真空扩散焊对铝合金负极性能的影响

詹超飞 吕霖娜 王培侨

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津 300384)

通常水激活电池均采用双极性的堆式结构，有效减少单体间的连接体，使电池更加紧凑，有效减小质量和体积，提高电池比能量和比功率[1]。铝氧化银电池因其具有高比功率、高比能量、长贮存等优点，具有很好的发展前景，作为水激活电池的一种，负极采用的是铝合金电极，本文中的双极性结构采用铝合金板、镀银铜箔、银正极和隔膜组成。

目前镀银铜箔和铝合金板采用硅胶进行粘接，从而起到密封作用，这种胶粘工艺存在的不足主要有四个：第一，粘贴镀银铜箔过程中容易导致连接处存有空气，会增大接触电阻；第二，由于密封胶失效或者涂胶不均匀导致的开口，或者负极板因为腐蚀穿孔导致电解液进入铝合金板和镀银铜箔之间，增大电池内阻；第三，长期贮存时会使铝合金板和镀银铜箔之间接触电阻增加。本文中是采用真空扩散焊接技术将铝合金板和镀银铜箔焊接在一块，这种方法能够很好的解决了上述问题。

真空扩散焊接是在真空环境下，将两种待焊接金属表面相互接触，通过加压，使接触表面发生微观的塑性变形，或者焊接面发生微量液相来增加表面的接触面积，使接触原子间形成金属键，经过一定的保温时间，原子不断扩散，相互渗透，来实现焊接的方法。目前国内对铝合金的真空扩散焊接的专家很多，巩云峰对6061铝合金真空扩散焊接进行了研究，采用银箔为中间层进行焊接[2]，并进一步研究了焊接工艺参数对6061-T6铝合金真空扩散焊接接头形貌和性能的影响，得出比较好的工艺参数为：焊接温度540℃，保温时间为2小时，焊接压力为4.0MPa[3]；张永琴对铝合金与镁、铜焊接工艺及接头组织和性能进行了研究，固相扩散焊接和液相扩散焊接均可以实现铝合金和铜的有效连接，形成完整的焊接接头[4]；李旭东对铜和铝在450℃，保温3小时的条件下进行焊接，能够得到拉伸强度约为17MPa的焊接接头[5]；曹慧丽，王振亚，金贵东对6063铝合金的扩散焊接进行了研究，焊接过程的保温时间不够，或者焊接前表面的氧化夹杂物太多，使焊接面晶界迁移不够充分，会形成界面缺陷[6]。

真空扩散焊接主要有四个优点：1.焊接接头能够保持均质的金属和合金原有的主要性能，形成与母材性能和显微组织非常接近的性能。2.能够保持焊接头在高温下不被氧化。3.可以焊接各种冶金、物理性能差别较大的材料。4.可以焊接厚薄悬殊的工件[7]。本文主要研究铝合金采用真空扩散焊接后对铝合金负极性能的影响。

1 实验

1.1 实验样品制备

将铝合金裁成31.2mm×24.3mm大小，用砂纸打磨去除表面的氧化膜，再用丙酮在超声波中清洗去油，同时将镀银铜箔裁成相同尺寸，两者进行整齐码放，放入真空扩散焊设备内进行焊接，焊接压力定为395℃，焊接压力设置为11MPa，保温时间为120min，真空度为-0.09～-0.1MPa。现将本次实验的焊接样品进行编号，未经真空扩散焊接的铝合金电极样品编号为A1，经过真空扩散焊接的样品编号为A2。

2 实验分析方法

2.1 硬度测试

本实验采用维氏硬度仪进行测试，在5kgf力下进行测试，测试样品裁成30mm×30mm，每个样品测试5个点取平均值。

2.2 自腐蚀测试

自腐蚀的测试方法采用排液法测量铝合金析氢速率，碱液的温度用水浴锅加热到80℃～82℃，如图2所示，使用倒置滴定管和漏斗自制的试验装置。每片负极，从其接触电解液产气后开始计时，每分钟为一个时间节点，取第3～5分钟稳定段的平均值。

图1 排水集气法原理图

2.3 极化曲线测试

采用CHI660B电化学工作站，三电极体系，参比电极为汞-氧化汞电极，辅助电极为金属镍，在4.5mol/L的NaOH为电解液，在100 mA/cm2电流密度下，在常温下对样品A1和A2进行恒流极化曲线测试。

2.4 电压性能测试

电性能测试过程，是在A1和A2样品分别布置隔膜粒，并与AgO正极组装成单体电池，在相同的温度电解液下进行放电，电流密度为620mA/cm2，电解液组成为4.5mol/L的NaOH和20g/L锡酸钠。

3 实验结果及分析

3.1 硬度实验

采用维氏硬度仪对扩散前后铝合金硬度进行测试。测试结果如图2所示，铝合金经过扩散焊接后，强度下降，维氏硬度由原来的34.8下降到23.8。这主要是由于扩散焊接温度过高，超过了铝合金的再结晶温度，导致铝合金晶粒尺寸长大，错位密度降低，硬度下降。

图2 真空扩散焊接对铝合金硬度的影响

3.2 自腐蚀实验

采用排水集气法测量A1、A2铝合金样品的自腐蚀速率，测试结果如表1、图3所示。

图3 样品析氢速率

表1 平均析氢速率比较

由表1可知，扩散焊接后铝合金负极的静态析氢第3min～5min的平均值为0.6034 ml/(cm2·min)，未进行扩散焊接的析氢速率为0.4152 ml/(cm2·min)，经过真空扩散焊接后，铝合金的析氢速率增大了约0.5倍，这是因为真空扩散焊工艺能够使铝合金成分进行均匀化处理，同时又导致铝合金的晶粒的生长变大，使铝合金晶粒更容易从表面脱落，最终导致析氢速率的增大。

3.3 极化试验

采用三电极体系进行测试，在4.5mol/L NaOH溶液中对铝电极进行恒流极化性能测试。结果如图，从图4可以看出，A2的稳定电位为-1.268V，比A1样品负移34mV。铝电极经过长时间的高温扩散焊处理后，成分均匀化程度得到提高，起活化作用的微量合金元素在铝合金内分布更加均匀，使得铝合金的极化程度降低，稳定电位提高。

图4 A1、A2样品在碱液中的极化曲线

3.4 电压性能测试

将两种铝合金电极分别制备成负极，并且组装成单体电池，并在相同的电解液和放电温度下进行电性能测试，测试结果如图，从图5可以看出，截止到15min时，放电过程中平均电压A2比A1大28mV，所以A2可以放电到17min。

图5 电压曲线

用交流内阻仪进行对焊接样品A2和采用胶进行粘接工艺样品A1内阻进行测量，A2测得内阻为0.02mΩ，金属与金属进行扩散连接，接触电阻小，而采用704硅胶粘接，A1测得的内阻为0.18mΩ，扩散焊接的接触电阻要小于704胶粘接，所以在放电过程中，A2单体电池的内阻要小于A1单体电池，同时，扩散焊接使A2的电位更负，所以放电过程中，A2单体的输出电压要高于A1。

4 实验结果

(1)扩散焊接使铝合金电极的成分分布更加均匀，电位负移，自腐蚀速率增加，使电极电化学活性提高。

(2)真空扩散焊接减小铝电极和镀银铜箔之间的接触电阻，提高电池的性能。

(3)真空扩散焊接使铝合金电极的硬度降低。