電池鋁巴的擴(kuò)散焊接及其剝離力檢驗(yàn)*

黃建華，阮 毅，林 敏

（廣東省機(jī)械研究所有限公司，廣州 510700）

0 引言

隨著科技和產(chǎn)業(yè)變革，新能源汽車迎來了歷史發(fā)展的新機(jī)遇，成為了汽車行業(yè)發(fā)展的新方向，近年來許多傳統(tǒng)汽車廠商紛紛將重心轉(zhuǎn)向新能源汽車。在我國，各地陸續(xù)推出了加快新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的扶持政策，國內(nèi)也誕生出了一批造車新勢力企業(yè)，在激烈的市場競爭中站穩(wěn)了腳跟，獲得了消費(fèi)者的認(rèn)可，具備了和國際一線廠商競爭的能力。歸根結(jié)底，是我國的新能源領(lǐng)域不斷銳意創(chuàng)新、開拓進(jìn)取，逐漸發(fā)展出獨(dú)有的、完備的產(chǎn)業(yè)鏈和供應(yīng)鏈。

對于電動汽車來說，電池是核心部分。動力電池組由多個電池之間采用連接件進(jìn)行串并聯(lián)疊置組成[1]。這個連接件（busbar），根據(jù)類型不同可分為硬連接和軟連接兩種。軟連接件因?yàn)榫哂辛己玫难诱剐?，可以有效緩解電芯充放電時產(chǎn)生的膨脹力問題，避免電芯極柱處可能會被拉扯開裂，造成漏液等安全問題而被廣泛采用。

目前使用的較多的鋁箔材料的軟連接件，簡稱為鋁巴，它采用真空擴(kuò)散焊進(jìn)行焊接生產(chǎn)。在鋁巴（圖1）結(jié)構(gòu)中，保持原材料原有狀態(tài)的區(qū)域稱為軟態(tài)區(qū)（即非焊接區(qū)），軟態(tài)區(qū)主要用于電連接過程中的調(diào)節(jié)幅度；一般為拱形或者折彎結(jié)構(gòu)。采用熱壓焊進(jìn)行焊接的部位稱為硬態(tài)區(qū)，硬態(tài)區(qū)主要用于電連接過程中的硬性連接。

圖1 鋁巴

本文介紹1060鋁巴的真空擴(kuò)散焊焊接，以及對焊接出來的產(chǎn)品進(jìn)行剝離力檢驗(yàn)，通過焊接接頭的剝離力檢驗(yàn)真空擴(kuò)散焊接方法生產(chǎn)的鋁巴產(chǎn)品是否能滿足其產(chǎn)品質(zhì)量的要求。

1 真空擴(kuò)散焊

真空擴(kuò)散焊接是一種精密焊接方法。它是在真空環(huán)境下，將待焊件加熱到一定溫度，施加一定壓力使焊件產(chǎn)生輕微的塑性變形，以便相接觸的焊件產(chǎn)生相互的原子擴(kuò)散而結(jié)合在一起，獲得較好強(qiáng)度和可靠性的整體焊接接頭[2]，如圖2所示。

圖2 焊接爐

根據(jù)被焊材料的組合和工藝可將擴(kuò)散焊分為同種材料擴(kuò)散焊、異種材料擴(kuò)散焊、加中間層的擴(kuò)散焊、過渡液相擴(kuò)散焊和熱等壓擴(kuò)散焊等[3－6]。

由于真空擴(kuò)散焊接時母材不熔化，焊接后工件變形量完全可控，還可以實(shí)現(xiàn)異種材料和難焊材料的連接，因此在高精度要求的焊接生產(chǎn)中得到了較為廣泛的應(yīng)用[7]。目前已廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造、汽車工業(yè)等領(lǐng)域。

對于真空擴(kuò)散焊，與焊接接頭質(zhì)量直接的影響因素主要有表面凈化、加熱溫度、保溫時間、真空度、焊接壓力等幾個因素。

2 焊前預(yù)處理

生產(chǎn)鋁巴使用的材料為1060鋁箔，其鋁元素含量大于或等于99.6%，鋁箔規(guī)格為380 mm×380 mm×0.1mm。

鋁在空氣中容易被氧化，鋁箔表面會形成一層致密的氧化膜。氧化膜熔化溫度高達(dá)2015±15 ℃，遠(yuǎn)高于鋁擴(kuò)散焊接工藝溫度500～600 ℃，這層氧化膜會導(dǎo)致無法進(jìn)行擴(kuò)散焊接。因此，需要在焊接前對氧化膜進(jìn)行處理。表面處理的方式有物理法、化學(xué)法和電化學(xué)法等。規(guī)?；a(chǎn)時，通常采用較為簡單的物理方式，即采用機(jī)械設(shè)備對鋁箔進(jìn)行表面清理，能有效降低生產(chǎn)成本。

焊接前，將待焊鋁箔材料經(jīng)全自動拉絲清洗機(jī)進(jìn)行表面處理，目的是盡可能去除鋁箔表面的氧化膜、油膜等，同時對表面進(jìn)行拉絲處理。為了防止清洗后再氧化以及去除表面清洗留下的水分，還需將清洗、分切好的鋁箔放入真空干燥箱內(nèi)進(jìn)行干燥處理。

疊放鋁箔，上下均放置有不銹鋼治具，涂有氮化硼涂料的鋁箔作為成品之間隔板，避免成品之間焊在一起。12 片鋁箔經(jīng)過擴(kuò)散焊接一次性焊接成型在一起，成為一塊完整的鋁板，治具鏤空部分對應(yīng)的鋁箔之間未緊密接觸而沒有焊接在一起，屬于非焊區(qū)，即軟態(tài)區(qū)。焊接出來的鋁板是生產(chǎn)鋁巴的半成品，經(jīng)后續(xù)機(jī)加工可生產(chǎn)成為軟鋁巴產(chǎn)品。

焊接過程中，不添加其他任何材料。批量焊接生產(chǎn)時，每30 個成品之間墊放一塊鋼板（厚度12 mm）加以分隔成為一層（兩塊鋼板之間為一層）。添加鋼板的目的是使焊接壓力更加均勻地作用在待焊鋁箔上。

3 焊接工藝

李維偉[8]通過大量實(shí)驗(yàn)探討了5083 鋁合金一定工藝條件下進(jìn)行擴(kuò)散焊接的可行性，試驗(yàn)結(jié)果表明，溫度越高，焊合率越高，焊縫越窄。但是隨著溫度的升高，界面附近的晶粒會出現(xiàn)粗化，又降低了接頭的力學(xué)性能。最后篩選出其優(yōu)化工藝參數(shù)：溫度為540 ℃，壓力為3.5 MPa，保溫時間為2.5 h。

鞏云峰等[9]研究了焊接溫度（500～560 ℃）、焊接壓力（1.0～5.0 MPa）和保溫時間（0.5～3 h）對焊接接頭界面形貌和剪切強(qiáng)度的影響，得到了優(yōu)化工藝參數(shù)為焊接溫度540 ℃、保溫時間2 h、焊接壓力4.0 MPa。

焊接溫度：溫度越高，擴(kuò)散系數(shù)越高，焊合率越高。擴(kuò)散系數(shù)D與擴(kuò)散溫度T的關(guān)系為：式中：D0為擴(kuò)散常數(shù)；U 為激活能；R 為氣體常數(shù)，R＝8.314 J/(mol·K)。

在真空擴(kuò)散焊過程諸多工藝參數(shù)中，對元素?cái)U(kuò)散行為影響最大的是溫度[10]。一般來說，材料的擴(kuò)散焊接溫度：T＝（0.55～0.9）Tm，其 中Tm為待焊材料的熔點(diǎn)[11]。Al的熔點(diǎn)為660 ℃。焊接時將焊接溫度設(shè)定為600 ℃。實(shí)際焊接生產(chǎn)中，擴(kuò)散焊接爐需要有一個加溫的時間過程，焊接溫度—時間曲線如圖3所示。

圖3 焊接溫度—時間曲線

保溫時間：保溫時間的長度影響著原子遷移的深度，即擴(kuò)散層的深度與保溫時間有關(guān)。但是保溫時間過長就會增加生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)效率。實(shí)際生產(chǎn)時將保溫時間設(shè)定為120 min，可以保證原子有充足的時間進(jìn)行擴(kuò)散，獲得更好的擴(kuò)散層厚度。

真空度：真空環(huán)境下，可保護(hù)待焊材料不受氧化，保證擴(kuò)散過程的順利進(jìn)行。真空度越高，越有利于擴(kuò)散焊接。但考慮到經(jīng)濟(jì)與效率的因素，實(shí)際生產(chǎn)時，真空度達(dá)到1.0×10－3Pa以上時，就能獲得性能良好的接頭。

焊接壓力：為了獲得良好的接頭性能，在焊接過程中需要施加一定的壓力，增加待焊區(qū)域?qū)嶋H接觸面積。焊接壓力增大，有助于提高焊合率，但過大的焊接壓力會將待焊材料擠壓變形，不利于獲得良好的焊接接頭。綜合考慮，生產(chǎn)時設(shè)定焊接壓力為1 300 kN，焊接時通過石墨壓柱使焊接壓力作用在待焊鋁箔上的鋼板。

焊接生產(chǎn)時，擴(kuò)散焊接爐內(nèi)的溫度應(yīng)保證一定的均勻性，通常要求均勻性不大于±5 ℃。

4 剝離力檢驗(yàn)

剝離力是指對擴(kuò)散焊接在一起的鋁箔材料，從接觸面進(jìn)行剝離時所需要的最大力。剝離時角度有90°或180°。其可以有效反映鋁箔材料的擴(kuò)散焊接接頭的強(qiáng)度。

鋁巴剝離力的檢驗(yàn)按以下方法進(jìn)行。

（1）測點(diǎn)裁樣。隨機(jī)抽取一塊焊接號的鋁板成品進(jìn)行裁切，每塊板測點(diǎn)取9點(diǎn)（圖4），試樣寬度取16 mm。從非焊區(qū)將鋁箔一分為二（即按6片－6片分開，如圖5所示）進(jìn)行剝開至焊接區(qū)邊沿，碾平后成180°角。

圖4 取樣點(diǎn)

圖5 （6－6）分層剝開的試樣

（2）剝離試驗(yàn)機(jī)采用小型萬能拉力試驗(yàn)機(jī)，壓力傳感器工作范圍為0～2 000 N，荷重精度小于或等于0.5%，最大測量范圍為900 mm。

（3）剝離時試驗(yàn)機(jī)以恒定速度（v＝10 mm/min）將試樣進(jìn)行剝離試驗(yàn)，記錄剝離力。

（4）總剝離長度達(dá)10 mm左右后停止當(dāng)次剝離試驗(yàn)。

由剝離力測試結(jié)果及力－變形之間的關(guān)系如圖6所示，由圖可知，在[0,10]mm剝離區(qū)間內(nèi)，測試點(diǎn)的剝離力隨著剝離位移（變形量）的增大而增大。越是遠(yuǎn)離非焊區(qū)的區(qū)域，剝離力越大，剝離力與變形量呈正相關(guān)。編號為7的測點(diǎn)試樣，在剝離至9 mm左右時發(fā)生斷裂。

圖6 試樣剝離力－變形關(guān)系

如表1所示，在[0,5]mm剝離區(qū)間內(nèi)最大剝離力的最大值85.7 N，最小值為41.5 N，平均值為64.3 N。在[0,10]mm剝離區(qū)間內(nèi)最大剝離力的最大值為214.2 N，最小值為76.1 N，平均值為147.7 N。說明遠(yuǎn)離非焊區(qū)域，其焊接接頭性能越好。遠(yuǎn)離非焊區(qū)的其他區(qū)域，焊接壓力通過壓柱和鋼板的傳導(dǎo)，其作用力可均勻地作用與待焊鋁箔上面，但由于生產(chǎn)工藝的需要，每個成品間夾放有鏤空治具，如圖7所示，各層治具在疊放時會存在一定的錯位量，如圖8所示，使得非焊區(qū)邊緣附近的區(qū)域焊接壓力無法得到有效保證，一定程度上降低了擴(kuò)散焊接接觸的實(shí)際面積，影響了接頭性能。

表1 測點(diǎn)剝離力檢驗(yàn)結(jié)果

圖7 鏤空的治具

圖8 疊放號的待焊鋁箔

5 結(jié)束語

（1）鏤空治具的存在，影響了非焊區(qū)附近擴(kuò)散焊的接頭的焊接質(zhì)量。可以對治具進(jìn)行再優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得批量焊接時，所有待焊區(qū)域受到的焊接壓力更加均勻，從而獲得性能更加良好的焊接接頭。電池鋁巴作為動力電池中重要的零部件，其產(chǎn)品質(zhì)量直接影響著整個電動汽車的質(zhì)量安全。只有持續(xù)改進(jìn)工藝，提高生產(chǎn)制造質(zhì)量，才能不斷提高企業(yè)的競爭能力。

（2）焊接溫度T＝600 ℃，保溫時間t＝120 min，真空度pv＝1.0×10－3Pa，焊接壓力P＝1 300 kN的工藝條件下，可以獲得性能較為良好，剝離力在76.1 N 以上的焊接接頭。該工藝條件能夠滿足批量生產(chǎn)電池軟鋁巴的質(zhì)量要求。