长三角G60激光联盟导读
锂离子电池近年来开展敏捷，消费的主动化加工程度逐渐进步，激光焊接在对一些关键部件停止焊接时具有明显的优势。
激光焊接是将高能量密度的激光束做为热源的一种高效精巧焊接办法，与其他传统焊接手艺比拟，具有焊接速度快、穿透才能强、可对难熔素材与异种素材施焊和焊缝成形优良等长处，近年来在一些微、小型零件的精巧焊接中得到普及利用。锂离子电池近年来开展敏捷，消费的主动化加工程度逐渐进步，激光焊接在对一些关键部件停止焊接时具有明显的优势。如软包拆电池在模块成组时，需要对极耳与汇流排停止焊接。在焊接过程中，铜镀镍材量极耳颠末折弯、整形后，与框架的铜汇流排激光焊接一路。该工序要求必然的主动化效率，关于焊接强度的一致性要求较高，以包管电池性能的一致。
根据离焦量(即激光焦点与感化物量之间的间隔)的差别，激光焊接可分为深熔焊和热传导两种体例。极耳焊接一般都摘用深熔焊和负离焦量(激光聚焦点鄙人层金属上)，构成熔池，俗称小孔焊接。焊接存在的问题一般有过焊和虚焊。除设备设定的焊接参数影响外，焊接强度还受金属材量对激光吸收率和反光率的影响，如外表粗拙度差别，构成激光吸收率的差别，就会招致过焊或虚焊的情状。金属外表若存在有机物，或金属素材自己含有必然的气体和低熔点金属(如锌)等，在焊接过程中，那些物量会霎时气化，当熔池物量的凝聚速度大于气体的排出速度时，就会构成气孔，形成焊接面积降低，呈现焊断的情状。电池极耳造备用的铜带多摘用压延工艺，消费工艺对素材晶型取向会产生的必然的影响，而铜的差别晶面的特征有必然的差别。激光加工是一个复杂的物理、化学过程，当与素材彼此感化时，素材的差别晶面会产生差别的热、机械响应，对激光加工过程和效果产生影响。
本文做者拟从素材理化和晶体构造等方面，针对负极铜极耳在激光焊接中呈现焊接反常的影响因素停止研究，以期对激光焊接工艺供给批示。
1．尝试
1.1 尝试素材
负极摘用铜镀镍极耳，尺寸均为0. 2mm×45. 0mm。样品 1(上海产)和样品 2(山东产)各10个，在尝试前用10%NaOH(国药集团，AR)溶液和无水乙醇(运城产，AR)对外表停止清洗处置。模块框架摘用双并保持构，铜汇流排的规格为1. 5mm×12. 5mm×79. 0mm。
尝试时，为肃清镀层对成分的影响，先用砂纸(1800目)对极耳样品外表停止打磨，曲到外表闪现平均的金黄色基材铜层，再用无水乙醇清洗，然后停止相关测试。该类样品标识表记标帜为基材。
1.2 焊接及测试
先将电芯粘贴至框架上，将负极极耳紧贴框架汇流排，确保不呈现歪斜、褶皱。用YLS-3000激光焊接仪(深圳产)停止焊接，焊接功率设置为(2. 85±0. 15)kW，摘用氮气庇护，有效长度掌握在 37~40mm。
焊接完成后全检极耳，确保不呈现虚焊、漏焊、断焊及焊穿等现象。固定汇流排，180°弯折极耳焊接外露端3次，用HP-500型拉力机(浙江产)夹紧极耳停止检测，要求弯折不克不及折断，且拉力至少为80N。
1.3 样品阐发
用 HV-1000Z 型显微硬度计(莱州产)停止极耳硬度测试；用 ET3C电解测厚仪(深圳产)停止极耳镀层厚度测试。摘用UL TRA55 型扫描电子显微镜(德国产)和 Oxford X-max 80型X射线能谱仪(英国产)停止微看描摹阐发；用ICAP 7400型电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)仪(美国产)停止元素含量测试;摘用 CDM-20C型金相显微镜(上海产)停止极耳截面阐发;摘用 Ultima IV型X射线衍射仪(日本产)研究样品晶体构造，CuKα，波长 0. 15406nm，管压40kV，电流 40mA，扫描速度为 10(°) / min，步长 0. 02°。
2．成果与讨论
关于金属间的激光焊接效果断定，常规手段是测试拉伸强度。拉伸强度次要表现了微看上焊接区域的一致性。焊接后停止拉力测试，比照焊接测试原则，样品1中有6个称心要求，样品2中有6个不合格，且颠末拉力测试，焊接处断裂(样品2中6个样均在拉力小于80N时就断裂，且180°弯折极耳焊接外露端，均发作断裂)。针对呈现的焊接反常情状，对样品停止综合理化方面的阐发。
2.1 硬度及镀层厚度阐发
铜镀镍极耳是在铜极耳外表通过化学镀工艺镀一层金属镍，镍层除了避免铜被氧化之外，还能进步极耳外表硬度，具有必然的机械强度。测试样品1和2的硬度和镀层厚度，从构造上阐发两者之间的差别，成果见表1。
表1 差别极耳硬度及镀层厚度阐发
从表1可知，样品1的硬度偏低，但是镀层厚度相对较厚。样品2的硬度相对较高，但是镀层厚度相对偏低。从理论上阐发，镀层会增加硬度，镀层越厚，硬度越大。那可能与基材自己材量有关。
2.2 元素阐发
摘用 ICP-OES阐发金属或一些非金属元素含量，通过组分来揣度两种样品在基材上能否存在差别。差别极耳及外表处置样品的阐发成果见表2。
表2 差别极耳及外表处置样品的 ICP-OES 阐发成果
从表2可知，除Ni外(砂磨处置后仍然存在微量的Ni，可能与外表处置体例有关，微看下部分未处置清洁)，其他元素的含量都低于50mg/ kg，包罗低熔点的Zn、Na 和K，均属于一般范畴。两种样品在成分上接近，没有明显的差别。测试时，对各常规元素都停止了阐发，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1mg/ kg或是 ND。
2.3 描摹阐发
摘用 SEM 对极耳外表描摹停止看察，并通过EDS阐发外表元素散布，成果如图1和表3所示。
图1 差别极耳的外表微看描摹
表3 差别极耳外表EDS数据
从图1可知，两种样品的镀层描摹有明显差别，样品2外表镀层的平均性比力差。连系EDS数据可知，样品1中的n(Ni)：n(Cu)为 57.76：1.57，样品2 为 44.32：2.02，样品2中 Ni含量偏低，且整体镀层平均性较差，部门铜裸露出来，形成 n(Ni):n(Cu)低。镀层的平均性除与化学镀工艺有关之外，与Cu基材也有必然关系，差别工艺造备的Cu，外表描摹会有较大的差别，关于后续镀镍的影响较大。
为肃清镀Ni层对焊接产生的影响，两种样品各取1只，外表打磨后停止焊接及强度测试。样品1、样品2的焊接拉力别离为103N、71N，与未打磨的一致，因而能够肃清镀层对焊接的影响。 差别极耳抛光处置后的横截面金相显微描摹见图2。
图2 差别极耳横截面的金相显微描摹
从图2可知，样品1的晶相组织均一，而样品2中晶界明显，存在杂乱的纹路。那表白，两者在造造工艺方面存在必然的差别，形成基材金相构造有误差。
2.4 晶体构造阐发
极耳铜基材在整个消费过程中，涉及到屡次退火和压轧，关于铜基材的晶体取向可能形成必然影响。对两种样品及焊接后的极耳停止XRD阐发，成果见图3。
图3 差别极耳的XRD图
从图3可知，各样品的衍射峰与Cu的原则谱(PDF:04-0836)、Ni的原则谱(PDF:04-0850)相符，无其他衍射杂峰。比照样品1和样品2可知，焊接前，铜(200)晶面的衍射峰差别较大，样品2与样品1的强度比为2.66；焊接后，差别增加，强度比为7.99，可能是焊接过程中部分高能热量对晶体构造产生必然的影响，更有利于进步晶面的取向性。
激光焊接构造的毁坏大多来源于焊缝熔合区，晶面取向对焊缝的机械性能有着重要影响。在焊接完毕后，熔合区由高温熔池形态快速冷却，内部构造重结晶，过程中晶粒构成受基材本体的晶型取向影响，会进步结晶晶面的取向度，与焊接后的铜(200)晶面衍射峰值升高法例一致。
素材的晶面取向差别，外表能和外表原子密度差别，晶型构造的取向差别，招致微看上外表活性及化学势能存在差别。深熔焊在构成熔池的过程中，激光在差别晶面上的吸收效率以及热量传导速度差别，工艺参数下的焊缝强度也存在差别。激光焊接的素质是激光与素材之间的彼此感化。激光束照射到素材外表(或内部)时，金属的自在电子会反射大部门激光，同时一小部门激光被金属内部的束缚电子、激子、晶格振动等吸收，从而发作能量的转移与传导。极耳焊接属于激光深熔焊，焊接素材在激光高温下熔化，外表熔化的素材会气化，金属液体在金属蒸气的反感化力下，向素材外表四面排斥，并构成熔池凹陷。跟着焊接的停止，内部构造不竭熔化，凹陷加深，当停行焊接时，被排斥出往的金属溶液回流至凹陷内，冷却后完成焊接。根据金属学原理，晶面间距越大，晶面上原子摆列越密集，反之则越稀少。铜具有面心立方晶体构造， 晶面间距由大到小依次为 (111)、(200)、(220)和(311)。(111)晶面的原子摆列比(200)晶面密集，对应的自在电子密度更大。晶面取向差别的素材，(111)峰强度I111与(200)峰强度I200 的比值I111/I200可反映原子的密集水平，比值越大，对应的原子摆列越密切或自在电子密度越高。当激光感化在素材外表时，素材的自在电子密度与激光的反射成反比，未焊接极耳样品1和样品2的I111/I200 均值别离为1.08、0.35，阐明样品 2 更有利于激光能量的吸收和传导，加剧素材内部的熔化速度和熔池的凹陷，并进步素材气化的水平，大量气体不容易排出，招致焊接有效截面减小，焊接强度降低，严峻时会形成过焊。焊接后的极耳，样品1和样品2的 I111/ I200 别离为 1.12、0.09，对它们从头停止激光焊接，法例一致。焊接强度与XRD差别晶面峰强度比值有必然关系，I110/I200越高，焊接的量量越好，因而，从素质上讲，晶体取向会对激光焊接量量产生影响。
3．结论
本文做者从物理和化学特征对极耳停止阐发，并连系XRD、SEM、EDS和 ICP-OES 等手段，对晶体构造及外表描摹停止阐发。镀Ni层对激光焊接效果没有素质的影响，而基材铜的晶体取向对焊接效果影响较大，比照新极耳和焊接后的极耳，成果不异。对基材铜消费工艺的影响，尝试暂未停止综合阐发，但初步得出晶体取向关于激光焊接效果有联系关系影响:I110 / I200 越高，焊接量量越好。目前，激光焊接手艺在锂离子电行业利用日益普遍，除了极耳焊接，在电池壳体焊接以及电池组构造件焊接方面利用日趋成熟，而焊接基材的晶体构造关于激光焊接的影响，在必然水平上也会影响电池性能和消费效率。本研究能够为电池行业的消费和研发供给焊接方面的理论批示。
文章来源：《电池》期刊第51卷第6期
文章做者：罗传军 多氟多新能源科技有限公司
文章编号：1001-1579(2021)06-0599-04
DOI：10.19535/ j.1001-1579.2021.06.013
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