曹瑜琦

(北京華特時代電動汽車技術(shù)有限公司，北京 101300)

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

超聲波焊接是利用超聲頻率的機械振動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，既不向工件輸送電流，也不向工件引入高溫熱源，只是在靜壓力下將彈性振動能量轉(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)生熔化的情況下實現(xiàn)的，因而是一種固態(tài)焊接。

目前，有不少研究者對銅、鋁超聲波焊接進行了研究。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，焊接時間為0.2 s時，工件界面的溫度為200 ℃，遠低于材料熔點[1]。Chen等采用紅外熱像儀測量1 mm厚鋁合金超聲波焊接工件表面溫度達到300 ℃，并且測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，遠未達到被焊材料的熔點。王軍等[3]對鋁片-銅管超聲波焊接的塑性變形及原子擴散進行研究發(fā)現(xiàn)，工件材料塑性變形、機械嵌合及原子擴散共同影響鋁/銅焊接接頭的質(zhì)量。李東[4]對0.2 mm厚雙層銅/鋁極片層疊超聲焊進行觀察并計算得到，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，以對焊接質(zhì)量進行預測。

本文通過設(shè)計正交試驗，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)應用提供參考。

1 試驗材料及設(shè)備

1.1 試驗材料

試驗用材料為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鋁合金力學性能見表3，TU1銅合金力學性能見表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銅片進行層疊焊接。

表1 1060鋁合金化學成分(質(zhì)量分數(shù)) (%)

表2 TU1銅合金化學成分(質(zhì)量分數(shù)) (%)

表3 1060鋁合金力學性能

表4 TU1銅合金力學性能

圖1 焊接試樣

1.2 試驗設(shè)備

試驗焊接設(shè)備為6000 VA超聲波焊接機，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，測溫范圍為-40 ～ +1 200 ℃，精度為±1 ℃或1%。剝離試驗采用LY—500型數(shù)顯拉力試驗機，量程為0 ～ 500 N，精度為0.01 N。

2 試驗方法

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、焊接時間和焊接氣壓等，它們對焊接質(zhì)量都有影響。

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

一次焊接主要對焊件輸出振動能量，使焊件貼合面發(fā)生固相熔合，對焊接質(zhì)量影響較大。通常，如果一次焊接延遲時間過長，焊機的焊頭(上聲極)完全下壓后才發(fā)出超聲，此時焊頭提供給焊件的剪切力不足以驅(qū)動工件跟隨焊頭振動，焊件之間的摩擦阻力過大導致焊件之間相對運動速度小，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間過短，焊頭施加在焊件上壓緊力不夠大，此時超聲發(fā)出容易使焊件之間錯位。

二次焊接主要是有利于焊件與聲極脫模，對焊接質(zhì)量影響程度較輕。

焊接氣壓的變化會導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)生相對滑動，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在振動方向上的移動距離。輸出電功率越大，則超聲振幅越大，對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 正交試驗設(shè)計

在設(shè)計正交試驗時，將二次焊接延遲時間設(shè)定為0.1 s，二次焊接時間設(shè)定為0.05 s，主要對一次焊接延遲時間(A)、一次焊接時間(B)、焊接氣壓(C)和輸出電功率(D)這4種參數(shù)進行正交試驗設(shè)計。前期已篩選出的較合適的參數(shù)范圍是：一次焊接延遲時間為1.35～1.55 s，一次焊接時間為0.25～0.35 s，焊接氣壓為0.15～0.25 MPa，輸出電功率為25%～35%。每個因素確定3個水平，取值見表5。采用L9(34)4因素3水平正交表安排試驗，一共有9組試驗，試驗方案見表6。

表5 正交試驗因素水平表

表6 正交試驗方案

2.3 焊接及剝離試驗

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

3 試驗結(jié)果分析

3.1 剝離試驗結(jié)果分析

9組試樣的剝離試驗數(shù)據(jù)見表7，各試驗對應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水平所對應的試驗指標(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 剝離試驗數(shù)據(jù) (N)

表8 剝離試驗數(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對應的水平分別為2、3、3、3時，試樣的剝離力最大，該參數(shù)為最佳工藝參數(shù)，即一次焊接延遲時間為1.55 s，一次焊接時間為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時試驗指標的變動幅度。極差值越大，說明在試驗參數(shù)變化范圍內(nèi)，該因素對試驗指標的影響越大。根據(jù)極差值的大小，可以判定因素的主次順序為A>B>D>C，即一次焊接延遲時間影響最大，一次焊接時間次之，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進行焊接試驗，紅外熱像儀測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)

對表9焊接最高溫度數(shù)據(jù)和表7剝離力數(shù)據(jù)進行擬合，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，試樣號分別為a、b、c，測量焊接過程工件表面的最高溫度，并測量試樣的剝離力。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)計算，預測該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組試樣進行剝離試驗，測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)預測結(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)，焊接試樣所有焊點基本都完全焊合，焊接接頭的裂紋是從焊點外圍開始萌生，并向母材(鋁片)擴展直至斷裂，焊接接頭的力學性能由母材的剪切強度決定，且此時母材剪切強度受缺口效應影響。母材撕裂而焊點并未脫落，這種類型的焊接接頭的力學性能最佳。

圖4 最佳工藝參數(shù)下焊接試樣斷口形貌

4 結(jié)語

采用超聲波焊機對2件0.3 mm厚的1060鋁片以及1件0.3 mm厚的TU1銅片進行層疊焊接，在二次焊接延遲時間為0.1 s、二次焊接時間為0.05 s固定不變的條件下，得到最佳焊接工藝參數(shù)如下：一次焊接延遲時間為1.55 s，一次焊接時間為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)影響的主次順序為：一次焊接延遲時間影響最大，一次焊接時間次之，再次是輸出電功率，影響最小的是焊接氣壓。

采用紅外熱像儀測量焊接過程工件最高溫度，對工件的焊接最高溫度(y)和剝離力(x)進行擬合，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)預測結(jié)果。對焊接試樣進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)焊點脫落。

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