添加中間層對超聲波焊接頭界面及導電性能影響研究

王財靈，邢彥鋒，劉立峰，賈慎鋒，張安

（1.201620 上海市 上海工程技術(shù)大學 機械與汽車工程學院；2.201799 上海市 上海和達汽車配件有限公司）

0 引言

近年來，隨著汽車的電動化浪潮來襲，超聲波焊接工藝作為一種鋰電池極耳連接的關(guān)鍵制造技術(shù)受到高度關(guān)注[1]。鋰電池單體制造過程中主要有以下工序：制漿、涂布、焊接、裝配、化成，其中焊接技術(shù)是單體電池制造工藝中關(guān)鍵[2]。單體到模組、模組成PACK 的過程均有使用焊接技術(shù)方案。電池的制造過程中，不僅極片與極片的連接甚至電池的封裝需要使用焊接工藝，任何影響焊接的連接缺陷均會影響鋰電池性能。因此，如何通過超聲波焊接建立高效的極片連接亟待解決[3-4]。

本文通過1060 鋁合金和T2 紫銅添加中間夾層的超聲波焊接，分析超聲波焊接過程，試圖了解超聲波焊參數(shù)對工件行為的影響，對比分析界面的平行振動方向和垂直振動方向的界面情況。在焊接時間0.5 s、焊接振幅50%、焊接壓力-0.2 MPa、能量30 J 的參數(shù)下，分別添加12 μm 厚的銀箔、10～20 μm 顆粒大小銀粉、鐵粉、石墨粉為接頭的中間夾層，通過EDS、SEM 手段分析界面的塑性流動和元素擴散情況。測量不同夾層下接頭的電阻值大小，分析影響導電性能的因素。

1 實驗材料和方法

實驗選用1060 鋁合金（0.2 mm×20 mm×100 mm）和紫銅（1 mm×20 mm×100 mm），材料化學成分見表1。3 層鋁和1 層銅試樣進行焊接，采用鋁上銅下的方式焊接，如圖1 所示。實驗采用實驗用焊機，型號為MW-2040，最大輸出能量為 4 000 J，最高頻率為20 kHz。超聲波焊接系統(tǒng)由氣泵、焊機以及控制器組成，如圖2 所示。

圖1 工件焊接試樣尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of workpiece welding sample size

圖2 超聲波焊接系統(tǒng)設(shè)備圖Fig.2 Equipment diagram of ultrasonic welding system

表1 T2 紫銅和1060 鋁合金的化學成分Tab.1 Chemical composition of T2 copper and 1060 aluminum alloy

超聲波焊接質(zhì)量主要受焊接振幅、焊接時間、焊接能量、焊接壓力等工藝參數(shù)的影響。通過預(yù)實驗以及公式（1）綜合得出焊接參數(shù)。本次實驗采用能量控制型，焊接能量固定為30 J，選擇焊接時間0.5 s，焊接振幅50%，焊接壓力0.2 MPa 的參數(shù)條件下，在工件中添加不同夾層進行超聲波焊接。

本文選取12 μm 厚的銀箔、10～20 μm 顆粒大小銀粉、鐵粉、碳粉為鋁銅界面中間夾層。相關(guān)資料表明，線膨脹系數(shù)相差越小越容易焊接。各材料物理性能見表2。實驗中，銀箔采用全覆蓋在鋁銅接觸界面間的方式添加，銀粉、鐵粉、石墨粉均采用一勺（約0.5 g）均勻涂抹在鋁銅界面接觸面。一共做以下實驗：組別1 未添加夾層，組別2 添加銀箔，組別3 添加銀粉，組別4 添加鐵粉，組別5添加碳粉。每組別分別做6 次實驗，1 次用來制作金相實驗，觀察界面組織特性；其余5 組用來分析電阻性能。電阻采用微歐計測量，測量接頭兩端距離為40 mm，5 次測量取平均值。電阻測量方式及微歐計見圖3。利用金相試樣，在掃面電鏡下尋找焊縫以及斷口內(nèi)的特殊區(qū)域，使用能譜儀對其進行成分分析，獲取元素濃度曲線及含量信息，分析接頭橫截界面的連接情況。

表2 實驗材料的主要物理新性能Tab.2 Main new physical properties of experimental materials

圖3 接頭電阻值測量示意圖和微歐計Fig.3 Schematic diagram of joint resistance measurement and micro-ohmmeter

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲波焊接過程分析

超聲波焊接是利用超聲波的高頻振蕩能量，在靜壓力作用下使焊件接觸表面產(chǎn)生強烈的表面效應(yīng)（摩擦效應(yīng)）與體積效應(yīng)（超聲效應(yīng)）作用，以清除表面氧化物并加熱而實現(xiàn)的一種壓焊方法[5]。圖4 為單側(cè)導入時超聲波焊接方法原理圖，本次實驗采用這種焊接方式。

圖4 單側(cè)導入式超聲波焊接方法的原理圖Fig.4 Schematic diagram of single-side introduction ultrasonic welding method

焊件5 被夾持在上聲極4 和下聲極6 之間。上聲極向焊件輸入超聲波焊接能量，而下聲極則用來施加靜壓力。上聲極的能量轉(zhuǎn)換是通過一系列的能量及傳遞而來，超聲波發(fā)生器1 將工頻電流轉(zhuǎn)為超聲波頻率的振蕩電流，經(jīng)換能器2 轉(zhuǎn)換為圖中D方向的彈性機械振動，聚能器3 用來放大振幅并耦合負載。焊件就是在靜壓力及彈性機械振動的共同作用下，將彈性機械振動能轉(zhuǎn)變?yōu)楹讣g的摩擦功、形變能和溫升，從而實現(xiàn)固態(tài)下的焊接。

超聲波焊接技術(shù)包括3 個階段。第1 階段：在USW 工藝中，通過超聲波和鐵砧施加法向力（由于夾持壓力）以及剪切力（由于部件的橫向振動），使焊接表面靠近。金屬的表面可能有氧化涂層以及污染物，如水分和潤滑劑，這妨礙了金屬與金屬的正常接觸。此外，試樣的表面可能有很多不規(guī)則的凹坑，這取決于其粗糙度，因此，焊頭和工件接觸點的初始數(shù)量取決于表面粗糙度和施加在其上的法向力；第2 階段：超聲振動與法向力一起開始，在大多數(shù)情況下，頂部試樣相對于底部試樣移動。由于這種壓迫力和焊接界面的摩擦性相對運動，焊接的過程啟動開始產(chǎn)生原子位錯，因此，焊接金屬的表面之間在4～5 nm 的距離上產(chǎn)生化學鍵，電子的交換在兩個表面之間發(fā)生，這導致焊接區(qū)的塑性變形和剪切干擾物，從而產(chǎn)生了一個原子級的清潔焊接表面；第3 階段：此階段對于在表面之間產(chǎn)生牢固的連接至關(guān)重要，包括原子在微觀尺度上跨越界面結(jié)合線的擴散。在第3 階段，焊接界面受到嚴重的塑性變形，這導致晶粒和晶體分裂，形成更小的亞晶粒，因此小的焊接區(qū)（稱為微焊縫）被演化出來。隨著時間的推移，振動增加了微焊接區(qū)，最后焊接區(qū)完全被焊接材料充滿。塑性變形區(qū)下的區(qū)域在振動的超聲波能量作用下形成殘余應(yīng)力。然而，由于快速產(chǎn)生的高溫導致原子改變其在晶格中的功能位置，這種殘余應(yīng)力最終會在這個區(qū)域得到釋放[6]。

圖5 顯示了垂直于靜壓力方向的鋁銅超聲波接頭連接界面EDS 圖譜，圖5（a）為平行于振動方向，圖5（b）為垂直于振動方向?？梢园l(fā)現(xiàn)，平行方向的材料的塑性流動更強，且原子的擴散距離約是垂直方向的2 倍。

圖5 接頭界面EDS 圖譜Fig.5 EDS spectrum of joint interface

超聲波焊接功率計算[7]：

式中：P——超聲功率，W；v——相對速度，m/min；μ——摩擦系數(shù)；S——接觸面積，mm2；F——超聲波焊機所施加的靜壓力，N；A——振幅，μm；f——超聲波焊機的頻率，kHz。

式（1）中P、μ、S、f 為固定值，在超聲波焊接過程主要受到參數(shù)影響。由式（1）可得到式（2）相對速度v 的表達式：

由此可知，工件-工件間的相對速度主要受振幅和頻率的影響，振幅主要受工件剪切力影響。

2.2 添加中間夾層的界面組織特性

2.2.1 添加銀箔的接頭界面特性

銀是一種常用高導電金屬，線膨脹系數(shù)介于鋁銅之間，說明銀金屬能夠較好實現(xiàn)與鋁銅的超聲波焊接[8]。圖6 為添加銀箔為中間夾層的垂直于靜壓力且平行于振動方向的EDS 圖。相較于圖5（a）中的鋁銅，界面間的塑性流動有減小。Cu 原子受高頻振動力的作用發(fā)生輕微的元素擴散，鋁和銅連接呈現(xiàn)較小幅度的波浪形，界面的材料塑性流動行為強于元素擴散行為。圖6（b）為所有元素的面分布情況，圖6（c）為Cu 在界面的分布情況，圖6（d）為Al 在界面的分布情況，圖6（e）為中間夾層Ag 的分布情況，圖6（f）為氧元素的分布情況。銀箔在焊接前是平整地鋪在鋁銅界面中，靜壓力和高頻振動作用下銀箔分別與鋁、銅表面接觸，隨后實現(xiàn)連接。

圖6 添加銀箔的鋁銅超聲波接頭界面EDS 圖Fig.6 EDS diagram of aluminum-copper ultrasonic joint interface with silver foil

圖7 顯示了鋁銅界面的EDS 面總譜圖，通過面掃描分析可以確認鋁銅連接界面的化學成分。在圖7 面總譜中含有微量的C、O、Si，上述元素主要來源于研磨、拋光膏、鑲嵌料。

圖7 添加銀箔的鋁銅界面的EDS 面總譜圖Fig.7 The EDS surface total spectrum of the aluminum-copper interface with silver foil

2.2.2 添加銀粉的接頭界面特性

圖8 顯示了鋁銅超聲波接頭在中間夾層添加銀箔的界面EDS 圖。圖8（a）為接頭的電子圖像。發(fā)現(xiàn)在鋁側(cè)有不規(guī)則的孔洞存在，且部分呈連續(xù)長條形。從表2 可知，銀的密度為10.5 g/cm3，遠大于鋁的2.7 g/cm3，銀的密度略大于銅的密度。在超聲波焊接過程中的第2 階段，伴隨高頻振動產(chǎn)生的剪切力和垂直振動方向的靜壓力，造成了孔洞狀的界面形成[8]。在一個振動周期中，因有鋁粒子的存在，鋁、銀粉、銅三者間存在相對速度。高頻振動的傳導階段先從焊頭發(fā)出，傳導至鋁箔，鋁箔傳導至銀粉和銅片，鋁與銀粉和銅片同時均有接觸，但銀粉受到的摩擦力和銅片不等。超聲波焊接過程中，每秒振動近20 萬個周期，每個周期50μs，本次實驗0.5 s 的焊接時間即10 萬個周期。相對速度相差較大，進而密軟的鋁層上出現(xiàn)不規(guī)則孔洞，也進一步被超聲波焊接過程中所進行的實驗和理論證實。

圖8 添加銀粉的鋁銅超聲波接頭界面EDS 圖Fig.8 EDS diagram of aluminum-copper ultrasonic aluminum-copper interface with silver powder

圖9 面總譜圖中未見銀元素，這是因為超聲波接頭的界面處僅含有微量銀粉，在切割接頭是粉末無法固定在切開的界面間。

圖9 添加銀粉的鋁銅界面的EDS 面總譜圖Fig.9 EDS surface general spectrum diagram of joint interface with silver powder

2.2.3 添加鐵粉的接頭界面特性

鐵是一種柔韌且延展性較好的金屬。圖10 為添加10～20μm 顆粒鐵粉為中間層的超聲波焊接接頭界面EDS 圖。

圖10 添加鐵粉的鋁銅超聲波接頭界面EDS 圖Fig.10 EDS diagram of aluminum-copper ultrasonic joint interface with iron powder

圖10（a）為接頭SEM 電子圖像，圖10（b）為界面掃描元素分布圖，圖10（c）為Cu 在界面中的分布情況，圖10（d）為Al在界面中的分布情況，圖10（e）為C 元素的分布情況，圖10（f）為O元素的分布情況。對比未添加的界面能譜圖可以發(fā)現(xiàn)，添加鐵為中間元素的接頭塑性流動情況明顯減小，且在界面結(jié)合處未見明顯的鐵元素集聚。圖11 為界面的面總譜圖，元素含量中仍未見鐵元素。造成該現(xiàn)象的主要原因在于鐵粉末在界面中僅以10 μm 左右直徑的顆粒存在，故在超聲波接頭中無法大面積集聚在接頭；還有一種原因，在超聲波焊接過程中，鐵的分量無法足夠存在于界面中，故含量小而無法觀察到。但含有鐵粉卻對超聲波焊接連接中的材料塑性流動和元素擴散有較大的影響。

圖11 添加鐵粉的鋁銅界面的EDS 面總譜圖Fig.11 EDS surface general spectrum diagram of aluminum-copper interface with iron powder

2.2.4 添加石墨粉的接頭界面特性

石墨粉可耐高溫，耐磨，有潤滑作用，同時也是一種很好的非金屬導電粉末物質(zhì)[9]。石墨粉在不同環(huán)境下電阻值會發(fā)生變化，具有以下特殊的性質(zhì)：耐高溫，熔點為3 850±50℃；高導電、導熱性，導電性能比一般非金屬礦物高100 倍，導熱性超過鋼、鐵等金屬材料；可塑性、韌性好；抗熱震性，受到溫度的劇烈變化而不致破壞，溫度突變時，石墨的體積變化不大，不會產(chǎn)生裂紋。圖12 為鋁銅超聲波接頭添加石墨粉，圖12（a）為接頭的SEM圖，可以看出界面區(qū)域有條明顯的乳白色連接線；圖12（b）為界面各種元素的情況分布圖；圖12（c）顯示了界面中Cu 元素的分布情況；圖12（d）顯示了界面中Al 元素的分布情況；圖12（e）顯示了C 在界面中的分布情況，顯示碳元素集聚在界面連接處[10]；圖12（f）顯示了氧元素的分布情況。從圖12 中可以看出，界面連接線較平直，塑性流動較弱。在焊接過程中靜壓力先作用于工件上，隨后氈頭開始高頻振動，由于鋁銅界面添加的石墨粉具有潤滑性，相對速度相較于無添加的接頭有所減小。圖13 為添加石墨的面總譜圖，顯示碳元素的含量較其他幾種接頭未有明顯變化。

圖12 添加石墨粉的鋁銅超聲波接頭界面EDS 圖Fig.12 EDS diagram of aluminum-copper joint interface with graphite powder

圖13 添加石墨粉的鋁銅界面的EDS 面總譜圖Fig.13 EDS surface spectrum diagram of ultrasonic aluminum-copper interface with graphite powder

2.3 導電性能

材料的導電性能與它的結(jié)構(gòu)、組織、成分等因素有關(guān)。經(jīng)典電子理論認為，在金屬晶體中，離子構(gòu)成晶格點陣，并形成一個均勻的電場，價電子是完全自由的，稱為自由電子。在施加電場時，自由電子沿電場方向做加速運動，從而形成電流。在自由電子定向運動過程中，要不斷與正離子發(fā)生碰撞，使電子受阻，這就是電阻產(chǎn)生的原因。從這種認識出發(fā)，設(shè)電子兩次碰撞之間運動的平均距離（自由程）為l，電子平均運動速度為，單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)為n，則金屬電導率[11]為

接頭電阻的計算式為[12]

式中：L——導體長度；S——導體的橫截面積。

本文測試超聲波焊接接頭電阻中的L=40 mm，橫截面積S 幾乎相等。從式（3）、式（4）可以看出，金屬接頭的電阻取決于自由電子的數(shù)量、平均自由程和運動速度[11]。圖14 顯示了添加不同夾層下的超聲波焊接接頭電阻值。在焊接能量30 J、焊接時間0.5 s、焊接振幅50%、焊接壓力0.2 MPa 的條件下，5 種添加情況分別為未添加、添加12 μm銀箔、添加10～20 μm 顆粒銀粉、鐵粉、石墨粉。

圖14 接頭在添加不同夾層的電阻值Fig.14 Resistance value of the joint with different interlayers added

從圖14 可知，添加銀箔的超聲波焊接接頭的電阻明顯大于其他條件下的接頭阻值。圖6（a）中接頭的連接界面之間有層致密的銀箔，鋁和銅未實現(xiàn)直接連接，而是銀箔夾中間層分別和鋁、銅連接，這就導致了自由電子在接頭的遷移需要全部進入銀箔，隨后再進入鋁/銅金屬中，其他中間夾層條件下自由電子可部分或全部直接進入鋁/銅金屬中，可推測在添加銀箔的接頭中的自由電子的運動速度慢于其他接頭。由圖14 可進一步得知，未添加接頭的電阻約為40 μΩ，與未添加、添加銀粉、鐵粉、石墨粉的接頭電阻值無明顯的差異[13-14]。

3 結(jié)論

（1）超聲波焊接的過程中，工件間存在相對速度，接頭界面平行于振動的塑性流動和元素擴散均強于垂直于振動方向的界面。焊接過程中，工件-工件間的相對速度主要受振幅和頻率的影響，振幅主要影響對工件的剪切力大小；

（2）添加中間夾層后，接頭相較于未添加中間夾層均有不同程度塑性流動和元素擴散減弱趨勢。其中，添加石墨對超聲焊連接過程中摩擦起到潤滑作用，較大程度阻礙了接頭的元素間擴散。

（3）接頭中添加銀箔的電阻值約為55μΩ，明顯大于其他條件下的接頭，主要是因為自由電子在金屬中的遷移受到影響。添加銀粉、鐵粉、石墨粉和未添加的接頭導電性能無明顯差異。