張選峰， 安純堯， 蘇含玉， 李喜峰

(上海大學(xué)，上海 200072)

0 前言

近年來(lái)，隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，鋰離子電池在新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展中占據(jù)重要的地位。由于不同種類汽車對(duì)電池的要求不同，鋰離子電池通常需要通過(guò)極耳的串、并聯(lián)組合成不同參數(shù)的動(dòng)力電池包[1]。超聲波金屬焊接具有焊接時(shí)間短、焊接界面溫度低、無(wú)需助焊劑及環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[2]。目前已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于鋰離子電池極耳的焊接工藝[3]。

超聲波金屬焊接工藝過(guò)程中超聲振動(dòng)的能量主要消耗在工作材料界面，導(dǎo)致材料界面溫度顯著升高和嚴(yán)重的塑性變形[4]。但是由于超聲波金屬焊接的時(shí)間非常短，精確測(cè)量超聲波金屬焊接過(guò)程金屬片中心的溫度具有一定的困難[5]；且焊接樣品焊縫的形貌難于觀察。為了更加快速便捷的獲得焊接過(guò)程中的溫度與焊接樣品的焊縫形貌，建立有限元模型的方法能夠快速的獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，加速超聲波金屬焊接試驗(yàn)的試錯(cuò)過(guò)程和更加方便的獲得超聲波焊接的可靠參數(shù)[6]。

近年來(lái)，關(guān)于銅鋁異種金屬超聲焊接行為的仿真得到了持續(xù)的關(guān)注。Shen等人[7]采用Deform軟件建立了單層三維銅鎳異種金屬的有限元仿真模型，分析不同焊接持續(xù)時(shí)間下的微觀組織演變。Jedrasiak等人[8]總結(jié)了前人進(jìn)行的超聲焊接仿真工作，將超聲波金屬焊接仿真中的熱模型與形變模型分解，再通過(guò)焊接試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)重新耦合超聲金屬焊接模型，精確的預(yù)測(cè)鋁鋼超聲焊接的溫度和發(fā)熱率。Shen等人[4]同時(shí)使用Abaqus軟件和Deform軟件建立了三維異種金屬超聲波焊接有限元模型，將超聲波金屬焊接仿真時(shí)間延長(zhǎng)到了1 s，提供了超聲金屬焊接受工藝參數(shù)影響和材料參數(shù)影響的全面解決方案。Huang等人[6]使用Abaqus軟件建立二維同種金屬超聲金屬焊接有限元模型，擬合不同情況下的摩擦系數(shù)，探究超聲焊接過(guò)程中的發(fā)熱機(jī)制。李歡等人[5]使用Ansys軟件建立三維單層銅鋁異種金屬材料熱機(jī)械有限元模型，由于軟件功能的限制，在模型中無(wú)法直接使用超聲波焊頭作為加載條件。然而，實(shí)際電池金屬焊接應(yīng)用，涉及到多層同種極耳與異種極耳引片焊接，其溫度變化與塑性變形規(guī)律有所不同，存在更多的不定因素。

文中針對(duì)電池疊片的多層銅極耳片與異種鋁極耳引片的超聲金屬焊接，利用Abaqus/Explicit軟件建立了多層銅鋁異種金屬焊接熱機(jī)械二維有限元仿真模型，使用激光測(cè)振儀測(cè)量焊接過(guò)程中焊頭的振動(dòng)作為仿真的加載條件，分析模型的表面溫度、焊縫溫度與塑性變形，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)有限元分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，闡述超聲波金屬焊接過(guò)程中產(chǎn)熱與塑性變形的機(jī)制。

1 超聲波金屬焊接數(shù)據(jù)測(cè)量

圖1為超聲波焊接系統(tǒng)，其中紅外攝像機(jī)的型號(hào)為FLIR T630sc，用于檢測(cè)超聲金屬焊接期間工件表面溫度的變化過(guò)程，數(shù)字激光測(cè)振儀的型號(hào)為多普勒NOVA SENSE，用于測(cè)量焊接過(guò)程中焊頭的振幅。圖2為焊接過(guò)程中實(shí)際測(cè)量的焊頭振幅，為模型模擬實(shí)際焊接振幅數(shù)據(jù)。試驗(yàn)焊接系統(tǒng)為自己設(shè)計(jì)的焊接機(jī)，額定功率為2 600 W，振動(dòng)頻率為20 kHz。焊接工藝參數(shù)為夾緊力800 N，振幅15 μm，焊接時(shí)間1 s，焊頭和底座材料為高速鋼，焊頭滾花形狀為條狀，一共10條，焊頭滾花輪廓為矩形。文中的焊接試驗(yàn)中采用平面砧座，材料為高速鋼。焊接材料為11 mm×20 mm×0.2 mm的T2純銅和A6061鋁。焊接片采用重疊放置，最上層為銅片，中間層與下層為鋁片。

圖1 超聲焊接系統(tǒng)試驗(yàn)裝置

圖2 焊頭振幅實(shí)際試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)

2 數(shù)值模擬過(guò)程

2.1 材料屬性和模型

試驗(yàn)焊接的金屬片采用T2純銅和6061鋁合金，材料隨溫度變化的性能參數(shù)[9-12]已在表1與表2列出。 銅的泊松比和密度分別為0.35和9 800 kg/m3，鋁的泊松比和密度分別為0.33和2 700 kg/m3，焊頭和砧座的材料都為高速鋼，其材料特性見(jiàn)表3[11]。

表1 T2銅物理性能隨溫度變化

表2 6061鋁合金物理性能隨溫度變化

表3 鋼的材料參數(shù)

在進(jìn)行超聲波金屬焊接時(shí)，焊接材料處于高應(yīng)變率變形狀態(tài)，金屬材料的溫度因?yàn)槟Σ梁退苄宰冃味?，同時(shí)金屬片一直暴露在高強(qiáng)度超波能量下，引入包含聲軟化修正的Johnson-Cook模型參數(shù)[12]，具體參數(shù)見(jiàn)表4，其中銅的修整系數(shù)為0.189，鋁的修正參數(shù)為0.155。

表4 T2銅和6061鋁的Johnson-Cook材料特性

2.2 有限元模型建立

使用Abaqus軟件中的Explicit模塊建立二維有限元模型，在模型中將網(wǎng)格定義為四節(jié)點(diǎn)熱-力耦合四邊形單元CPE4R。模型的網(wǎng)格劃分如圖3所示， 由6 520個(gè)單元組成，8 150節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。

圖3 二維超聲金屬焊接有限元模型

所有相互接觸面進(jìn)行摩擦和熱傳導(dǎo)定義，假設(shè)焊頭與砧座為完全彈性。仿真過(guò)程分為2個(gè)連續(xù)的步驟：第一步金屬片的夾緊過(guò)程，由于這一步對(duì)分析結(jié)果沒(méi)有影響，為了節(jié)約計(jì)算成本，假設(shè)壓力集中施加在焊接頭的頂部中心，壓強(qiáng)從零上升到預(yù)設(shè)壓力值只需要10 ms;第二步超聲波發(fā)生器通過(guò)焊頭施加強(qiáng)制振動(dòng)過(guò)程。該試驗(yàn)中，通過(guò)測(cè)量超聲波焊接過(guò)程中的焊頭振動(dòng)位移，并添加為仿真過(guò)程中為加焊頭的位移。實(shí)際焊接過(guò)程中焊頭的振幅如圖2所示。焊頭的振動(dòng)方程由以下方程給出：

A=Amaxsin(2πf·t)

(1)

式中：Amax是測(cè)得振動(dòng)幅度；f是振動(dòng)頻率；t是焊接時(shí)間。其數(shù)值大小與試驗(yàn)參數(shù)一致。

在超聲波金屬焊接的過(guò)程中，法向壓力和切向超聲波振動(dòng)導(dǎo)致焊接部分的溫度升高[3]。超聲波焊接過(guò)程產(chǎn)生的熱量分為摩擦熱和塑性變形熱,模型中的熱模型采用焊接熱模型[13]。模型中熱量耗散比取90%，砧座底面和超聲波發(fā)生器頂面的溫度保持恒定為室溫，與空氣環(huán)境的對(duì)流傳熱系數(shù)為5 W/(m2·℃)[3]，環(huán)境溫度為室溫。

熱量的計(jì)算對(duì)于仿真的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，因此文中的模型針對(duì)于不同的界面分別采用的更加精確的摩擦系數(shù)。具體摩擦系數(shù)如表5[5,11,14-15]。

表5 不同接觸面摩擦系數(shù)

3 仿真結(jié)果分析與討論

3.1 仿真溫度場(chǎng)分布

圖4為1 s時(shí)的仿真溫度分布圖，最高溫度為441.1 ℃，出現(xiàn)在銅片的中間部位。銅片與鋁片焊縫的溫度分布與銅片與焊頭的接觸界面的溫度分布基本相同，溫度場(chǎng)以中心垂直線為軸線成對(duì)稱分布。形成這種分布的原因是中心向外界散熱的速度較慢，邊緣向外界的散熱速度較快。

圖4 有限元仿真1.0 s時(shí)溫度分布云圖

圖5為仿真中工件最高溫度隨時(shí)間的變化曲線，從圖中可以看出溫度變化分為3個(gè)階段。0 s～0.2 s與0.8～1.0 s為快速升溫階段，0.2 s至0.8 s升溫速度較慢。

圖5 超聲焊接試驗(yàn)工件最高溫度隨時(shí)間變化

3.2 仿真塑性形變

圖6為焊頭下移量隨時(shí)間的變化關(guān)系，其中1 s時(shí)對(duì)應(yīng)最大下移量為0.149 mm。在0.8 s時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)焊頭下移量急劇增加。

圖6 有限元仿真過(guò)程中焊頭隨時(shí)間下移量變化

3.3 仿真驗(yàn)證

3.3.1溫度驗(yàn)證

通過(guò)紅外攝像儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊接試驗(yàn)過(guò)程中的工件溫度，對(duì)限元分析的溫度模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。測(cè)量方法為：將紅外攝像儀的鏡頭對(duì)焦至工件的邊緣，記錄焊接過(guò)程的溫度變化情況。圖7為紅外測(cè)溫儀測(cè)溫結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比，從圖中可以看出試驗(yàn)測(cè)溫結(jié)果在0.2 s附近和0.8 s附近都出現(xiàn)了拐點(diǎn)，總體溫度擬合效果較好。

圖7 模擬最高溫度結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量最高溫度對(duì)比

3.3.2塑性變形驗(yàn)證

圖8分別為0.6 s,0.8 s和1.0 s時(shí)仿真模擬和焊接試驗(yàn)得到的焊接式樣橫截面圖，其中試驗(yàn)樣品金相經(jīng)過(guò)10%的氫氧化鈉溶液處理15 min，并用5%的硝酸溶液清洗，經(jīng)光學(xué)顯微鏡觀察得到的金相結(jié)果。從圖中可以看出，焊頭滾花并未完全的嵌入工件表面，這與焊接參數(shù)有關(guān)。中間齒形嵌入比較平整，兩邊的齒形較為圓滑，主要原因是較薄的工件在焊頭焊接的邊緣處會(huì)發(fā)生上翹的現(xiàn)象，導(dǎo)致焊頭在振動(dòng)過(guò)程中壓痕發(fā)生改變。通過(guò)觀察不同時(shí)間的焊接式樣的金相圖，可以得知鋁片的變量要大于銅片的形變量，且與銅片相鄰的鋁片形變量最大。由于下砧座為平面，導(dǎo)致鋁片的塑性變形量只能向兩邊延伸，從圖中可以得知鋁片的厚度明顯比銅片薄。通過(guò)焊接試驗(yàn)的金相結(jié)果得知，有限元模型較好的模擬了金屬片的形變。

圖8 不同時(shí)間仿真形變與試驗(yàn)金相對(duì)比

3.4 結(jié)果討論

從圖4溫度場(chǎng)分布的仿真結(jié)果可知，0.2 mm厚的銅片在超聲焊接過(guò)程中上下面的溫度分布基本一致，其中溫度最高處為銅片的中心處，形成這種分布的原因是中心向外界散熱的速度較慢，邊緣向外界的散熱速度較快。溫度對(duì)比結(jié)果圖7中，焊接過(guò)程中通過(guò)仿真得到的溫度與實(shí)際測(cè)量的溫度變化過(guò)程基本一直，都是在0.2 s和0.8 s附近出現(xiàn)了拐點(diǎn)。在0.2 s處出現(xiàn)拐點(diǎn)的主要原因是在溫度上升到180 ℃后，鋁和鋁的摩擦系數(shù)大幅度下降，導(dǎo)致了0.2 s后摩擦產(chǎn)熱減小，溫度上升速度變慢。從圖6中可以得知，在0.8 s前焊頭的下移量較小，且焊頭的下移速度隨時(shí)間變長(zhǎng)而緩慢增加。在0.8 s后焊頭的下移量顯著增大，且下移速度隨時(shí)間的增加焊頭的速度仍在增加。對(duì)比圖5得知，在0.8 s之前的主要熱量來(lái)源為界面的摩擦熱，0.8 s后熱量的來(lái)源包括摩擦熱和塑性形變熱，導(dǎo)致溫度上升速度變快，同時(shí)結(jié)合表1與表2中材料的楊氏模量與熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系，合理的解釋了塑性變形的快慢與溫度的關(guān)系，當(dāng)溫度升高到一定溫度時(shí)，材料更加容易變形。

從圖8中0.8 s與1.0 s的金相圖中可以得知，焊接樣品的中心壓痕要比樣品邊緣的壓痕要深，結(jié)合圖4，這是因?yàn)樵竭h(yuǎn)離樣品的中心，焊接過(guò)程中的溫度越小，而溫度對(duì)塑性形變有較大的影響。

4 結(jié)論

(1)使用Abaqus/Explicit軟件建立了包含不同界面的摩擦系數(shù)、材料的聲軟化效應(yīng)及實(shí)際焊接振動(dòng)振幅等多參數(shù)的多層銅鋁二維超聲金屬有限元仿真模型。

(2)模擬溫度場(chǎng)分布結(jié)果表明，多層銅鋁進(jìn)行超聲波焊接時(shí)，其溫度最高點(diǎn)位于上層銅片的中心處。且溫度分布在金屬內(nèi)部向外部以階梯形式擴(kuò)散。

(3)多層銅鋁超聲波焊接過(guò)程中，當(dāng)焊接樣品到達(dá)一定的狀態(tài)時(shí)，整體的塑性變形突然猛烈的增加，鋁片的塑性變形量要大于銅片的塑性變形量，形變量最大的金屬片為與銅接觸的鋁片。

(4)通過(guò)測(cè)量焊接試驗(yàn)過(guò)程的溫度和觀察不同焊接時(shí)間焊接樣品的金相來(lái)檢測(cè)模型的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果吻合較好，較為準(zhǔn)確的模擬了焊接過(guò)程中的溫度與塑性形變規(guī)律。