孔德群 董曉萌 周建 周曉煒 來(lái)振華

摘要：從體視學(xué)觀察、金相檢驗(yàn)、硬度試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)等常規(guī)破壞性理化檢驗(yàn)技術(shù)方面，綜述了國(guó)內(nèi)外新能源汽車動(dòng)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(xué)表征技術(shù)與方法的應(yīng)用進(jìn)展。對(duì)于新能源汽車動(dòng)力電池制造行業(yè)而言，這些檢驗(yàn)指標(biāo)尚待形成統(tǒng)一執(zhí)行的國(guó)際、國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;動(dòng)力電池;激光焊接;冶金;材料表征

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

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.06.09

0 ? ?前言

純電動(dòng)汽車（EV）、混合動(dòng)力汽車（HEV）和插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）的動(dòng)力電池模組通常由不同結(jié)構(gòu)、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(shù)逐漸在新能源汽車動(dòng)力電池制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展[1-6]。電池芯極耳與極耳、極耳與匯流排等（見(jiàn)圖1[7]）結(jié)構(gòu)之間必須通過(guò)牢靠的焊接技術(shù)連接起來(lái)。電池芯的正負(fù)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(dǎo)致焊接過(guò)程中形成了多種高脆性的金屬間化合物相，降低接頭的強(qiáng)度和延展性，且極易引起開(kāi)裂[8]。鋁銅金屬片的激光焊接質(zhì)量影響到電池模組件的機(jī)械性能[9]和表面導(dǎo)電性能[10]，因此在電池模組制造行業(yè)中必須對(duì)焊接冶金質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。Al/Cu異種金屬激光焊接冶金質(zhì)量成為電池模組件連接技術(shù)關(guān)注的焦點(diǎn)。

目前電池模組焊接質(zhì)量檢驗(yàn)采用常規(guī)理化檢驗(yàn)，通常為破壞性試驗(yàn)，需要將待檢測(cè)激光焊縫試樣從電池模組上切取下來(lái)，加工成較小尺寸的試樣，置于理化檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)臺(tái)，檢測(cè)其物理性能、微觀結(jié)構(gòu)、機(jī)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(qiáng)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(yàn)技術(shù)在新能源汽車動(dòng)力電池模組件Al/Cu異種金屬激光焊縫冶金表征的應(yīng)用進(jìn)展，為同領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員提供參考。

1 體視學(xué)觀察

體視顯微鏡又稱 “ 立體顯微鏡 ”，采用兩個(gè)獨(dú)立的光學(xué)通路生成三維的光學(xué)影像，是一種具有正像立體感的光學(xué)顯微鏡，廣泛應(yīng)用于零部件及材料的表面形貌觀察、失效分析等領(lǐng)域。體視學(xué)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(cè)量Al/Cu激光焊縫在Al側(cè)板材外表面的焊縫寬度和長(zhǎng)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(yàn)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(shí)測(cè)量焊接缺欠尺寸。普通光學(xué)體視顯微鏡的優(yōu)點(diǎn)是不破壞焊縫本身實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，且檢測(cè)速度快，其局限性在于對(duì)二維平面尺寸的測(cè)量精度尚可，而對(duì)高度方向的測(cè)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(yàn)

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

2.1 前處理準(zhǔn)備

在前處理準(zhǔn)備階段，宜使用冷鑲嵌法，不宜使用熱鑲嵌法，因?yàn)闊徼偳斗〞?huì)引入較高的溫度（>100 ℃）和相對(duì)較大的壓力，而Al與Cu均為軟質(zhì)材料，且焊縫內(nèi)有脆性金屬間化合物相，所以熱鑲嵌法易造成焊縫試樣嚴(yán)重變形，甚至開(kāi)裂。磨拋工藝是制樣過(guò)程的關(guān)鍵工序，很大程度上決定了最終的金相圖片質(zhì)量，如操作經(jīng)驗(yàn)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(dāng)?shù)模┙饎偸瘧覞嵋?。同時(shí)，應(yīng)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(yàn)中微觀檢驗(yàn)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(yàn)用浸蝕劑。文獻(xiàn)[13]分別使用17種浸蝕劑做了比對(duì)實(shí)驗(yàn)，結(jié)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(jié)構(gòu)區(qū)（見(jiàn)圖3），表1所示的4種浸蝕劑用來(lái)浸蝕θ-Al2Cu、η-AlCu、ζ-Al3Cu4和γ-Al4Cu9效果最好。

2.2 焊縫尺寸

測(cè)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(jìn)行檢測(cè)。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(cè)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(gè)量，即上側(cè)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(qiáng)度的重要因素，其測(cè)量值參與焊縫剪切強(qiáng)度計(jì)算。

2.3 焊接缺欠

GB/T 6417.1-2005的術(shù)語(yǔ)定義，焊接缺欠為“ 在焊接接頭中因焊接產(chǎn)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(guò)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(guò)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(kāi)出版的汽車電池模組件Al/Cu異種金屬激光焊接缺欠等級(jí)與接受水平的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)，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(guò)渡區(qū)、θ-Al2Cu相樹(shù)枝晶區(qū)、均勻分布的尺寸僅幾微米的η-AlCu相樹(shù)枝晶區(qū)、高倍下才能觀察到的樹(shù)枝晶區(qū)與鋁青銅區(qū)之間的狹窄過(guò)渡區(qū)、未浸蝕時(shí)呈均勻黃色的鋁青銅區(qū)，以及隱藏在鋁青銅區(qū)內(nèi)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(jié)構(gòu)，經(jīng)KE_14試劑浸蝕后金屬間化合物具有良好襯度，清晰可見(jiàn)隱藏在鋁青銅區(qū)的針狀γ1-Al4Cu9相，見(jiàn)圖6b;經(jīng)KE_01試劑（Keller試劑）浸蝕后，從焊縫中含Cu的Al固溶區(qū)到過(guò)渡區(qū)共晶組織（Al+θ

-Al2Cu相），再到θ-Al2Cu相樹(shù)枝晶結(jié)構(gòu)區(qū)，襯度均良好，見(jiàn)圖6c;而KE_16試劑的襯度比Keller試劑更好，見(jiàn)圖6d。

3 硬度試驗(yàn)

維氏硬度試驗(yàn)可用來(lái)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。金屬材料焊縫硬度試驗(yàn)的國(guó)家推薦標(biāo)準(zhǔn)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(kāi)可查詢的汽車電池模組件Al/Cu激光焊縫硬度試驗(yàn)的文獻(xiàn)，選用試驗(yàn)力不盡相同，有顯微維氏硬度HV0.05[16]、HV0.1[17-18]，也有小負(fù)荷維氏硬度HV0.2[9]、HV0.3[19]。文獻(xiàn)[18]選用施加載荷為0.1 kgf，分別在焊縫橫截面Al板側(cè)和Cu板側(cè)距離Al/Cu界面0.1 mm的平行位置檢測(cè)，測(cè)試點(diǎn)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(shí)Al/Cu激光焊縫顯微硬度試驗(yàn)結(jié)果[18]如圖8所示，Cu板側(cè)焊縫的硬度明顯高于Al板側(cè)焊縫。當(dāng)脈沖距離為0.1 mm時(shí)，意味著非常高的脈沖重疊，結(jié)果在Cu板側(cè)形成顯微硬度值高達(dá)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(dāng)脈沖距離增大至0.55 mm時(shí)，脈沖重疊非常有限，所形成的焊縫熔深較小，造成Cu板側(cè)的焊縫硬度測(cè)試值與Cu板基材大致相當(dāng)，而Al板側(cè)的焊縫硬度極大值無(wú)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(zhì)量的關(guān)鍵因素，焊縫橫截面金相證實(shí)了裂紋主要穿過(guò)硬度極高的金屬間化合物ζ-Al3Cu4相和η-AlCu相進(jìn)行擴(kuò)展[21]。文獻(xiàn)[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(shí)，焊縫具有優(yōu)良的機(jī)械性能;硬度值超過(guò)閾值350 HV對(duì)焊接性能產(chǎn)生不利影響;當(dāng)硬度值高于500 HV時(shí)，焊縫開(kāi)始表現(xiàn)明顯的脆性，試驗(yàn)壓痕處出現(xiàn)裂痕，裂紋主要穿過(guò)ζ-Al3Cu4相和η-AlCu相。

4 拉伸試驗(yàn)

利用拉伸試驗(yàn)，可用來(lái)表征汽車電池模組件Al/Cu異種金屬激光焊縫的剪切強(qiáng)度，在室溫下使用材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)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(chǎn)生斷裂破壞。剪切強(qiáng)度試驗(yàn)裝置示意如圖9所示[22]。一般選用應(yīng)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(yàn)的樣品尺寸與試驗(yàn)速率，并沒(méi)有正式行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其目的多用于評(píng)估接頭的可靠性[22]。樣品在裝夾時(shí)分別在對(duì)側(cè)附加1個(gè)等厚金屬墊片，以保證拉伸載荷的同軸性。文獻(xiàn)[9]表明，6061鋁合金與110銅激光焊接接頭剪切強(qiáng)度隨著激光功率增大表現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，當(dāng)激光功率為2.45 kW時(shí)，得到最大剪切強(qiáng)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(qiáng)度顯著升高至126.9 MPa。對(duì)于EN-AW1050A 鋁合金與SF-Cu銅激光釬焊試樣，剪切強(qiáng)度可達(dá)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(jié)語(yǔ)與展望

隨著新能源汽車動(dòng)力電池制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì)模組件Al/Cu激光焊接的表征技術(shù)提出了新的需求。新能源汽車電池工廠實(shí)驗(yàn)室通?？蓪?shí)現(xiàn)金相檢驗(yàn)、硬度試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)等常規(guī)破壞性理化檢驗(yàn)，全面表征激光焊縫的物理性能和機(jī)械性能。然而，對(duì)于新能源汽車動(dòng)力電池制造行業(yè)而言，這些理化檢驗(yàn)指標(biāo)目前尚未形成統(tǒng)一執(zhí)行的國(guó)際、國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。另外，新能源汽車動(dòng)力電池模組件Al/Cu異種金屬激光焊接表征技術(shù)領(lǐng)域尚存需要開(kāi)拓的真空地帶，比如Al/Cu較厚板材激光深熔焊接過(guò)程中熔池演變動(dòng)態(tài)仿真、熱裂紋的形成機(jī)理與優(yōu)化改善、匙孔演變行為及其對(duì)密集型氣孔的影響等。

參考文獻(xiàn)：

REAM S. Laser welding for battery manufacturing[J]. Industrial Laser Review，2010，25（2）：12-14.

許為柏. 動(dòng)力電池外殼激光高速焊接工藝[J]. 電焊機(jī)，2014，44（1）：84-86.

SCHMIDT P A，ZAEH M F. Laser beam welding of electrical contacts of lithium-ion batteries for electric-and hybrid-electric vehicles[J]. Production Engineering，2015，9（5-6）：593-595.

Zwicker M F R，Moghadam M，Zhang W，et al. Automotive battery pack manufacturing-a review of battery to tab joining[J]. Journal of Advanced Joining Processes，2020（1）：100017.

孔德群. 汽車電池模組件Al/Cu異種金屬激光焊接技術(shù)新進(jìn)展[J]. 金屬加工（冷加工），2020（增）：153-160.

孫桂芝，郗軍紅. 電動(dòng)汽車電池關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[J]. 電池，2020，50（4）：411-412.

LEE S S，KIM T H，HU S J，et al. Joining technologies for automotive lithium-ion battery manufacturing：a review[C]. Proceedings of the ASME 2010 International Manufacturing Science and Engineering Conference，October 12-15，2010. Pennsylvania：ASME，2010，MSEC2010-34168：541-549.

SCHMIDT M. Laser-Bonding in High Power Electronics[J]. Journal of Laser Micro，2010，5（3）：242-247.

YAN S H，SHI Y. Influence of laser power on microstructure and mechanical property of laser-welded Al/Cu dissimilar lap joints[J]. Journal of Manufacturing Processes，2019（45）：312-321.

BRAND M，SCHMIDT P，ZAEH M，et al. Welding techniques for battery cells and resulting electrical contact resistances[J]. Journal of Energy Storage，2015，1（1）：7-14.

BONO P D，BLACKBURN J. Laser Welding of copper and aluminium battery interconnections[C]. Proceedings SPIE Vol. 9657，Industrial Laser Applications Symposium 2015，96570M：1-13.

FETZER F，JARWITZ M，STRITT P，et al. Fine-tuned remote laser welding of aluminum to copper with local beam oscillation[J]. Physics Procedia，2016（83）：455-462.

SCHMALEN P，MATHIVANAN K，PLAPPER P. Metallogr-aphic studies of dissimilar Al-Cu laser-welded joints using various etchants[J]. Metallography，Microstructure，and Analysis，2019，8（1）：3-11.

GEDICKE JEN，MEHLMANN B，OLOWINSKY A. Laser beam welding of electrical interconnections for lithium-ion batteries[C]. Proceedings of ICALEO 2010：29th Internati-onal Congress on Laser Materials Processing，Laser Micropro-cessing and Nanomanufacturing，Sep. 26-30，2010. California：Laser Institute of America，2010，M403：844-849.

SCHMALEN P，PLAPPER P，CAI W. Process Robustness of Laser Braze-Welded Al/Cu Connectors[J]. International Journal of Alternative Powertrains，2016，5（1）：195-204.

Zubiri F，del Mar Petite M，Ochoa J，et al. Welding Optimi-zation of Dissimilar Copper-Aluminum Thin Sheets with High Brightness Lasers，in Cracking Phenomena in Welds IV[M]. Switzerland：Springer，2016：219-228.

DIMATTEO V，ASCARI A，F(xiàn)ORTUNATO A. Continuous laser welding with spatial beam oscillation of dissimilar thin sheet materials （Al-Cu and Cu-Al）：process optimization and characterization[J]. Journal of Manufacturing Processes，2019（44）：158-165.

LERRA F，ASCARI A，F(xiàn)ORTUNATO A. The influence of laser pulse shape and separation distance on dissimilar welding of Al and Cu films[J]. Journal of Manufacturing Processes，2019（45）：331-339.

SCHMALEN P，PLAPPER P. Evaluation of laser braze-welded dissimilar Al-Cu joints[J]. Physics Procedia，2016（83）：506-514.

CHEN C Y，HWANG W S. Effect of annealing on the interf-acial structure of aluminum-copper joints[J]. Materials Trans-actions，2007，48（7）：1938-1947.

CHEN C Y，Chen H L，HWANG W S. Influence of interfacial structure development on the fracture mechanism and bond strength of aluminum/copper bimetal plate[J]. Materials Transactions，2006，47（4）：1323-1329.

MATHIVANAN K，PLAPPER P. Laser welding of dissimilar copper and aluminum sheets by shaping the laser pulses[J]. Procedia Manufacturing，2019（36）：154-162.

SOLCHENBACH T，PLAPPER P. Mechanical characteristics of laser braze-welded aluminium-copper connections[J]. Optics & Laser Technology，2013（54）：249-256.

YAN S H，SHI Y. Influence of Ni interlayer on microstructure and mechanical properties of laser welded joint of Al/Cu bimetal[J]. Journal of Manufacturing Processes，2020（59）：343-354.