2) 当防爆阀激光焊接的竖坐标为+161 mm、速度为50 mm/s时，900～1 150 W的激光功率均能满足防爆力0.9±0.05 MPa的指标。当激光功率为1 050 W时，防爆力最接近目标值0.9 MPa。

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TG456.7

2017-05-31

耿立博，1993年出生，硕士。主要从事汽车动力电池盖板激光焊接数值模拟及工艺优化的研究工作。