曹瑜琦
(北京华特时代电动汽车技术有限公司，北京 101300)
摘 要：采用6000VA型超声波焊接机实现3件0.3 mm厚1060铝片以及1件1 mm厚1060铝板层叠焊接，在二次焊接延迟时间0.12 s、二次焊接时间0.05 s固定不变的条件下，通过L9(34) 4因素3水平正交表安排9组试验，得到最佳焊接工艺参数为：一次焊接延迟时间1.2 s、一次焊接时间0.2 s、焊接气压0.18 MPa、输入电功率30%。焊接工艺参数影响的主次顺序为：输入电功率影响最大，一次焊接延迟时间次之，再次是一次焊接时间，影响最小的是焊接气压。采用LY-500型数显拉力试验机测试焊接试样的剥离力，在最佳工艺参数条件下测得焊接试样的剥离力均值为308.08 N。对剥离的焊接试样进行宏观断口形貌分析，结果表明，在最佳工艺参数条件下，焊接试样焊点100%熔合。
关键词：锂离子动力电池；铝极耳；超声波焊接
新能源汽车动力电池主要分为蓄电池和燃料电池两大类。目前，锂离子电池处于高速发展阶段，主流的汽车厂商都在新能源汽车上采用锂离子电池。
为满足不同种类汽车的电压、功率输出需求，锂离子动力电池常以各种串、并联方式组合成动力电池包；因此，在制造动力包过程中，需要将多个锂离子动力电池极耳(电流收集极)连接起来。多个锂离子动力电池极耳的连接，可以采用铆接、螺栓联接和焊接等方式。其中，铆接和螺栓联接的接头可靠性不够，可能因振动而出现松动，进而造成电池包内阻增大，出现热失效等安全性问题。
超声波焊接是一种固相焊接方法，焊件之间的连接是通过声学系统的高频弹性振动以及在工件之间静压力的加持作用下实现的。焊件是在静压力及弹性振动能量的共同作用下，将弹性振动能量转变成工件间的摩擦能、形变能和热能，致使两工件表面形成纯净金属贴合、原子扩散，从而达到摩擦焊接。在实际生产中，锂离子动力电池极耳超声波焊接接头由1组多个焊点组成，而焊接接头质量受焊接母材、焊头表面状况、加压机构气路气压和焊接时间等因素的影响。
目前，有不少研究者对铝超声波焊接进行研究：M. Kulakov和H. J. Rack研究了大范围(5～30 μm)的超声振幅对焊缝焊合率的影响[1]；熊志林等[2]对6061铝合金超声波焊接接头的组织和性能进行了研究，结果表明，在焊接时间为120 ms，焊接压力为17.5 MPa条件下，表面加乙醇处理的试样剥离力最大为136.478 N；李东[3]对双层铝极片层叠超声焊进行了研究，观察并计算得到了铝焊接的临界温度为77.4 ℃，有效连接长度临界值为1.62 mm，有效厚度临界值为0.133 mm。
本文通过设计正交试验，研究多层铝合金叠加超声波焊接后的接头的力学性能、焊接接头断口宏观表面形貌，得到铝合金超声波焊接的最佳工艺参数，为锂离子动力电池铝极耳超声波焊接生产应用提供参考。
1.1 试件材料
试件材料为1060铝合金，规格为35 mm×30 mm×0.3 mm。1 mm厚L型铝板的展开尺寸约为40 mm×30 mm×1 mm。1060铝合金化学成分见表1，其力学性能见表2。
表1 1060铝合金化学成分(质量分数) (%)
SiFeCuMnMgZnVTiAl≤0．25≤0．35≤0．05≤0．03≤0．03≤0．05≤0．05≤0．03≥99．6
表2 1060铝合金力学性能
供货状态厚度/mm抗拉强度Rm/MPa屈服强度Rp0．2/MPa断后伸长率/%O>0．2～0．360～1001515H12>0．5～1．580～120606
焊接样件由3件0.3 mm厚1060铝片以及1件1 mm厚1060铝板层叠焊接，如图1所示。
图1 焊接试样
1.2 试验设备
试验焊接设备为6000VA型超声波焊接机，超声频率为20 kHz，输入最大电功率为6 kW。剥离试验采用LY-500型数显拉力试验机，量程为0～500 N，精度为0.01 N。
2.1 正交试验设计
超声波焊接多层铝的工艺参数包括焊接时间、焊接气压和输入电功率等。它们对焊接质量都有影响。
焊接时间有4种参数可调，分别是一次焊接延迟时间、一次焊接时间、二次焊接延迟时间以及二次焊接时间。一次焊接延迟时间指的是上声极向下行走至发出超声时间；一次焊接时间指的是第1次超声波焊接时间；二次焊接延迟时间指的是上声极离开焊件向上行走至发出超声时间；二次焊接时间指的是第2次超声波焊接时间。
一次焊接主要对焊件输入振动能量，使焊件贴合面发生固相熔合，对焊接质量影响较大。如果一次焊接延迟时间过长，焊机的焊头(上声极)完全下压后才发出超声，此时焊头提供给焊件的剪切力不足以驱动工件跟随焊头振动，焊件之间的摩擦阻力过大导致焊件之间相对运动速度小，摩擦产生的热量也少，焊件有效的焊合区域也更少；反之，焊头施加在焊件上压紧力不够大，此时超声发出容易使焊件之间错位。
二次焊接主要是有利于焊件与声极脱模，对焊接质量影响程度较轻。焊接气压的变化会导致焊接静载荷的变化，如果焊接静载荷不足，则在超声波焊接时，焊件可能塑性变形量不足，难以形成较好的焊合面；反之，焊件之间接触表面可能无法产生相对滑动，焊件之间仍然无法焊合。输入电功率与超声振幅相关，超声振幅指的是超声振动在振动方向上的移动距离。输入电功率越大，则超声振幅越大，对焊件输入的能量也越多。有研究表明，在一定振幅范围内，界面焊合百分比随超声振幅增加而增加[4]。
在设计正交试验时，将二次焊接延迟时间设定为0.12 s，二次焊接时间设定为0.05 s，主要对一次焊接延迟时间(A)、一次焊接时间(B)、焊接气压(C)和输入电功率(D)4种参数进行正交试验设计。前期已筛选出的较合适的参数范围是：一次焊接延迟时间1.1～1.3 s、一次焊接时间0.2～0.3 s、焊接气压0.15～0.2 MPa、输入电功率20%～30%，每个因素确定3个水平，取值见表3。采用L9(34)4因素3水平正交表安排试验，一共有9组试验，试验方案见表4。
表3 正交试验因素水平表
水平因素A(一次焊接延迟时间/s)因素B(一次焊接时间/s)因素C(焊接气压/MPa)因素D(输入电功率/%)11．10．20．152021．30．250．182531．20．30．230
表4 正交试验方案
试验号因素ABCD11(1．1)1(0．2)1(0．15)1(20%)212(0．25)2(0．18)2(25%)313(0．3)3(0．2)3(30%)42(1．3)123522316231273(1．2)1328321393321
2.2 焊接及剥离试验
按表4进行焊接试验，在每一种试验规范下焊接3个试样；再将焊好的试样进行剥离试验，测量其最大剥离力；最后取3个试验的平均值，作为该试验规范下试样的剥离力。
3.1 剥离试验结果
9组试样的剥离试验数据见表5。各试验对应的剥离力以及极差分析见表6，其中，均值1、均值2、均值3分别指因素A、B、C、D的第1、2、3水平所对应的试验指标(剥离力)均值；极差R指的是各因素的均值最大值与最小值的差值。
表5 剥离试验数据
试验号试验指标(剥离力)/N水平1水平2水平3均值1209．12189．46228．45209．012240．35253．12274．74256．073309．18315．61249．78291．524249．19269．71290．25269．725264．63221．56240．43242．216225．47246．45234．47235．467252．99244．27279．59258．958301．71281．63311．59298．319286．20256．23274．06272．16
表6 剥离试验数据分析
试验号因素ABCD剥离力/N11(1．1)1(0．2)1(0．15)1(20%)209．01212(0．25)2(0．18)2(25%)256．07313(0．3)3(0．2)3(30%)291．5242(1．3)123269．7252231242．2162312235．4673(1．2)132258．9583213298．3193321272．16均值1252．20245．89247．59241．13均值2249．13265．53265．98250．16均值3276．47266．38264．23286．52极差R27．3420．4918．3945．39主次顺序D>A>B>C优水平A3B3C2D3优组合A3B3C2D3
依据均值的大小可以判断因素的优水平以及优组合。从表6可知，因素A、B、C、D对应的水平分别为3、3、2、3时，剥离力最大，该参数为最佳工艺参数，即一次焊接延迟时间1.2 s、一次焊接时间0.3 s、焊接气压0.18 MPa、输入电功率30%。
极差反映了因素水平波动时试验指标的变动幅度。极差值越大，说明该因素对试验指标的影响越大。根据极差值的大小，可以判定因素的主次顺序为D>A>B>C，即输入电功率影响最大，一次焊接延迟时间次之，再次是一次焊接时间，影响最小的是焊接气压。
按最佳工艺参数焊接3个试样(编号分别为1#、2#和3#)，再将焊好的试样进行剥离试验，测量其最大剥离力分别为314.61、289.56和320.06 N，剥离力均值为308.08 N，说明在最佳工艺参数下焊接效果最佳。
3.2 焊接接头宏观断口分析
按最佳工艺参数焊接的3个试样的焊接接头宏观断口形貌分别如图2所示。由图2可以看出，铝片从母材处撕裂，而在18个焊点处，铝片均较好地焊合。
图2 最佳工艺参数下试样的焊接接头宏观断口形貌
试验号为1的试样(编号分别为1-1、1-2和1-3)焊接接头宏观断口形貌分别如图3所示。由图3可以看出，3个试样均有数个焊点未焊合，铝片从焊点位置撕开脱落。
图3 试验号为1的试样焊接接头宏观断口形貌
国内外许多研究发现，超声波焊接界面主要可以分为未接合区、弱接合区和强接合区等3种，而超声结合机制主要有机械咬合和再结晶机制2种。
有研究表明，未接合区的界面连接主要依靠界面上的微小锯齿状突起来完成机械咬合，未出现再结晶现象，这种界面属于低强度界面，严重降低了焊接接头的可靠性。弱接合区的连接界面上存在接合微区和空洞，接合微区的连接界面表明发生了再结晶，形成可靠的冶金接合，而空洞则可能是氧化物在超声塑性变形过程中压入界面之间，弱接合区的界面连接强度介于未接合区和强接合区之间。强接合区连接界面之间的间隙几乎消失，空洞的分布比较宽泛，而不是集中在界面水平线上，在界面处发生连续动态再结晶，生成大量的细小等轴晶，冶金接合比较充分，是理想的界面连接形式[5]。
超声波焊接界面的质量可直接影响焊接接头的力学性能。由图2可以发现，焊接试样所有焊点基本都完全焊合，因此焊接界面可能主要为强接合区和小部分弱接合区；由图3可以发现，焊接试样有数个焊点未焊合，焊接界面可能主要为部分强接合区、部分弱接合区以及未接合区。
采用超声波焊机对3件0.3 mm厚1060铝片以及1件1 mm厚1060铝板层叠焊接，在二次焊接延迟时间0.12 s、二次焊接时间0.05 s固定不变的条件下，得到最佳焊接工艺参数为：一次焊接延迟时间1.2 s、一次焊接时间0.2 s、焊接气压0.18 MPa、输入电功率30%。
焊接工艺参数影响的主次顺序为：输入电功率影响最大，一次焊接延迟时间次之，再次是一次焊接时间，影响最小的是焊接气压。
测试焊接试样的剥离力，在最佳工艺参数下焊接试样的剥离力均值为308.08 N。对剥离的焊接试样进行宏观断口形貌分析，最佳工艺参数条件下焊接试样焊点100%熔合。
参考文献：
[1] Kulakov M, Rack H J. Control of 3003-H18 aluminum ultrasonic consolidation[J]. Journal of Engineering Materials and Technology, 2009, 131(2):21006-21012.
[2] 熊志林，朱政强，吴宗辉，等. 6061铝合金超声波焊接接头组织与性能研究[J]. 金属铸锻焊技术，2011,40(17)：130-135.
[3] 李东. 层叠式锂电池制造中金属极片的超声波焊接工艺优化方法[D]. 上海：上海交通大学，2013.
[4] Ram G D J, Yang Y, Stucker B E. Effect of process on band formation during ultrasonic consolidation of aluminum alloy 3003[J]. Journal of Manufacturing Systems, 2006, 25(3):221-238.
[5] 王君兆. 多层铝箔直接超声连接机理的研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学, 2012.
责任编辑 郑练
Study on Ultrasonic Welding Process of Lithium Battery’s Aluminum Tab
CAO Yuqi
(Wattpack Technology Co., Ltd., Beijing 100086, China)
Abstract：3 pieces of 0.3 mm 1060 aluminum sheet and 1 piece of 1mm 1060 aluminum plate are welded into a new laminate structure. The optimum welding parameters included 1.2 s first welding delay time, 0.2 s first welding time, 0.18 MPa welding machine pressure and 30% electric power, which are acquired by L9(34) orthogonal test, in which 0.12 s welding delay time and 0.05 s second welding time are constant. The most influential welding parameter is electric power, and then successively are first welding delay time, first welding time and welding machine pressure. Tested by LY-500 digital tension tester, the peel strength of the sample welded in the optimum welding parameters is 308.08 N. By surface morphology analysis, the joints welded in the optimum welding parameters are 100% fused.
Key words：lithium battery, aluminum tab, ultrasonic welding
中图分类号：TG 453.9
文献标志码：A
作者简介：曹瑜琦(1986-)，男，硕士，工程师，主要从事超声波焊、激光焊等特种加工工艺，焊接过程控制及产品焊接质量分析等方面的研究。
收稿日期：2017-02-17
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