激光焊接鉛蓄電池端子及模擬技術(shù)
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1前言
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/231447.htm十九世紀(jì)發(fā)明鉛蓄電池以來，從通用性、低成本的特點來看均優(yōu)于鎳氫、鋰離子新型電池，目前在工業(yè)領(lǐng)域仍起著重要的作用。
作為新動向，雖說鉛蓄電池具有此特征，但對所說的高性能鉛蓄電池，還應(yīng)體現(xiàn)適應(yīng)新的領(lǐng)域。采用激光技術(shù)焊接小容量閥控式鉛蓄電池端子是公司高新技的一個環(huán)節(jié)，試制將電池內(nèi)部的剩余空間減小到極限。采用激光焊接是局部加熱，為減小部件間隔，如圖1所示，已成功地將除極板以外剩余空間減小到7層以下。其結(jié)果是體積能量密度有飛躍的提高。
圖1普通型與新型結(jié)構(gòu)的對比
本文敘述了鉛蓄電池端子部位的焊接應(yīng)用于激光焊接后的效果。采用模擬技術(shù)，分析焊接時的溫度，報告了確立焊接條件的結(jié)果。
圖2激光焊接機(jī)結(jié)構(gòu)
2激光焊接
2.1焊接機(jī)
圖2所示為激光焊接機(jī)的結(jié)構(gòu)。激光焊接是通過振子振動形成激光，再由光纖傳送到發(fā)光部位。發(fā)光部位集中的光成為高能，照射到加工的部件上進(jìn)行焊接。激光焊接的特點是將高能作為微小的焊點照射。局部的熔化進(jìn)行加工焊接，熱量對周圍的影響能控制在最小限度。
2.2端子焊接的適用性
為使電池達(dá)到小型化，極柱套高度設(shè)計到最小極限，再將加熱的部位與到達(dá)周圍樹脂的距離變小。目前的焊槍焊接，加熱到樹脂熔化，有時導(dǎo)致電池的氣密性不佳。氣密性對電池壽命有很大的影響，所以極柱套高度在定值的范圍內(nèi)很難再減小。
采用激光將這些端子進(jìn)行試焊接，激光焊接部位集中加熱，熱量對周圍樹脂的影響可控制在最小限度（圖3）。其結(jié)果是極柱的高度與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比有大幅度的減小。
圖3端子焊接方式
為進(jìn)一步得到更穩(wěn)定的焊接質(zhì)量，在模擬熱分析的試驗中，激光焊接條件最佳。以下作一概述。
3模擬分析
3.1分析模式結(jié)構(gòu)
分析時，首先用有限單元法分析模式進(jìn)行分析，將分析結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行比較，驗證了分析模式的穩(wěn)定性。
分析采用有限單元法分析程序，進(jìn)行單元模式的非穩(wěn)定非線形的熱分析。分析范圍是焊接的極柱、極柱套及極柱周圍的樹脂，制成圖4（a）所示的模式。這種模式在溫度自由的條件下進(jìn)行單元分析，獲得圖4（b）的有限單元模式。
邊界條件如圖5所示，激光加熱是一個元件發(fā)熱，將發(fā)熱點每間隔一定的時間轉(zhuǎn)移到相鄰的元件，表現(xiàn)出激光的移動照射加熱。放熱是在模型表面通過熱傳導(dǎo)系數(shù)，向周圍空氣中散發(fā)熱量。在本分析中匆略了輻射熱，鉛熔化時的熔解熱以鉛熱函相對溫度非線形表示。
焊接時激光基本輸出程序示于圖6。這一程序為激光在極柱周圍約2周加熱，這一程序分析的結(jié)果如下。
圖8焊接范圍的分析結(jié)果
4提高焊接質(zhì)量的研究
如圖10所示焊接程序，在圓周上各點的焊接深度不相同，特別是在確認(rèn)10℃~90℃范圍內(nèi)，沒有得到必保的焊接深度。其原因是整體的激光輸出時，能熔解到極柱套周圍的樹脂，此時判定影響電池的氣密性能。因此，根據(jù)模擬分析可得到需要的焊接深度，并求得熱量對周圍樹脂無影響的新程序。
圖12所示，通過傳統(tǒng)程序和模擬程序，最終求出新的程序。新程序中更改的部分，首先為取消以往10℃~90℃范圍含糊不清的焊接深度，增加了焊接第2周最初的激光輸出，為進(jìn)一步控制所要求以上的加熱，逐步地刪除之后的輸出。
圖12激光輸出程序新舊對比
在新的程序中，將模擬分析結(jié)果和實際的結(jié)果敘述如下。
圖13所示，按新的程序進(jìn)行模擬分析，求出焊接深度。與傳統(tǒng)條件對比，焊接深度相同，在周圍得到了預(yù)想的焊接深度。四周樹脂部分的最高溫度比以往下降約10℃，所以樹脂熔解的可能性很小。
圖13新舊程序焊接程度的模式對比圖14新舊程序焊接深度試驗值的比較
按新程序進(jìn)行實際焊接，測定焊接深度時的矩形圖與按以往程序進(jìn)行相同試驗的結(jié)果同步示出（見圖14）。傳統(tǒng)條件下焊接深度的偏差大，出現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)值以下，但在新的程序中焊接深度偏差不足傳統(tǒng)偏差的1/2，全部樣品達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)值。以上結(jié)果證實激光焊接具有良好的效果，模擬技術(shù)是非常有效的方法。
5結(jié)論
通過激光焊接，鉛蓄電池端子部位高度集中，使體積能量密度有飛躍的提高。構(gòu)筑激光焊接模擬試驗?zāi)Ｊ?，溫度有明顯的改善。為使激光焊接達(dá)到良好的焊接狀態(tài)，模擬技術(shù)是非常有效的方式。
圖9焊接深度的分析結(jié)果
圖9所示，選擇從側(cè)面看到模型時的焊接范圍，以紅色表示。從側(cè)面可看到各時點，各位置焊接的深度。從開始焊接位置的角度求得焊接終了時焊接深度的結(jié)果，與實際測量值一同示于圖10。確認(rèn)模擬結(jié)果和實際測量值完全吻合，求出周圍樹脂部分的溫度時效的結(jié)果與實際測量值一同示于圖11。為使加熱點移到圓周上方，改變測試點與熱源距離的變化，兩者同時形成階段性曲線。通過圖示結(jié)果可以確認(rèn)，模擬曲線和實測值完全一致。從以上模擬結(jié)果和實測值的對比證明，用這種分析模式評價激光焊接時溫度的變化是有效的。
圖10焊接深度的試驗值與實測的比較圖11焊接中樹脂部分溫度的試驗值與實測值的比較
圖4（a）固體模式；(b)有限單元模式圖5激光加熱條件設(shè)定
3.2分析結(jié)果與驗證
分析結(jié)果的溫度分布時效示于圖7。紅色周圍是鉛熔點327℃以上的范圍，即時點熔解的范圍。圖8所示記錄到達(dá)各時點最高溫度的分布，紅色范圍是鉛熔點327℃以上的部分，示出到達(dá)時點焊接的范圍。圖7、圖8示出的綠色范圍是樹脂熔點在160℃以上的部分。焊接結(jié)束時，在160℃以上的范圍只有到達(dá)樹脂的部分，因此，只有這部分的樹脂熔化了。如果樹脂熔解，電池的氣密性被破壞，將嚴(yán)重地影響電池性能，對此作了如下研究。
圖6激光輸出程序
圖7溫度分布分析結(jié)果
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