添加中间层对超声波焊接头界面及导电性能影响研究

王财灵，邢彦锋，刘立峰，贾慎锋，张安

（1.201620 上海市 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院；2.201799 上海市 上海和达汽车配件有限公司）

0 引言

近年来，随着汽车的电动化浪潮来袭，超声波焊接工艺作为一种锂电池极耳连接的关键制造技术受到高度关注[1]。锂电池单体制造过程中主要有以下工序：制浆、涂布、焊接、装配、化成，其中焊接技术是单体电池制造工艺中关键[2]。单体到模组、模组成PACK 的过程均有使用焊接技术方案。电池的制造过程中，不仅极片与极片的连接甚至电池的封装需要使用焊接工艺，任何影响焊接的连接缺陷均会影响锂电池性能。因此，如何通过超声波焊接建立高效的极片连接亟待解决[3-4]。

本文通过1060 铝合金和T2 紫铜添加中间夹层的超声波焊接，分析超声波焊接过程，试图了解超声波焊参数对工件行为的影响，对比分析界面的平行振动方向和垂直振动方向的界面情况。在焊接时间0.5 s、焊接振幅50%、焊接压力-0.2 MPa、能量30 J 的参数下，分别添加12 μm 厚的银箔、10～20 μm 颗粒大小银粉、铁粉、石墨粉为接头的中间夹层，通过EDS、SEM 手段分析界面的塑性流动和元素扩散情况。测量不同夹层下接头的电阻值大小，分析影响导电性能的因素。

1 实验材料和方法

实验选用1060 铝合金（0.2 mm×20 mm×100 mm）和紫铜（1 mm×20 mm×100 mm），材料化学成分见表1。3 层铝和1 层铜试样进行焊接，采用铝上铜下的方式焊接，如图1 所示。实验采用实验用焊机，型号为MW-2040，最大输出能量为 4 000 J，最高频率为20 kHz。超声波焊接系统由气泵、焊机以及控制器组成，如图2 所示。

图1 工件焊接试样尺寸示意图Fig.1 Schematic diagram of workpiece welding sample size

图2 超声波焊接系统设备图Fig.2 Equipment diagram of ultrasonic welding system

表1 T2 紫铜和1060 铝合金的化学成分Tab.1 Chemical composition of T2 copper and 1060 aluminum alloy

超声波焊接质量主要受焊接振幅、焊接时间、焊接能量、焊接压力等工艺参数的影响。通过预实验以及公式（1）综合得出焊接参数。本次实验采用能量控制型，焊接能量固定为30 J，选择焊接时间0.5 s，焊接振幅50%，焊接压力0.2 MPa 的参数条件下，在工件中添加不同夹层进行超声波焊接。

本文选取12 μm 厚的银箔、10～20 μm 颗粒大小银粉、铁粉、碳粉为铝铜界面中间夹层。相关资料表明，线膨胀系数相差越小越容易焊接。各材料物理性能见表2。实验中，银箔采用全覆盖在铝铜接触界面间的方式添加，银粉、铁粉、石墨粉均采用一勺（约0.5 g）均匀涂抹在铝铜界面接触面。一共做以下实验：组别1 未添加夹层，组别2 添加银箔，组别3 添加银粉，组别4 添加铁粉，组别5添加碳粉。每组别分别做6 次实验，1 次用来制作金相实验，观察界面组织特性；其余5 组用来分析电阻性能。电阻采用微欧计测量，测量接头两端距离为40 mm，5 次测量取平均值。电阻测量方式及微欧计见图3。利用金相试样，在扫面电镜下寻找焊缝以及断口内的特殊区域，使用能谱仪对其进行成分分析，获取元素浓度曲线及含量信息，分析接头横截界面的连接情况。

表2 实验材料的主要物理新性能Tab.2 Main new physical properties of experimental materials

图3 接头电阻值测量示意图和微欧计Fig.3 Schematic diagram of joint resistance measurement and micro-ohmmeter

2 结果与分析

2.1 超声波焊接过程分析

超声波焊接是利用超声波的高频振荡能量，在静压力作用下使焊件接触表面产生强烈的表面效应（摩擦效应）与体积效应（超声效应）作用，以清除表面氧化物并加热而实现的一种压焊方法[5]。图4 为单侧导入时超声波焊接方法原理图，本次实验采用这种焊接方式。

图4 单侧导入式超声波焊接方法的原理图Fig.4 Schematic diagram of single-side introduction ultrasonic welding method

焊件5 被夹持在上声极4 和下声极6 之间。上声极向焊件输入超声波焊接能量，而下声极则用来施加静压力。上声极的能量转换是通过一系列的能量及传递而来，超声波发生器1 将工频电流转为超声波频率的振荡电流，经换能器2 转换为图中D方向的弹性机械振动，聚能器3 用来放大振幅并耦合负载。焊件就是在静压力及弹性机械振动的共同作用下，将弹性机械振动能转变为焊件间的摩擦功、形变能和温升，从而实现固态下的焊接。

超声波焊接技术包括3 个阶段。第1 阶段：在USW 工艺中，通过超声波和铁砧施加法向力（由于夹持压力）以及剪切力（由于部件的横向振动），使焊接表面靠近。金属的表面可能有氧化涂层以及污染物，如水分和润滑剂，这妨碍了金属与金属的正常接触。此外，试样的表面可能有很多不规则的凹坑，这取决于其粗糙度，因此，焊头和工件接触点的初始数量取决于表面粗糙度和施加在其上的法向力；第2 阶段：超声振动与法向力一起开始，在大多数情况下，顶部试样相对于底部试样移动。由于这种压迫力和焊接界面的摩擦性相对运动，焊接的过程启动开始产生原子位错，因此，焊接金属的表面之间在4～5 nm 的距离上产生化学键，电子的交换在两个表面之间发生，这导致焊接区的塑性变形和剪切干扰物，从而产生了一个原子级的清洁焊接表面；第3 阶段：此阶段对于在表面之间产生牢固的连接至关重要，包括原子在微观尺度上跨越界面结合线的扩散。在第3 阶段，焊接界面受到严重的塑性变形，这导致晶粒和晶体分裂，形成更小的亚晶粒，因此小的焊接区（称为微焊缝）被演化出来。随着时间的推移，振动增加了微焊接区，最后焊接区完全被焊接材料充满。塑性变形区下的区域在振动的超声波能量作用下形成残余应力。然而，由于快速产生的高温导致原子改变其在晶格中的功能位置，这种残余应力最终会在这个区域得到释放[6]。

图5 显示了垂直于静压力方向的铝铜超声波接头连接界面EDS 图谱，图5（a）为平行于振动方向，图5（b）为垂直于振动方向。可以发现，平行方向的材料的塑性流动更强，且原子的扩散距离约是垂直方向的2 倍。

图5 接头界面EDS 图谱Fig.5 EDS spectrum of joint interface

超声波焊接功率计算[7]：

式中：P——超声功率，W；v——相对速度，m/min；μ——摩擦系数；S——接触面积，mm2；F——超声波焊机所施加的静压力，N；A——振幅，μm；f——超声波焊机的频率，kHz。

式（1）中P、μ、S、f 为固定值，在超声波焊接过程主要受到参数影响。由式（1）可得到式（2）相对速度v 的表达式：

由此可知，工件-工件间的相对速度主要受振幅和频率的影响，振幅主要受工件剪切力影响。

2.2 添加中间夹层的界面组织特性

2.2.1 添加银箔的接头界面特性

银是一种常用高导电金属，线膨胀系数介于铝铜之间，说明银金属能够较好实现与铝铜的超声波焊接[8]。图6 为添加银箔为中间夹层的垂直于静压力且平行于振动方向的EDS 图。相较于图5（a）中的铝铜，界面间的塑性流动有减小。Cu 原子受高频振动力的作用发生轻微的元素扩散，铝和铜连接呈现较小幅度的波浪形，界面的材料塑性流动行为强于元素扩散行为。图6（b）为所有元素的面分布情况，图6（c）为Cu 在界面的分布情况，图6（d）为Al 在界面的分布情况，图6（e）为中间夹层Ag 的分布情况，图6（f）为氧元素的分布情况。银箔在焊接前是平整地铺在铝铜界面中，静压力和高频振动作用下银箔分别与铝、铜表面接触，随后实现连接。

图6 添加银箔的铝铜超声波接头界面EDS 图Fig.6 EDS diagram of aluminum-copper ultrasonic joint interface with silver foil

图7 显示了铝铜界面的EDS 面总谱图，通过面扫描分析可以确认铝铜连接界面的化学成分。在图7 面总谱中含有微量的C、O、Si，上述元素主要来源于研磨、抛光膏、镶嵌料。

图7 添加银箔的铝铜界面的EDS 面总谱图Fig.7 The EDS surface total spectrum of the aluminum-copper interface with silver foil

2.2.2 添加银粉的接头界面特性

图8 显示了铝铜超声波接头在中间夹层添加银箔的界面EDS 图。图8（a）为接头的电子图像。发现在铝侧有不规则的孔洞存在，且部分呈连续长条形。从表2 可知，银的密度为10.5 g/cm3，远大于铝的2.7 g/cm3，银的密度略大于铜的密度。在超声波焊接过程中的第2 阶段，伴随高频振动产生的剪切力和垂直振动方向的静压力，造成了孔洞状的界面形成[8]。在一个振动周期中，因有铝粒子的存在，铝、银粉、铜三者间存在相对速度。高频振动的传导阶段先从焊头发出，传导至铝箔，铝箔传导至银粉和铜片，铝与银粉和铜片同时均有接触，但银粉受到的摩擦力和铜片不等。超声波焊接过程中，每秒振动近20 万个周期，每个周期50μs，本次实验0.5 s 的焊接时间即10 万个周期。相对速度相差较大，进而密软的铝层上出现不规则孔洞，也进一步被超声波焊接过程中所进行的实验和理论证实。

图8 添加银粉的铝铜超声波接头界面EDS 图Fig.8 EDS diagram of aluminum-copper ultrasonic aluminum-copper interface with silver powder

图9 面总谱图中未见银元素，这是因为超声波接头的界面处仅含有微量银粉，在切割接头是粉末无法固定在切开的界面间。

图9 添加银粉的铝铜界面的EDS 面总谱图Fig.9 EDS surface general spectrum diagram of joint interface with silver powder

2.2.3 添加铁粉的接头界面特性

铁是一种柔韧且延展性较好的金属。图10 为添加10～20μm 颗粒铁粉为中间层的超声波焊接接头界面EDS 图。

图10 添加铁粉的铝铜超声波接头界面EDS 图Fig.10 EDS diagram of aluminum-copper ultrasonic joint interface with iron powder

图10（a）为接头SEM 电子图像，图10（b）为界面扫描元素分布图，图10（c）为Cu 在界面中的分布情况，图10（d）为Al在界面中的分布情况，图10（e）为C 元素的分布情况，图10（f）为O元素的分布情况。对比未添加的界面能谱图可以发现，添加铁为中间元素的接头塑性流动情况明显减小，且在界面结合处未见明显的铁元素集聚。图11 为界面的面总谱图，元素含量中仍未见铁元素。造成该现象的主要原因在于铁粉末在界面中仅以10 μm 左右直径的颗粒存在，故在超声波接头中无法大面积集聚在接头；还有一种原因，在超声波焊接过程中，铁的分量无法足够存在于界面中，故含量小而无法观察到。但含有铁粉却对超声波焊接连接中的材料塑性流动和元素扩散有较大的影响。

图11 添加铁粉的铝铜界面的EDS 面总谱图Fig.11 EDS surface general spectrum diagram of aluminum-copper interface with iron powder

2.2.4 添加石墨粉的接头界面特性

石墨粉可耐高温，耐磨，有润滑作用，同时也是一种很好的非金属导电粉末物质[9]。石墨粉在不同环境下电阻值会发生变化，具有以下特殊的性质：耐高温，熔点为3 850±50℃；高导电、导热性，导电性能比一般非金属矿物高100 倍，导热性超过钢、铁等金属材料；可塑性、韧性好；抗热震性，受到温度的剧烈变化而不致破坏，温度突变时，石墨的体积变化不大，不会产生裂纹。图12 为铝铜超声波接头添加石墨粉，图12（a）为接头的SEM图，可以看出界面区域有条明显的乳白色连接线；图12（b）为界面各种元素的情况分布图；图12（c）显示了界面中Cu 元素的分布情况；图12（d）显示了界面中Al 元素的分布情况；图12（e）显示了C 在界面中的分布情况，显示碳元素集聚在界面连接处[10]；图12（f）显示了氧元素的分布情况。从图12 中可以看出，界面连接线较平直，塑性流动较弱。在焊接过程中静压力先作用于工件上，随后毡头开始高频振动，由于铝铜界面添加的石墨粉具有润滑性，相对速度相较于无添加的接头有所减小。图13 为添加石墨的面总谱图，显示碳元素的含量较其他几种接头未有明显变化。

图12 添加石墨粉的铝铜超声波接头界面EDS 图Fig.12 EDS diagram of aluminum-copper joint interface with graphite powder

图13 添加石墨粉的铝铜界面的EDS 面总谱图Fig.13 EDS surface spectrum diagram of ultrasonic aluminum-copper interface with graphite powder

2.3 导电性能

材料的导电性能与它的结构、组织、成分等因素有关。经典电子理论认为，在金属晶体中，离子构成晶格点阵，并形成一个均匀的电场，价电子是完全自由的，称为自由电子。在施加电场时，自由电子沿电场方向做加速运动，从而形成电流。在自由电子定向运动过程中，要不断与正离子发生碰撞，使电子受阻，这就是电阻产生的原因。从这种认识出发，设电子两次碰撞之间运动的平均距离（自由程）为l，电子平均运动速度为，单位体积内的自由电子数为n，则金属电导率[11]为

接头电阻的计算式为[12]

式中：L——导体长度；S——导体的横截面积。

本文测试超声波焊接接头电阻中的L=40 mm，横截面积S 几乎相等。从式（3）、式（4）可以看出，金属接头的电阻取决于自由电子的数量、平均自由程和运动速度[11]。图14 显示了添加不同夹层下的超声波焊接接头电阻值。在焊接能量30 J、焊接时间0.5 s、焊接振幅50%、焊接压力0.2 MPa 的条件下，5 种添加情况分别为未添加、添加12 μm银箔、添加10～20 μm 颗粒银粉、铁粉、石墨粉。

图14 接头在添加不同夹层的电阻值Fig.14 Resistance value of the joint with different interlayers added

从图14 可知，添加银箔的超声波焊接接头的电阻明显大于其他条件下的接头阻值。图6（a）中接头的连接界面之间有层致密的银箔，铝和铜未实现直接连接，而是银箔夹中间层分别和铝、铜连接，这就导致了自由电子在接头的迁移需要全部进入银箔，随后再进入铝/铜金属中，其他中间夹层条件下自由电子可部分或全部直接进入铝/铜金属中，可推测在添加银箔的接头中的自由电子的运动速度慢于其他接头。由图14 可进一步得知，未添加接头的电阻约为40 μΩ，与未添加、添加银粉、铁粉、石墨粉的接头电阻值无明显的差异[13-14]。

3 结论

（1）超声波焊接的过程中，工件间存在相对速度，接头界面平行于振动的塑性流动和元素扩散均强于垂直于振动方向的界面。焊接过程中，工件-工件间的相对速度主要受振幅和频率的影响，振幅主要影响对工件的剪切力大小；

（2）添加中间夹层后，接头相较于未添加中间夹层均有不同程度塑性流动和元素扩散减弱趋势。其中，添加石墨对超声焊连接过程中摩擦起到润滑作用，较大程度阻碍了接头的元素间扩散。

（3）接头中添加银箔的电阻值约为55μΩ，明显大于其他条件下的接头，主要是因为自由电子在金属中的迁移受到影响。添加银粉、铁粉、石墨粉和未添加的接头导电性能无明显差异。