真空擴(kuò)散焊對(duì)鋁合金負(fù)極性能的影響

詹超飛 呂霖娜 王培僑

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384)

通常水激活電池均采用雙極性的堆式結(jié)構(gòu)，有效減少單體間的連接體，使電池更加緊湊，有效減小質(zhì)量和體積，提高電池比能量和比功率[1]。鋁氧化銀電池因其具有高比功率、高比能量、長(zhǎng)貯存等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的發(fā)展前景，作為水激活電池的一種，負(fù)極采用的是鋁合金電極，本文中的雙極性結(jié)構(gòu)采用鋁合金板、鍍銀銅箔、銀正極和隔膜組成。

目前鍍銀銅箔和鋁合金板采用硅膠進(jìn)行粘接，從而起到密封作用，這種膠粘工藝存在的不足主要有四個(gè)：第一，粘貼鍍銀銅箔過(guò)程中容易導(dǎo)致連接處存有空氣，會(huì)增大接觸電阻；第二，由于密封膠失效或者涂膠不均勻?qū)е碌拈_口，或者負(fù)極板因?yàn)楦g穿孔導(dǎo)致電解液進(jìn)入鋁合金板和鍍銀銅箔之間，增大電池內(nèi)阻；第三，長(zhǎng)期貯存時(shí)會(huì)使鋁合金板和鍍銀銅箔之間接觸電阻增加。本文中是采用真空擴(kuò)散焊接技術(shù)將鋁合金板和鍍銀銅箔焊接在一塊，這種方法能夠很好的解決了上述問(wèn)題。

真空擴(kuò)散焊接是在真空環(huán)境下，將兩種待焊接金屬表面相互接觸，通過(guò)加壓，使接觸表面發(fā)生微觀的塑性變形，或者焊接面發(fā)生微量液相來(lái)增加表面的接觸面積，使接觸原子間形成金屬鍵，經(jīng)過(guò)一定的保溫時(shí)間，原子不斷擴(kuò)散，相互滲透，來(lái)實(shí)現(xiàn)焊接的方法。目前國(guó)內(nèi)對(duì)鋁合金的真空擴(kuò)散焊接的專家很多，鞏云峰對(duì)6061鋁合金真空擴(kuò)散焊接進(jìn)行了研究，采用銀箔為中間層進(jìn)行焊接[2]，并進(jìn)一步研究了焊接工藝參數(shù)對(duì)6061-T6鋁合金真空擴(kuò)散焊接接頭形貌和性能的影響，得出比較好的工藝參數(shù)為：焊接溫度540℃，保溫時(shí)間為2小時(shí)，焊接壓力為4.0MPa[3]；張永琴對(duì)鋁合金與鎂、銅焊接工藝及接頭組織和性能進(jìn)行了研究，固相擴(kuò)散焊接和液相擴(kuò)散焊接均可以實(shí)現(xiàn)鋁合金和銅的有效連接，形成完整的焊接接頭[4]；李旭東對(duì)銅和鋁在450℃，保溫3小時(shí)的條件下進(jìn)行焊接，能夠得到拉伸強(qiáng)度約為17MPa的焊接接頭[5]；曹慧麗，王振亞，金貴東對(duì)6063鋁合金的擴(kuò)散焊接進(jìn)行了研究，焊接過(guò)程的保溫時(shí)間不夠，或者焊接前表面的氧化夾雜物太多，使焊接面晶界遷移不夠充分，會(huì)形成界面缺陷[6]。

真空擴(kuò)散焊接主要有四個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1.焊接接頭能夠保持均質(zhì)的金屬和合金原有的主要性能，形成與母材性能和顯微組織非常接近的性能。2.能夠保持焊接頭在高溫下不被氧化。3.可以焊接各種冶金、物理性能差別較大的材料。4.可以焊接厚薄懸殊的工件[7]。本文主要研究鋁合金采用真空擴(kuò)散焊接后對(duì)鋁合金負(fù)極性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品制備

將鋁合金裁成31.2mm×24.3mm大小，用砂紙打磨去除表面的氧化膜，再用丙酮在超聲波中清洗去油，同時(shí)將鍍銀銅箔裁成相同尺寸，兩者進(jìn)行整齊碼放，放入真空擴(kuò)散焊設(shè)備內(nèi)進(jìn)行焊接，焊接壓力定為395℃，焊接壓力設(shè)置為11MPa，保溫時(shí)間為120min，真空度為-0.09～-0.1MPa?，F(xiàn)將本次實(shí)驗(yàn)的焊接樣品進(jìn)行編號(hào)，未經(jīng)真空擴(kuò)散焊接的鋁合金電極樣品編號(hào)為A1，經(jīng)過(guò)真空擴(kuò)散焊接的樣品編號(hào)為A2。

2 實(shí)驗(yàn)分析方法

2.1 硬度測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)采用維氏硬度儀進(jìn)行測(cè)試，在5kgf力下進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試樣品裁成30mm×30mm，每個(gè)樣品測(cè)試5個(gè)點(diǎn)取平均值。

2.2 自腐蝕測(cè)試

自腐蝕的測(cè)試方法采用排液法測(cè)量鋁合金析氫速率，堿液的溫度用水浴鍋加熱到80℃～82℃，如圖2所示，使用倒置滴定管和漏斗自制的試驗(yàn)裝置。每片負(fù)極，從其接觸電解液產(chǎn)氣后開始計(jì)時(shí)，每分鐘為一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，取第3～5分鐘穩(wěn)定段的平均值。

圖1 排水集氣法原理圖

2.3 極化曲線測(cè)試

采用CHI660B電化學(xué)工作站，三電極體系，參比電極為汞-氧化汞電極，輔助電極為金屬鎳，在4.5mol/L的NaOH為電解液，在100 mA/cm2電流密度下，在常溫下對(duì)樣品A1和A2進(jìn)行恒流極化曲線測(cè)試。

2.4 電壓性能測(cè)試

電性能測(cè)試過(guò)程，是在A1和A2樣品分別布置隔膜粒，并與AgO正極組裝成單體電池，在相同的溫度電解液下進(jìn)行放電，電流密度為620mA/cm2，電解液組成為4.5mol/L的NaOH和20g/L錫酸鈉。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 硬度實(shí)驗(yàn)

采用維氏硬度儀對(duì)擴(kuò)散前后鋁合金硬度進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖2所示，鋁合金經(jīng)過(guò)擴(kuò)散焊接后，強(qiáng)度下降，維氏硬度由原來(lái)的34.8下降到23.8。這主要是由于擴(kuò)散焊接溫度過(guò)高，超過(guò)了鋁合金的再結(jié)晶溫度，導(dǎo)致鋁合金晶粒尺寸長(zhǎng)大，錯(cuò)位密度降低，硬度下降。

圖2 真空擴(kuò)散焊接對(duì)鋁合金硬度的影響

3.2 自腐蝕實(shí)驗(yàn)

采用排水集氣法測(cè)量A1、A2鋁合金樣品的自腐蝕速率，測(cè)試結(jié)果如表1、圖3所示。

圖3 樣品析氫速率

表1 平均析氫速率比較

由表1可知，擴(kuò)散焊接后鋁合金負(fù)極的靜態(tài)析氫第3min～5min的平均值為0.6034 ml/(cm2·min)，未進(jìn)行擴(kuò)散焊接的析氫速率為0.4152 ml/(cm2·min)，經(jīng)過(guò)真空擴(kuò)散焊接后，鋁合金的析氫速率增大了約0.5倍，這是因?yàn)檎婵諗U(kuò)散焊工藝能夠使鋁合金成分進(jìn)行均勻化處理，同時(shí)又導(dǎo)致鋁合金的晶粒的生長(zhǎng)變大，使鋁合金晶粒更容易從表面脫落，最終導(dǎo)致析氫速率的增大。

3.3 極化試驗(yàn)

采用三電極體系進(jìn)行測(cè)試，在4.5mol/L NaOH溶液中對(duì)鋁電極進(jìn)行恒流極化性能測(cè)試。結(jié)果如圖，從圖4可以看出，A2的穩(wěn)定電位為-1.268V，比A1樣品負(fù)移34mV。鋁電極經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的高溫?cái)U(kuò)散焊處理后，成分均勻化程度得到提高，起活化作用的微量合金元素在鋁合金內(nèi)分布更加均勻，使得鋁合金的極化程度降低，穩(wěn)定電位提高。

圖4 A1、A2樣品在堿液中的極化曲線

3.4 電壓性能測(cè)試

將兩種鋁合金電極分別制備成負(fù)極，并且組裝成單體電池，并在相同的電解液和放電溫度下進(jìn)行電性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖，從圖5可以看出，截止到15min時(shí)，放電過(guò)程中平均電壓A2比A1大28mV，所以A2可以放電到17min。

圖5 電壓曲線

用交流內(nèi)阻儀進(jìn)行對(duì)焊接樣品A2和采用膠進(jìn)行粘接工藝樣品A1內(nèi)阻進(jìn)行測(cè)量，A2測(cè)得內(nèi)阻為0.02mΩ，金屬與金屬進(jìn)行擴(kuò)散連接，接觸電阻小，而采用704硅膠粘接，A1測(cè)得的內(nèi)阻為0.18mΩ，擴(kuò)散焊接的接觸電阻要小于704膠粘接，所以在放電過(guò)程中，A2單體電池的內(nèi)阻要小于A1單體電池，同時(shí)，擴(kuò)散焊接使A2的電位更負(fù)，所以放電過(guò)程中，A2單體的輸出電壓要高于A1。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1)擴(kuò)散焊接使鋁合金電極的成分分布更加均勻，電位負(fù)移，自腐蝕速率增加，使電極電化學(xué)活性提高。

(2)真空擴(kuò)散焊接減小鋁電極和鍍銀銅箔之間的接觸電阻，提高電池的性能。

(3)真空擴(kuò)散焊接使鋁合金電極的硬度降低。