動(dòng)力鋰電池極耳激光焊接成形和組織性能研究①

王智海，陳 力

(浙江農(nóng)業(yè)商貿(mào)職業(yè)學(xué)院汽車技術(shù)系，浙江 紹興 312088)

1 引言

當(dāng)前，新能源汽車發(fā)展勢(shì)頭迅猛，以鋰離子電池作為動(dòng)力主流的需求隨之增多，其單體電池在組合堆疊成模組或Pack包時(shí)均需連接在一起，串并聯(lián)連接所用的中間物即極耳，目前采用的焊接方式有多種方式：超聲波焊接、激光焊接、電子束焊接、TIG焊接等，用于最為廣泛的手段是激光焊接極耳材料，同時(shí)也存在許多問(wèn)題，如虛焊、焊穿、爆孔等，虛焊帶來(lái)的極耳連接不良在焊縫處將會(huì)增加連接電阻，產(chǎn)生大量的熱，同時(shí)大量裂紋易導(dǎo)致焊接強(qiáng)度較低，使用過(guò)程中的振動(dòng)會(huì)延展分離，而焊接功率過(guò)大或焊接速度的過(guò)低會(huì)導(dǎo)致極耳焊透，焊縫表面會(huì)形成爆孔，擊穿電芯導(dǎo)致漏液[1]。之所以會(huì)產(chǎn)生以上不良是因?yàn)殂~鍍鎳片與鋁合金片二者線熱膨脹系數(shù)不一致，焊接接頭熱穩(wěn)定性差，同時(shí)兩種金屬的晶粒尺寸在熔焊時(shí)不易掌控，會(huì)產(chǎn)生大量的金屬間化合物IMC，同樣也會(huì)對(duì)金屬極耳的成形組織性能產(chǎn)生影響。

但激光焊接技術(shù)通過(guò)激光聚焦照射于極耳表面，光斑融化材料迅速焊接，較傳統(tǒng)焊接方式具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

(1)焊區(qū)反應(yīng)和變形量小，匹配適用于極耳超薄材料焊接；

(2)焊接位移精確，由于是非接觸式焊接振動(dòng)小，可實(shí)現(xiàn)高精度焊接質(zhì)量；

(3)焊接加工工藝性好，結(jié)合三坐標(biāo)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化快速焊接，提升焊接效率，滿足動(dòng)力電池焊接工業(yè)需求[2-3]。

激光焊接主要通過(guò)激光器材料激光束形成焊接熱源，照射焊接對(duì)象，熔化焊接材料形成焊接熔池，待冷卻凝固后形成焊縫，主要分5個(gè)階段：材料吸熱階段(吸收激光電磁能)、材料加熱階段(電磁能遷移至材料內(nèi)部)、材料熔化階段(熱能集聚溫度升高)、材料汽化階段(等離子體出現(xiàn))、復(fù)合階段。采用激光焊接電池極耳材料時(shí)，對(duì)其影響最大的因素為焊接輸入熱，焊接輸入熱又與激光焊接功率與焊接速率相關(guān)，具體關(guān)系如公式1所示：

(1)

式中：Q為焊接輸入熱量，J/mm；p為激光焊接照射功率，W；v為焊接時(shí)的移動(dòng)速率，mm/s；μ為焊接功率系數(shù)比，無(wú)量綱。由上式可知，輸入熱與激光焊接機(jī)功率正相關(guān)[4-5]，同等功率大小的焊接熱輸入取決于焊接移動(dòng)速率的快慢。本文對(duì)激光焊接功率和焊接移動(dòng)速率進(jìn)行試驗(yàn)分析，分析二者對(duì)極耳激光焊接成形和組織性能的影響規(guī)律。在采用不同工藝參數(shù)對(duì)TU1銅鎳合金(3 mm)與6061鋁合金(0.5 mm)激光焊接后，其中TU1銅鎳合金作為極耳材料，3 mm 6061鋁合金作為匯流排，再觀察不同參數(shù)下的顯微組織性能，試驗(yàn)焊接后的最大抗拉剪強(qiáng)度和斷面硬度值，以比較焊接質(zhì)量的優(yōu)劣。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)材料

激光焊接試驗(yàn)材料所用的兩種金屬厚度分別為3 mm和0.5 mm，3 mm 6061鋁合金為T6態(tài)(固溶后時(shí)效處理)，0.5 mm銅鎳薄片為硬態(tài)。兩種焊接對(duì)象主要材料成分如表1和表2所示。

表1 試驗(yàn)材料6061鋁合金的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of 6061 aluminum alloy.

表2 試驗(yàn)材料Tu1銅鎳合金的化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of Tu1 copper alloy.

按照試驗(yàn)要求制作焊接試樣尺寸，除去TU1銅鎳合金表面的氧化膜，完成后將6061鋁合金薄片放入乙醇溶液中，在焊接前取出采用棉布擦拭晾干，TU1匯流排焊接區(qū)域采用99%以上濃度的乙醇溶液擦拭，完成后采用夾具固定在激光焊接臺(tái)上，試驗(yàn)溫度不做設(shè)置，采用99.9%的純氬作為焊接保護(hù)氣體，控制氣體流量300 ml/s[6]。

試驗(yàn)中采用TU1焊接材料和6061鋁合金的尺寸參照實(shí)際動(dòng)力電池極耳與匯流排相同的材料，TU1匯流排材料具體尺寸,70 mm×50 mm×3 mm，6061鋁合金極耳材料具體尺寸為70 mm×50 mm×0.5 mm，基本外形尺寸由線切割制成，TU1銅鎳合金放置于6061鋁合金的下方(即極耳在上，匯流排在下)，部分重疊放置，如圖1所示，重疊尺寸為40 mm。

圖1 試樣尺寸及焊接布置圖Fig.1 Sample size and welding layout.

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)使用的激光焊接設(shè)備主要以YLS-2000激光器為激光源，外形如圖2所示，擁有連續(xù)和調(diào)制兩種工作模式，波長(zhǎng)為1 070 nm，調(diào)制頻率為5 kHz，光速質(zhì)量BPP大于2 Mm×mrad。配備兩路水冷光纖頭和準(zhǔn)直器，工作焦距在50～50 mm處可調(diào)，誤差小于±1%。

圖2 YLS-2000 光纖激光器外形圖Fig.2 YLS-2000 fiber laser.

焊頭選用水冷式光纖激光焊頭FLW D30，可在垂直或水平兩種條件下工作，同時(shí)實(shí)時(shí)污染監(jiān)測(cè)。

試驗(yàn)中顯微組織觀察采用的是OLYMPUS BX51顯微鏡進(jìn)行拍攝分析，主要是觀測(cè)不同焊接工藝參數(shù)下試樣的顯微組織結(jié)構(gòu)。采用WAW-2000D型號(hào)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)極耳激光焊接進(jìn)行拉伸剪切試驗(yàn)，獲取不同處理下的最大拉伸剪切載荷，拉伸試驗(yàn)速率為2 mm/min。文中硬度試驗(yàn)選取的測(cè)試載荷為400 gf，其載荷保持時(shí)間為20 s。

2.3 激光焊接工藝參數(shù)

選取焊接功率和焊接速率作為主要的激光焊接工藝參數(shù)，根據(jù)以往文獻(xiàn)和試驗(yàn)得出了二者的基本較優(yōu)工作范圍，焊接功率范圍在800～1 500 W，焊接速率范圍在15～80 mm/s，通識(shí)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為激光功率過(guò)小或者焊接速率過(guò)快，均會(huì)導(dǎo)致焊接接頭強(qiáng)度低或出現(xiàn)虛焊現(xiàn)象，而當(dāng)焊接功率過(guò)大或焊接速率過(guò)慢，則會(huì)出現(xiàn)局部焊透或焊穿現(xiàn)象，因此該試驗(yàn)均在上述參數(shù)工作范圍中各選取5組參數(shù)對(duì)比試驗(yàn)觀察，固定焊接速率組起數(shù)值為50 mm/s，固定焊接功率組其數(shù)值為1 000 W，即按照表3所示進(jìn)行激光焊接組合參數(shù)試驗(yàn)，采取萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)焊接后的樣品進(jìn)行拉伸剪切試驗(yàn)，利用硬度計(jì)測(cè)試試樣焊接區(qū)硬度，再進(jìn)行分析顯微組織結(jié)構(gòu)，以獲得焊接性能優(yōu)化的機(jī)理。

表3 激光焊接工藝參數(shù)組合表Table 3 Combination of laser welding process parameters.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

依照動(dòng)力電池的焊接技術(shù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)激光焊接偶的動(dòng)力電池極耳樣件進(jìn)行抗拉剪性能測(cè)試，需要說(shuō)明的是拉伸試驗(yàn)方向垂直于焊接路徑(即平行于最大尺寸70 mm尺寸方向)，設(shè)置的拉伸速率為2 mm/min，對(duì)每種參數(shù)試驗(yàn)的樣品進(jìn)行三件抗拉剪試驗(yàn)，如圖3所示，以獲得較為真實(shí)平均的試驗(yàn)結(jié)果值。每種焊接組合參數(shù)下選取一件試樣，在其焊接區(qū)域頭中尾部各選取一個(gè)位置測(cè)試維氏硬度，測(cè)試方向如圖3所示，測(cè)量焊縫表面硬度以焊縫基本中心線處作為焊接起點(diǎn)，再沿焊縫寬度兩側(cè)依次測(cè)量，其硬度測(cè)量間距為0.2 mm。

圖3 力學(xué)性能試驗(yàn)測(cè)試方向Fig.3 Test direction of mechanical property.

3.1 力學(xué)性能：抗拉剪強(qiáng)度

固定焊接速率下的焊接功率對(duì)抗拉剪測(cè)試結(jié)果如圖4(a)所示，在保持焊接速率50 mm/s的前提下，激光功率增大后，極耳焊接接頭的抗拉剪性能隨功率增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在激光功率1 100 W時(shí)，抗拉剪性能出現(xiàn)峰值，其數(shù)值達(dá)到1 380 N，可分析出在50 mm/s的速率下，激光功率在1 100 W附近出現(xiàn)最優(yōu)。當(dāng)焊接功率在950 W時(shí)，焊接輸入能量較小，焊縫熔深較淺，導(dǎo)致抗拉剪性能差。而當(dāng)焊接功率大于1 100 W時(shí)，其抗拉剪性能反而降低，其原因是隨著焊接輸入能量增加，極耳材料6061鋁合金熔化程度嚴(yán)重，導(dǎo)致更加多的鋁元素參與到銅鋁的溶解當(dāng)中，熔深熔寬雖有增加，但在焊縫中有更多的銅鋁金屬間化合物生成，該金屬化合物硬度和脆性性能較高，但抗拉剪強(qiáng)度降低，以致隨著激光焊接功率的增加，數(shù)值逐漸降低。

圖4 不同焊接速率與焊接功率下的抗拉剪試驗(yàn)值,(a)固定焊接速率50 mm/s，(b)固定焊接功率1 000 WFig.4 Tensile shear test values at welding rates and welding power.(a) Constant laser rate:50 mm/s,(b) Constant laser power:1 000 W.

固定焊接功率下的焊接速率對(duì)抗拉剪測(cè)試結(jié)果如圖4(b)所示，在保持焊接功率1 000 W的前提下，激光速率增大后，動(dòng)力電池極耳焊接接頭的抗拉剪性能同樣出現(xiàn)隨速率增大而先增大后減小的趨勢(shì)，在激光速率60 mm/s時(shí)，抗拉剪性能出現(xiàn)峰值，其數(shù)值達(dá)到1 323 N，當(dāng)焊接速率較慢時(shí)，雖能保證輸入的焊接能量足夠，形成較寬的焊縫熔寬或者熔深，但形成的銅鋁金屬間化合物晶粒變大，內(nèi)部焊頭組織同時(shí)氣孔，以致抗拉剪強(qiáng)度降低，隨著焊接速率的加快，減少焊接能量的輸入，可降低銅鋁化合物的生成，同時(shí)提升抗拉剪強(qiáng)度，但當(dāng)焊接速率快于60 mm/s后，輸入的能量小于焊接本身所需要的基本熱量，所形成的焊縫中出現(xiàn)大量的焊縫氣孔，減小了抗拉剪試驗(yàn)過(guò)程的有效截面積，因此焊接輸入能量較小會(huì)導(dǎo)致焊縫熔深變淺，影響抗拉剪性能降低。

3.2 力學(xué)性能：維氏硬度

固定焊接速率下的焊接功率對(duì)維氏硬度結(jié)果如圖5(a)所示，在保持焊接速率50 mm/s的前提下，激光功率增大后，焊縫兩側(cè)維氏硬度也呈現(xiàn)出先提高后降低的趨勢(shì)。在激光功率1 250 W時(shí)，硬度測(cè)試出現(xiàn)峰值，最高硬度值達(dá)到133 HV，其原因是焊接功率較小時(shí)候。焊縫形成的熔化程度不深，未生成銅鋁間化合物，焊縫中心區(qū)硬度不高，隨著焊接功率的增大，快速增加了焊縫溶解程度，在熔池中溶解了大量極耳材料6061鋁合金的鋁元素，形成銅鋁化合物提高硬度，但隨著焊接功率進(jìn)一步的增加，鋁元素與銅反應(yīng)速率到一定程度終止，鋁元素未能參與到銅鋁的溶解產(chǎn)生大量的焊接氣孔，表現(xiàn)為硬度降低。

固定焊接功率下的焊接速率對(duì)抗拉剪測(cè)試結(jié)果如圖5(b)所示，在保持焊接功率1 000 W不變，不斷增大激光速率后，從圖中可以看出，動(dòng)力電池極耳焊接接頭焊縫硬度雖速率增快而降低，基本機(jī)制與激光功率一致，焊接速率的變化直接改變了單位長(zhǎng)度的焊接能量輸入，當(dāng)焊接速率提高后，降低焊池溶解程度，電池極耳材料形成的化合物生成減少，導(dǎo)致焊縫維氏硬度不高，當(dāng)激光焊接速率70 mm/s時(shí)，僅有少量的鋁元素參與到熔池熔接中，焊縫中心出的硬度幾乎與母材硬度無(wú)異。

圖5 激光功率與激光速率對(duì)極耳焊接頭硬度的影響，(a)固定焊接速率50 mm/s，(b)固定焊接功率1 000 WFig.5 The effect of laser power and rate on the hardness of lug welded joints.(a) Constant laser rate:50 mm/s,(b) Constant laser power:1 000 W.

3.3 顯微組織

該試驗(yàn)主要選取兩組試驗(yàn)參數(shù)下的顯微組織進(jìn)行觀察對(duì)比，如圖6所示，分別為兩種參數(shù)下的焊縫表面宏觀形貌與斷面顯微金相組織，圖6(a)與圖6(b)為焊接功率1 000 W，焊接速率70 mm/s的結(jié)果，圖6(c)與圖6(d)為焊接功率1 100 W，焊接速率50 mm/s的焊接結(jié)果。

圖6 極耳焊頭焊縫表面形貌與斷截面顯微組織Fig.6 Surface and cross-sectional morphology of lug welded joints.

從圖6(a)中易看出，由于輸入的激光焊接能量較小，導(dǎo)致在宏觀形貌中產(chǎn)生了大量的未熔化白斑現(xiàn)象，同時(shí)在斷截面的金相圖中融合滲透的鋁元素較少，參與熔化焊接的6061鋁合金層薄，另外也出現(xiàn)了少量的焊接氣孔缺陷。反之，在焊接功率1 100 W，焊接速率50 mm/s焊接工藝參數(shù)條件下，在其宏觀形貌圖中出現(xiàn)了燒蝕現(xiàn)象，分析原因?yàn)楹附泳植磕芰θ哂?，產(chǎn)生過(guò)焊接缺陷，從宏觀圖中看到總體焊接質(zhì)量較好，形成了較為規(guī)整的鱗次外觀，在其顯微組織圖中可看到6061鋁合金參與焊接程度較深，其反應(yīng)尺寸幾乎為另一種參數(shù)下的3倍，也出現(xiàn)了大量的氣孔，改氣孔由于極耳材料參與焊接較多，但彼此反應(yīng)時(shí)間短，接觸不徹底[7]。

4 結(jié)論

對(duì)動(dòng)力鋰電池極耳材料TU1銅鎳合金與6061鋁合金進(jìn)行激光焊接試驗(yàn)，分別固定焊接速率調(diào)整改變焊接功率與固定焊接功率調(diào)整改變焊接速率兩種變化工藝參數(shù)下進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)力學(xué)性能測(cè)試了抗拉剪強(qiáng)度和維氏顯微硬度，同時(shí)還選取代表性焊接對(duì)象，觀察了表面宏觀形貌及斷截面顯微硬度，試驗(yàn)結(jié)果表明：焊接速率50 mm/s、激光功率1 100 W時(shí)，抗拉剪強(qiáng)度最佳，達(dá)到1 380 N，激光功率1 250 W時(shí)，顯微硬度最高，達(dá)到133 HV，同時(shí)二者還出現(xiàn)了因激光功率增加先增后減的趨勢(shì)，最為重要的原因之一就是銅鋁金屬間化合物生成量的多少，其直接影響極耳材料焊接后的力學(xué)性能表現(xiàn)；焊接功率1 100 W、激光速率60 mm/s時(shí)，抗拉剪強(qiáng)度最佳，達(dá)到1 323 N，激光功率1 250 W時(shí)，顯微硬度最高，達(dá)到120 HV。在選取的兩個(gè)焊接能量輸入的極端中的組織中發(fā)現(xiàn)，焊接能量較小時(shí)，極易產(chǎn)生未熔區(qū)和少量氣孔，焊接能量較大時(shí)，通常表觀焊接質(zhì)量較好，但極大可能會(huì)出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象和大量氣孔，銅鎳合金與鋁合金二者反應(yīng)程度較深未必足夠充分，導(dǎo)致焊接氣孔產(chǎn)生[8]。

通過(guò)二者的工藝參數(shù)的組合運(yùn)用，對(duì)動(dòng)力鋰電池激光焊接成形和組織性能進(jìn)行組合研究。對(duì)其力學(xué)性能和顯微組織機(jī)制機(jī)理分析比較，對(duì)實(shí)際電池極耳激光焊接接頭處的力學(xué)性能與問(wèn)題分析提供了參考。