新能源動力電池中鋁銅激光焊接研究進展

唐杉杉,杜 預,王佳樂,黃依淼,楊文東,王曉南,李 響

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

隨著新能源技術和電子工業的發展,鋁/銅連接結構由于具有良好的導電性和耐腐蝕性,越來越多地應用于動力電池和電子產品中[1-4]。在“碳達峰、碳中和”的戰略目標下,新能源汽車發展潛力巨大。新能源電動汽車的尾氣排放量為零,通過減少溫室氣體排放,使其比傳統的化石燃料車輛更清潔、更環保[5,6]。與其他電池電化學(例如鉛酸、鎳鎘和鎳氫)相比,鋰離子電池最適合儲能應用,因為其具有更長的壽命、更高的電池密度和便攜性等優點[7]。因此,鋰離子電池廣泛用于各種應用,包括手機、筆記本電腦、數碼相機、其他便攜式電子設備和電網存儲[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在于,鋁和銅的物理化學性能差異較大,如鋁的熱導率為235 W/m·K、熔點為660 ℃,而銅的熱導率為391 W/m·K、熔點為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],降低了接頭的強度和塑性,導致焊縫內出現氣孔及裂紋等缺陷[12]。因此實現鋁/銅異種金屬的良好連接非常困難。目前工業解決方案主要是通過使用鎳片來實現過渡連接,顯然增加了制造成本、降低了生產效率,因此亟待解決如何實現鋁/銅高效優質焊接的問題。

連接異種金屬的方法有很多,如超聲波點焊[13]、電阻點焊、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注,許多學者進行了納秒脈沖激光焊接薄金屬片的實驗[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,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,容易出現焊接變形過大、燒穿、焊接強度較差的問題[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[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。

本文系統地總結了鋁/銅脈沖激光焊接的研究現狀,從金屬間化合物、功率調制、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行了總結分析,并進一步展望了微米級鋁/銅激光焊接的未來發展趨勢,旨在為后續研究提供借鑒和參考。

1 金屬間化合物對接頭強度的影響

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度等產生重要影響[25-27]。

Kumar[28]等人使用1.5 kW 的光纖激光器對Al/Cu接線片和母材進行焊接,并對接頭強度和IMC形成進行了分析,研究結果如圖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,實現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母線的焊縫進行微觀組織觀察,如圖1(c)(d)所示。發現Cu-Al母線接頭中Al向Cu的擴散或混合非常低,A、C點為Cu固溶體,B、D、E點為CuAl,F點為CuAl3,G、H點為Al固溶體。而對于Al-Cu母線接頭中,A、B、C點為Al固溶體,CuAl2出現在D點的位置,F點為Cu固溶體。此外,從能量色散X射線分析(EDX)掃描分布結果可以看出,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生少量的IMC,故Cu-Al母線接頭的抗拉強度略高于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果

黃東[29]等采用光纖激光器對 T2 紫銅和 LY16 鋁合金進行激光對接焊試驗。雙熔池的耦合作用使得焊縫區分為銅側熔池、鋁側熔池和界面層。其中,銅側熔池以Cu的固溶體為主,鋁側熔池主要為Al固溶體和Al固溶體+Al2Cu共晶體,界面層可細分為三層: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Al固溶體+Al2Cu共晶體。Schmalen[30]等采用同步輻射技術對激光焊接鋁/銅接頭的金屬間相進行了表征。結果表明,焊接頭金屬間相主要為Al2Cu、Al4Cu9和AlCu,Al3Cu4的形成量較少,焊縫內部產生的裂紋大多數在AlCu和Al4Cu9之間的界面傳播,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度。梅俊歌[31]等分別試驗了Cu/Al直接對接激光焊和填充72AgCu焊絲激光對焊,并對接頭進行組織成分分析。研究表明,Cu/Al直接對接激光焊時當焊縫區Cu元素含量越多該區域脆性越大,接頭斷裂處往往是在Cu含量較高的區域,并且硬度最高區域略偏向Cu接頭的一側,這主要焊接時Al熔化向Cu擴散,形成了較脆的IMC。而Cu/Al填絲焊接的焊縫強度明顯高于直接對接激光焊的強度,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元素的深度擴散,進而減少復雜脆性相的生成量,經X射線衍射(XRD)檢測有Ag3Al產生,焊縫區Ag含量較高對銅鋁化合物的產生具有一定抑制作用。

由此可見,在運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層越厚焊縫力學性能越差,從而降低了接頭強度。焊縫內部產生的裂紋大多數在AlCu和Al4Cu9之間的界面傳播,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進行調控以提高接頭強度。

2 功率調制、脈沖形狀和掃描路徑對焊接接頭質量影響

隨著對鋁/銅納秒激光焊接研究的深入,國內外學者發現對激光功率調制可以影響到焊縫組織的混合程度,進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/銅異種材料進行焊接,研究中發現小脈寬下由于脈沖能量過大容易產生過燒;大脈寬波形下很難調試出同時滿足熔深和余高要求的工藝參數。當激光功率為90 W時,幾乎沒有氣孔只產生裂紋。當激光功率很高時,大部分焊縫燒穿、銅表面燒蝕嚴重并且出現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,焊接熔池在結晶過程中存在著偏析現象,低熔點共晶和雜質在結晶過程中發生偏析,凝固以后強度也較低,當焊接應力足夠大時,就會將液態間層或剛凝固不久的固態金屬拉開形成裂縫。

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。研究發現在Al/Cu激光焊接中,光束振蕩和脈沖調制的結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,進而提升焊接接頭的韌性。功率調制隨脈沖時間的變化會影響混合程度和孔隙的形成數量。與直接焊接和冷卻的方形脈沖相比,具有明確預熱、焊接和冷卻階段的脈沖形狀更有利于提高剪切強度和減少氣孔。王毅[34]對不同脈沖寬度下所得焊點截面形貌進行對比,發現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。當脈沖寬度過大時,雖然焊縫熔深最大,但是焊點邊緣有材料燒蝕,會導致焊點的拉力值急劇降低。

Zhu[35]等采用納秒脈沖激光焊接技術焊接厚度為200 μm的Al/Cu搭接接頭。當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容易形成氣孔和裂紋。當激光掃描路徑為外螺旋同心圓時,界面形貌為波結構,在界面處形成連續的IMC。當采用直線激光掃描路徑時波結構消失,界面處還產生不連續的金屬間化合物和裂紋。結果表明,外螺旋激光掃描路徑對焊接接頭的結合強度最有利,焊縫形成良好,界面波結構引起的釘扎效應以及界面連續金屬間化合物均對接頭的結合強度有顯著影響。

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。研究發現,對于特定參數集存在一個最佳脈沖距離,而包含材料預熱的脈沖形狀在機械強度和電阻方面比具有高初始峰值功率的脈沖產生更好的結果。在相同脈沖能量下,采用預熱的脈沖形狀(增加階躍和斜坡)比相應的逆脈沖形狀(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控激光脈沖形狀、持續時間和能量、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/銅連接結構,通過調控激光頻率、激光功率、脈沖寬度等參數的激光功率調制技術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量。其中,外螺旋激光掃描路徑對焊接接頭的結合強度最有利。與直接焊接和冷卻的脈沖相比,具有明確預熱、焊接和冷卻階段的脈沖形狀更有利于提高剪切強度和減少氣孔。

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,國內外學者對不同搭接形式下的接頭形成、微觀組織特征及力學性能等進行了大量的研究。

Cheng[37]等采用納秒激光和光學振鏡掃描技術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性能。圖3為不同焊接接頭掃描電鏡(SEM)圖像及XRD分析結果,可以發現,當搭接形式為鋁上銅下時,鋁側金屬完全熔化,部分鋁侵入銅基材料形成“V”形焊縫。當接頭為銅上鋁下時,焊縫由多個“釘子”形焊縫組成。在兩種重疊形式中,焊縫主要由四種結構組成,分別為Cu9Al4相區、過共晶區、共晶區和亞共晶區。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XRD;(c) Al側XRD;(d) Cu上Al下;(e) Cu側XRD;(f) Al側XRD圖3 不同焊接接頭SEM圖像及XRD分析結果

吳希[38,39]等研究發現鋁上銅下的試樣的工藝區間較窄,僅在部分參數下實現了較優的成形,而銅上鋁下的試樣成形具有一致性。對比焊縫成形,發現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,由銅側向鋁側呈現出四個特征區域,分別是Cu9Al4區域、由Al/CuAl2和CuAl2組成的過共晶組織區、Al/CuAl2共晶組織區及由Al和Al/CuAl2組成的亞共晶組織區,主要區別是不同組織在焊縫中的分布差異。焊點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,在剪切應力的作用下斷裂。接頭界面處的CuAl2層較薄,并未發現明顯的微觀裂紋,接頭的脆性可顯著改善。

Chatterjee[40]等分別對Al-Cu和Cu-Al焊接接頭的微觀結構和化學成分進行了分析,結果如圖4所示。圖4(a) (b)結果表明,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度明顯高于Cu-Al(圖4(c))。通過硬度研究進一步表明,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焊縫的組織和力學性能均優于Cu-Al焊縫。

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

綜上所述,當搭接組合形式為鋁上銅下時鋁側金屬完全熔化,部分區域中鋁侵入銅母材形成“V”型微小焊縫;當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生對流,使得焊縫區分為銅側熔池、鋁側熔池和界面層,銅側熔池以Cu的固溶體為主,鋁側熔池則主要為Al固溶體和Al2Cu共晶體,界面層另可細分。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度越低,焊縫力學性能越差。焊縫內部產生的裂紋是接頭失效的主要原因,裂紋大多數在AlCu和Al4Cu9之間的界面傳播。此外,脆性的Al2Cu也是焊縫區域斷裂的主要原因。

改變激光掃描路徑以及調控激光脈沖形狀、持續時間和能量、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,不易形成氣孔和裂紋故焊縫形成良好。具有明確預熱、焊接和冷卻階段的脈沖形狀更有利于提高剪切強度和減少氣孔。調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,接頭性能優異。

激光焊接技術以其獨特的優越性,可以有效地應用到微米級鋁/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進行調控以提高接頭強度,隨著激光技術的不斷發展,可以研究設計新型的焊絲,更高效的改善鋁銅焊接接頭的性能。