理化檢驗在汽車電池鋁/銅激光焊接中的應用進展

孔德群 董曉萌 周建 周曉煒 來振華

摘要：從體視學觀察、金相檢驗、硬度試驗、拉伸試驗等常規(guī)破壞性理化檢驗技術方面，綜述了國內外新能源汽車動力電池制造行業(yè)中模組件Al/Cu異種金屬材料激光焊接冶金學表征技術與方法的應用進展。對于新能源汽車動力電池制造行業(yè)而言，這些檢驗指標尚待形成統(tǒng)一執(zhí)行的國際、國家或行業(yè)標準規(guī)范。

關鍵詞：新能源汽車;動力電池;激光焊接;冶金;材料表征

中圖分類號：TG456.7;TM910.4 ? ?文獻標志碼：C ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）06-0051-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.06.09

0 ? ?前言

純電動汽車（EV）、混合動力汽車（HEV）和插電式混合動力汽車（PHEV）的動力電池模組通常由不同結構、不同數(shù)量的電池芯組成，以滿足汽車行駛里程所需的功率和容量。激光焊接技術逐漸在新能源汽車動力電池制造領域得到了廣泛的應用與發(fā)展[1-6]。電池芯極耳與極耳、極耳與匯流排等（見圖1[7]）結構之間必須通過牢靠的焊接技術連接起來。電池芯的正負極材料為鋁和銅，匯流排材料為鋁，母排材料為銅。模組件的Al/Cu異種金屬材料焊接工藝極具挑戰(zhàn)性，原因在于Al-Cu的溶解度非常有限，導致焊接過程中形成了多種高脆性的金屬間化合物相，降低接頭的強度和延展性，且極易引起開裂[8]。鋁銅金屬片的激光焊接質量影響到電池模組件的機械性能[9]和表面導電性能[10]，因此在電池模組制造行業(yè)中必須對焊接冶金質量進行檢驗。Al/Cu異種金屬激光焊接冶金質量成為電池模組件連接技術關注的焦點。

目前電池模組焊接質量檢驗采用常規(guī)理化檢驗，通常為破壞性試驗，需要將待檢測激光焊縫試樣從電池模組上切取下來，加工成較小尺寸的試樣，置于理化檢測設備的檢測臺，檢測其物理性能、微觀結構、機械性能等特征值，例如外觀形貌、焊縫熔深、熔寬、焊接缺陷、顯微硬度、剪切強度、金屬間化合物相等。文中主要闡述了常規(guī)破壞性理化檢驗技術在新能源汽車動力電池模組件Al/Cu異種金屬激光焊縫冶金表征的應用進展，為同領域專業(yè)技術人員提供參考。

1 體視學觀察

體視顯微鏡又稱 “ 立體顯微鏡 ”，采用兩個獨立的光學通路生成三維的光學影像，是一種具有正像立體感的光學顯微鏡，廣泛應用于零部件及材料的表面形貌觀察、失效分析等領域。體視學觀察在新能源汽車電池模組件Al/Cu異種金屬激光焊縫冶金表征中主要體現(xiàn)在以下兩方面：（1）尺寸表征。測量Al/Cu激光焊縫在Al側板材外表面的焊縫寬度和長度，如圖2所示[11-12];（2）形貌表征。拍照記錄Al/Cu激光焊縫表面的形貌狀態(tài)，檢驗焊縫外表面是否存在弧坑、焊瘤、裂紋、未焊滿等焊接缺欠，必要時測量焊接缺欠尺寸。普通光學體視顯微鏡的優(yōu)點是不破壞焊縫本身實現(xiàn)檢測，且檢測速度快，其局限性在于對二維平面尺寸的測量精度尚可，而對高度方向的測量精度偏低。激光掃描共聚焦顯微鏡可高精度表征高度方向的尺寸，例如焊縫余高、弧坑深度。

2 金相檢驗

金相檢驗在汽車電池模組件Al/Cu異種金屬激光焊縫冶金表征技術中占主要地位，可精確測量焊縫熔深與熔寬，清晰表征間隙過大、孔洞、氣孔、裂紋等焊接缺欠，以及金屬間化合物等微觀結構。根據(jù)檢測需求可分別在待檢焊縫試樣的三維方向上進行取樣，然后進行鑲嵌、研磨、拋光、浸蝕等前處理準備，使用金相顯微鏡對目標焊縫的截面試樣進行觀察、拍照，利用圖像處理軟件測量特征值。

2.1 前處理準備

在前處理準備階段，宜使用冷鑲嵌法，不宜使用熱鑲嵌法，因為熱鑲嵌法會引入較高的溫度（>100 ℃）和相對較大的壓力，而Al與Cu均為軟質材料，且焊縫內有脆性金屬間化合物相，所以熱鑲嵌法易造成焊縫試樣嚴重變形，甚至開裂。磨拋工藝是制樣過程的關鍵工序，很大程度上決定了最終的金相圖片質量，如操作經驗不足易形成劃痕。研磨宜使用SiC砂紙，拋光宜使用絨布盤，終拋光宜使用0.25 μm（或相當?shù)模┙饎偸瘧覞嵋?。同時，應注意序間清洗試樣，避免顆粒物帶入下一道工序。GB/T 26956-2011 給出了金屬材料焊縫破壞性試驗中微觀檢驗常用的典型浸蝕劑，但僅推薦了鋁及鋁合金、或銅及銅合金等同類材料用浸蝕劑，并未推薦Al/Cu異種金屬材料焊縫微觀檢驗用浸蝕劑。文獻[13]分別使用17種浸蝕劑做了比對實驗，結果發(fā)現(xiàn)并不是每種浸蝕劑都能顯示出Al/Cu焊縫的9種組織結構區(qū)（見圖3），表1所示的4種浸蝕劑用來浸蝕θ-Al2Cu、η-AlCu、ζ-Al3Cu4和γ-Al4Cu9效果最好。

2.2 焊縫尺寸

測量Al/Cu異種金屬激光焊縫的熔深與熔寬，一般不需要浸蝕即可進行檢測。汽車電池模組件Al/Cu異種金屬激光焊縫熔深與界面熔寬的測量方法示例如圖4所示[14]。焊縫熔深指Al/Cu界面與銅母材熔化最深處的距離。焊縫寬度有兩個量，即上側Al板外表面上的母材熔化凝固寬度和Al/Cu界面上合金熔化凝固的寬度。Al/Cu激光焊縫熔寬通常指的是后者，即界面熔寬，是決定焊縫強度的重要因素，其測量值參與焊縫剪切強度計算。

2.3 焊接缺欠

GB/T 6417.1-2005的術語定義，焊接缺欠為“ 在焊接接頭中因焊接產生的金屬不連續(xù)、不致密或連接不良的現(xiàn)象 ”，焊接缺陷則指超過規(guī)定限值的、不可接受的焊接缺欠。汽車電池模組件Al/Cu異種金屬激光焊縫的焊接缺欠也是不可避免的，比如未焊透、未熔合、燒穿、咬邊、焊瘤、凹坑、間隙過大、氣孔、裂紋等。Al/Cu異種金屬激光焊接的良好焊縫[14]與典型焊接缺欠[15]如圖5所示。但是目前尚未有公開出版的汽車電池模組件Al/Cu異種金屬激光焊接缺欠等級與接受水平的行業(yè)標準規(guī)范。

2.4 微觀組織

汽車電池模組件Al/Cu異種金屬激光焊縫的冶金結構，從基材Al區(qū)到基材Cu區(qū)依次為[13]：焊縫中含Cu的Al固溶區(qū)、共晶組織（Al+θ-Al2Cu相）過渡區(qū)、θ-Al2Cu相樹枝晶區(qū)、均勻分布的尺寸僅幾微米的η-AlCu相樹枝晶區(qū)、高倍下才能觀察到的樹枝晶區(qū)與鋁青銅區(qū)之間的狹窄過渡區(qū)、未浸蝕時呈均勻黃色的鋁青銅區(qū)，以及隱藏在鋁青銅區(qū)內γ1-Al4Cu9相（約5 μm）針狀組織富銅區(qū)。圖6a顯示了未浸蝕的拋光態(tài)金相照片，僅能看出部分組織結構，經KE_14試劑浸蝕后金屬間化合物具有良好襯度，清晰可見隱藏在鋁青銅區(qū)的針狀γ1-Al4Cu9相，見圖6b;經KE_01試劑（Keller試劑）浸蝕后，從焊縫中含Cu的Al固溶區(qū)到過渡區(qū)共晶組織（Al+θ

-Al2Cu相），再到θ-Al2Cu相樹枝晶結構區(qū)，襯度均良好，見圖6c;而KE_16試劑的襯度比Keller試劑更好，見圖6d。

3 硬度試驗

維氏硬度試驗可用來表征汽車電池模組件Al/Cu異種金屬激光焊縫熔合區(qū)、熱影響區(qū)以及母材基體的硬度變化，但尚未頒布行業(yè)專用的硬度標準規(guī)范。金屬材料焊縫硬度試驗的國家推薦標準有GB/T 27552-2011和GB/T 2654-2008，但都不適用于激光焊接窄焊縫試樣。公開可查詢的汽車電池模組件Al/Cu激光焊縫硬度試驗的文獻，選用試驗力不盡相同，有顯微維氏硬度HV0.05[16]、HV0.1[17-18]，也有小負荷維氏硬度HV0.2[9]、HV0.3[19]。文獻[18]選用施加載荷為0.1 kgf，分別在焊縫橫截面Al板側和Cu板側距離Al/Cu界面0.1 mm的平行位置檢測，測試點間距為0.3 mm，如圖7所示。脈沖能量恒定（E=13 J）而脈沖距離不同時Al/Cu激光焊縫顯微硬度試驗結果[18]如圖8所示，Cu板側焊縫的硬度明顯高于Al板側焊縫。當脈沖距離為0.1 mm時，意味著非常高的脈沖重疊，結果在Cu板側形成顯微硬度值高達824 HV0.1的脆性相，而Cu板基材的顯微硬度僅約為85～90 HV0.1。當脈沖距離增大至0.55 mm時，脈沖重疊非常有限，所形成的焊縫熔深較小，造成Cu板側的焊縫硬度測試值與Cu板基材大致相當，而Al板側的焊縫硬度極大值無明顯變化，但其焊縫熔寬明顯減小，硬度梯度增大。

Al-Cu二元合金系典型金屬間化合物的硬度如表2所示[20]。金屬間化合物相是焊縫質量的關鍵因素，焊縫橫截面金相證實了裂紋主要穿過硬度極高的金屬間化合物ζ-Al3Cu4相和η-AlCu相進行擴展[21]。文獻[19]研究表明：焊縫硬度隨能量輸入的增加而持續(xù)升高;硬度值為80～170 HV時，焊縫具有優(yōu)良的機械性能;硬度值超過閾值350 HV對焊接性能產生不利影響;當硬度值高于500 HV時，焊縫開始表現(xiàn)明顯的脆性，試驗壓痕處出現(xiàn)裂痕，裂紋主要穿過ζ-Al3Cu4相和η-AlCu相。

4 拉伸試驗

利用拉伸試驗，可用來表征汽車電池模組件Al/Cu異種金屬激光焊縫的剪切強度，在室溫下使用材料試驗機對焊縫垂直方向施加一定拉力，獲得試樣的極限拉伸載荷，直至試樣產生斷裂破壞。剪切強度試驗裝置示意如圖9所示[22]。一般選用應變速率控制法，例如0.020 mm/s[22]、0.025 mm/s[17-18]、0.050 mm/s[23]。值得注意的是，用于拉伸試驗的樣品尺寸與試驗速率，并沒有正式行業(yè)標準，其目的多用于評估接頭的可靠性[22]。樣品在裝夾時分別在對側附加1個等厚金屬墊片，以保證拉伸載荷的同軸性。文獻[9]表明，6061鋁合金與110銅激光焊接接頭剪切強度隨著激光功率增大表現(xiàn)先增后降的趨勢，當激光功率為2.45 kW時，得到最大剪切強度99.8 MPa。最新研究發(fā)現(xiàn)[22]，6061鋁合金與110銅之間增加1層鎳箔紙，激光功率不變，剪切強度顯著升高至126.9 MPa。對于EN-AW1050A 鋁合金與SF-Cu銅激光釬焊試樣，剪切強度可達到121 MPa[23]。另外，相比單焊縫，雙焊縫的抗剪切力可提升10%～20%[24]。

5 結語與展望

隨著新能源汽車動力電池制造技術的發(fā)展，對模組件Al/Cu激光焊接的表征技術提出了新的需求。新能源汽車電池工廠實驗室通?？蓪崿F(xiàn)金相檢驗、硬度試驗、拉伸試驗等常規(guī)破壞性理化檢驗，全面表征激光焊縫的物理性能和機械性能。然而，對于新能源汽車動力電池制造行業(yè)而言，這些理化檢驗指標目前尚未形成統(tǒng)一執(zhí)行的國際、國家或行業(yè)標準規(guī)范。另外，新能源汽車動力電池模組件Al/Cu異種金屬激光焊接表征技術領域尚存需要開拓的真空地帶，比如Al/Cu較厚板材激光深熔焊接過程中熔池演變動態(tài)仿真、熱裂紋的形成機理與優(yōu)化改善、匙孔演變行為及其對密集型氣孔的影響等。

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