王智海，陳 力

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

1 引言

當前，新能源汽車發(fā)展勢頭迅猛，以鋰離子電池作為動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，同時也存在許多問題，如虛焊、焊穿、爆孔等，虛焊帶來的極耳連接不良在焊縫處將會增加連接電阻，產(chǎn)生大量的熱，同時大量裂紋易導致焊接強度較低，使用過程中的振動會延展分離，而焊接功率過大或焊接速度的過低會導致極耳焊透，焊縫表面會形成爆孔，擊穿電芯導致漏液[1]。之所以會產(chǎn)生以上不良是因為銅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，同時兩種金屬的晶粒尺寸在熔焊時不易掌控，會產(chǎn)生大量的金屬間化合物IMC，同樣也會對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方面的優(yōu)點：

(1)焊區(qū)反應和變形量小，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小，可實現(xiàn)高精度焊接質(zhì)量；

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

激光焊接主要通過激光器材料激光束形成焊接熱源，照射焊接對象，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))、復合階段。采用激光焊接電池極耳材料時，對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為焊接時的移動速率，mm/s；μ為焊接功率系數(shù)比，無量綱。由上式可知，輸入熱與激光焊接機功率正相關(guān)[4-5]，同等功率大小的焊接熱輸入取決于焊接移動速率的快慢。本文對激光焊接功率和焊接移動速率進行試驗分析，分析二者對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，試驗焊接后的最大抗拉剪強度和斷面硬度值，以比較焊接質(zhì)量的優(yōu)劣。

2 實驗部分

2.1 試驗材料

激光焊接試驗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)(固溶后時效處理)，0.5 mm銅鎳薄片為硬態(tài)。兩種焊接對象主要材料成分如表1和表2所示。

表1 試驗材料6061鋁合金的化學成分Table 1 Chemical composition of 6061 aluminum alloy.

表2 試驗材料Tu1銅鎳合金的化學成分Table 2 Chemical composition of Tu1 copper alloy.

按照試驗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上，試驗溫度不做設置，采用99.9%的純氬作為焊接保護氣體，控制氣體流量300 ml/s[6]。

試驗中采用TU1焊接材料和6061鋁合金的尺寸參照實際動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 試驗設備

試驗使用的激光焊接設備主要以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，同時實時污染監(jiān)測。

試驗中顯微組織觀察采用的是OLYMPUS BX51顯微鏡進行拍攝分析，主要是觀測不同焊接工藝參數(shù)下試樣的顯微組織結(jié)構(gòu)。采用WAW-2000D型號萬能試驗機對極耳激光焊接進行拉伸剪切試驗，獲取不同處理下的最大拉伸剪切載荷，拉伸試驗速率為2 mm/min。文中硬度試驗選取的測試載荷為400 gf，其載荷保持時間為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)以往文獻和試驗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，通識經(jīng)驗認為激光功率過小或者焊接速率過快，均會導致焊接接頭強度低或出現(xiàn)虛焊現(xiàn)象，而當焊接功率過大或焊接速率過慢，則會出現(xiàn)局部焊透或焊穿現(xiàn)象，因此該試驗均在上述參數(shù)工作范圍中各選取5組參數(shù)對比試驗觀察，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所示進行激光焊接組合參數(shù)試驗，采取萬能試驗機對焊接后的樣品進行拉伸剪切試驗，利用硬度計測試試樣焊接區(qū)硬度，再進行分析顯微組織結(jié)構(gòu)，以獲得焊接性能優(yōu)化的機理。

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

3 實驗結(jié)果

依照動力電池的焊接技術(shù)測試標準，對激光焊接偶的動力電池極耳樣件進行抗拉剪性能測試，需要說明的是拉伸試驗方向垂直于焊接路徑(即平行于最大尺寸70 mm尺寸方向)，設置的拉伸速率為2 mm/min，對每種參數(shù)試驗的樣品進行三件抗拉剪試驗，如圖3所示，以獲得較為真實平均的試驗結(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位置測試維氏硬度，測試方向如圖3所示，測量焊縫表面硬度以焊縫基本中心線處作為焊接起點，再沿焊縫寬度兩側(cè)依次測量，其硬度測量間距為0.2 mm。

圖3 力學性能試驗測試方向Fig.3 Test direction of mechanical property.

3.1 力學性能：抗拉剪強度

固定焊接速率下的焊接功率對抗拉剪測試結(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，在激光功率1 100 W時，抗拉剪性能出現(xiàn)峰值，其數(shù)值達到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)。當焊接功率在950 W時，焊接輸入能量較小，焊縫熔深較淺，導致抗拉剪性能差。而當焊接功率大于1 100 W時，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鋁合金熔化程度嚴重，導致更加多的鋁元素參與到銅鋁的溶解當中，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抗拉剪測試結(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，在激光速率60 mm/s時，抗拉剪性能出現(xiàn)峰值，其數(shù)值達到1 323 N，當焊接速率較慢時，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)部焊頭組織同時氣孔，以致抗拉剪強度降低，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，同時提升抗拉剪強度，但當焊接速率快于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，減小了抗拉剪試驗過程的有效截面積，因此焊接輸入能量較小會導致焊縫熔深變淺，影響抗拉剪性能降低。

3.2 力學性能：維氏硬度

固定焊接速率下的焊接功率對維氏硬度結(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。在激光功率1 250 W時，硬度測試出現(xiàn)峰值，最高硬度值達到133 HV，其原因是焊接功率較小時候。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，但隨著焊接功率進一步的增加，鋁元素與銅反應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抗拉剪測試結(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，動力電池極耳焊接接頭焊縫硬度雖速率增快而降低，基本機制與激光功率一致，焊接速率的變化直接改變了單位長度的焊接能量輸入，當焊接速率提高后，降低焊池溶解程度，電池極耳材料形成的化合物生成減少，導致焊縫維氏硬度不高，當激光焊接速率70 mm/s時，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異。

圖5 激光功率與激光速率對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

該試驗主要選取兩組試驗參數(shù)下的顯微組織進行觀察對比，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，導致在宏觀形貌中產(chǎn)生了大量的未熔化白斑現(xiàn)象，同時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，分析原因為焊接局部能力冗余，產(chǎn)生過焊接缺陷，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，但彼此反應時間短，接觸不徹底[7]。

4 結(jié)論

對動力鋰電池極耳材料TU1銅鎳合金與6061鋁合金進行激光焊接試驗，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)下進行試驗，對力學性能測試了抗拉剪強度和維氏顯微硬度，同時還選取代表性焊接對象，觀察了表面宏觀形貌及斷截面顯微硬度，試驗結(jié)果表明：焊接速率50 mm/s、激光功率1 100 W時，抗拉剪強度最佳，達到1 380 N，激光功率1 250 W時，顯微硬度最高，達到133 HV，同時二者還出現(xiàn)了因激光功率增加先增后減的趨勢，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性能表現(xiàn)；焊接功率1 100 W、激光速率60 mm/s時，抗拉剪強度最佳，達到1 323 N，激光功率1 250 W時，顯微硬度最高，達到120 HV。在選取的兩個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，極易產(chǎn)生未熔區(qū)和少量氣孔，焊接能量較大時，通常表觀焊接質(zhì)量較好，但極大可能會出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象和大量氣孔，銅鎳合金與鋁合金二者反應程度較深未必足夠充分，導致焊接氣孔產(chǎn)生[8]。

通過二者的工藝參數(shù)的組合運用，對動力鋰電池激光焊接成形和組織性能進行組合研究。對其力學性能和顯微組織機制機理分析比較，對實際電池極耳激光焊接接頭處的力學性能與問題分析提供了參考。