新能源动力电池中铝铜激光焊接研究进展.pdf
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1、第 卷 第 期有色金属加工 年 月 :./.新能源动力电池中铝铜激光焊接研究进展唐杉杉杜 预王佳乐黄依淼杨文东王晓南李 响(.苏州大学 沙钢钢铁学院江苏 苏州.无锡锐科光纤激光技术有限责任公司江苏 无锡)收稿日期:基金项目:苏州大学“大学生创新创业训练计划”()江苏省高校“青蓝工程”计划资助(资助对象王晓南)国家自然科学基金面上项目()作者简介:唐杉杉()女学生 研究方向:金属材料激光焊接通讯作者:杜预()男博士后 研究方向:金属材料加工摘 要:文章梳理了国内外学者对铝/铜异种金属激光焊接研究中金属间化合物对接头强度的影响功率调制、脉冲形状和扫描路径对焊接接头质量的影响不同搭接组合形式对接头组
2、织性能的影响等方面获得的研究进展并进一步展望了微米级铝/铜激光焊接的发展趋势旨在为后续研究提供借鉴和参考关键词:铝/铜焊接脉冲激光焊接异种金属金属间化合物中图分类号:.文献标识码:文章编号:()随着新能源技术和电子工业的发展铝/铜连接结构由于具有良好的导电性和耐腐蚀性越来越多地应用于动力电池和电子产品中 在“碳达峰、碳中和”的战略目标下新能源汽车发展潜力巨大 新能源电动汽车的尾气排放量为零通过减少温室气体排放使其比传统的化石燃料车辆更清洁、更环保与其他电池电化学(例如铅酸、镍镉和镍氢)相比锂离子电池最适合储能应用因为其具有更长的寿命、更高的电池密度和便携性等优点 因此锂离子电池广泛用于各种应用
3、包括手机、笔记本电脑、数码相机、其他便携式电子设备和电网存储目前新能源动力电池包是由大量电芯通过极耳连接到母线而成 对于具有较高能量密度的锂电芯极耳所选用的材料通常为铝、镍和镀镍铜而母线材料可选择的有较多种类如铜、铝、铝合金等 因此新能源动力电池包中涉及到大量的铝/铜异种金属的连接铝和铜直接连接的方案难点在于铝和铜的物理化学性能差异较大如铝的热导率为 /、熔点为 而铜的热导率为 /、熔点为 要使其均匀地受热、熔化以及混合有很大的难度并且铝/铜焊接时焊缝容易形成的脆性金属间化合物如 降低了接头的强度和塑性导致焊缝内出现气孔及裂纹等缺陷 因此实现铝/铜异种金属的良好连接非常困难 目前工业解决方案主
4、要是通过使用镍片来实现过渡连接显然增加了制造成本、降低了生产效率因此亟待解决如何实现铝/铜高效优质焊接的问题连接异种金属的方法有很多如超声波点焊、电阻点焊、电磁脉冲焊、电弧焊等 然而它们都有各种各样的问题不适合用于电池包中的铝/铜焊接 激光焊近年来在各种材料的焊接与连接逐渐得到了关注许多学者进行了纳秒脉冲激光焊接薄金属片的实验 脉冲激光焊接因具有热输入低、冷速快、非接触式焊接等特点被称为是“冷加工”铝和铜都是具有较高反射率的金属难以被较小的热输入激光熔化而新能源动力电池中使用的材料厚度一般为 m对于一般的连续激光器和毫秒脉冲激光器在焊接的过程中工艺窗口较小容易出现焊接变形过大、烧穿、焊接强度较
5、差的问题 脉宽为纳秒级的激光器单个脉冲宽度仅为纳秒级别能量仅为几毫焦热输入控制精准利于控制熔深和抑制铝铜金属间化合物的生成 同时又具有很高的峰值功率可以焊接铜和铝等高反射率材料本文系统地总结了铝/铜脉冲激光焊接的研究现状从金属间化合物、功率调制、脉冲形状和扫描路 第 期有色金属加工径、不同搭接组合形式这几个方面对焊接接头的影响进行了总结分析并进一步展望了微米级铝/铜激光焊接的未来发展趋势旨在为后续研究提供借鉴和参考 金属间化合物对接头强度的影响由于铝和铜在焊接过程中容易形成脆性的金属间化合物()如 和 多项研究表明 的形成和生长会对/激光焊接接头的接头强度等产生重要影响等人使用.的光纤激光器对
6、/接线片和母材进行焊接并对接头强度和 形成进行了分析研究结果如图 所示 图()()分别为不同激光功率下 母线以及 母线的最大载荷可以看出实现良好焊接所需的激光功率分别为 和 对 激光下 母线和 激光下 母线的焊缝进行微观组织观察如图()()所示 发现 母线接头中 向 的扩散或混合非常低、点为 固溶体、点为 点为、点为 固溶体 而对于 母线接头中、点为 固溶体出现在 点的位置 点为 固溶体此外从能量色散 射线分析()扫描分布结果可以看出 曲线的波动比 大并且少量的曲线重叠意味着焊接接头中只产生少量的 故 母线接头的抗拉强度略高于 母线接头的原因是 母线接头焊缝界面产生的 多于 母线接头()母线的
7、最大载荷()母线的最大载荷()激光下 母线()激光下 母线图 不同材料接线片和母线的激光焊接结果 黄东等采用光纤激光器对 紫铜和 铝合金进行激光对接焊试验 双熔池的耦合作用使得焊缝区分为铜侧熔池、铝侧熔池和界面层 其中铜侧熔池以 的固溶体为主铝侧熔池主要为 固溶体和 固溶体 共晶体界面层可细分为三层:层主要为层状的 层为条块状的 层则主要是紧密排列的珊瑚状 固溶体 共晶体 等采用同步辐射技术对激光焊接铝/铜接头的金属间相进行了表征 结果表明焊接头金属间相主要为、和 的形成量较少焊缝内部产生的裂纹大多数在 和 之间的界面传播是接头失效的主要原因此外激光焊接时也可通过添加焊丝等方法提高接头强度 梅
8、俊歌等分别试验了/直接对接激光焊和填充 焊丝激光对焊并对接头进行组织成分分析 研究表明/直接对接激光焊时当焊缝区 元素含量越多该区域脆性越大接头断裂处往往是在 含量较高的区域并且硬度最高区域略偏向 接头的一侧这主要焊接时 熔化向 扩散形成了较脆的 而/填丝焊接的焊缝 有色金属加工第 卷强度明显高于直接对接激光焊的强度可见 对 接头的激光焊接工艺有较大的改善作用此外 直接对接激光焊的焊缝区生成了、而焊丝焊采用 焊丝可抑制 元素和 元素的深度扩散进而减少复杂脆性相的生成量经 射线衍射()检测有 产生焊缝区 含量较高对铜铝化合物的产生具有一定抑制作用由此可见在运用脉冲激光焊接铝铜的过程中形成的 大多
9、为、等脆性金属相且 层越厚焊缝力学性能越差从而降低了接头强度 焊缝内部产生的裂纹大多数在 和之间的界面传播是接头失效的主要原因 此外激光焊接时也可通过添加焊丝等方法对铝/铜焊缝 进行调控以提高接头强度 功率调制、脉冲形状和扫描路径对焊接接头质量影响 随着对铝/铜纳秒激光焊接研究的深入国内外学者发现对激光功率调制可以影响到焊缝组织的混合程度进而影响焊接接头的性能同时不同的激光脉冲形状以及扫描路径会对焊缝特性产生不同的效果邹云采用纳秒脉冲光纤激光器对铝/铜异种材料进行焊接研究中发现小脉宽下由于脉冲能量过大容易产生过烧大脉宽波形下很难调试出同时满足熔深和余高要求的工艺参数 当激光功率为 时几乎没有气
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