唐杉杉,杜 預(yù),王佳樂,黃依淼,楊文東,王曉南,李 響

(1.蘇州大學(xué) 沙鋼鋼鐵學(xué)院,江蘇 蘇州 215021;2.無錫銳科光纖激光技術(shù)有限責(zé)任公司,江蘇 無錫 214174)

隨著新能源技術(shù)和電子工業(yè)的發(fā)展,鋁/銅連接結(jié)構(gòu)由于具有良好的導(dǎo)電性和耐腐蝕性,越來越多地應(yīng)用于動力電池和電子產(chǎn)品中[1-4]。在“碳達(dá)峰、碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)下,新能源汽車發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｐ履茉措妱悠嚨奈矚馀欧帕繛榱?通過減少溫室氣體排放,使其比傳統(tǒng)的化石燃料車輛更清潔、更環(huán)保[5,6]。與其他電池電化學(xué)(例如鉛酸、鎳鎘和鎳氫)相比,鋰離子電池最適合儲能應(yīng)用,因?yàn)槠渚哂懈L的壽命、更高的電池密度和便攜性等優(yōu)點(diǎn)[7]。因此,鋰離子電池廣泛用于各種應(yīng)用,包括手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、其他便攜式電子設(shè)備和電網(wǎng)存儲[8]。

目前,新能源動力電池包是由大量電芯通過極耳連接到母線而成。對于具有較高能量密度的鋰電芯,極耳所選用的材料通常為鋁、鎳和鍍鎳銅[9],而母線材料可選擇的有較多種類,如銅、鋁、鋁合金等。因此,新能源動力電池包中涉及到大量的鋁/銅異種金屬的連接,鋁和銅直接連接的方案難點(diǎn)在于,鋁和銅的物理化學(xué)性能差異較大,如鋁的熱導(dǎo)率為235 W/m·K、熔點(diǎn)為660 ℃,而銅的熱導(dǎo)率為391 W/m·K、熔點(diǎn)為1 083 ℃,要使其均勻地受熱、熔化以及混合有很大的難度[10];并且鋁/銅焊接時焊縫容易形成的脆性金屬間化合物如Al2Cu[11],降低了接頭的強(qiáng)度和塑性,導(dǎo)致焊縫內(nèi)出現(xiàn)氣孔及裂紋等缺陷[12]。因此實(shí)現(xiàn)鋁/銅異種金屬的良好連接非常困難。目前工業(yè)解決方案主要是通過使用鎳片來實(shí)現(xiàn)過渡連接,顯然增加了制造成本、降低了生產(chǎn)效率,因此亟待解決如何實(shí)現(xiàn)鋁/銅高效優(yōu)質(zhì)焊接的問題。

連接異種金屬的方法有很多,如超聲波點(diǎn)焊[13]、電阻點(diǎn)焊、電磁脈沖焊[15,16]、電弧焊[17,18]等。然而,它們都有各種各樣的問題,不適合用于電池包中的鋁/銅焊接。激光焊近年來在各種材料的焊接與連接逐漸得到了關(guān)注,許多學(xué)者進(jìn)行了納秒脈沖激光焊接薄金屬片的實(shí)驗(yàn)[19-21]。脈沖激光焊接因具有熱輸入低、冷速快、非接觸式焊接等特點(diǎn),被稱為是“冷加工”。鋁和銅都是具有較高反射率的金屬,難以被較小的熱輸入激光熔化,而新能源動力電池中使用的材料厚度一般為200～500 μm,對于一般的連續(xù)激光器和毫秒脈沖激光器,在焊接的過程中工藝窗口較小,容易出現(xiàn)焊接變形過大、燒穿、焊接強(qiáng)度較差的問題[22]。脈寬為納秒級的激光器單個脈沖寬度僅為納秒級別,能量僅為幾毫焦,熱輸入控制精準(zhǔn)[23,24],利于控制熔深和抑制鋁銅金屬間化合物的生成。同時又具有很高的峰值功率,可以焊接銅和鋁等高反射率材料。

本文系統(tǒng)地總結(jié)了鋁/銅脈沖激光焊接的研究現(xiàn)狀,從金屬間化合物、功率調(diào)制、脈沖形狀和掃描路徑、不同搭接組合形式這幾個方面對焊接接頭的影響進(jìn)行了總結(jié)分析,并進(jìn)一步展望了微米級鋁/銅激光焊接的未來發(fā)展趨勢,旨在為后續(xù)研究提供借鑒和參考。

1 金屬間化合物對接頭強(qiáng)度的影響

由于鋁和銅在焊接過程中容易形成脆性的金屬間化合物(IMC),如AlCu,Al2Cu和Al4Cu9[11]。多項(xiàng)研究表明,IMC的形成和生長會對Al/Cu激光焊接接頭的接頭強(qiáng)度等產(chǎn)生重要影響[25-27]。

Kumar[28]等人使用1.5 kW 的光纖激光器對Al/Cu接線片和母材進(jìn)行焊接,并對接頭強(qiáng)度和IMC形成進(jìn)行了分析,研究結(jié)果如圖1所示。圖1(a)(b)分別為不同激光功率下 Cu-Al母線以及Al-Cu母線的最大載荷,可以看出,實(shí)現(xiàn)良好焊接所需的激光功率分別為675～900 W和450～600 W。對825 W激光下Cu-Al母線和525 W激光下Al-Cu母線的焊縫進(jìn)行微觀組織觀察,如圖1(c)(d)所示。發(fā)現(xiàn)Cu-Al母線接頭中Al向Cu的擴(kuò)散或混合非常低,A、C點(diǎn)為Cu固溶體,B、D、E點(diǎn)為CuAl,F點(diǎn)為CuAl3,G、H點(diǎn)為Al固溶體。而對于Al-Cu母線接頭中,A、B、C點(diǎn)為Al固溶體,CuAl2出現(xiàn)在D點(diǎn)的位置,F點(diǎn)為Cu固溶體。此外,從能量色散X射線分析(EDX)掃描分布結(jié)果可以看出,Al-Cu曲線的波動比Cu-Al大,并且少量的曲線重疊意味著焊接接頭中只產(chǎn)生少量的IMC,故Cu-Al母線接頭的抗拉強(qiáng)度略高于Al-Cu母線接頭的原因是,Al-Cu母線接頭焊縫界面產(chǎn)生的IMC多于Cu-Al母線接頭。

(a) Cu-Al母線的最大載荷;(b) Al-Cu母線的最大載荷;(c) 825 W激光下Cu-Al母線;(d) 525 W激光下Al-Cu母線圖1 不同材料接線片和母線的激光焊接結(jié)果

黃東[29]等采用光纖激光器對 T2 紫銅和 LY16 鋁合金進(jìn)行激光對接焊試驗(yàn)。雙熔池的耦合作用使得焊縫區(qū)分為銅側(cè)熔池、鋁側(cè)熔池和界面層。其中,銅側(cè)熔池以Cu的固溶體為主,鋁側(cè)熔池主要為Al固溶體和Al固溶體+Al2Cu共晶體,界面層可細(xì)分為三層:I層主要為層狀的Al4Cu9,II層為條塊狀的Al2Cu,III層則主要是緊密排列的珊瑚狀A(yù)l固溶體+Al2Cu共晶體。Schmalen[30]等采用同步輻射技術(shù)對激光焊接鋁/銅接頭的金屬間相進(jìn)行了表征。結(jié)果表明,焊接頭金屬間相主要為Al2Cu、Al4Cu9和AlCu,Al3Cu4的形成量較少,焊縫內(nèi)部產(chǎn)生的裂紋大多數(shù)在AlCu和Al4Cu9之間的界面?zhèn)鞑?是接頭失效的主要原因。

此外,激光焊接時也可通過添加焊絲等方法提高接頭強(qiáng)度。梅俊歌[31]等分別試驗(yàn)了Cu/Al直接對接激光焊和填充72AgCu焊絲激光對焊,并對接頭進(jìn)行組織成分分析。研究表明,Cu/Al直接對接激光焊時當(dāng)焊縫區(qū)Cu元素含量越多該區(qū)域脆性越大,接頭斷裂處往往是在Cu含量較高的區(qū)域,并且硬度最高區(qū)域略偏向Cu接頭的一側(cè),這主要焊接時Al熔化向Cu擴(kuò)散,形成了較脆的IMC。而Cu/Al填絲焊接的焊縫強(qiáng)度明顯高于直接對接激光焊的強(qiáng)度,可見BAg72Cu對Cu-Al接頭的激光焊接工藝有較大的改善作用。此外,Cu-Al直接對接激光焊的焊縫區(qū)生成了AlCu、AlCu4、Al4Cu9。而焊絲焊采用BAg72Cu焊絲,可抑制Al元素和Cu元素的深度擴(kuò)散,進(jìn)而減少復(fù)雜脆性相的生成量,經(jīng)X射線衍射(XRD)檢測有Ag3Al產(chǎn)生,焊縫區(qū)Ag含量較高對銅鋁化合物的產(chǎn)生具有一定抑制作用。

由此可見,在運(yùn)用脈沖激光焊接鋁銅的過程中,形成的IMC大多為AlCu、Al2Cu、AlCu4、Al4Cu9等脆性金屬相,且IMC層越厚焊縫力學(xué)性能越差,從而降低了接頭強(qiáng)度。焊縫內(nèi)部產(chǎn)生的裂紋大多數(shù)在AlCu和Al4Cu9之間的界面?zhèn)鞑?是接頭失效的主要原因。此外,激光焊接時也可通過添加焊絲等方法對鋁/銅焊縫IMC進(jìn)行調(diào)控以提高接頭強(qiáng)度。

2 功率調(diào)制、脈沖形狀和掃描路徑對焊接接頭質(zhì)量影響

隨著對鋁/銅納秒激光焊接研究的深入,國內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)對激光功率調(diào)制可以影響到焊縫組織的混合程度,進(jìn)而影響焊接接頭的性能,同時不同的激光脈沖形狀以及掃描路徑會對焊縫特性產(chǎn)生不同的效果。

鄒云[32]采用納秒脈沖光纖激光器對鋁/銅異種材料進(jìn)行焊接,研究中發(fā)現(xiàn)小脈寬下由于脈沖能量過大容易產(chǎn)生過燒;大脈寬波形下很難調(diào)試出同時滿足熔深和余高要求的工藝參數(shù)。當(dāng)激光功率為90 W時,幾乎沒有氣孔只產(chǎn)生裂紋。當(dāng)激光功率很高時,大部分焊縫燒穿、銅表面燒蝕嚴(yán)重并且出現(xiàn)大量小氣孔以及裂紋。由于納秒微焊接的熔池尺寸非常小,冷凝速度非?？?焊接過程中的氣泡沒有足夠時間從熔池中逸出易形成氣孔。鋁/銅焊接中的裂紋多為熱裂紋,焊接熔池在結(jié)晶過程中存在著偏析現(xiàn)象,低熔點(diǎn)共晶和雜質(zhì)在結(jié)晶過程中發(fā)生偏析,凝固以后強(qiáng)度也較低,當(dāng)焊接應(yīng)力足夠大時,就會將液態(tài)間層或剛凝固不久的固態(tài)金屬拉開形成裂縫。

Mathivanan[33]等研究了激光脈沖振蕩和成形對鋁銅重疊焊接的影響。研究發(fā)現(xiàn)在Al/Cu激光焊接中,光束振蕩和脈沖調(diào)制的結(jié)合提高了接頭的延展性。由于光束振蕩使得金屬間相分布在更大的焊縫寬度中,進(jìn)而提升焊接接頭的韌性。功率調(diào)制隨脈沖時間的變化會影響混合程度和孔隙的形成數(shù)量。與直接焊接和冷卻的方形脈沖相比,具有明確預(yù)熱、焊接和冷卻階段的脈沖形狀更有利于提高剪切強(qiáng)度和減少氣孔。王毅[34]對不同脈沖寬度下所得焊點(diǎn)截面形貌進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)隨著脈沖寬度的增加焊縫熔深逐漸增加,材料熔合的體積變大。當(dāng)脈沖寬度過大時,雖然焊縫熔深最大,但是焊點(diǎn)邊緣有材料燒蝕,會導(dǎo)致焊點(diǎn)的拉力值急劇降低。

Zhu[35]等采用納秒脈沖激光焊接技術(shù)焊接厚度為200 μm的Al/Cu搭接接頭。當(dāng)采用外螺旋激光掃描路徑時,焊縫形成良好。同心圓和直線激光掃描路徑焊接時,由于激光掃描路徑不連續(xù)容易形成氣孔和裂紋。當(dāng)激光掃描路徑為外螺旋同心圓時,界面形貌為波結(jié)構(gòu),在界面處形成連續(xù)的IMC。當(dāng)采用直線激光掃描路徑時波結(jié)構(gòu)消失,界面處還產(chǎn)生不連續(xù)的金屬間化合物和裂紋。結(jié)果表明,外螺旋激光掃描路徑對焊接接頭的結(jié)合強(qiáng)度最有利,焊縫形成良好,界面波結(jié)構(gòu)引起的釘扎效應(yīng)以及界面連續(xù)金屬間化合物均對接頭的結(jié)合強(qiáng)度有顯著影響。

Lerra[36]等研究了脈沖Nd:YAG激光焊接Al-Cu的工藝,分別研究了方形脈沖不同脈沖距離(圖2(a))和同樣脈沖能量和脈沖距離下不同脈沖形狀(圖2(b))對接頭性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),對于特定參數(shù)集存在一個最佳脈沖距離,而包含材料預(yù)熱的脈沖形狀在機(jī)械強(qiáng)度和電阻方面比具有高初始峰值功率的脈沖產(chǎn)生更好的結(jié)果。在相同脈沖能量下,采用預(yù)熱的脈沖形狀(增加階躍和斜坡)比相應(yīng)的逆脈沖形狀(減少階躍和斜坡)獲得了更高的最大拉伸載荷。

(a) 方形脈沖下不同脈沖距離;(b) 不同脈沖形狀圖2 不同脈沖距離以及不同脈沖形狀的焊縫形貌

由此可見,改變激光掃描路徑以及調(diào)控激光脈沖形狀、持續(xù)時間和能量、峰值功率、焊接速度、分離距離等均可改變焊縫特性,由此可建立一種或多種激光焊接鋁/銅的工藝窗口。綜上所述,相比于單一激光功率焊接鋁/銅連接結(jié)構(gòu),通過調(diào)控激光頻率、激光功率、脈沖寬度等參數(shù)的激光功率調(diào)制技術(shù)可以控制焊縫中金屬化合物的混合程度,從而獲得理想的焊縫質(zhì)量。其中,外螺旋激光掃描路徑對焊接接頭的結(jié)合強(qiáng)度最有利。與直接焊接和冷卻的脈沖相比,具有明確預(yù)熱、焊接和冷卻階段的脈沖形狀更有利于提高剪切強(qiáng)度和減少氣孔。

3 搭接組合形式對接頭組織性能的影響

激光焊接鋁/銅時,有兩種不同的搭接形式,分別為鋁上銅下和銅上鋁下,國內(nèi)外學(xué)者對不同搭接形式下的接頭形成、微觀組織特征及力學(xué)性能等進(jìn)行了大量的研究。

Cheng[37]等采用納秒激光和光學(xué)振鏡掃描技術(shù)研究了不同搭接形式下鋁銅異種金屬焊接接頭的形成、微觀組織特征及力學(xué)性能。圖3為不同焊接接頭掃描電鏡(SEM)圖像及XRD分析結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)搭接形式為鋁上銅下時,鋁側(cè)金屬完全熔化,部分鋁侵入銅基材料形成“V”形焊縫。當(dāng)接頭為銅上鋁下時,焊縫由多個“釘子”形焊縫組成。在兩種重疊形式中,焊縫主要由四種結(jié)構(gòu)組成,分別為Cu9Al4相區(qū)、過共晶區(qū)、共晶區(qū)和亞共晶區(qū)。Cu/Al接頭形成的焊縫熔深大于Al/Cu接頭形成的焊縫熔深。

(a) Al上Cu下;(b) Cu側(cè)XRD;(c) Al側(cè)XRD;(d) Cu上Al下;(e) Cu側(cè)XRD;(f) Al側(cè)XRD圖3 不同焊接接頭SEM圖像及XRD分析結(jié)果

吳希[38,39]等研究發(fā)現(xiàn)鋁上銅下的試樣的工藝區(qū)間較窄,僅在部分參數(shù)下實(shí)現(xiàn)了較優(yōu)的成形,而銅上鋁下的試樣成形具有一致性。對比焊縫成形,發(fā)現(xiàn)銅上鋁下時焊縫由貫穿銅鋁的“釘子”狀具有較大深寬比的各個微小焊縫組成,而鋁上銅下時鋁側(cè)金屬完全熔化,部分鋁侵入銅母材形成“V”形微小焊縫。不同疊加形式下的組織差異不大,由銅側(cè)向鋁側(cè)呈現(xiàn)出四個特征區(qū)域,分別是Cu9Al4區(qū)域、由Al/CuAl2和CuAl2組成的過共晶組織區(qū)、Al/CuAl2共晶組織區(qū)及由Al和Al/CuAl2組成的亞共晶組織區(qū),主要區(qū)別是不同組織在焊縫中的分布差異。焊點(diǎn)的斷裂形式主要是界面斷裂,斷口處成分表明主要是脆性的CuAl2在界面處的集中分布,在剪切應(yīng)力的作用下斷裂。接頭界面處的CuAl2層較薄,并未發(fā)現(xiàn)明顯的微觀裂紋,接頭的脆性可顯著改善。

Chatterjee[40]等分別對Al-Cu和Cu-Al焊接接頭的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分進(jìn)行了分析,結(jié)果如圖4所示。圖4(a) (b)結(jié)果表明,120 W下Al-Cu由于此時Cu含量很低,焊縫主要在富Al側(cè)失效;220 W下Cu-Al可能的IMCs為AlCu、Al2Cu、Al3Cu。還可以看到Al-Cu焊接接頭的最大剪切強(qiáng)度明顯高于Cu-Al(圖4(c))。通過硬度研究進(jìn)一步表明,在120 W和220 W激光功率下,Al-Cu焊縫的最小硬度值高于Cu-Al(圖4(d))。而在這些激光功率下,兩個焊縫的最大硬度值相對接近,界面處硬度值最大,界面處硬度值為50 μm。斷口上細(xì)小的表面和小的韌窩表明Al-Cu焊縫為韌性斷裂。另一方面,大的氣孔、裂紋、孔洞和粗糙的表面表明Cu-Al焊縫存在脆性斷裂。由此可見,Al-Cu焊縫的組織和力學(xué)性能均優(yōu)于Cu-Al焊縫。

(a) 120 W下Al-Cu;(b) 220 W下Cu-Al;(c) 焊縫的剪切強(qiáng)度;(d) 焊縫的硬度分布圖4 不同搭接形式下焊縫組織形貌、剪切強(qiáng)度以及硬度分布

綜上所述,當(dāng)搭接組合形式為鋁上銅下時鋁側(cè)金屬完全熔化,部分區(qū)域中鋁侵入銅母材形成“V”型微小焊縫;當(dāng)搭接組合形式為銅上鋁下時焊縫由貫穿銅鋁的“釘子”狀具有較大深寬比的各個微小焊縫組成。相對而言鋁上銅下焊縫組織比銅上鋁下的焊縫組織更好、氣孔和裂紋較少。

4 結(jié)論與展望

在激光焊接鋁銅的過程中,熔池由于快速凝固形成較大的溫度梯度和濃度梯度,并在表面張力的作用下產(chǎn)生對流,使得焊縫區(qū)分為銅側(cè)熔池、鋁側(cè)熔池和界面層,銅側(cè)熔池以Cu的固溶體為主,鋁側(cè)熔池則主要為Al固溶體和Al2Cu共晶體,界面層另可細(xì)分。形成的IMC大多為AlCu、Al2Cu、AlCu4、Al4Cu9等脆性金屬相,IMC層越厚焊接接頭的抗拉強(qiáng)度越低,焊縫力學(xué)性能越差。焊縫內(nèi)部產(chǎn)生的裂紋是接頭失效的主要原因,裂紋大多數(shù)在AlCu和Al4Cu9之間的界面?zhèn)鞑?。此?脆性的Al2Cu也是焊縫區(qū)域斷裂的主要原因。

改變激光掃描路徑以及調(diào)控激光脈沖形狀、持續(xù)時間和能量、峰值功率、焊接速度、分離距離等均可改變焊縫特性,由此可建立一種或多種激光焊接鋁/銅的工藝窗口。外螺旋激光掃描路徑由于激光掃描路徑連續(xù),不易形成氣孔和裂紋故焊縫形成良好。具有明確預(yù)熱、焊接和冷卻階段的脈沖形狀更有利于提高剪切強(qiáng)度和減少氣孔。調(diào)控激光頻率和激光功率更為有效。相對于銅上鋁下的布置形式,鋁上銅下焊縫氣孔和裂紋更少,接頭性能優(yōu)異。

激光焊接技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)越性,可以有效地應(yīng)用到微米級鋁/銅焊接上來。激光焊接時可通過添加焊絲等方法對鋁/銅焊縫IMC進(jìn)行調(diào)控以提高接頭強(qiáng)度,隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展,可以研究設(shè)計(jì)新型的焊絲,更高效的改善鋁銅焊接接頭的性能。