CN115922061A - 基于超声实时测量的铜铝异种金属搭接焊方法 - Google Patents

Abstract

一种基于超声实时测量的铜铝异种金属搭接焊方法，包括以下步骤：步骤1，提供待焊的第一母材和第二母材，采用夹具将第一母材和第二母材夹住并组成第一母材和第二母材搭接接头；步骤2，提供激光焊接系统；步骤3，提供超声测厚系统；步骤4，启动激光焊接系统，激光器通过激光焊接头输出聚焦的激光束辐照在第一母材上表面实施激光焊接；并开启超声测厚系统，实施激光焊接；超声探头测量第二母材的未熔合厚度Δ，经数据分析处理单元获得第二母材熔深偏差值X，第二母材熔深偏差值X反馈到工控机，工控机根据预定的函数关系式调整激光器中心光束激光功率P；步骤5，激光焊接头到达焊接末端点，关闭激光焊接系统和超声测厚系统，完成焊接过程。

Description

基于超声实时测量的铜铝异种金属搭接焊方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体地为一种基于超声实时测量的铜铝异种金属搭接焊方法。

背景技术

新能源汽车是我国的战略发展产业。新能源汽车的电池包是由大量的电芯连接而成，而电芯则是由外壳、电解液、隔膜和两个电位差不同的金属构成。对于具有较大能量密度的锂电芯，其极耳通常是铝和铜，而用来连接电极的材料有铝、铜、镀镍铜等。因此，在电池制造过程中，需要将铜-铝异种金属进行连接。

铝和铜的物理化学性能(如导热性、热膨胀系数及熔点)差异较大，传统的焊接方法难以实现铝和铜的有效焊接。由于常温下铝、铜之间有限互溶，铜-铝熔焊的接头在焊接处形成脆性金属间化合物的界面层，因此，焊接接头强度及塑性较低。激光深熔焊接具有稳定性好的特点，是铜-铝异种金属焊接的重要方法。对于铜-铝搭接接头激光深熔焊接，下板的熔化量需要严格控制，即焊接熔深需要精准控制。然而，激光深熔焊接过程中焊接小孔处于动态变化中，使得激光焊的熔深波动较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于超声实时测量的铜铝异种金属搭接焊方法。

本发明之一所要解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于超声实时测量的铜铝异种金属搭接焊方法，包括以下步骤：

步骤1，提供待焊的第一母材和第二母材，采用夹具将第一母材和第二母材夹住并组成第一母材和第二母材搭接接头；

步骤2，提供激光焊接系统，所述激光焊接系统包括激光器、传输光纤、激光焊接头、机械手、焊接保护气体喷嘴和工控机，激光器和机械手与工控机通信连接，机械手与激光焊接头固定连接；

步骤3，提供超声测厚系统，所述超声测厚系统包括直线电机、连接块、滚轮、超声探头、耦合剂、数据分析处理单元；耦合剂预先涂覆在第一母材和第二母材搭接接头正下方，超声探头安装在滚轮上，滚轮通过连接块与直线电机固连；直线电机和数据处理单元与工控机通信连接；

步骤4，启动激光焊接系统，开启激光器，激光器通过激光焊接头输出聚焦的激光束辐照在第一母材上表面实施激光焊接，焊接保护气体喷嘴向焊接区吹送焊接保护气体；然后开启超声测厚系统，工控机控制机械手和直线电机同步移动，实施激光焊接；超声探头测量第二母材的未熔合厚度Δ，经数据分析处理单元获得第二母材熔深偏差值X，第二母材熔深偏差值X反馈到工控机，工控机根据预定的函数关系式调整激光器中心光束激光功率P；

步骤5，激光焊接头到达焊接末端点，关闭激光焊接系统和超声测厚系统，完成焊接过程。

进一步地，所述第一母材为铝板，所述铝板的厚度为h1为0.8～1.5mm，所述第二母材为铜板，所述铜板的厚度为h2为2～3mm。

进一步地，所述激光器为高亮度抗高反环形光斑光纤激光器。

进一步地，所述耦合剂为甘油。

进一步地，所述超声探头发出的超声波与所述激光焊接头的中心相距d为3～5mm。

进一步地，所述激光束为环形光斑激光束，环形光斑激光束由中心光束和环光束同轴组成，且环光束激光功率为500～1200W。

进一步地，在步骤4中，当激光焊接速度为1.5m/min，离焦量为+2mm时，激光器中心光束激光功率P＝800*h1-300*X，其中，X为第二母材熔深偏差值，当X为正值时，X为实际熔深大于熔深预设值，当X为负值时，X为实际熔深小于熔深预设值。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.本发明通过采用高亮度抗高反环形光斑激光器进行铜-铝搭接接头焊接，可以实现小孔开口扩张的激光焊接效果；同时，采用超声测厚系统对焊接熔深进行间接精密测量，并实时调整激光器中心光束激光功率，结合小孔开口扩张的特征，可以直接有效的影响焊接熔深，实现铜-铝搭接接头激光焊接熔深闭环精确控制效果，有效抑制搭接处金属间化合物的过度生产，从而提高接头性能。

2.通过与常规在焊接熔池上表面采用光电信号直接测量激光焊接熔深相比，本发明采用在焊接熔池下表面采用超声测厚系统间接测量焊接熔深，具有干扰小、精度高等突出优点。

附图说明

图1是本发明实施例1的系统布置示意图；

图2是本发明实施例1的激光焊接过程纵截面示意图；

图中：10、第一母材，20、第二母材，30、激光器，31、传输光纤，32、激光焊接头，33、机械手，34、焊接保护气体喷嘴，35、工控机，36、激光束，40、直线电机，41、连接块，42、滚轮，43、超声探头，44、耦合剂，45、数据分析处理单元，50、焊缝，51、熔池、52、小孔。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本发明提供一种基于超声实时测量的铜铝异种金属搭接焊方法，包括以下步骤：

步骤1，提供待焊的第一母材10和第二母材20，采用夹具将第一母材10和第二母材20夹住并组成第一母材10和第二母材20搭接接头；在本实施例中，第一母材10为铝板，铝板的厚度为h1为1mm，第二母材20为铜板，铜板的厚度为h2为2mm，从而通过夹具将组成铜-铝搭接接头；

步骤2，提供激光焊接系统，所述激光焊接系统包括激光器30、传输光纤31、激光焊接头32、机械手33、焊接保护气体喷嘴34和工控机35，激光器30和机械手33与工控机35通信连接，机械手33与激光焊接头32固定连接；在本实施例中，激光器30通过传输光纤31与激光焊接头32连接，且激光器30为高亮度抗高反环形光斑光纤激光器；

步骤3，提供超声测厚系统，所述超声测厚系统包括直线电机40、连接块41、滚轮42、超声探头43、耦合剂44、数据分析处理单元45；耦合剂44预先涂覆在第一母材10和第二母材20搭接接头正下方，超声探头43安装在滚轮42上，滚轮42通过连接块41与直线电机40固连；直线电机40和数据处理单元45与工控机35通信连接；在本实施例中，耦合剂44为甘油；超声探头43发出的超声波与激光焊接头42的中心相距d为3mm；

步骤4，启动激光焊接系统，开启激光器30，激光器30通过激光焊接头32输出聚焦的激光束36辐照在第一母材10上表面实施激光焊接，焊接保护气体喷嘴34向焊接区吹送焊接保护气体；然后开启超声测厚系统，工控机35控制机械手33和直线电机40同步移动，实施激光焊接；超声探头43测量第二母材20的未熔合厚度Δ，经数据分析处理单元45获得第二母材20熔深偏差值X，第二母材20熔深偏差值X反馈到工控机35，工控机35根据预定的函数关系式调整激光器30中心光束激光功率P；

在本实施例中，激光束36为环形光斑激光束，环形光斑激光束由中心光束和环光束同轴组成，且环光束激光功率为900W；同时当激光焊接速度为1.5m/min，离焦量为+2mm时，激光器中心光束激光功率P＝800*h1-300*X，其中，X为第二母材20熔深偏差值，当X为正值时，X为实际熔深大于熔深预设值，当X为负值时，X为实际熔深小于熔深预设值，从而第二母材20的未熔合厚度Δ的测量精度可达0.01mm；

步骤5，激光焊接头32到达焊接末端点，关闭激光焊接系统和超声测厚系统，完成焊接过程。

实施例2

本发明提供一种基于超声实时测量的铜铝异种金属搭接焊方法，包括以下步骤：

步骤1，提供待焊的第一母材10和第二母材20，采用夹具将第一母材10和第二母材20夹住并组成第一母材10和第二母材20搭接接头；在本实施例中，第一母材10为铝板，铝板的厚度为h1为1.5mm，第二母材20为铜板，铜板的厚度为h2为3mm，从而通过夹具将组成铜-铝搭接接头；

步骤2，提供激光焊接系统，所述激光焊接系统包括激光器30、传输光纤31、激光焊接头32、机械手33、焊接保护气体喷嘴34和工控机35，激光器30和机械手33与工控机35通信连接，机械手33与激光焊接头32固定连接；在本实施例中，激光器30通过传输光纤31与激光焊接头32连接，且激光器30为高亮度抗高反环形光斑光纤激光器；

步骤3，提供超声测厚系统，所述超声测厚系统包括直线电机40、连接块41、滚轮42、超声探头43、耦合剂44、数据分析处理单元45；耦合剂44预先涂覆在第一母材10和第二母材20搭接接头正下方，超声探头43安装在滚轮42上，滚轮42通过连接块41与直线电机40固连；直线电机40和数据处理单元45与工控机35通信连接；在本实施例中，耦合剂44为甘油；超声探头43发出的超声波与激光焊接头42的中心相距d为5mm；

步骤4，启动激光焊接系统，开启激光器30，激光器30通过激光焊接头32输出聚焦的激光束36辐照在第一母材10上表面实施激光焊接，焊接保护气体喷嘴34向焊接区吹送焊接保护气体；然后开启超声测厚系统，工控机35控制机械手33和直线电机40同步移动，实施激光焊接；超声探头43测量第二母材20的未熔合厚度Δ，经数据分析处理单元45获得第二母材20熔深偏差值X，第二母材20熔深偏差值X反馈到工控机35，工控机35根据预定的函数关系式调整激光器30中心光束激光功率P；

在本实施例中，激光束36为环形光斑激光束，环形光斑激光束由中心光束和环光束同轴组成，且环光束激光功率为1100W；同时当激光焊接速度为1.5m/min，离焦量为+2mm时，激光器中心光束激光功率P＝800*h1-300*X，其中，X为第二母材20熔深偏差值，当X为正值时，X为实际熔深大于熔深预设值，当X为负值时，X为实际熔深小于熔深预设值，从而第二母材20的未熔合厚度Δ的测量精度可达0.01mm；

步骤5，激光焊接头32到达焊接末端点，关闭激光焊接系统和超声测厚系统，完成焊接过程。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明技术方案进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神与范围。

Claims (7)

1.一种基于超声实时测量的铜铝异种金属搭接焊方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，提供待焊的第一母材(10)和第二母材(20)，采用夹具将第一母材(10)和第二母材(20)夹住并组成第一母材(10)和第二母材(20)搭接接头；

步骤2，提供激光焊接系统，所述激光焊接系统包括激光器(30)、传输光纤(31)、激光焊接头(32)、机械手(33)、焊接保护气体喷嘴(34)和工控机(35)，激光器(30)和机械手(33)与工控机(35)通信连接，机械手(33)与激光焊接头(32)固定连接；

步骤3，提供超声测厚系统，所述超声测厚系统包括直线电机(40)、连接块(41)、滚轮(42)、超声探头(43)、耦合剂(44)、数据分析处理单元(45)；耦合剂(44)预先涂覆在第一母材(10)和第二母材(20)搭接接头正下方，超声探头(43)安装在滚轮(42)上，滚轮(42)通过连接块(41)与直线电机(40)固连；直线电机(40)和数据处理单元(45)与工控机(35)通信连接；

步骤4，启动激光焊接系统，开启激光器(30)，激光器(30)通过激光焊接头(32)输出聚焦的激光束(36)辐照在第一母材(10)上表面实施激光焊接，焊接保护气体喷嘴(34)向焊接区吹送焊接保护气体；然后开启超声测厚系统，工控机(35)控制机械手(33)和直线电机(40)同步移动，实施激光焊接；超声探头(43)测量第二母材(10)的未熔合厚度Δ，经数据分析处理单元(45)获得第二母材(20)熔深偏差值X，第二母材(20)熔深偏差值X反馈到工控机(33)，工控机(33)根据预定的函数关系式调整激光器中心光束激光功率P；

步骤5，激光焊接头到达焊接末端点，关闭激光焊接系统和超声测厚系统，完成焊接过程。

2.根据权利要求1所述的基于超声实时测量的铜铝异种金属搭接焊方法，其特征在于：所述第一母材(10)为铝板，所述铝板的厚度为h1为0.8～1.5mm，所述第二母材(20)为铜板，所述铜板的厚度为h2为2～3mm。

3.根据权利要求2所述的基于超声实时测量的铜铝异种金属搭接焊方法，其特征在于：所述激光器(30)为高亮度抗高反环形光斑光纤激光器。

4.根据权利要求3所述的基于超声实时测量的铜铝异种金属搭接焊方法，其特征在于：所述耦合剂(44)为甘油。

5.根据权利要求4所述的基于超声实时测量的铜铝异种金属搭接焊方法，其特征在于：所述超声探头(43)发出的超声波与所述激光焊接头(32)中心相距d为3～5mm。

6.根据权利要求5所述的基于超声实时测量的铜铝异种金属搭接焊方法，其特征在于：所述激光束(36)为环形光斑激光束，环形光斑激光束由中心光束和环光束同轴组成，且环光束激光功率为500～1200W。

7.根据权利要求6所述的基于超声实时测量的铜铝异种金属搭接焊方法，其特征在于：在步骤4中，当激光焊接速度为1.5m/min，离焦量为+2mm时，激光器(30)中心光束激光功率P＝800*h1-300*X，其中，X为第二母材熔深偏差值，当X为正值时，X为实际熔深大于熔深预设值，当X为负值时，X为实际熔深小于熔深预设值。

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