鋰電池極耳層疊超聲焊溫度測(cè)量及工藝優(yōu)化

曹瑜琦

(北京華特時(shí)代電動(dòng)汽車技術(shù)有限公司，北京 101300)

環(huán)境污染和能源危機(jī)日益顯現(xiàn)，發(fā)展新能源汽車，實(shí)現(xiàn)綠色出行是社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。電動(dòng)汽車是新能源汽車的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，其普遍采用鋰離子動(dòng)力電池作為儲(chǔ)能單元。為滿足電動(dòng)汽車的不同容量和功率需求，鋰離子動(dòng)力電池單體通過不同的串并聯(lián)關(guān)系，組成動(dòng)力電池包。鋰離子動(dòng)力電池正極極耳材質(zhì)為銅(銅合金)，負(fù)極極耳材質(zhì)為鋁(鋁合金)，鋰離子動(dòng)力電池串聯(lián)時(shí)，需要將正極極耳與負(fù)極極耳焊接在一起，也就是實(shí)現(xiàn)銅/鋁異種材料焊接。

超聲波焊接是利用超聲頻率的機(jī)械振動(dòng)能量在靜壓力的共同作用下，連接被焊材料的特殊焊接方法。金屬超聲波焊接時(shí)，既不向工件輸送電流，也不向工件引入高溫?zé)嵩?，只是在靜壓力下將彈性振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぜg的摩擦功、形變能及隨后有限的溫升。接頭間的冶金結(jié)合是在母材不發(fā)生熔化的情況下實(shí)現(xiàn)的，因而是一種固態(tài)焊接。

目前，有不少研究者對(duì)銅、鋁超聲波焊接進(jìn)行了研究。D. Lee等通過有限元仿真，發(fā)現(xiàn)在0.2 mm銅/鋁超聲波焊接過程中，焊接時(shí)間為0.2 s時(shí)，工件界面的溫度為200 ℃，遠(yuǎn)低于材料熔點(diǎn)[1]。Chen等采用紅外熱像儀測(cè)量1 mm厚鋁合金超聲波焊接工件表面溫度達(dá)到300 ℃，并且測(cè)量焊接接頭顯微硬度發(fā)現(xiàn)，存在熱影響區(qū)[2]。顯然，在超聲波焊接過程中，工件的溫升有限，遠(yuǎn)未達(dá)到被焊材料的熔點(diǎn)。王軍等[3]對(duì)鋁片-銅管超聲波焊接的塑性變形及原子擴(kuò)散進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，工件材料塑性變形、機(jī)械嵌合及原子擴(kuò)散共同影響鋁/銅焊接接頭的質(zhì)量。李東[4]對(duì)0.2 mm厚雙層銅/鋁極片層疊超聲焊進(jìn)行觀察并計(jì)算得到，銅/鋁焊接的臨界溫度為79.1 ℃，有效連接長度臨界值為3.12 mm，有效厚度臨界值為0.137 mm。

在鋰離子動(dòng)力電池包的生產(chǎn)中，不僅需要開發(fā)出適合銅/鋁極耳層疊焊接的工藝，而且需要建立焊接過程監(jiān)控平臺(tái)，以對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

本文通過設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，研究鋰電池銅/鋁極耳層疊超聲波焊接過程中的溫度變化規(guī)律，以及焊接接頭的力學(xué)性能，得到銅/鋁極耳層疊超聲波焊接的最佳工藝參數(shù)，并初步建立起焊接過程最高溫度與焊接接頭力學(xué)性能的關(guān)系，為鋰電池銅/鋁極耳層疊超聲波焊接生產(chǎn)應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用材料為1060鋁合金以及TU1銅合金，二者尺寸規(guī)格均為35 mm×30 mm×0.3 mm。1060鋁合金成分見表1，TU1銅合金成分見表2，1060鋁合金力學(xué)性能見表3，TU1銅合金力學(xué)性能見表4。焊接樣件(見圖1)由符合上述尺寸規(guī)格的2件1060鋁片以及1件TU1銅片進(jìn)行層疊焊接。

表1 1060鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

表2 TU1銅合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

表3 1060鋁合金力學(xué)性能

表4 TU1銅合金力學(xué)性能

圖1 焊接試樣

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)焊接設(shè)備為6000 VA超聲波焊接機(jī)，超聲頻率為20 kHz，輸出最大電功率為6 kW。焊接過程溫度監(jiān)控設(shè)備為VH—680紅外熱像儀，測(cè)溫范圍為-40 ～ +1 200 ℃，精度為±1 ℃或1%。剝離試驗(yàn)采用LY—500型數(shù)顯拉力試驗(yàn)機(jī)，量程為0 ～ 500 N，精度為0.01 N。

2 試驗(yàn)方法

2.1 焊接工藝參數(shù)

超聲波焊接過程的工藝參數(shù)包含輸出電功率、焊接時(shí)間和焊接氣壓等，它們對(duì)焊接質(zhì)量都有影響。

焊接時(shí)間有4種參數(shù)可設(shè)置，分別是一次焊接延遲時(shí)間、一次焊接時(shí)間、二次焊接延遲時(shí)間以及二次焊接時(shí)間。一次焊接延遲時(shí)間指上聲極向下行走至發(fā)出超聲時(shí)間；一次焊接時(shí)間指第1次超聲波焊接時(shí)間；二次焊接延遲時(shí)間指上聲極離開焊件向上行走至發(fā)出超聲時(shí)間；二次焊接時(shí)間指第2次超聲波焊接時(shí)間。

一次焊接主要對(duì)焊件輸出振動(dòng)能量，使焊件貼合面發(fā)生固相熔合，對(duì)焊接質(zhì)量影響較大。通常，如果一次焊接延遲時(shí)間過長，焊機(jī)的焊頭(上聲極)完全下壓后才發(fā)出超聲，此時(shí)焊頭提供給焊件的剪切力不足以驅(qū)動(dòng)工件跟隨焊頭振動(dòng)，焊件之間的摩擦阻力過大導(dǎo)致焊件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度小，摩擦產(chǎn)生的熱量也少，焊件有效的焊合區(qū)域更少；反之，如果一次焊接延遲時(shí)間過短，焊頭施加在焊件上壓緊力不夠大，此時(shí)超聲發(fā)出容易使焊件之間錯(cuò)位。

二次焊接主要是有利于焊件與聲極脫模，對(duì)焊接質(zhì)量影響程度較輕。

焊接氣壓的變化會(huì)導(dǎo)致焊接靜載荷的變化，如果焊接靜載荷不足，則在超聲波焊接時(shí)焊件可能塑性變形量不足，難以形成較好的焊合面；反之，如果焊接靜載荷過大，焊件之間接觸表面可能無法產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，焊件之間也仍然無法焊合。

輸出電功率與超聲振幅相關(guān)，超聲振幅指超聲振動(dòng)在振動(dòng)方向上的移動(dòng)距離。輸出電功率越大，則超聲振幅越大，對(duì)焊件輸出的能量也越多。有研究表明，在一定振幅范圍內(nèi)，界面焊合百分比隨超聲振幅增加而增加[5]。

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)時(shí)，將二次焊接延遲時(shí)間設(shè)定為0.1 s，二次焊接時(shí)間設(shè)定為0.05 s，主要對(duì)一次焊接延遲時(shí)間(A)、一次焊接時(shí)間(B)、焊接氣壓(C)和輸出電功率(D)這4種參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。前期已篩選出的較合適的參數(shù)范圍是：一次焊接延遲時(shí)間為1.35～1.55 s，一次焊接時(shí)間為0.25～0.35 s，焊接氣壓為0.15～0.25 MPa，輸出電功率為25%～35%。每個(gè)因素確定3個(gè)水平，取值見表5。采用L9(34)4因素3水平正交表安排試驗(yàn)，一共有9組試驗(yàn)，試驗(yàn)方案見表6。

表5 正交試驗(yàn)因素水平表

表6 正交試驗(yàn)方案

2.3 焊接及剝離試驗(yàn)

按表6進(jìn)行焊接試驗(yàn)，每一種試驗(yàn)規(guī)范下焊接3組試樣。采用VH-680紅外熱像儀對(duì)焊接過程進(jìn)行溫度測(cè)量。選用錄像模式記錄全部焊接過程，影像幀頻為8 Hz。應(yīng)用IRBIS3分析軟件對(duì)所得到的紅外熱圖進(jìn)行分選，得到每個(gè)焊接試樣表面的最高溫度。將焊好的試樣進(jìn)行剝離試驗(yàn)，測(cè)量其最大剝離力，取3組試驗(yàn)的平均值，作為該試驗(yàn)規(guī)范下試樣的剝離力。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 剝離試驗(yàn)結(jié)果分析

9組試樣的剝離試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表7，各試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的剝離力以及極差分析見表8。其中，均值1、均值2和均值3分別指因素A、B、C、D的第1、2、3水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)(剝離力)均值；極差R指的是各因素的均值最大值與最小值的差值。

表7 剝離試驗(yàn)數(shù)據(jù) (N)

表8 剝離試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

依據(jù)均值的大小可以判斷因素的優(yōu)水平以及優(yōu)組合。從表8可以得知，因素A、B、C、D對(duì)應(yīng)的水平分別為2、3、3、3時(shí)，試樣的剝離力最大，該參數(shù)為最佳工藝參數(shù)，即一次焊接延遲時(shí)間為1.55 s，一次焊接時(shí)間為0.35 s，焊接氣壓為0.25 MPa，輸出電功率為35%。

極差反映了因素水平波動(dòng)時(shí)試驗(yàn)指標(biāo)的變動(dòng)幅度。極差值越大，說明在試驗(yàn)參數(shù)變化范圍內(nèi)，該因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大。根據(jù)極差值的大小，可以判定因素的主次順序?yàn)锳>B>D>C，即一次焊接延遲時(shí)間影響最大，一次焊接時(shí)間次之，再次是輸出電功率，影響最小的是焊接氣壓。

3.2 焊接溫度分析

改變超聲波焊接時(shí)間、電功率和氣壓等工藝參數(shù)，則焊接過程中輸出到被焊工件的能量也隨之改變，那么焊接過程中工件的溫度也各不相同。按表6進(jìn)行焊接試驗(yàn)，紅外熱像儀測(cè)得的試樣表面最高溫度數(shù)據(jù)見表9。

表9 焊接最高溫度數(shù)據(jù)

對(duì)表9焊接最高溫度數(shù)據(jù)和表7剝離力數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合函數(shù)為y= 2.026 3x- 61.668，得到擬合結(jié)果如圖2所示。

圖2 焊接最高溫度與剝離力擬合圖

在最佳工藝參數(shù)條件下焊接3組試樣，試樣號(hào)分別為a、b、c，測(cè)量焊接過程工件表面的最高溫度，并測(cè)量試樣的剝離力。最佳工藝參數(shù)下的焊接紅外熱圖如圖3所示，3組試樣的焊接最高溫度分別是113.18、103.96和110.79 ℃，均值為109.31 ℃。按圖2中擬合函數(shù)計(jì)算，預(yù)測(cè)該3組試樣的剝離力分別為167.67、148.99和162.83 N，均值為159.83 N。將該3組試樣進(jìn)行剝離試驗(yàn)，測(cè)量其最大剝離力分別為154.56、156.01和159.82 N，均值為156.80 N，基本能符合擬合函數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果。

圖3 最佳工藝參數(shù)下的焊接紅外熱圖

超聲波焊接界面的質(zhì)量直接影響了焊接接頭的力學(xué)性能，由圖4焊接接頭宏觀斷口形貌可發(fā)現(xiàn)，焊接試樣所有焊點(diǎn)基本都完全焊合，焊接接頭的裂紋是從焊點(diǎn)外圍開始萌生，并向母材(鋁片)擴(kuò)展直至斷裂，焊接接頭的力學(xué)性能由母材的剪切強(qiáng)度決定，且此時(shí)母材剪切強(qiáng)度受缺口效應(yīng)影響。母材撕裂而焊點(diǎn)并未脫落，這種類型的焊接接頭的力學(xué)性能最佳。

圖4 最佳工藝參數(shù)下焊接試樣斷口形貌

4 結(jié)語

采用超聲波焊機(jī)對(duì)2件0.3 mm厚的1060鋁片以及1件0.3 mm厚的TU1銅片進(jìn)行層疊焊接，在二次焊接延遲時(shí)間為0.1 s、二次焊接時(shí)間為0.05 s固定不變的條件下，得到最佳焊接工藝參數(shù)如下：一次焊接延遲時(shí)間為1.55 s，一次焊接時(shí)間為0.35 s，焊接氣壓為0.25 MPa，輸出電功率為35%。焊接工藝參數(shù)影響的主次順序?yàn)椋阂淮魏附友舆t時(shí)間影響最大，一次焊接時(shí)間次之，再次是輸出電功率，影響最小的是焊接氣壓。

采用紅外熱像儀測(cè)量焊接過程工件最高溫度，對(duì)工件的焊接最高溫度(y)和剝離力(x)進(jìn)行擬合，得到擬合函數(shù)y= 2.026 3x- 61.668。

最佳焊接工藝參數(shù)下試樣的焊接最高溫度均值為109.31 ℃，剝離力均值為156.80 N，基本符合擬合函數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果。對(duì)焊接試樣進(jìn)行宏觀斷口形貌分析可知，最佳工藝參數(shù)條件下焊接試樣基本都完全焊合，未出現(xiàn)焊點(diǎn)脫落。

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