鈉硫電池焊接工藝的研究

徐青 李郝林 上海理工大學 (200093）

曾樂才 上海電氣集團股份有限公司中央研究院 (200070）

徐青（1986年～），男，碩士生，從事鈉硫電池技術研究。

0 原理與結構

鈉硫電池是一種電化學儲能技術，具有比能量高、充放電效率高、容量大、可大電流、高功率放電和對環境友好等特點。

鈉硫電池以鈉和硫分別用作負極和正極，Beta-氧化鋁陶瓷同時起隔膜和電解質的雙重作用。常用的電池是由一個液體電解質將兩個固體電極隔開，而NaS電池正相反，它是由固體電解質將兩個液體電極隔開：一個由Na—β—Al2O3固體電解質做成的中心管，將內室的熔融鈉(熔點98℃)和外室的熔融硫(熔點119℃)隔開，并允許Na+離子通過。整個裝置密封于金屬容器內，此容器又兼作硫電極的集流器。在電池內部，Na+離子穿過固體電解質和硫反應從而傳遞電流。350℃時，NaS電池的斷路電壓為2.08V。鈉硫電池的反應如下：

負極的反應物質是熔融的鈉在負極腔內，正極的反應物質是熔融的硫在正極腔內。正極和負極之間α—Al2O3電絕緣體密封。正極腔和負極腔之間有β—Al2O3陶瓷管電解質。電解質只能自由傳導離子，而對電子是絕緣體。當外電路接通時，負極不斷產生鈉離子并放出電子，電子通過外電路移向正極，而鈉離子通過β—Al2O3電解質和正極的反應物質生成鈉的硫化物。

1 焊接工藝的選取

鈉硫電池的工作溫度大約為300～350℃，電池中的活性物質，鈉和硫易燃，硫蒸氣壓高，如密封不良，對電池乃至整個電池模塊都將產生嚴重的影響。因此，鈉硫電池的密封對于確保其安全運行及性能穩定是非常重要的。其次，鈉硫電池在裝配過程中采用的焊接工藝，產生的溫度不能過高，大約要低于90℃（鈉熔點98℃，硫熔點119℃)，否則在裝配時會影響固體的預制硫極和鈉芯。最后，鈉硫電池裝配選取的焊接工藝易于實現自動化生產裝配，具有高的焊接效率和良好的經濟性。

傳統的焊接工藝有電弧焊、電阻焊、高能束焊（電子束焊、激光焊）、釬焊等。

在所有的焊接工藝中，到目前為止，電弧焊是最為普遍的，應用最廣泛的焊接方法。電弧焊可以分為有多類：手弧焊、埋弧焊、等離子弧焊、鎢極氣體保護電弧焊和熔化極氣體保護焊等。按所用電極是否被熔化可分為兩類，一類是熔化電極，有埋弧焊、氣體保護電弧焊、管狀焊絲電弧焊等。另一類是不熔化電極，有鎢極氬弧焊、等離子弧焊等。手弧焊的焊縫表面質量一般，手弧焊焊接時通常采用手工，人為因素對焊接質量的影響較大，同一性低，并且效率偏低，不適合大批量生產。鈉硫電池生產時要保證良好的同一性，以及在生產裝配時采用自動化生產流水線，因此，手弧焊不適合鈉硫電池的焊接。

等離子弧焊是利用等離子弧作為熱源的焊接方法。氣體由電弧加熱產生離解，在高速通過水冷噴嘴時受到壓縮，增大能量密度和離解度，形成等離子弧。它的穩定性、發熱量和溫度都高于一般電弧，因而具有較大的熔透力和焊接速度。形成等離子弧的氣體和它周圍的保護氣體一般用氬。等離子弧焊與氬弧類似，但其焊炬會產生壓縮電弧，以提高弧溫和能量密度，它比氬弧焊速度快、熔深大。

電阻焊是用來焊接薄金屬件，在兩個電極間夾緊被焊工件通過大的電流熔化電極接觸的表面，即通過工件電阻發熱來實施焊接。工件易變形，電阻焊通過接頭兩邊焊合，電阻焊所用電極需經常維護以清除氧化物和從工件粘連著的金屬。

釬焊也適用于金屬之間的焊接，釬焊是一種用于精密焊接的焊接工藝，常用于電路板等精密元件的焊接，近年來發展迅速，目前這種焊接工藝比較成熟。釬焊與間接擴散連接相似，在焊接母材之間要加入釬料，通常釬料的熔點要比母材低。在反應初期，在溫度的作用下，釬料開始熔化，并慢慢開始濕潤母材，隨著反應的深入，釬料逐步深入連接坡口的間隙，并開始填充坡口，母材之間開始相互擴散，最終完成連接。釬焊速度快，并且不容易使零件變形，因為在焊接過程中沒有像擴撒連接那樣施加壓力，但是釬焊的使用不靈活，容易受到零件結構、焊接部位的影響。對于結構相對復雜或者坡口尺寸比較小的零件，釬焊是不適合的。鈉硫電池的焊縫都呈圓周狀的，受到結構的限制，釬焊無法應用于鈉硫電池的焊接。

電子束焊的原理是利用高能密度的電子流，撞擊工件，在工件表面很小的面積上，短時間內產生很大的熱量，將金屬熔化，產生“小孔”效應，將其焊接在一起。電子束焊效率比較高，工件也不容易變形，熱影響區很小，不會影響到其他不焊接的零部件的表面。電子束焊接的弊端之一是通常需要在真空環境下進行，主要原因是為了防止電子散射，如果不在真空環境下進行焊接，也是可行的，但是大大影響焊接效率和質量，在空氣中電子聚焦不好易于發生散射。電子束焊也會受到磁場的影響，在磁場的作用下會使電子流偏轉，因此在使用之前必須去磁。除此之外，電子束焊中的X射線十分強，對人體會有傷害，在使用時要考慮安全問題。綜上所述，電子束焊設備太過復雜，成本十分高，在一些實際應用中，對工件的尺寸和結構也有特殊的要求，使用場合也受到很大的限制。考慮到鈉硫電池的結構特點和電子束焊的特點，鈉硫電池的焊接不適合使用電子束焊。

激光焊接從20世紀60年代激光器誕生不久就開始了研究，經歷了50多年的發展。激光焊接技術的發展歷經了固體受激物質→氣體受激物質→固體受激物質、脈沖激光焊接→連續激光焊接、低功率→高功率、薄板→厚件、低速→高速、低頻→高頻及低效→高效的歷史。激光焊接工藝和其他焊接工藝相比，具有以下特點：應用范圍廣，可焊接難熔材料，并可對異性材料進行焊接。焊接速度快、熱影響區域小，工件變形小。焊接時產生的溫度比較低。非接觸式焊接、可焊接傳統焊接難以到達的部位。焊點深寬比大，焊接質量高，可進行微型焊接。無需使用電極，潔凈環保等優點。

對比各種焊接工藝的特點，根據鈉硫電池對焊接質量的要求以及鈉硫電池結構特點，結果表明：傳統的焊接工藝不適用于鈉硫電池的焊接，因此，鈉硫電池的焊接選用激光焊接工藝。

表1 各種焊接工藝的對比

2 焊接實驗

實驗材料選用3系鋁合金3003牌號，3系鋁合金具有良好的焊接特性。如圖3所示，試樣由上下兩個零件

組成，除了高度尺寸外，其余尺寸包括坡口都與原電池一樣，這樣既能準確的進行試驗，同時可以減少材料的浪費。

表2 3003鋁合金的化學成分（質量分數，%）

圖3 焊接接頭形式

激光焊接設備的選取要針對焊接工件本身材料的特性、焊接質量的要求、適用場合、效率、成本等因素。

激光焊接技術中所采用的激光器有：氣體激光器、固體激光器和光纖激光器等。與氣體激光器相比，固體激光器的輸出波長小一個數量級，對金屬的反射率低，因而與金屬的耦合效率高。通過光纖傳輸，實現遠程焊接，而且可以借用功率分割，方便地將一束激光傳輸給多個工位焊接。與氣體和固體等激光器相比，光纖激光器具有輸出功率高，熱性能優異，電光效率較高，節水節電，尤其重要的是可長期免維護使用，可節約大量維護經費和時間，提高工作效率。此外，光纖激光器具有體積小質量輕、壽命長和節點節水的特點。

表3 固體激光器和光纖激光器對比

激光焊接機理分為：熱傳導焊接和激光深熔焊。

激光焊接按照機理的不同，可以分為兩類：一類稱為熱傳導焊接，另一類稱為激光深熔焊接。二者的原理和實際使用有很大的不同。

熱傳導焊接一般使用在熔深較淺的焊接中。在焊接過程中，激光束照射在金屬表面，金屬一般都具有高的反射率，大部分激光束被反射，金屬材料吸收了一部分激光束。激光的高能量在介質的作用下轉化成熱能，在溫度達到一定程度后，開始熔化金屬材料表面。在激光能量不斷的累積下，熱量越來越多，這些熱量通過傳遞，使內部的金屬受到熱量，開始熔化，進而形成熔池，最終形成焊接。熱傳導焊接可以通過控制和調節工藝參數，來達到焊接效果。

激光深熔焊接的熱量要高得多，金屬材料在吸收了大量熱能后，材料開始熔化，隨著溫度的不斷升高，金屬材料伴隨有汽化現象，形成金屬蒸汽，在金屬蒸汽退去之后，熔化的金屬表面受到反作用力之后，將液體金屬向四周排擠，進而形成凹坑。隨著激光束的不斷照射，熱量不斷增加，凹坑不斷向內深入，直至被焊內層，在激光束停止照射之后，受到排擠作用的金屬液體，回流到凹坑之內，在冷卻之后就形成了焊點。

圖4 熱傳導焊接與激光深熔焊

從上述分析來看，光纖激光器更為優越，同時，連續激光焊接更適合鈉硫電池的焊接。所以選取500W連續激光焊接系統進行焊接實驗，圖5所示，500W連續激光焊接系統由連續激光器、光纖藕合系統、光纖導光系統、冷卻系統等組成。激光焊接的工藝參數對于焊接質量有著直接的影響，激光焊接的工藝參數主要包括：激光功率、焊接速度、離焦量和保護氣體等參數。實驗時對各種參數進行設定：最大功率500W，實際功率400W，光斑直徑?0.2mm，焊接速度35mm/s，正離交1.5mm，氦氣保護氣體，流量18L/min。

圖5 500W連續激光焊接系統

從圖6焊接照片中可以看出試樣外觀平滑美觀，無飛濺。對焊接試樣進行焊接質量的檢測，結果表明：滿足密封性要求，焊接接頭內側溫度較低，滿足溫度要求，焊接深度合理。同時，激光焊接效率高，易于實現自動化焊接。因此，激光焊接能夠實現鈉硫電池的焊接。

圖6 焊接試樣

3 結論

激光焊接技術能夠滿足鈉硫電池對密封性、焊接深度和表面質量的要求。焊接時熱量低，在電池焊接裝配過程中不會影響其他低熔點的固體部件。激光焊接效率高，并且可以實現鈉硫電池自動化焊接。

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