鋁板激光拚焊：電動汽車電池托盤焊縫氣孔率的氬氣保護優化

電動汽車電池托盤（pán）的（de）密封性與（yǔ）結構強度直（zhí）接（jiē）關乎電（diàn）池係統安全性（IP67防護要（yào）求）。6061-T6鋁合金激光拚焊（板厚2.0-3.0 mm）雖可實現高速連接（≥8 m/min），但鋁的高導熱性、氧化膜（Al₂O₃）吸氫特性易導致焊縫氣孔（直徑50-200 μm），傳統單路氬氣保護（流量（liàng）15 L/min）難以滿足氣孔（kǒng）率≤1%的行業標準（zhǔn）。本文（wén）通過氣體（tǐ）流場調控與工藝參數（shù）協同優（yōu）化，係統性解決氣孔生成與捕獲難題（tí）。

2. 氣（qì）孔生成機（jī）理與氬氣保護作用

2.1 氣孔來源分析

• 氧化膜（mó）分解：Al₂O₃在激光高溫（>2000℃）下分（fèn）解（jiě）吸氫（H₂溶解度突變），熔池凝固時氫析出成孔；

• 匙孔失穩：深熔焊匙孔塌陷（xiàn）卷入氬氣氣（qì）泡，形（xíng）成規則性氣孔（圖1a）；

• 保護失（shī）效：紊流導（dǎo）致空氣侵入，氧氮反應生成AlN/AlO夾雜（zá）物。

2.2 氬氣保護功能

• 氧化抑製：惰（duò）性氣體隔絕氧氣，降低氧（yǎng）化（huà）膜再生速率；

• 熔池淨化：層流氬氣驅趕熔池表麵遊離氫；

• 匙孔穩定（dìng）：氣體動力壓抑製匙孔振蕩，減少氣泡卷入。

3. 氬氣保護係統優化設計

3.1 噴嘴結構改進

• 雙（shuāng）路旁軸保護：主噴嘴（直徑8 mm）與輔助噴嘴（直徑5 mm）呈30°夾角，形成氣幕重疊區（覆蓋率提升40%）；

• 文丘裏效應應用：收縮-擴張型噴嘴設計（喉（hóu）部直徑4 mm）加速氬氣流速至25 m/s，增強空氣排斥能（néng）力（圖1b）。

3.2 動態參數調控

• 流量梯度控（kòng）製：焊接起始/結束段流量提升至35 L/min（抑製（zhì）端部氣（qì）孔），穩態（tài）段維持25 L/min；

• 傾角自適應：根據（jù）焊接位置（平焊/立焊（hàn））自動調整噴嘴傾角（15°-45°），確保熔池全域覆蓋。

4. 工藝驗證與氣孔抑製效果

4.1 正交實驗（yàn）設計

采用L9(3⁴)正交（jiāo）表，考察氬氣流量（20/25/30 L/min）、噴嘴（zuǐ）距（jù）離（2/3/4 mm）、焊（hàn）接（jiē）速度（6/8/10 m/min）、離焦量（+1/0/-1 mm）對氣孔率的影（yǐng）響（表1）。極差分析表明，氬（yà）氣流量貢獻度（dù）達52%（主效應因子）。

4.2 氣孔率量化評估

• X射線（xiàn）檢測（cè）：優化後焊縫（féng）氣孔總麵積（jī）占比從3.2%降至0.4%（EN ISO 13919-1 B級標準）；

• 金相統計：氣孔平均直徑從120 μm縮小（xiǎo）至（zhì）35 μm，最大氣孔（kǒng）長徑比（L/W）<2（圖2）。

4.3 力（lì）學性能測（cè）試

• 密封性：氦質譜檢漏率≤1×10⁻⁹ Pa·m³/s，滿足50 kPa水（shuǐ）壓保壓測試；

• 接頭強度（dù）：拉伸強度達母材92%（未優化組85%），斷裂位置轉移（yí）至熱影響區。

5. 關鍵技術優勢與挑戰

5.1 創新性技術亮點

• 氣體流態可視化（huà）：結合計算（suàn）流體力學（CFD）與（yǔ）高速攝像（10000 fps），建立氬氣（qì）雷諾數（Re）與（yǔ）氣孔率的定量關係（Re<2000時氣孔率驟降）；

• 智能反饋係統：集成光譜監測（等離子體光強），動態調節氣（qì）體流（liú）量（±5 L/min），適應（yīng）焊接速度波動。

5.2 工程化難點

• 大尺寸（cùn）工（gōng）件覆蓋：長度>2 m焊縫需分段匹配氣體（tǐ）參數，防止端部保護衰減；

• 成本（běn）控製：氬氣消（xiāo）耗量增加（jiā）30%，需通過回（huí）收係統（純度>99.995%）降低綜合成本。

6. 未來研究方向

• 複合氣體應用：Ar+He混合氣體（He占比10%-20%）提升（shēng）熔池流動性，輔助氣泡逸出；

• 超高速焊接（jiē）適配（pèi）：開發同步於20 m/min焊速的超聲波輔助除氣技（jì）術；

• 數（shù）字孿生（shēng）模型：構建氣孔預測-工藝優化閉（bì）環係（xì）統，實現（xiàn）零缺陷焊接。

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