極耳晶體取向?qū)︿囯x子電池激光焊接的影響

羅傳軍

(多氟多新能源科技有限公司,河南 焦作 454150)

激光焊接是將高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法,與其他傳統(tǒng)焊接技術(shù)相比,具有焊接速度快、穿透能力強、可對難熔材料與異種材料施焊和焊縫成形良好等優(yōu)點,近年來在一些微、小型零件的精密焊接中得到普遍應(yīng)用。鋰離子電池近年來發(fā)展迅速,生產(chǎn)的自動化加工水平逐步提高,激光焊接在對一些關(guān)鍵部件進行焊接時具有明顯的優(yōu)勢。如軟包裝電池在模塊成組時,需要對極耳與匯流排進行焊接。在焊接過程中,銅鍍鎳材質(zhì)極耳經(jīng)過折彎、整形后,與框架的銅匯流排激光焊接一起。該工序要求一定的自動化效率,對于焊接強度的一致性要求較高,以保證電池性能的一致。

根據(jù)離焦量(即激光焦點與作用物質(zhì)之間的距離)的不同,激光焊接可分為深熔焊和熱傳導(dǎo)兩種方式。極耳焊接一般都采用深熔焊和負離焦量(激光聚焦點在下層金屬上),形成熔池,俗稱小孔焊接[1]。焊接存在的問題一般有過焊和虛焊。除設(shè)備設(shè)定的焊接參數(shù)影響外,焊接強度還受金屬材質(zhì)對激光吸收率和反光率的影響[2],如表面粗糙度不同,形成激光吸收率的差異,就會導(dǎo)致過焊或虛焊的情況。金屬表面若存在有機物,或金屬材料本身含有一定的氣體和低熔點金屬(如鋅)等,在焊接過程中,這些物質(zhì)會瞬間氣化,當熔池物質(zhì)的凝固速度大于氣體的排出速度時,就會形成氣孔,造成焊接面積降低,出現(xiàn)焊斷的情況。電池極耳制備用的銅帶多采用壓延工藝[3],生產(chǎn)工藝對材料晶型取向會產(chǎn)生的一定的影響,而銅的不同晶面的特性有一定的差異[4]。激光加工是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)過程,當與材料相互作用時,材料的不同晶面會產(chǎn)生不同的熱、機械響應(yīng),對激光加工過程和效果產(chǎn)生影響[5]。

本文作者擬從材料理化和晶體結(jié)構(gòu)等方面,針對負極銅極耳在激光焊接中出現(xiàn)焊接異常的影響因素進行研究,以期對激光焊接工藝提供指導(dǎo)。

1 實驗

1.1 實驗材料

負極采用銅鍍鎳極耳,尺寸均為0.2 mm×45.0 mm。樣品1(上海產(chǎn))和樣品2(山東產(chǎn))各10個,在實驗前用10%NaOH(國藥集團,AR)溶液和無水乙醇(運城產(chǎn),AR)對表面進行清洗處理。模塊框架采用雙并連結(jié)構(gòu),銅匯流排的規(guī)格為1.5mm×12.5 mm×79.0 mm。

實驗時,為排除鍍層對成分的影響,先用砂紙(1 800目)對極耳樣品表面進行打磨,直到表面呈現(xiàn)均勻的金黃色基材銅層,再用無水乙醇清洗,然后進行相關(guān)測試。該類樣品標記為基材。

1.2 焊接及測試

先將電芯粘貼至框架上,將負極極耳緊貼框架匯流排,確保不出現(xiàn)歪斜、褶皺。用YLS-3000激光焊接儀(深圳產(chǎn))進行焊接,焊接功率設(shè)置為(2.85±0.15)kW,采用氮氣保護,有效長度控制在37～40 mm。

焊接完成后全檢極耳,確保不出現(xiàn)虛焊、漏焊、斷焊及焊穿等現(xiàn)象。固定匯流排,180°彎折極耳焊接外露端3次,用HP-500型拉力機(浙江產(chǎn))夾緊極耳進行檢測,要求彎折不能折斷,且拉力至少為80 N。

1.3 樣品分析

用HV-1000Z型顯微硬度計(萊州產(chǎn))進行極耳硬度測試;用ET3C電解測厚儀(深圳產(chǎn))進行極耳鍍層厚度測試。

采用UL TRA55型掃描電子顯微鏡(德國產(chǎn))和Oxford X-max 80型X射線能譜儀(英國產(chǎn))進行微觀形貌分析;用ICAP 7400型電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-OES)儀(美國產(chǎn))進行元素含量測試;采用CDM-20C型金相顯微鏡(上海產(chǎn))進行極耳截面分析;采用Ultima IV型X射線衍射儀(日本產(chǎn))研究樣品晶體結(jié)構(gòu),CuKα,波長0.154 06 nm,管壓40 kV,電流40 mA,掃描速度為10(°)/min,步長 0.02°。

2 結(jié)果與討論

對于金屬間的激光焊接效果判定,常規(guī)手段是測試拉伸強度。拉伸強度主要體現(xiàn)了微觀上焊接區(qū)域的一致性。焊接后進行拉力測試,對照焊接測試標準,樣品1中有6個滿足要求,樣品2中有6個不合格,且經(jīng)過拉力測試,焊接處斷裂(樣品2中6個樣均在拉力小于80 N時就斷裂,且180°彎折極耳焊接外露端,均發(fā)生斷裂)。針對出現(xiàn)的焊接異常情況,對樣品進行綜合理化方面的分析。

2.1 硬度及鍍層厚度分析

銅鍍鎳極耳是在銅極耳表面通過化學(xué)鍍工藝鍍一層金屬鎳,鎳層除了防止銅被氧化之外,還能提高極耳表面硬度,具有一定的機械強度。

測試樣品1和2的硬度和鍍層厚度,從結(jié)構(gòu)上分析兩者之間的差異,結(jié)果見表1。

表1 不同極耳硬度及鍍層厚度分析Table 1 Analysis of hardness and coating thickness of the different poles

從表1可知,樣品1的硬度偏低,但是鍍層厚度相對較厚。樣品2的硬度相對較高,但是鍍層厚度相對偏低。從理論上分析,鍍層會增加硬度,鍍層越厚,硬度越大。這可能與基材本身材質(zhì)有關(guān)。

2.2 元素分析

采用ICP-OES分析金屬或一些非金屬元素含量,通過組分來判斷兩種樣品在基材上是否存在差異。

不同極耳及表面處理樣品的分析結(jié)果見表2。

表2 不同極耳及表面處理樣品的ICP-OES分析結(jié)果Table 2 Inductively coupled plasma optical emission spectrometry(ICP-OES)analysis results of different poles and surface treated samples

從表2可知,除Ni外(砂磨處理后仍然存在微量的Ni,可能與表面處理方式有關(guān),微觀下局部未處理干凈),其他元素的含量都低于50 mg/kg,包括低熔點的Zn、Na和K,均屬于正常范圍。兩種樣品在成分上接近,沒有明顯的差異。測試時,對各常規(guī)元素都進行了分析,除表2中列出的元素外,Co、Mn、Al、Pb、Ti、Si、Zr和 P 等元素的含量均低于 1 mg/kg或是ND。

2.3 形貌分析

采用SEM對極耳表面形貌進行觀察,并通過EDS分析表面元素分布,結(jié)果如圖1和表3所示。

圖1 不同極耳的表面微觀形貌Fig.1 Surfacemorphology of different poles

表3 不同極耳表面EDS數(shù)據(jù)Table 3 Energy dispersive spectrometry(EDS)data of surface of different poles

從圖1可知,兩種樣品的鍍層形貌有明顯差異,樣品2表面鍍層的均勻性比較差。結(jié)合EDS數(shù)據(jù)可知,樣品1中的n(Ni)∶n(Cu)為 57.76∶1.57,樣品 2 為 44.32∶2.02,樣品 2中Ni含量偏低,且整體鍍層均勻性較差,部分銅裸露出來,造成n(Ni)∶n(Cu)低。鍍層的均勻性除與化學(xué)鍍工藝有關(guān)之外,與Cu基材也有一定關(guān)系,不同工藝制備的Cu,表面形貌會有較大的差異,對于后續(xù)鍍鎳的影響較大。

為排除鍍Ni層對焊接產(chǎn)生的影響,兩種樣品各取1只,表面打磨后進行焊接及強度測試。樣品1、樣品2的焊接拉力分別為103 N、71 N,與未打磨的一致,因此可以排除鍍層對焊接的影響。

不同極耳拋光處理后的橫截面金相顯微形貌見圖2。

圖2 不同極耳橫截面的金相顯微形貌Fig.2 Metallographic micromorphology of cross section of different poles

從圖2可知,樣品1的晶相組織均一,而樣品2中晶界明顯,存在雜亂的紋路。這表明,兩者在制造工藝方面存在一定的差異,造成基材金相結(jié)構(gòu)有偏差。

2.4 晶體結(jié)構(gòu)分析

極耳銅基材在整個生產(chǎn)過程中,涉及到多次退火和壓軋,對于銅基材的晶體取向可能造成一定影響。對兩種樣品及焊接后的極耳進行XRD分析,結(jié)果見圖3。

圖3 不同極耳的XRD圖Fig.3 XRD patterns of different poles

從圖3可知,各樣品的衍射峰與Cu的標準譜(PDF:04-0836)、Ni的標準譜(PDF:04-0850)相符,無其他衍射雜峰。對比樣品1和樣品2可知,焊接前,銅(200)晶面的衍射峰差異較大,樣品2與樣品1的強度比為2.66;焊接后,差異增加,強度比為7.99,可能是焊接過程中局部高能熱量對晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響,更有利于提高晶面的取向性。

激光焊接結(jié)構(gòu)的破壞大多來源于焊縫熔合區(qū),晶面取向?qū)缚p的機械性能有著重要影響[6]。在焊接結(jié)束后,熔合區(qū)由高溫熔池狀態(tài)快速冷卻,內(nèi)部結(jié)構(gòu)重結(jié)晶,過程中晶粒形成受基材本體的晶型取向影響,會提高結(jié)晶晶面的取向度,與焊接后的銅(200)晶面衍射峰值升高規(guī)律一致。

材料的晶面取向不同,表面能和表面原子密度不同[7],晶型結(jié)構(gòu)的取向不同,導(dǎo)致微觀上表面活性及化學(xué)勢能存在差異。深熔焊在形成熔池的過程中,激光在不同晶面上的吸收效率以及熱量傳導(dǎo)速率不同,工藝參數(shù)下的焊縫強度也存在差異。激光焊接的本質(zhì)是激光與材料之間的相互作用。激光束照射到材料表面(或內(nèi)部)時,金屬的自由電子會反射大部分激光,同時一小部分激光被金屬內(nèi)部的束縛電子、激子、晶格振動等吸收,從而發(fā)生能量的轉(zhuǎn)移與傳導(dǎo)。極耳焊接屬于激光深熔焊,焊接材料在激光高溫下熔化,表面熔化的材料會氣化,金屬液體在金屬蒸氣的反作用力下,向材料表面四周排擠,并形成熔池凹陷。隨著焊接的進行,內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷熔化,凹陷加深,當停止焊接時,被排擠出去的金屬溶液回流至凹陷內(nèi),冷卻后完成焊接。根據(jù)金屬學(xué)原理,晶面間距越大,晶面上原子排列越密集,反之則越稀疏。銅具有面心立方晶體結(jié)構(gòu),晶面間距由大到小依次為(111)、(200)、(220)和(311)。(111)晶面的原子排列比(200)晶面密集,對應(yīng)的自由電子密度更大。晶面取向不同的材料,(111)峰強度I111與(200)峰強度I200的比值I111/I200可反映原子的密集程度,比值越大,對應(yīng)的原子排列越緊密或自由電子密度越高。當激光作用在材料表面時,材料的自由電子密度與激光的反射成正比,未焊接極耳樣品1和樣品2的I111/I200均值分別為1.08、0.35,說明樣品2更有利于激光能量的吸收和傳導(dǎo),加劇材料內(nèi)部的熔化速率和熔池的凹陷,并提高材料氣化的程度,大量氣體不易排出,導(dǎo)致焊接有效截面減小,焊接強度降低,嚴重時會造成過焊。焊接后的極耳,樣品1和樣品2的I111/I200分別為1.12、0.09,對它們重新進行激光焊接,規(guī)律一致。焊接強度與XRD不同晶面峰強度比值有一定關(guān)系,I110/I200越高,焊接的質(zhì)量越好,因此,從本質(zhì)上講,晶體取向會對激光焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響。

3 結(jié)論

本文作者從物理和化學(xué)特性對極耳進行分析,并結(jié)合XRD、SEM、EDS和ICP-OES等手段,對晶體結(jié)構(gòu)及表面形貌進行分析。鍍Ni層對激光焊接效果沒有本質(zhì)的影響,而基材銅的晶體取向?qū)附有Ч绊戄^大,對比新極耳和焊接后的極耳,結(jié)果相同。對基材銅生產(chǎn)工藝的影響,實驗暫未進行綜合分析,但初步得出晶體取向?qū)τ诩す夂附有Ч嘘P(guān)聯(lián)影響:I110/I200越高,焊接質(zhì)量越好。

目前,激光焊接技術(shù)在鋰離子電行業(yè)應(yīng)用日益廣泛,除了極耳焊接,在電池殼體焊接以及電池組結(jié)構(gòu)件焊接方面應(yīng)用日趨成熟,而焊接基材的晶體結(jié)構(gòu)對于激光焊接的影響,在一定程度上也會影響電池性能和生產(chǎn)效率。本研究可以為電池行業(yè)的生產(chǎn)和研發(fā)提供焊接方面的理論指導(dǎo)。