電池鋁巴的擴散焊接及其剝離力檢驗*

黃建華，阮 毅，林 敏

（廣東省機械研究所有限公司，廣州 510700）

0 引言

隨著科技和產業變革，新能源汽車迎來了歷史發展的新機遇，成為了汽車行業發展的新方向，近年來許多傳統汽車廠商紛紛將重心轉向新能源汽車。在我國，各地陸續推出了加快新能源汽車產業發展的扶持政策，國內也誕生出了一批造車新勢力企業，在激烈的市場競爭中站穩了腳跟，獲得了消費者的認可，具備了和國際一線廠商競爭的能力。歸根結底，是我國的新能源領域不斷銳意創新、開拓進取，逐漸發展出獨有的、完備的產業鏈和供應鏈。

對于電動汽車來說，電池是核心部分。動力電池組由多個電池之間采用連接件進行串并聯疊置組成[1]。這個連接件（busbar），根據類型不同可分為硬連接和軟連接兩種。軟連接件因為具有良好的延展性，可以有效緩解電芯充放電時產生的膨脹力問題，避免電芯極柱處可能會被拉扯開裂，造成漏液等安全問題而被廣泛采用。

目前使用的較多的鋁箔材料的軟連接件，簡稱為鋁巴，它采用真空擴散焊進行焊接生產。在鋁巴（圖1）結構中，保持原材料原有狀態的區域稱為軟態區（即非焊接區），軟態區主要用于電連接過程中的調節幅度；一般為拱形或者折彎結構。采用熱壓焊進行焊接的部位稱為硬態區，硬態區主要用于電連接過程中的硬性連接。

圖1 鋁巴

本文介紹1060鋁巴的真空擴散焊焊接，以及對焊接出來的產品進行剝離力檢驗，通過焊接接頭的剝離力檢驗真空擴散焊接方法生產的鋁巴產品是否能滿足其產品質量的要求。

1 真空擴散焊

真空擴散焊接是一種精密焊接方法。它是在真空環境下，將待焊件加熱到一定溫度，施加一定壓力使焊件產生輕微的塑性變形，以便相接觸的焊件產生相互的原子擴散而結合在一起，獲得較好強度和可靠性的整體焊接接頭[2]，如圖2所示。

圖2 焊接爐

根據被焊材料的組合和工藝可將擴散焊分為同種材料擴散焊、異種材料擴散焊、加中間層的擴散焊、過渡液相擴散焊和熱等壓擴散焊等[3－6]。

由于真空擴散焊接時母材不熔化，焊接后工件變形量完全可控，還可以實現異種材料和難焊材料的連接，因此在高精度要求的焊接生產中得到了較為廣泛的應用[7]。目前已廣泛應用于航空航天、機械制造、汽車工業等領域。

對于真空擴散焊，與焊接接頭質量直接的影響因素主要有表面凈化、加熱溫度、保溫時間、真空度、焊接壓力等幾個因素。

2 焊前預處理

生產鋁巴使用的材料為1060鋁箔，其鋁元素含量大于或等于99.6%，鋁箔規格為380 mm×380 mm×0.1mm。

鋁在空氣中容易被氧化，鋁箔表面會形成一層致密的氧化膜。氧化膜熔化溫度高達2015±15 ℃，遠高于鋁擴散焊接工藝溫度500～600 ℃，這層氧化膜會導致無法進行擴散焊接。因此，需要在焊接前對氧化膜進行處理。表面處理的方式有物理法、化學法和電化學法等。規模化生產時，通常采用較為簡單的物理方式，即采用機械設備對鋁箔進行表面清理，能有效降低生產成本。

焊接前，將待焊鋁箔材料經全自動拉絲清洗機進行表面處理，目的是盡可能去除鋁箔表面的氧化膜、油膜等，同時對表面進行拉絲處理。為了防止清洗后再氧化以及去除表面清洗留下的水分，還需將清洗、分切好的鋁箔放入真空干燥箱內進行干燥處理。

疊放鋁箔，上下均放置有不銹鋼治具，涂有氮化硼涂料的鋁箔作為成品之間隔板，避免成品之間焊在一起。12 片鋁箔經過擴散焊接一次性焊接成型在一起，成為一塊完整的鋁板，治具鏤空部分對應的鋁箔之間未緊密接觸而沒有焊接在一起，屬于非焊區，即軟態區。焊接出來的鋁板是生產鋁巴的半成品，經后續機加工可生產成為軟鋁巴產品。

焊接過程中，不添加其他任何材料。批量焊接生產時，每30 個成品之間墊放一塊鋼板（厚度12 mm）加以分隔成為一層（兩塊鋼板之間為一層）。添加鋼板的目的是使焊接壓力更加均勻地作用在待焊鋁箔上。

3 焊接工藝

李維偉[8]通過大量實驗探討了5083 鋁合金一定工藝條件下進行擴散焊接的可行性，試驗結果表明，溫度越高，焊合率越高，焊縫越窄。但是隨著溫度的升高，界面附近的晶粒會出現粗化，又降低了接頭的力學性能。最后篩選出其優化工藝參數：溫度為540 ℃，壓力為3.5 MPa，保溫時間為2.5 h。

鞏云峰等[9]研究了焊接溫度（500～560 ℃）、焊接壓力（1.0～5.0 MPa）和保溫時間（0.5～3 h）對焊接接頭界面形貌和剪切強度的影響，得到了優化工藝參數為焊接溫度540 ℃、保溫時間2 h、焊接壓力4.0 MPa。

焊接溫度：溫度越高，擴散系數越高，焊合率越高。擴散系數D與擴散溫度T的關系為：式中：D0為擴散常數；U 為激活能；R 為氣體常數，R＝8.314 J/(mol·K)。

在真空擴散焊過程諸多工藝參數中，對元素擴散行為影響最大的是溫度[10]。一般來說，材料的擴散焊接溫度：T＝（0.55～0.9）Tm，其 中Tm為待焊材料的熔點[11]。Al的熔點為660 ℃。焊接時將焊接溫度設定為600 ℃。實際焊接生產中，擴散焊接爐需要有一個加溫的時間過程，焊接溫度—時間曲線如圖3所示。

圖3 焊接溫度—時間曲線

保溫時間：保溫時間的長度影響著原子遷移的深度，即擴散層的深度與保溫時間有關。但是保溫時間過長就會增加生產周期，降低生產效率。實際生產時將保溫時間設定為120 min，可以保證原子有充足的時間進行擴散，獲得更好的擴散層厚度。

真空度：真空環境下，可保護待焊材料不受氧化，保證擴散過程的順利進行。真空度越高，越有利于擴散焊接。但考慮到經濟與效率的因素，實際生產時，真空度達到1.0×10－3Pa以上時，就能獲得性能良好的接頭。

焊接壓力：為了獲得良好的接頭性能，在焊接過程中需要施加一定的壓力，增加待焊區域實際接觸面積。焊接壓力增大，有助于提高焊合率，但過大的焊接壓力會將待焊材料擠壓變形，不利于獲得良好的焊接接頭。綜合考慮，生產時設定焊接壓力為1 300 kN，焊接時通過石墨壓柱使焊接壓力作用在待焊鋁箔上的鋼板。

焊接生產時，擴散焊接爐內的溫度應保證一定的均勻性，通常要求均勻性不大于±5 ℃。

4 剝離力檢驗

剝離力是指對擴散焊接在一起的鋁箔材料，從接觸面進行剝離時所需要的最大力。剝離時角度有90°或180°。其可以有效反映鋁箔材料的擴散焊接接頭的強度。

鋁巴剝離力的檢驗按以下方法進行。

（1）測點裁樣。隨機抽取一塊焊接號的鋁板成品進行裁切，每塊板測點取9點（圖4），試樣寬度取16 mm。從非焊區將鋁箔一分為二（即按6片－6片分開，如圖5所示）進行剝開至焊接區邊沿，碾平后成180°角。

圖4 取樣點

圖5 （6－6）分層剝開的試樣

（2）剝離試驗機采用小型萬能拉力試驗機，壓力傳感器工作范圍為0～2 000 N，荷重精度小于或等于0.5%，最大測量范圍為900 mm。

（3）剝離時試驗機以恒定速度（v＝10 mm/min）將試樣進行剝離試驗，記錄剝離力。

（4）總剝離長度達10 mm左右后停止當次剝離試驗。

由剝離力測試結果及力－變形之間的關系如圖6所示，由圖可知，在[0,10]mm剝離區間內，測試點的剝離力隨著剝離位移（變形量）的增大而增大。越是遠離非焊區的區域，剝離力越大，剝離力與變形量呈正相關。編號為7的測點試樣，在剝離至9 mm左右時發生斷裂。

圖6 試樣剝離力－變形關系

如表1所示，在[0,5]mm剝離區間內最大剝離力的最大值85.7 N，最小值為41.5 N，平均值為64.3 N。在[0,10]mm剝離區間內最大剝離力的最大值為214.2 N，最小值為76.1 N，平均值為147.7 N。說明遠離非焊區域，其焊接接頭性能越好。遠離非焊區的其他區域，焊接壓力通過壓柱和鋼板的傳導，其作用力可均勻地作用與待焊鋁箔上面，但由于生產工藝的需要，每個成品間夾放有鏤空治具，如圖7所示，各層治具在疊放時會存在一定的錯位量，如圖8所示，使得非焊區邊緣附近的區域焊接壓力無法得到有效保證，一定程度上降低了擴散焊接接觸的實際面積，影響了接頭性能。

表1 測點剝離力檢驗結果

圖7 鏤空的治具

圖8 疊放號的待焊鋁箔

5 結束語

（1）鏤空治具的存在，影響了非焊區附近擴散焊的接頭的焊接質量。可以對治具進行再優化設計，使得批量焊接時，所有待焊區域受到的焊接壓力更加均勻，從而獲得性能更加良好的焊接接頭。電池鋁巴作為動力電池中重要的零部件，其產品質量直接影響著整個電動汽車的質量安全。只有持續改進工藝，提高生產制造質量，才能不斷提高企業的競爭能力。

（2）焊接溫度T＝600 ℃，保溫時間t＝120 min，真空度pv＝1.0×10－3Pa，焊接壓力P＝1 300 kN的工藝條件下，可以獲得性能較為良好，剝離力在76.1 N 以上的焊接接頭。該工藝條件能夠滿足批量生產電池軟鋁巴的質量要求。