超声金属焊接性能表现--机械强度、电阻和温升

1.引言

近年来，锂电池和电动汽车的快速发展，引起了人们对汇流排(Busbar)材料和厚度的重视。Busbar材料通常是根据电流承载能力、焊接后接头的机械、电和热性能，以及材料的可获得性和成本来确定。汇流排(Busbar)和极耳(Tab)的焊接广泛采用超声波金属焊接（UMW）。

超声金属焊接可焊接不同厚度的不同材料、高光高反射材料和导电材料，可对多层材料进行焊接，且焊接中低热量输入更加安全。通用汽车雪佛兰Volt和日产LEAF的锂电池组目前正在使用超声金属焊接工艺进行生产。尽管超声金属焊接得到广泛应用，但是对焊接后接头品质的研究仅限于机械强度，缺乏对接头电阻和热性能的报告。

本文采用不同厚度的铜制和铝制Busbar和Tab进行焊接。从影响接头品质的三个关键点对焊接质量进行评估：机械强度，电阻和温升。

2.实验设置

2.1Tab和Busbar材料

通常，软包电芯(PouchCell)密封包装上有两个凸起金属片(TerminalTabs)，如图1所示。一般来说，Tab材料是镀镍的铜(Cu[Ni])和铝(AL)，分别作为负极和正极。这里选择0.3mm的Cu[Ni]和AL极片进行测试研究。Busbar材料和厚度的选择取决于电池容量、载流量和热管理系统。铜和铝是电气设备上最常用的Busbar材料。IACS标准定义的铜和铝性能如表1。尽管铜的电阻率、抗拉强度和导热系数优于铝，但是如果考虑重量因素，相同质量下铝的导电率是铜的1.85倍。因此，对于有轻量化设计要求的电动汽车，铝也许是更好的选择。


图1软包电芯结构


表1铜和铝的性能比较。来源IACS:InternationalAnnealedCopperStandard

这里研究采用超声波金属焊接后的接头性能表现：机械强度、电阻和温升。Cu和AL的Busbar采用不同厚度。Tab和Busbar的材料和厚度信息见表2。一般情况下，镀镍的Cu作为Tab，这里镍层厚度2m。镀镍主要是用于耐腐蚀。Busbar和Tab尺寸都是100mmX25mm。


表2Tab和Busbar材料信息


图2(a)超声波金属焊接设备；(b)Tab和Busbar尺寸和焊接区域；(c)T-peel撕力测试。

2.2Tab和Busbar超声波金属焊接

超声波金属焊接比较适用于将薄片焊接到厚金属片上，因此这里将薄片Tab放置在厚片Busbar上方，如图2(a)。这里采用20Khz的6.5KW的超声波金属焊接机，输出振幅30-60m。焊接区域10mmx5mm。影响焊接质量的三个主要参数：焊接压力，焊接时间，焊接振幅。焊接参数水平和组合见表3。触发延迟0.2s，此时气缸压强转化为焊接压力。


表3焊接参数水平和组合

2.3机械强度测试设置

T-peel测试装置见图2(c)。拉力计量程5KN，测试速度20mm/min，以减少速度快速变化引起的冲击。记录测试中的峰值拉力。每组参数下撕力测试3个焊接样件，取均值以表征该参数下的焊接强度。根据载荷-位移曲线，可对焊接结果进行分类：虚焊、良好、过焊。这三大类结果还可以通过焊接截面来进行观察。虚焊(Under-Weld)在焊缝界面上出现未连接的间隙；良好的焊接(Good-Weld)在焊缝界面上呈现均匀结合的结果；过焊(Over-Weld)在焊缝界面上出现了过度减薄并带有片状破碎区。

2.4电阻和温升性能测试设置

为了正确评估接头处的电阻和温升性能，使用T-Peel测试中焊接强度最大的参数和焊接样件。测试装置见图3。Tab-to-Busbar焊接样件两头用铜块夹紧。两侧铜块分别连接电源正负极和电压传感器。另外还有一个电压测量装置，测量点靠近焊接区域。这样就能根据设定的电流大小，计算出焊接后的接头电阻值。电阻产生热量损失，使用焊缝正上方的热成像仪就能记录温升结果。锂软包电芯经过的电流高达300A。这里我们采用250A电流，通电测试时间60s，记录温升结果。同时，还可以计算出接头的电阻随温升变化的结果。


图3Tab-to-Busbar接头的电阻和温升性能测试装置。(a)测试原理图；(b)测试装置。

3.测试结果和讨论

3.1接头焊接强度


图4(a)焊接强度与压强关系曲线；(b)焊接强度与振幅关系曲线；(c)焊接强度与时间关系曲线；(d)电阻和温升测试用焊接参数。

0.3mm铝Tab和1mm铝Busbar焊接，焊接压强在1bar-3.5bar条件下，撕拉力大于200N。但应注意当焊接压强大于2.5bar时，铝Tab变形严重，因此不建议采用。在1.5bar条件下，焊接强度达到最大值，且外观良好。
0.3mm铜Tab和1mm铜Busbar焊接，当焊接压强1.5bar时，焊接强度达到最大值。
振幅对焊接强度的影响见图4(b)。通常来说，在振幅30-35m时接头会产生虚焊，随着振幅增大，焊接结果改善。在两种组合下(铝和铜)，振幅在50m时撕拉力达到最大值。
焊接时间对焊接强度的影响见图4(c)。对于铜制Tab-to-Busbar焊接，随着焊接时间增加，撕拉力稳定增加，在0.55s时撕拉力达到261N。对于铝制Tab-to-Busbar焊接，随着焊接时间增加，撕拉力轻微下降，这是因为AL制Busbar过度变形（过焊）。这里铝制Tab-to-Busbar适合的焊接时间是0.35s，避免虚焊和过焊。
图4(d)是用于后续电阻和温升测试用的最佳焊接参数。
(未完待续，下一篇介绍电阻和温升测试结果)