倪增磊，楊嘉佳，李帥，王星星，葉福興

(1. 華北水利水電大學(xué)，鄭州 450045； 2. 天津大學(xué)，天津 300072)

0 前言

近年來(lái)隨著世界環(huán)境污染、氣候變暖及全球能源危機(jī)的不斷加劇，節(jié)能減排、綠色發(fā)展等環(huán)保問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視[1]。純電動(dòng)汽車具有無(wú)尾氣排放、節(jié)能環(huán)保、使用成本低等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。動(dòng)力鋰離子電池組作為純電動(dòng)汽車的核心部件，其質(zhì)量和容量決定著純電動(dòng)汽車的穩(wěn)定性、供電性能及安全性[2-3]。根據(jù)純電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力鋰離子電池組功率和容量的要求，動(dòng)力鋰離子電池組一般由幾百甚至上千個(gè)鋰離子電池單體組成[4]。同時(shí)，一定數(shù)量的電池單體通過(guò)串聯(lián)和并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)電池單元，然后電池單元通過(guò)匯流條連接進(jìn)而組成電池組[5-6]。在動(dòng)力鋰離子電池組裝配制造過(guò)程中有大量的焊接接頭，當(dāng)焊接接頭強(qiáng)度不足時(shí)，將造成電池組內(nèi)部電阻增大，不能有效供電；當(dāng)焊接過(guò)度，導(dǎo)致焊接熱量過(guò)大，電池芯和電極蓋將被焊穿，容易造成電解液泄漏和電池組電路短路，同時(shí)可能發(fā)生燃燒或爆炸，將嚴(yán)重影響到使用者的安全。因此，接頭焊接質(zhì)量對(duì)電池組的性能可靠性起著決定性的作用[7-8]。

鋰電池的制造組裝過(guò)程包括電池單體內(nèi)部的連接、電池單體之間的連接、電池單元之間的連接及電池模塊之間的連接[9]。鋰電池內(nèi)部單體連接主要包括陰/陽(yáng)極箔與正/負(fù)極片之間的連接。鋰電池單體之間的連接主要包括正/負(fù)極片與匯流條之間的焊接[10]。鋰電池主要元件主要采用的材料為銅、鎳和鋁及其合金。電池在集成或模塊化過(guò)程中，一般采用螺栓/螺母或電線進(jìn)行機(jī)械連接。

1 鋰電池制造中采用的焊接方法

銅、鋁、鎳及其合金具有高導(dǎo)電、導(dǎo)熱的特性，是鋰電池組模塊制造過(guò)程中極箔、極片和匯流條常用的幾種材料。鋁與銅焊接的難點(diǎn)在于兩者之間的導(dǎo)熱系數(shù)(Al,235 W/(m·K)；Cu，400 W/(m·K))、熔點(diǎn)(Al,660 ℃；Cu,1 085 ℃)相差較大及容易生產(chǎn)金屬間化合物[11-12]。采用傳統(tǒng)的熔焊方法焊接鋁和銅，將會(huì)產(chǎn)生金屬間化合物(例如：Al2Cu，AlCu和Al4Cu9)，其將嚴(yán)重降低焊接接頭的強(qiáng)度，增大焊接接頭的電阻，這是因?yàn)榻饘匍g化合物(Al2Cu,8.0 μΩ· cm；AlCu，11.4 μΩ· cm, Al4Cu9，14.2 μΩ· cm)的電阻遠(yuǎn)大于母材(Al，2.9 μΩ· cm；Cu，1.75 μΩ· cm)的電阻[13-15]。此外鎳的熔點(diǎn)為1 453 ℃，鋁與鎳熔點(diǎn)之間的巨大差異給傳統(tǒng)熔焊技術(shù)造成了嚴(yán)重的困難，同時(shí)熔焊容易造成金屬間化合物的大量生成，降低焊接接頭的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能[16-17]。

1.1 電阻點(diǎn)焊

電阻點(diǎn)焊是將焊件裝配成搭接接頭，并壓緊在兩電極之間，利用電阻熱熔化母材金屬形成焊點(diǎn)的一種金屬連接方法[18-19]。電阻點(diǎn)焊具有良好的經(jīng)濟(jì)性及魯棒性，其可以應(yīng)用在焊接傳統(tǒng)的車身用鋼材[20-22]。由于銅、鋁、鎳及其合金具有高導(dǎo)電、導(dǎo)熱的特性，采用電阻點(diǎn)焊所耗費(fèi)的能量較大(50～100 kJ/焊接接頭)，同時(shí)，電阻點(diǎn)焊鋁合金時(shí)電極極易燒損[23]。因此，電阻點(diǎn)焊在鋰電池極片與極片、極片與匯流條連接過(guò)程中存在很大的弊端。

1.2 激光焊接

激光焊接是利用高能激光將所焊金屬熔化而產(chǎn)生連接，適用于多層金屬薄材之間的連接[24-25]。其優(yōu)點(diǎn)是所焊工件不需要外加壓力、整體變形小、吸熱層表面破壞小、焊接時(shí)間短、通常為幾十毫秒。缺點(diǎn)是容易造成焊接接頭內(nèi)部產(chǎn)生氣孔、金屬間化合物等缺陷；同時(shí)金屬片之間導(dǎo)熱面積小，影響傳導(dǎo)效率，電阻將會(huì)增大，導(dǎo)電性能降低，導(dǎo)致焊接接頭處溫度升高；對(duì)材料平直度要求高，不易對(duì)準(zhǔn)焊接位置；焊接強(qiáng)度較差，冷熱交替頻繁或受外力時(shí)，焊點(diǎn)容易斷裂。鋰電池的工況溫度對(duì)性能的影響很大，在低溫時(shí)，電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)受到抑制，將會(huì)降低輸出功率；在高溫時(shí)，將會(huì)加速電池的腐蝕，大大縮短電池的使用壽命[26]。

1.3 超聲波點(diǎn)焊

超聲波點(diǎn)焊屬于固態(tài)焊接技術(shù)，其對(duì)材料的導(dǎo)電性及異質(zhì)性不敏感，同時(shí)焊接時(shí)間間短(一般都小于0.5 s)、耗能低(0.6～1.5 kJ/焊接接頭)，焊接界面溫度低，其一般為過(guò)母材熔點(diǎn)的40%～80%，適用于焊接硬度低的金屬片或箔材[27-29]。通過(guò)增大超聲波點(diǎn)焊機(jī)的焊頭尺寸能夠增大焊接接頭的焊接面積，減小電阻，從而提高電流的有效傳遞[30]。因此，超聲波焊接相對(duì)于激光焊接和電阻點(diǎn)焊技術(shù)具有一定的優(yōu)越性。

2 超聲波焊接技術(shù)簡(jiǎn)介

超聲波焊接廣泛應(yīng)用在電子、電器、汽車、航空及醫(yī)療等領(lǐng)域，其對(duì)熱敏材料的連接十分有效。盡管幾乎所有金屬的連接可以采用超聲波焊接方法完成，但是目前采用超聲波焊接技術(shù)連接的合金主要為銅、鋁、鎂、鈦、金及銀[31]。異質(zhì)材料焊接接頭(例如鋁-銅接頭)主要為金屬板、片、箔、線、棒之間的連接。將幾個(gè)不同尺寸的銅電纜焊接為一個(gè)單獨(dú)的焊接接頭，主要應(yīng)用在汽車線束、電線頭成型形、電線互焊、多條電線互焊成線結(jié)、銅鋁線轉(zhuǎn)換。將多層金屬箔材連接起來(lái)，其主要應(yīng)用在電動(dòng)汽車或其它電池組，如動(dòng)力電池多層正負(fù)極焊接，鎳氫電池鎳網(wǎng)與鎳片焊接，鋰電池、聚合物電池銅箔與鎳片焊接，鋁箔與鋁片焊接，鋁片與鎳片焊接。

現(xiàn)在超聲波焊接在汽車和航空航天領(lǐng)域結(jié)構(gòu)件焊接方面的應(yīng)用逐漸增多。例如：電線、電纜與各種電子元件、接點(diǎn)和端子：太陽(yáng)能電池、平板太陽(yáng)能吸熱板及鋁塑復(fù)合管滾焊，銅鋁板拼接；電磁開(kāi)關(guān)、無(wú)熔絲開(kāi)關(guān)等大電流接點(diǎn)、觸點(diǎn)及異種金屬片的焊接；冰箱、空調(diào)等行業(yè)銅管封尾，真空器件銅、鋁管密封。超聲波焊接應(yīng)用最廣泛的是超聲波點(diǎn)焊，其動(dòng)力傳遞主要分為橫向傳遞和縱向傳遞；超聲波縫焊主要用于厚度較薄材料的連續(xù)焊接；超聲波扭轉(zhuǎn)焊接主要用于環(huán)焊縫焊接；超聲波對(duì)接焊主要應(yīng)用于金屬材料的拼接。

超聲波點(diǎn)焊與傳統(tǒng)的熔焊方法相比較，可避免在焊接過(guò)程中產(chǎn)生氣孔、嚴(yán)重的焊接變形等缺陷；與鉚焊和壓力焊相比，可省去表面處理的費(fèi)用；與電阻點(diǎn)焊、攪拌摩擦點(diǎn)焊相比較，既節(jié)省時(shí)間又節(jié)約能源。超聲波焊接具有以下優(yōu)勢(shì)：①可靠性；②磨具壽命長(zhǎng)；③低溫、低能耗；④高效與自然化；⑤節(jié)約成本；⑥異種金屬焊接；⑦焊接處理快捷。但是超聲波焊接所能焊接的母材厚度一般不超過(guò)3 mm。

超聲波在焊接方面的應(yīng)用已經(jīng)有很多年。在20世紀(jì)30年代首先應(yīng)用在熔焊焊接過(guò)程中的晶粒細(xì)化；在20世紀(jì)40年代應(yīng)用在釬焊方面；在20世紀(jì)50年代，超聲波被發(fā)現(xiàn)在金屬片不熔化的情況下能夠焊接金屬零部件，此時(shí)超聲波被用來(lái)焊接金屬箔材[32-33]。超聲波點(diǎn)焊是一種固態(tài)焊接方法，焊接過(guò)程共分4個(gè)階段[34-35]：①一定的壓力施加在焊接工件上，焊接界面微凸起部分相互接觸；②相互接觸微凸起在超聲振動(dòng)作用下產(chǎn)生一定的剪切變形，這些接觸面積前期是無(wú)規(guī)則變化的，然后焊接面積及尺寸逐漸增大，同時(shí)摩擦系數(shù)增大。③焊件表面的污染物層被破壞，新鮮的金屬可以相互接觸、連接。塑性剪切變形產(chǎn)生熱量，持續(xù)不斷的降低材料的屈服強(qiáng)度，同時(shí)有效焊接面積增大。材料軟化是在溫度和超聲效應(yīng)協(xié)同作用下產(chǎn)生的。超聲波在完整的晶格能有效傳波，一旦遇到晶體缺陷，其將被吸收，有利于焊接界面產(chǎn)熱量和溫度的提升。④焊接過(guò)程中，最高溫度在焊接界面而不是在焊頭與工件的接觸界面，焊接界面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生塑性變形及再結(jié)晶。同時(shí)焊合區(qū)域在不發(fā)生熔化的情況下產(chǎn)生金屬鍵或擴(kuò)散，形成原子間的連接，實(shí)現(xiàn)焊接界面的冶金結(jié)合。因此超聲波點(diǎn)焊能效地克服熔焊時(shí)產(chǎn)生的氣孔和夾渣等缺陷[36]。

3 超聲波焊接設(shè)備

在超聲波焊接時(shí)，根據(jù)焊縫的類型、形狀及母材的尺寸，可以選擇不同種類的焊接設(shè)備，包括超聲波金屬縫焊機(jī)、超聲波金屬扭轉(zhuǎn)型焊機(jī)和超聲波點(diǎn)焊機(jī)等。超聲波縫焊機(jī)為連續(xù)旋轉(zhuǎn)的橫向驅(qū)動(dòng)型超聲波換能器使圓形的焊頭在工件上產(chǎn)生橫向的振動(dòng)，從而產(chǎn)生連續(xù)的焊縫。固定驅(qū)動(dòng)換能器旋轉(zhuǎn)的裝置實(shí)際包含軸承和驅(qū)動(dòng)器，底座是固定的。實(shí)際中，有些設(shè)備的底座可以與焊頭協(xié)同運(yùn)動(dòng)。和超聲波點(diǎn)焊機(jī)一樣，在焊接過(guò)程中需要對(duì)工件施加一定的靜壓力。超聲波縫焊機(jī)主要應(yīng)用在鋁、銅箔材的連接。

超聲波扭轉(zhuǎn)型焊接為焊頭和放大器在兩個(gè)連接在一起的超聲波換能器縱向振幅的推-拉或扭轉(zhuǎn)作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此可以形成扭轉(zhuǎn)焊縫。焊頭和放大器在扭轉(zhuǎn)模式下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)共振，其作用于工件將產(chǎn)生環(huán)形的焊縫。盡管振動(dòng)是環(huán)形的，但是焊頭表面的運(yùn)動(dòng)仍平行于工件表面。超聲波扭轉(zhuǎn)型焊機(jī)一般具有兩個(gè)換能器，根據(jù)所需能量的要求，具有4個(gè)換能器的扭轉(zhuǎn)型超聲波扭轉(zhuǎn)型焊機(jī)的功率可以提高到10 kW。

鋰電池制造中主要采用超聲波點(diǎn)焊機(jī)，其主要分為兩類：楔-桿型和側(cè)向驅(qū)動(dòng)型。楔-桿型超聲波點(diǎn)焊機(jī)主要包括發(fā)生器、換能器和楔-桿組件，主要用于產(chǎn)生超聲波，并將超聲波傳遞到工件。壓力一般采用氣缸、液壓缸或電動(dòng)設(shè)備控制，使得焊頭能夠自由的向上或向下運(yùn)動(dòng)。焊接壓力可以在幾十到幾千牛頓之間調(diào)節(jié)。楔相當(dāng)于側(cè)向驅(qū)動(dòng)型超聲波焊機(jī)中的放大器，可以調(diào)控振幅，然后通過(guò)桿將振幅傳遞給焊頭。焊接振幅一般在10～100 μm之間，沿縱向傳播。為了減少能量的損失，楔一般都垂直于桿，同時(shí)桿以彎曲的模式振動(dòng)，產(chǎn)生了振幅。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，最優(yōu)的情況是底座與焊頭在焊接過(guò)程中產(chǎn)生共振，從而可以提高焊件之間的相互運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而提高所焊接接頭的力學(xué)性能。

側(cè)向驅(qū)動(dòng)型超聲波點(diǎn)焊機(jī)主要包括發(fā)生器、換能器、放大器和焊頭。換能器通過(guò)壓電陶瓷片將電能轉(zhuǎn)換為同頻率的線性機(jī)械振動(dòng)能；放大器根據(jù)焊接的實(shí)際需要將機(jī)械振幅提高。在焊接過(guò)程中焊件被焊頭和底座牢牢壓緊，上面的工件被焊頭表面的尖齒咬緊，下面的工件被底座表面的尖齒咬緊。焊頭與振幅方向相互平行，振幅是以橫向方向傳遞給工件。因此，兩個(gè)工件的接觸表面產(chǎn)生相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致接觸界面產(chǎn)生切向塑性變形及工件表面微凸起的平整化，然后形成焊合區(qū)。側(cè)向驅(qū)動(dòng)型和楔-桿型焊接在振動(dòng)現(xiàn)象方面是相似的，兩種焊機(jī)都通過(guò)固態(tài)焊接機(jī)理實(shí)現(xiàn)工件之間的焊接。與楔-桿型超聲波點(diǎn)焊機(jī)相比，側(cè)向驅(qū)動(dòng)型超聲波點(diǎn)焊機(jī)的功率一般較小，因此其所能焊接的母材厚度較小。

4 超聲波點(diǎn)焊機(jī)理

超聲波焊接的原理為在焊件接觸面施加振蕩振幅和靜壓力，隨著焊接過(guò)程的進(jìn)行，焊頭將部分穿透上部工件的表面，焊頭與上面工件產(chǎn)生相互咬合的作用，焊頭與上部工件之間的咬合力大于上部工件與下部工件之間的摩擦力，因此焊接過(guò)程中上面的工件隨著焊頭一起運(yùn)動(dòng)，上部工件的振動(dòng)幅度逐漸增大，直至與焊頭的振動(dòng)幅度相同，此時(shí)最利于工件之間的焊合。在焊接過(guò)程中，由于焊接壓力的作用，下面工件與底座產(chǎn)生的咬合作用大于工件之間的摩擦力，因此其與底座保持固定不動(dòng)的狀態(tài)。在超聲波點(diǎn)焊機(jī)焊頭的作用下，工件之間產(chǎn)生相對(duì)的橫向運(yùn)動(dòng)，由于工件表面有無(wú)數(shù)的微凸起組成，將在工件接觸表面的微凸起處首先產(chǎn)生剪切塑性變形，氧化物、空洞、污染物等將被去除，同時(shí)在金屬接觸表面產(chǎn)生許多裸露的新鮮接觸點(diǎn)，其有利于工件之間的焊合。對(duì)于異種金屬連接，在振動(dòng)的持續(xù)作用下，在焊接界面處將產(chǎn)生一定的金屬間化合物過(guò)渡層，然后形成焊縫，這與擴(kuò)散焊技術(shù)具有一定的相似之處。由于靜壓力和超聲振動(dòng)的協(xié)同作用，在焊合面積處將產(chǎn)生剪切應(yīng)力，其有利于材料的塑性變形及塑性流動(dòng)[37]。界面滑動(dòng)和塑性變形的共同作用提高了焊接界面的溫度，一般為母材熔點(diǎn)的40%～80%。此外，母材的類型(包括成分、硬度、屈服強(qiáng)度、熱導(dǎo)率等)影響著焊接界面的溫度。比如，在相同焊接工藝參數(shù)下，具有低熱導(dǎo)率的母材(如鋼鐵)，其界面溫度高于高熱導(dǎo)率的母材(如鋁和銅)。如將工件在接觸位置處分開(kāi)，可以看到有2種類型的力作用于焊接界面，為靜壓力和橫向的剪切力。

5 超聲波點(diǎn)焊在鋰電池制造中的研究現(xiàn)狀

5.1 接頭宏觀特征及微觀組織

Wu等人[38]采用超聲波點(diǎn)焊將3層銅極片或3層鋁極片(每層0.2 mm)與銅匯流條(0.9 mm)連接起來(lái)，分別形成“cccC”接頭或“aaaC”接頭。銅極片和銅匯流條的表面鍍鎳層分別為0.75 μm和2 μm，鋁極片表面進(jìn)行了陽(yáng)極氧化處理，形成了0.2 μm的氧化膜。對(duì)于“cccC”接頭，最上面2層銅極片之間的結(jié)合界面為較明顯的波浪形，然后波浪形界面逐漸減小，直至第3層銅極片與匯流條結(jié)合界面為平直形。材料的流動(dòng)和塑性變形主要在最上層的極片上產(chǎn)生，其厚度減小到原來(lái)的一半，同時(shí)材料的流動(dòng)沒(méi)有完全填充滿焊頭的齒谷。對(duì)于“aaaC”接頭，3層鋁極片均產(chǎn)生了嚴(yán)重的塑性變形，其結(jié)合界面為波浪形或卷曲形。塑性變形程度由最上層至最下層逐漸減小。在aaa/C的結(jié)合界面，銅側(cè)仍保持原來(lái)的平直態(tài)，這與ccc/C結(jié)合界面的銅側(cè)狀態(tài)相似。因?yàn)殇X的硬度比銅的小，因此鋁極片較容易產(chǎn)生較大的塑性變形。較大的塑性變形和材料流動(dòng)破壞了母材的晶粒結(jié)構(gòu)。未發(fā)現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象，即使在嚴(yán)重的塑性變形區(qū)也沒(méi)有觀察到晶界清晰的等軸晶。

Shin等人[39]研究發(fā)現(xiàn)焊頭或底座齒尖在銅表面的壓痕呈向外擴(kuò)展趨勢(shì)，這是由超聲振動(dòng)引起的，而在鋁表面發(fā)現(xiàn)有比較明顯的壓痕，這是因?yàn)殇X的硬度較銅的低。Ni等人[40]報(bào)道過(guò)相似的研究結(jié)果。

Lee等人[41-42]為了采用厚度為0.4 mm的鍍鎳銅片來(lái)替代3層厚度較薄的銅極片，以厚度為1.0 mm的鍍鎳銅為匯流條，研究焊接界面的微觀組織。結(jié)果表明，隨著焊接時(shí)間的增大，焊接界面的有效結(jié)合面積逐漸延長(zhǎng)，同時(shí)形成了明顯的機(jī)械互鎖現(xiàn)象，這與Wu等人[38]報(bào)道的第3層銅極片與匯流條焊合界面特征不一致。原因可能為3種：①3層銅極片不利于振幅的有效傳遞；②Lee等人[41-42]采用鍍鎳銅片的厚度為0.4 mm，其比Wu等人[38]采用的3層銅極片之和小；③試驗(yàn)采用的焊機(jī)及焊接工藝參數(shù)不同。

為了更好的觀察超聲波點(diǎn)焊箔材Cu/Cu接頭界面晶粒尺寸演變規(guī)律，Ward等人[43]在厚度為300 μm的銅箔表面制備1層厚度為5 μm的納米銀合金(Ag-0.7W-1.5O，質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)。結(jié)果表明，由于摩擦產(chǎn)熱的作用，焊接界面納米銀合金的晶粒長(zhǎng)大，其尺寸增大了一個(gè)數(shù)量級(jí)；同時(shí)在接頭斷口表面發(fā)現(xiàn)了析出相(氧化鎢)；隨著焊接壓力和焊接時(shí)間的增大，界面處的晶粒尺寸增大；焊接壓力與焊接時(shí)間的合理耦合能夠調(diào)控界面的晶粒尺寸。

Zhang等人[44]采用透射電鏡研究了超聲波點(diǎn)焊鋁極片(共3層，每層厚度為0.2 mm)與銅匯流條(厚度為0.5 mm)接頭的顯微結(jié)構(gòu)和相組成。結(jié)果表明，在焊接界面處生成了由非晶相和納米晶組成的厚度為10 nm的過(guò)渡層發(fā)生了機(jī)械互鎖現(xiàn)象。在非晶相中發(fā)現(xiàn)了明顯的元素?cái)U(kuò)散現(xiàn)象，這主要是由固態(tài)狀態(tài)下超聲振動(dòng)誘導(dǎo)界面材料塑性變形所致。在靠近過(guò)渡層的母材中觀察到了大量的位錯(cuò)和堆垛層錯(cuò)，這說(shuō)明了焊接界面產(chǎn)生了嚴(yán)重的塑性變形。

5.2 力學(xué)性能及斷裂模式

Wu等人[38]報(bào)道了ccc/C焊接界面的抗剪強(qiáng)度隨著焊接能量的增大而增大，在焊接能量為3 200 J時(shí)抗剪強(qiáng)度值趨于穩(wěn)定，然后隨著焊接能量的增大(4 000 J)，抗剪強(qiáng)度降低。Lee等人[45]報(bào)道過(guò)相似的研究結(jié)果。這主要是因?yàn)檫^(guò)大的焊接能量使接頭銅極片的有效厚度減小和工件表面壓痕區(qū)周圍產(chǎn)生大的應(yīng)力集中或裂紋?！癱cc/C”接頭斷裂模式均為界面斷裂。由斷口形貌可以看到焊頭齒尖壓痕區(qū)的長(zhǎng)條形焊合區(qū)方向與超聲波剪切振動(dòng)方向相一致，這說(shuō)明此區(qū)域?yàn)閺?qiáng)焊合區(qū)。在齒尖壓痕區(qū)之外為類平面區(qū)，沒(méi)有斷裂時(shí)撕裂的痕跡，說(shuō)明此區(qū)域?yàn)槿鹾负蠀^(qū)或未焊合區(qū)。通過(guò)EDX分析可知條形區(qū)域有銅母材暴露出來(lái)，說(shuō)明接頭斷裂發(fā)生在母材銅內(nèi)部或鎳銅結(jié)合界面。接頭ccc/C焊接界面的抗剪強(qiáng)度與焊接界面焊合區(qū)(Ni/Ni焊合)面積成正比例關(guān)系，通過(guò)計(jì)算焊接界面的焊合區(qū)面積，發(fā)現(xiàn)接頭抗剪強(qiáng)度最大時(shí)焊合比(焊合區(qū)面積與焊頭面積之比)只有2.93%。說(shuō)明通過(guò)其它的工藝措施可以進(jìn)一步提高ccc/C焊接界面的抗剪強(qiáng)度。Ni/Ni之間的焊合機(jī)理為摩擦產(chǎn)熱誘導(dǎo)物理結(jié)合，由于焊接時(shí)間短，無(wú)明顯的原子擴(kuò)散現(xiàn)象產(chǎn)生。

Wu等人[38]報(bào)道了aaa/C焊接界面的抗剪強(qiáng)度隨著焊接能量的增大而增大，在焊接能量為800 J時(shí)抗剪強(qiáng)度值趨于穩(wěn)定，然后隨著焊接能量的增大(1 300 J)，抗剪強(qiáng)度逐漸降低。Shin等人[39]報(bào)道過(guò)相似的研究結(jié)論。這主要是因?yàn)檫^(guò)大的焊接能量使接頭鋁極片的有效厚度減小和工件表面壓痕區(qū)周圍產(chǎn)生大的應(yīng)力集中或裂紋。當(dāng)焊接能量低時(shí)，“aaa/C”接頭斷裂模式為界面斷裂；當(dāng)焊接能量適當(dāng)或過(guò)焊時(shí)，“aaa/C”接頭斷裂模式為紐扣斷裂，此時(shí)說(shuō)明鋁極片與銅匯流條焊合良好。由于過(guò)焊時(shí)接頭鋁極片的有效厚度減小和工件表面壓痕區(qū)周圍的應(yīng)力集中，因此“aaa/C”接頭的抗剪強(qiáng)度降低。

Shin等人[39]研究了搭接方式對(duì)超聲波點(diǎn)焊鋰電池銅極箔與極片接頭力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)“cccC”接頭(3層厚度均為0.1 mm的銅極箔在上面，厚度為0.2 mm的銅極片在下面)的撕裂強(qiáng)度大于“Cccc”接頭(3層厚度均為0.1 mm的銅極箔在下面，厚度為0.2 mm的銅極片在上面)的撕裂強(qiáng)度。接頭的斷裂模式均為紐扣斷裂。對(duì)于“cccC”接頭，銅極箔之間產(chǎn)生更多的切向運(yùn)動(dòng)，因此摩擦產(chǎn)熱量將增大，有利于界面之間的焊合。同時(shí)，焊合面積的增大，有利于接頭電阻的減小，因此“cccC”接頭的室溫電阻(58.1 μΩ)較“Cccc”接頭的電阻(60.1 μΩ)減小了2 μΩ?？紤]到電動(dòng)汽車的使用工況環(huán)境，需在寬溫域范圍內(nèi)(-50～150 ℃)對(duì)接頭的電阻進(jìn)行檢測(cè)，并進(jìn)行可靠性評(píng)估。

Lee等人[45]為了采用厚度為0.4 mm的鍍鎳銅片來(lái)替代3層厚度較薄的銅極片，以厚度為1.0 mm的鍍鎳銅為匯流條，研究超聲波點(diǎn)焊接頭特征與力學(xué)性能之間的關(guān)系。研究表明,焊接界面焊合密度隨著焊接時(shí)間的增加而增大，而焊接接頭有效度隨著焊接時(shí)間的增加而減小?？梢钥闯龊附咏宇^具有最優(yōu)的力學(xué)性能時(shí)，接頭要有足夠大的界面焊合密度和有效厚度。同時(shí)Lee等人[41]通過(guò)分析焊接過(guò)程中的輸出功率和焊頭的位移數(shù)據(jù)，能夠判斷焊接接頭質(zhì)量的優(yōu)劣，這為今后在線監(jiān)控超聲波點(diǎn)焊接頭質(zhì)量提供了有價(jià)值的參考依據(jù)。

Lee等人[41]采用裝備望遠(yuǎn)鏡鏡頭的高速攝像機(jī)觀察鍍鎳銅極片(共3層，每層厚度為0.2 mm)與鍍鎳銅匯流條(厚度為1.0 mm)在超聲波點(diǎn)焊過(guò)程中振幅的變化規(guī)律，焊接接頭示意圖如圖1所示。對(duì)于表面尖齒細(xì)小的鐵砧，在焊接界面1處相對(duì)運(yùn)動(dòng)的幅度最大，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的振幅在焊接界面2和3處逐漸遞減。因此，焊接界面1出的結(jié)合面積最大，結(jié)合強(qiáng)度最高，焊接界面3處結(jié)合強(qiáng)度最弱。對(duì)于表面尖齒粗大的鐵砧，在焊接界面1處相對(duì)運(yùn)動(dòng)的幅度最大；相對(duì)運(yùn)動(dòng)的幅度次最大的是焊接界面3處，這是因?yàn)榇植诘募恺X有利于與底部的匯流條相互咬緊，阻止了匯流條在焊接過(guò)程中的滑動(dòng)；焊接界面相對(duì)運(yùn)動(dòng)幅度最小的是焊接界面2處。力學(xué)性能結(jié)果表明，表面尖齒粗大的鐵砧有利于焊接界面結(jié)合面積的增大和力學(xué)性能的提高；同時(shí)由于匯流條與表面尖齒粗大的鐵砧之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)較小，因此鐵砧的壽命可以得到大大的提高。

圖1 焊接接頭示意圖

Nong等人[46]為了提高超聲波點(diǎn)焊接頭質(zhì)量的魯棒性，提出了2種改進(jìn)方案。①實(shí)時(shí)監(jiān)控器，根據(jù)檢測(cè)到的焊接功率輸出數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整焊接壓力。而這種監(jiān)控器只能監(jiān)測(cè)1個(gè)干擾因素即工件表面的油污狀況，具有一定的局限性。采用安裝了實(shí)時(shí)監(jiān)控器的焊機(jī)所制備的焊接接頭撕裂強(qiáng)度平均提高了14.5%～440%。②采用球面形的焊頭來(lái)替代平面形的焊頭。球面形的焊頭能夠提高接頭焊合區(qū)中心位置的壓力，降低了焊合區(qū)邊緣位置的壓力，減小了工件表面壓痕區(qū)周圍應(yīng)力集中程度，避免了工件表面壓痕區(qū)周圍裂紋的出現(xiàn)。但是球面形的焊頭對(duì)接頭力學(xué)性能的強(qiáng)化機(jī)理還不明確，需要在數(shù)值模擬及試驗(yàn)方面開(kāi)展系統(tǒng)的研究，來(lái)獲得最優(yōu)的焊頭尺寸及形狀。

6 結(jié)束語(yǔ)

超聲波點(diǎn)焊屬于固態(tài)焊接技術(shù)，其對(duì)材料的導(dǎo)電性及異質(zhì)性不敏感，同時(shí)焊接時(shí)間間短、耗能低、焊接界面溫度低，其一般為過(guò)母材熔點(diǎn)的40%～80%，適用于焊接硬度低的金屬片或箔材。通過(guò)改變超聲波點(diǎn)焊機(jī)的焊頭尺寸能夠增大焊接接頭的焊接面積、減小電阻，從而提高電流的有效傳遞。焊接界面的焊合密度和接頭有效厚度是決定超聲波點(diǎn)焊接頭力學(xué)性能的2個(gè)主要因素，兩因素之間存在著矛盾的關(guān)系，如何化解這對(duì)矛盾關(guān)系是提高接頭力學(xué)性能的關(guān)鍵所在。通過(guò)采用實(shí)時(shí)監(jiān)控器和球面形的焊頭可以提高超聲波點(diǎn)焊接頭質(zhì)量的魯棒性。但是對(duì)于多種干擾因素共存的時(shí)候，實(shí)時(shí)監(jiān)控器不能使用，因此需要開(kāi)發(fā)出能夠識(shí)別多干擾因素的實(shí)時(shí)監(jiān)控器。球面形的焊頭對(duì)接頭力學(xué)性能的強(qiáng)化機(jī)理還不明確，需要在數(shù)值模擬及試驗(yàn)方面開(kāi)展系統(tǒng)的研究，來(lái)獲得最優(yōu)的焊頭尺寸及形狀。