圓柱鋰電池鋁極耳超聲波點焊工藝研究

雷紀星，張曉光，汪 煒

（ 南京航空航天大學機電學院，江蘇 南京 210016 ）

隨著制造業(yè)努力應對能源危機和環(huán)境污染，現(xiàn)代工業(yè)正在轉向綠色發(fā)展和環(huán)境保護。 環(huán)保問題日益凸顯，新能源電池產(chǎn)業(yè)受到高度關注[1]。 圓柱鋰離子電池是當前3C、 動力和儲能領域的代表性產(chǎn)品，廣泛應用在各類電子設備中。 在圓柱鋰電池的生產(chǎn)制造中，各結構間的連接工藝尤為重要，電池的正極通常采用鋁極耳，電池極耳和蓋帽引片之間通過焊接相連接，連接質(zhì)量將直接影響到電池的性能[2]。傳統(tǒng)的焊接方法有激光焊接、電阻焊等。 電阻焊的焊接效率較低，焊接后的機械強度難以保證；激光焊接產(chǎn)生的熱變形較大，焊接區(qū)的導電性也會受到影響[3]。

超聲波點焊是一種固相焊接技術，相較其他焊接方法，具有高效、低能耗和綠色環(huán)保等優(yōu)點，是目前連接圓柱鋰電池極耳、 蓋帽引片的最好方式，它能夠通過高頻聲波在很短時間內(nèi)實現(xiàn)兩金屬薄板件的融合。

超聲波焊接的工藝參數(shù)包括焊接壓強和焊接時間等。Ni 等[4]分析了鋁金屬超聲波焊接整體過程，通過機械性能、顯微組織、焊縫界面狀態(tài)和應力分布等評測標準概述了焊接過程的各影響因素；Shin等[5]通過分析點焊區(qū)域的微觀結構和斷裂模式，發(fā)現(xiàn)控制焊接能量，避免焊接不足和過焊，有助于提高焊接質(zhì)量；Michael 等[6]建立起了超聲波焊接強度和接頭電阻間的等效響應關系，通過研究超聲波焊接的力學性能和接頭電阻，確定了最佳焊接參數(shù)組合和Al-Cu 異種金屬焊接質(zhì)量的預測方法。

綜上所述，目前對于超聲波焊接的相關研究集中在單一焊接過程的結構、性能分析，對鋰電池應用中的超聲波焊接機制研究較少，針對圓柱鋰電池極耳、蓋帽引片的超聲波焊接缺乏相關研究。 本文采用不同的超聲波點焊工藝參數(shù)焊接的圓柱鋰電池極耳和蓋帽引片，通過測試極耳拉剪力、電池循環(huán)測試后的極耳拉剪力等極耳性能，研究了點焊工藝參數(shù)和焊接質(zhì)量間的關系。

1 焊接過程的有限元仿真分析

1.1 有限元模型的建立

利用COMSOL 建立三維有限元模型，模擬超聲波焊接時電池極耳的溫升和形變。 仿真模型中涉及的組件包括超聲波焊頭、電池極耳、蓋帽引片和砧座。其中，電池極耳長27 mm，寬4 mm，高0.17 mm，極耳和蓋帽引片焊接時搭接部分為4 mm×8 mm 的矩形區(qū)域。 砧座的上表面長20 mm， 寬40 mm，高20 mm。超聲波焊頭的結構較為復雜，焊頭主體底面邊長為4 mm 的立方體，在下表面均勻分布有25 個金字塔形的四棱錐尖角，見圖1。四棱錐尖角的長寬高均為0.5 mm。 Feng 等[7]的研究表明，焊頭上的金字塔型尖角有利于焊接時金屬材料的塑性流動，從而增大超聲波焊接的強度，提高焊接質(zhì)量。

圖1 超聲波結構尺寸及焊接示意圖

超聲波焊接過程模型為對稱結構， 為簡化運算，實際模型只需分析一半結構。 模型中的極耳結構尺寸較薄，且焊接過程發(fā)生在極耳表面，因此熱傳導和溫度變化主要集中在焊接工件上的焊接區(qū)域；焊頭和底座的導熱系數(shù)相對較小，且由于焊接時間極短，焊頭和底座傳熱較少，在焊接過程中溫度變化和形變量很小。

實際焊接中極耳工件采用的材料為LG5 超純鋁，密度為2 700 kg/m3，泊松比為0.33[7]。 鋁的熱導率、熱膨脹系數(shù)、屈服強度和彈性模量力學性能見圖2， 其中鋁材料的彈性模量和屈服強度隨溫度的升高而降低，熱膨脹系數(shù)和熱導率隨溫度升高而增大。 未處在節(jié)點的力學參數(shù)根據(jù)已有參數(shù)采用線性插值法進行計算。

圖2 鋁的力學參數(shù)

超聲波點焊過程中，熱源包括摩擦產(chǎn)熱和鋁片塑性變形產(chǎn)熱，摩擦產(chǎn)熱和塑性變形產(chǎn)熱的熱通量可表示為[8]：

式中，qf為焊接過程的摩擦產(chǎn)熱；qp為極耳塑性變形產(chǎn)熱；μ 為摩擦系數(shù)，由于摩擦產(chǎn)熱的熱源有極耳和焊頭、砧座之間的表面摩擦、極耳和蓋帽引片之間的表面摩擦， 摩擦系數(shù)要根據(jù)摩擦表面選不同的μ值；f 為焊頭簡諧振動頻率；Af為摩擦表面的面積；σs為鋁片材料的屈服強度；ξ 為焊頭的振幅。

本文采取熱-力場間接耦合的方式進行了熱力學仿真模擬，仿真過程中的加載條件和邊界條件見表1。其他焊接參數(shù)設置為：環(huán)境溫度為25 ℃，模型各部分與環(huán)境的對流換熱系數(shù)為15 J/(m2·℃)[5]，焊接振幅為50 μm。

表1 加工參數(shù)表

1.2 焊接時間對焊接過程的影響

圖3 為不同焊接時間下，焊接模型的溫度場有限元分析結果，圖中可見焊接過程各部分溫度分布情況，焊接時間分別為0.02 、0.03、0.04 、0.05 s。 由圖3 可知，隨著焊接時間的增加，極耳表面最高溫度不斷增大，熱影響區(qū)的范圍也不斷擴大。 熱影響區(qū)集中在焊頭尖端和工件的接觸面附近區(qū)域，越遠離焊頭尖端區(qū)域溫度變化越小。

圖3 不同焊接時間的溫度場分布

當焊接時間為0.02 s 時，焊接區(qū)域的最高溫度達到459 ℃，位于焊頭尖端中心區(qū)域，不同焊頭尖端下的高溫區(qū)域相互獨立，焊接平面整體的溫度相對較低（圖3a）；當焊接時間為0.03 s 時，焊接區(qū)域的最高溫度達到525 ℃，隨著焊接時間的進一步增加，焊接區(qū)域的最高溫度進一步升高，極耳表面的高溫區(qū)域進一步擴大（圖3b）；當焊接時間為0.04 s時，焊接區(qū)域的最高溫度達到551 ℃，焊接區(qū)域的溫度分布呈近似的橢圓形[9]，從焊頭尖端向四周擴散，焊接區(qū)域整體的溫度較為均勻（圖3c）；當焊接時間為0.05 s 時，焊接區(qū)域的最高溫度達到574 ℃，鋁的屈服強度隨溫度升高而減小[10]，此時的最高溫度達到鋁熔點的87%，極耳的熱應力和塑性變形也在超聲點焊的作用下達到最大（圖3d）。當焊接時間0.04 s 時， 焊接區(qū)域最高溫度為鋁金屬熔點的85%左右，溫度分布較為均勻，溫度達到超聲波焊接的要求[11]，繼續(xù)增大焊接時間不利于降低能耗和提高效率，且焊接時間的增大會帶來焊接區(qū)域熱應力和塑性變形量的提高。

如圖4 所示，在焊接開始后0.02 s 由于焊接過程摩擦產(chǎn)熱，極耳表面的溫度快速增長；隨著焊接的進行，工件中心和環(huán)境的溫差增大，工件通過熱傳導散熱，焊接表面最高溫度的增長速率減小[12]。

圖4 焊接中心區(qū)域溫度隨時間變化曲線

1.3 焊頭壓強對焊接過程的影響

固定其他焊接條件不變，圖5 為不同焊接壓強下，極耳表面各點形變量的分布情況，焊接壓強分別為0.2、0.3、0.4、0.5 MPa。從圖5 可知，受到焊頭的壓力和高頻振動的綜合作用，極耳表面形變主要集中在焊頭尖端，形成網(wǎng)格狀的高低起伏，在焊接后上下兩工件相互嚙合，一定程度上有利于提高焊接強度[13]。 從圖5 可見，隨著焊接過程焊頭壓強的增大，極耳表面的最大形變量逐漸增大。 當焊接壓強為0.2 MPa 時，極耳表面最大變形量為0.08 mm；當焊接壓強提高到0.5 MPa 時， 極耳表面最大變形量為0.18 mm。隨著焊接壓強的增大，金屬材料的相互流動增加，促進了焊接界面的結合[14]。

圖5 不同焊接壓強的工件變形圖

圖6 是焊接表面最大形變量和焊頭壓強呈線性的關系。由于焊接區(qū)域厚度為0.34 mm，當焊頭壓強大于0.4 MPa 時， 極耳表面的最大型變量超過0.14 mm，總厚度的減少量超過40%，這會嚴重降低連接處的強度和使用壽命[15]。 焊接時焊頭壓強應當在適當?shù)姆秶鷥?nèi)，綜合分析當壓強為0.3 MPa 時，可獲得更高的焊接質(zhì)量。

圖6 焊接表面最大形變量隨焊頭壓強變化圖

綜上所述， 根據(jù)超聲點焊的仿真結果分析，焊接時間為0.04 s，焊頭壓強為0.3 MPa 時，焊接區(qū)域的溫度和應變量都為較理想的結果，此焊接參數(shù)下能得到較高的焊接強度。

2 試驗方法

2.1 試驗平臺

焊接采用科晶公司超聲波焊接系統(tǒng) （型號：MSK-800 W），焊接功率為50~800 W，焊頭端面形狀為4 mm×4 mm 的正方形， 焊頭的齒為四棱錐形狀，焊接底座為平面。 焊接工件選用材質(zhì)為1050 鋁片，尺寸為5 mm×65 mm×0.1 mm，極耳和蓋帽引片的搭接區(qū)域長度為8 mm。 超聲波焊接機的主要調(diào)節(jié)參數(shù)為焊接壓強和焊接時間，這也是對焊接質(zhì)量影響較大的兩個因素。 在設計焊接試驗中，將焊接的超聲功率設置為50 W， 改變焊接壓強和焊接時間進行試驗。

2.2 極耳性能測試

采用艾德煲HLD-1K 拉力機來對焊接后的試樣做拉剪力測試。 試驗時，取焊接好的極耳試樣，根據(jù)不同焊接時間和不同焊接壓強分組，每組取三個試樣測試拉剪力，取三組試驗的平均值作為該組測試參數(shù)下的拉剪力[16]。

每個焊接試樣由鋁極耳和蓋帽引片焊接而成，做拉剪力測試時，用拉力機的兩夾具分別夾在焊接后的金屬帶兩端，設置拉力機的拉伸速度1 mm/min進行試驗。 試驗進行時，拉力機的夾具夾持在試樣的兩端，兩端拉力呈180°方向，以均勻的速度進行拉伸直至焊接試樣被加載到失效狀態(tài)。 測試過程見圖7。試樣兩端施加載荷直至焊接失效，過程中的最大拉力即為測試得到的拉剪力。

圖7 拉剪力測試圖

測試過程中， 由于試樣中心部分是偏心的，施加的載荷實際上并不處于一條直線（圖8）。 因此在測試試樣時，焊接區(qū)域受到拉力和剪切方向上力的組合，該測試得到的結果稱為拉剪力[17]。

圖8 拉剪力試驗試樣示意圖

2.3 圓柱電池循環(huán)后測試極耳性能

采用不同的工藝參數(shù)焊接極耳和蓋帽引片，并制作18650 圓柱電池，進行循環(huán)測試。 分別在電池充放電50 圈、100 圈和200 圈后對其進行拆解，對極耳焊接處進行拉剪力試驗，測試電池循環(huán)后的極耳焊接強度，電池極耳和蓋帽引片焊接前后及循環(huán)測試所用的圓柱電池見圖9。

圖9 測試用圓柱鋰電池

3 試驗結果及過程

3.1 焊接時間的影響

設置焊接壓強為0.3 MPa，焊接頻率為20 kHz，焊接時間分別為0.02、0.03、0.04、0.05 s 時，焊接的拉剪力見圖10。

圖10 焊接時間對拉剪力的影響

由圖10 可知，當焊接時間為0.04 s 時，焊接后極耳的拉斷力達到最大值。 結合圖3 的仿真結果分析，當焊接時間較短時，焊接區(qū)域的中心溫度較小，金屬鍵合較差，因此焊接強度較低；隨著焊接時間增大，焊接區(qū)域的變形量逐步增大，所以焊接時間過長也不利于提高焊接質(zhì)量。

3.2 焊接壓強的影響

設置焊接時間為0.04 s，焊接頻率為20 kHz，焊接壓強分別為0.2、0.3、0.4、0.5 MPa 時，焊接的拉剪力見圖11。

圖11 焊接壓強對拉剪力的影響

圖12 循環(huán)測試后的拉剪力變化

由圖11 可知，當焊接壓強為0.3 MPa 時，焊接后極耳的拉斷力達到最大值45.8 N。 結合仿真結果圖6 分析，這是由于當焊接壓強較小時，超聲焊接過程的摩擦力較小，焊接界面的嚙合較差，從而導致焊接強度差，拉剪力小；當焊頭壓強達到0.4 MPa以上時，焊接區(qū)域的變形量過大，金屬帶變薄，導致焊接強度降低。

3.3 電池循環(huán)后對極耳進行拉剪力試驗

焊接的極耳在電池循環(huán)測試過程中受到電解液腐蝕、高溫和充電膨脹帶來的交變應力等因素的影響， 隨著電池循環(huán)過程的進行拉剪力逐漸下降。對比不同焊接時間和焊接壓強下的測試結果，符合循環(huán)測試前的規(guī)律。

由試驗測試結果可知，當焊接時間為0.04 s，焊頭壓強0.3 MPa 時， 焊接后試樣的拉剪力達到最大值，試驗與仿真結果相吻合。

4 結論

本文針對圓柱鋰離子電池極耳和蓋帽引片的焊接問題，研究了工藝參數(shù)對超聲波焊接過程的影響，得到了最佳的超聲點焊工藝標準。

（1）試驗表明，超聲波焊接過程中的焊接時間和焊頭壓強都對焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響，焊接時間過長或壓強過大，會造成金屬過熔導致過焊；焊接時間過短或壓強過小，金屬間結合較弱，焊接強度低。

（2）隨著超聲波點焊焊接壓強的增大，焊接時的形變增大，極耳拉剪力先增大再減小，焊接強度隨著壓強的增大先升高再降低；隨著超聲波焊接時間的增加，焊接過程的總能量不斷增大，焊接強度先升高再降低。

（3） 當焊接時間為0.04 s， 焊頭壓強0.3 MPa時，焊接效果最佳；同時，此超聲波點焊條件下獲得的電池極耳在全電池循環(huán)測試中可以保持穩(wěn)定的焊接質(zhì)量。