动力锂电池极耳激光焊接成形和组织性能研究①

王智海，陈 力

(浙江农业商贸职业学院汽车技术系，浙江 绍兴 312088)

当前，新能源汽车发展势头迅猛，以锂离子电池作为动力主流的需求随之增多，其单体电池在组合堆叠成模组或Pack包时均需连接在一起，串并联连接所用的中间物即极耳，目前采用的焊接方式有多种方式：超声波焊接、激光焊接、电子束焊接、TIG焊接等，用于最为广泛的手段是激光焊接极耳材料，同时也存在许多问题，如虚焊、焊穿、爆孔等，虚焊带来的极耳连接不良在焊缝处将会增加连接电阻，产生大量的热，同时大量裂纹易导致焊接强度较低，使用过程中的振动会延展分离，而焊接功率过大或焊接速度的过低会导致极耳焊透，焊缝表面会形成爆孔，击穿电芯导致漏液[1]。之所以会产生以上不良是因为铜镀镍片与铝合金片二者线热膨胀系数不一致，焊接接头热稳定性差，同时两种金属的晶粒尺寸在熔焊时不易掌控，会产生大量的金属间化合物IMC，同样也会对金属极耳的成形组织性能产生影响。

但激光焊接技术通过激光聚焦照射于极耳表面，光斑融化材料迅速焊接，较传统焊接方式具有以下几个方面的优点：

(1)焊区反应和变形量小，匹配适用于极耳超薄材料焊接；

(2)焊接位移精确，由于是非接触式焊接振动小，可实现高精度焊接质量；

(3)焊接加工工艺性好，结合三坐标系统可实现自动化快速焊接，提升焊接效率，满足动力电池焊接工业需求[2-3]。

激光焊接主要通过激光器材料激光束形成焊接热源，照射焊接对象，熔化焊接材料形成焊接熔池，待冷却凝固后形成焊缝，主要分5个阶段：材料吸热阶段(吸收激光电磁能)、材料加热阶段(电磁能迁移至材料内部)、材料熔化阶段(热能集聚温度升高)、材料汽化阶段(等离子体出现)、复合阶段。采用激光焊接电池极耳材料时，对其影响最大的因素为焊接输入热，焊接输入热又与激光焊接功率与焊接速率相关，具体关系如公式1所示：

(1)

式中：Q为焊接输入热量，J/mm；
p为激光焊接照射功率，W；
v为焊接时的移动速率，mm/s；
μ为焊接功率系数比，无量纲。由上式可知，输入热与激光焊接机功率正相关[4-5]，同等功率大小的焊接热输入取决于焊接移动速率的快慢。本文对激光焊接功率和焊接移动速率进行试验分析，分析二者对极耳激光焊接成形和组织性能的影响规律。在采用不同工艺参数对TU1铜镍合金(3 mm)与6061铝合金(0.5 mm)激光焊接后，其中TU1铜镍合金作为极耳材料，3 mm 6061铝合金作为汇流排，再观察不同参数下的显微组织性能，试验焊接后的最大抗拉剪强度和断面硬度值，以比较焊接质量的优劣。

2.1 试验材料

激光焊接试验材料所用的两种金属厚度分别为3 mm和0.5 mm，3 mm 6061铝合金为T6态(固溶后时效处理)，0.5 mm铜镍薄片为硬态。两种焊接对象主要材料成分如表1和表2所示。

表1 试验材料6061铝合金的化学成分Table 1 Chemical composition of 6061 aluminum alloy.

表2 试验材料Tu1铜镍合金的化学成分Table 2 Chemical composition of Tu1 copper alloy.

按照试验要求制作焊接试样尺寸，除去TU1铜镍合金表面的氧化膜，完成后将6061铝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汇流排焊接区域采用99%以上浓度的乙醇溶液擦拭，完成后采用夹具固定在激光焊接台上，试验温度不做设置，采用99.9%的纯氩作为焊接保护气体，控制气体流量300 ml/s[6]。

试验中采用TU1焊接材料和6061铝合金的尺寸参照实际动力电池极耳与汇流排相同的材料，TU1汇流排材料具体尺寸,70 mm×50 mm×3 mm，6061铝合金极耳材料具体尺寸为70 mm×50 mm×0.5 mm，基本外形尺寸由线切割制成，TU1铜镍合金放置于6061铝合金的下方(即极耳在上，汇流排在下)，部分重叠放置，如图1所示，重叠尺寸为40 mm。

图1 试样尺寸及焊接布置图Fig.1 Sample size and welding layout.

2.2 试验设备

试验使用的激光焊接设备主要以YLS-2000激光器为激光源，外形如图2所示，拥有连续和调制两种工作模式，波长为1 070 nm，调制频率为5 kHz，光速质量BPP大于2 Mm×mrad。配备两路水冷光纤头和准直器，工作焦距在50～50 mm处可调，误差小于±1%。

图2 YLS-2000 光纤激光器外形图Fig.2 YLS-2000 fiber laser.

焊头选用水冷式光纤激光焊头FLW D30，可在垂直或水平两种条件下工作，同时实时污染监测。

试验中显微组织观察采用的是OLYMPUS BX51显微镜进行拍摄分析，主要是观测不同焊接工艺参数下试样的显微组织结构。采用WAW-2000D型号万能试验机对极耳激光焊接进行拉伸剪切试验，获取不同处理下的最大拉伸剪切载荷，拉伸试验速率为2 mm/min。文中硬度试验选取的测试载荷为400 gf，其载荷保持时间为20 s。

2.3 激光焊接工艺参数

选取焊接功率和焊接速率作为主要的激光焊接工艺参数，根据以往文献和试验得出了二者的基本较优工作范围，焊接功率范围在800～1 500 W，焊接速率范围在15～80 mm/s，通识经验认为激光功率过小或者焊接速率过快，均会导致焊接接头强度低或出现虚焊现象，而当焊接功率过大或焊接速率过慢，则会出现局部焊透或焊穿现象，因此该试验均在上述参数工作范围中各选取5组参数对比试验观察，固定焊接速率组起数值为50 mm/s，固定焊接功率组其数值为1 000 W，即按照表3所示进行激光焊接组合参数试验，采取万能试验机对焊接后的样品进行拉伸剪切试验，利用硬度计测试试样焊接区硬度，再进行分析显微组织结构，以获得焊接性能优化的机理。

表3 激光焊接工艺参数组合表Table 3 Combination of laser welding process parameters.

依照动力电池的焊接技术测试标准，对激光焊接偶的动力电池极耳样件进行抗拉剪性能测试，需要说明的是拉伸试验方向垂直于焊接路径(即平行于最大尺寸70 mm尺寸方向)，设置的拉伸速率为2 mm/min，对每种参数试验的样品进行三件抗拉剪试验，如图3所示，以获得较为真实平均的试验结果值。每种焊接组合参数下选取一件试样，在其焊接区域头中尾部各选取一个位置测试维氏硬度，测试方向如图3所示，测量焊缝表面硬度以焊缝基本中心线处作为焊接起点，再沿焊缝宽度两侧依次测量，其硬度测量间距为0.2 mm。

图3 力学性能试验测试方向Fig.3 Test direction of mechanical property.

3.1 力学性能：抗拉剪强度

固定焊接速率下的焊接功率对抗拉剪测试结果如图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，极耳焊接接头的抗拉剪性能随功率增大呈现先增大后减小的趋势，在激光功率1 100 W时，抗拉剪性能出现峰值，其数值达到1 380 N，可分析出在50 mm/s的速率下，激光功率在1 100 W附近出现最优。当焊接功率在950 W时，焊接输入能量较小，焊缝熔深较浅，导致抗拉剪性能差。而当焊接功率大于1 100 W时，其抗拉剪性能反而降低，其原因是随着焊接输入能量增加，极耳材料6061铝合金熔化程度严重，导致更加多的铝元素参与到铜铝的溶解当中，熔深熔宽虽有增加，但在焊缝中有更多的铜铝金属间化合物生成，该金属化合物硬度和脆性性能较高，但抗拉剪强度降低，以致随着激光焊接功率的增加，数值逐渐降低。

图4 不同焊接速率与焊接功率下的抗拉剪试验值,(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对抗拉剪测试结果如图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，动力电池极耳焊接接头的抗拉剪性能同样出现随速率增大而先增大后减小的趋势，在激光速率60 mm/s时，抗拉剪性能出现峰值，其数值达到1 323 N，当焊接速率较慢时，虽能保证输入的焊接能量足够，形成较宽的焊缝熔宽或者熔深，但形成的铜铝金属间化合物晶粒变大，内部焊头组织同时气孔，以致抗拉剪强度降低，随着焊接速率的加快，减少焊接能量的输入，可降低铜铝化合物的生成，同时提升抗拉剪强度，但当焊接速率快于60 mm/s后，输入的能量小于焊接本身所需要的基本热量，所形成的焊缝中出现大量的焊缝气孔，减小了抗拉剪试验过程的有效截面积，因此焊接输入能量较小会导致焊缝熔深变浅，影响抗拉剪性能降低。

3.2 力学性能：维氏硬度

固定焊接速率下的焊接功率对维氏硬度结果如图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，焊缝两侧维氏硬度也呈现出先提高后降低的趋势。在激光功率1 250 W时，硬度测试出现峰值，最高硬度值达到133 HV，其原因是焊接功率较小时候。焊缝形成的熔化程度不深，未生成铜铝间化合物，焊缝中心区硬度不高，随着焊接功率的增大，快速增加了焊缝溶解程度，在熔池中溶解了大量极耳材料6061铝合金的铝元素，形成铜铝化合物提高硬度，但随着焊接功率进一步的增加，铝元素与铜反应速率到一定程度终止，铝元素未能参与到铜铝的溶解产生大量的焊接气孔，表现为硬度降低。

固定焊接功率下的焊接速率对抗拉剪测试结果如图5(b)所示，在保持焊接功率1 000 W不变，不断增大激光速率后，从图中可以看出，动力电池极耳焊接接头焊缝硬度虽速率增快而降低，基本机制与激光功率一致，焊接速率的变化直接改变了单位长度的焊接能量输入，当焊接速率提高后，降低焊池溶解程度，电池极耳材料形成的化合物生成减少，导致焊缝维氏硬度不高，当激光焊接速率70 mm/s时，仅有少量的铝元素参与到熔池熔接中，焊缝中心出的硬度几乎与母材硬度无异。

图5 激光功率与激光速率对极耳焊接头硬度的影响，(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 显微组织

该试验主要选取两组试验参数下的显微组织进行观察对比，如图6所示，分别为两种参数下的焊缝表面宏观形貌与断面显微金相组织，图6(a)与图6(b)为焊接功率1 000 W，焊接速率70 mm/s的结果，图6(c)与图6(d)为焊接功率1 100 W，焊接速率50 mm/s的焊接结果。

图6 极耳焊头焊缝表面形貌与断截面显微组织Fig.6 Surface and cross-sectional morphology of lug welded joints.

从图6(a)中易看出，由于输入的激光焊接能量较小，导致在宏观形貌中产生了大量的未熔化白斑现象，同时在断截面的金相图中融合渗透的铝元素较少，参与熔化焊接的6061铝合金层薄，另外也出现了少量的焊接气孔缺陷。反之，在焊接功率1 100 W，焊接速率50 mm/s焊接工艺参数条件下，在其宏观形貌图中出现了烧蚀现象，分析原因为焊接局部能力冗余，产生过焊接缺陷，从宏观图中看到总体焊接质量较好，形成了较为规整的鳞次外观，在其显微组织图中可看到6061铝合金参与焊接程度较深，其反应尺寸几乎为另一种参数下的3倍，也出现了大量的气孔，改气孔由于极耳材料参与焊接较多，但彼此反应时间短，接触不彻底[7]。

对动力锂电池极耳材料TU1铜镍合金与6061铝合金进行激光焊接试验，分别固定焊接速率调整改变焊接功率与固定焊接功率调整改变焊接速率两种变化工艺参数下进行试验，对力学性能测试了抗拉剪强度和维氏显微硬度，同时还选取代表性焊接对象，观察了表面宏观形貌及断截面显微硬度，试验结果表明：焊接速率50 mm/s、激光功率1 100 W时，抗拉剪强度最佳，达到1 380 N，激光功率1 250 W时，显微硬度最高，达到133 HV，同时二者还出现了因激光功率增加先增后减的趋势，最为重要的原因之一就是铜铝金属间化合物生成量的多少，其直接影响极耳材料焊接后的力学性能表现；
焊接功率1 100 W、激光速率60 mm/s时，抗拉剪强度最佳，达到1 323 N，激光功率1 250 W时，显微硬度最高，达到120 HV。在选取的两个焊接能量输入的极端中的组织中发现，焊接能量较小时，极易产生未熔区和少量气孔，焊接能量较大时，通常表观焊接质量较好，但极大可能会出现烧蚀现象和大量气孔，铜镍合金与铝合金二者反应程度较深未必足够充分，导致焊接气孔产生[8]。

通过二者的工艺参数的组合运用，对动力锂电池激光焊接成形和组织性能进行组合研究。对其力学性能和显微组织机制机理分析比较，对实际电池极耳激光焊接接头处的力学性能与问题分析提供了参考。