CN103981401B - 激光焊接性能优良的锂离子电池壳用高强度铝合金 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光焊接性能优良的锂离子电池壳用高强度铝合金，成分：Mn：1.0～1.5wt%，Mg：0.2～1.0wt%，Cu：0.3～0.399wt%，Si：0.251～0.4wt%，Fe：0.2～0.6wt%，Ti：＜0.05wt%，B：＜0.005wt%，Mn（wt%）+Mg（wt%）+Cu（wt%）≥1.8wt%，Mg（wt%）+Cu（wt%）+Si（wt%）≤1.4wt%，其余由Al以及不可避免的杂质元素构成。具有上述合金成分的铝合金板材，具有优良的激光焊接性能和良好的减薄‑拉深成型性，并且O态板材的抗拉强度≥170MPa、H1X态板材的抗拉强度≥230MPa，适合制造锂离子电池壳。

Description

激光焊接性能优良的锂离子电池壳用高强度铝合金

技术领域

本发明涉及一种激光焊接性能优良的锂离子电池壳用高强度铝合金，适用于制造手机、笔记本电脑、数码相机、游戏机等3C(Communication、Computer、Consumer Electronics)产品用锂离子电池壳以及新能源汽车用动力锂离子电池壳。

背景技术

锂离子电池具有体积小、重量轻、比能量高、放电电压稳定、循环寿命长、安全性能好、工作范围宽、无公害、无记忆效应、自放电率低等优点，在手机、笔记本电脑、数码相机、游戏机等3C产品中有着广泛的应用，目前是不可替代的最佳电源供应来源，同时也是新能源汽车用动力电池的首选。

根据锂离子电池的生产过程及服役条件，其要求电池壳用材料具有良好的减薄-拉深成型性以顺利地加工成无破裂且表面平整的电池壳，具有一定的强度和良好的激光焊接性以保证电池在服役过程中的安全性。

在生产实践过程中，Al-Mn系合金以其优良的综合性能而受到锂离子电池生产企业的青睐，成为锂离子电池壳的主流材料。目前，国内应用最广泛的是3003合金，其O态板材的抗拉强度为110MPa，用于制作动力锂离子电池壳；其H14态板材的抗拉强度为160MPa，用于制作3C产品用锂离子电池壳。

3C产品用锂离子电池方面，随着3C类新一代产品的发展，其呈现出功能大融合的趋势，比如，手机对数码相机、音乐播放、蓝牙等功能的整合，手机电视、视讯电话、无线上网、电子商务等大量附加业务的日趋成熟，对电池电量的消耗越来越多，所以，对电池提出了高容量化的要求。新能源汽车用动力锂离子电池方面，为了提高新能源汽车的续航里程，对动力锂离子电池同样也提出了高容量化的要求。为了满足上述要求，锂离子电池生产企业多采用更高强度的铝材以减薄电池壳壁厚的方式来应对。传统的3003合金强度较低，其减薄后容易发生变形，并且使得电池壳的耐膨胀性不足，即使内部压力较小时也容易产生较大的膨胀量，该合金难以满足新产品的性能要求。因此，开发更高强度的铝合金来替代3003合金，是锂离子电池壳用铝合金的发展趋势，需要强调的是，开发的新合金是否具有良好的激光焊接性能，是其可否工业化应用的决定性因素。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供激光焊接性能优良的锂离子电池壳用高强度铝合金。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

激光焊接性能优良的锂离子电池壳用高强度铝合金，其特征在于其成分的质量百分含量为：

Mn：1.0～1.5wt％；

Mg：0.2～1.0wt％；

Cu：0.3～0.399wt％；

Si：0.251～0.4wt％；

Fe：0.2～0.6wt％；

Ti：＜0.05wt％；

B：＜0.005wt％；

Cr：≤0.1wt％；

Mn+Mg+Cu≥1.8wt％；

Mg+Cu+Si≤1.4wt％；

其余由Al以及难以避免的杂质元素。

进一步地，上述的激光焊接性能优良的锂离子电池壳用高强度铝合金，所述铝合金O态板材的抗拉强度≥170MPa，H1X态板材的抗拉强度≥230MPa。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

①涉及的Al-Mn系合金，把Mn、Mg与Cu的总含量严格控制在最佳范围内，使合金具有高强度。

②涉及的Al-Mn系合金，把Mg、Cu与Si的总含量严格控制在最佳范围内，使合金具有良好的激光焊接性能。

③本发明合金成分的铝合金板材具有优良的激光焊接性能，并且具有高强度与良好的减薄-拉深成型性，适合制作锂离子电池壳，成本较低而性能卓越，十分有利于工业化生产与应用。

具体实施方式

根据在Al-Mn系新合金开发过程中对试验现象及数据的分析，其激光焊接性能与Mg、Cu、Si、Ti、B等元素密切相关，上述元素超过一定含量后，会严重降低合金的激光焊接性能。Mg、Cu、Si与Al可形成低熔点共晶相，当Mg、Cu、Si等元素的含量控制不当时，激光焊接时焊池内熔体凝固过程中，会在晶界上形成Al-Mg-Cu-Si低熔点共晶液膜，在凝固收缩应力的作用下，极易在该液膜处形成裂纹，造成合金激光焊接性能不良；而为了提高Al-Mn系合金的强度，添加或提高Mg、Cu等元素的含量，是十分有效的方法；因此，Al-Mn系合金追求良好的的激光性能与追求高强度之间存在一定的矛盾。另外，需要强调的是，做为细化剂加入的Ti、B等元素对合金的激光焊接性能也有着重大的影响，当合金中Ti、B等元素的含量较多时，会使得合金在激光焊接时焊池内有一定几率存有气孔，而该气孔会诱发焊接裂纹，造成合金激光焊接性能不良。

本发明即着眼于锂离子电池壳材料开发过程中，追求良好的激光焊接性能与追求高强度之间存在的矛盾，目的在于提供一种激光焊接性能优良且具有高强度的锂离子电池壳用铝合金。

本发明涉及的激光焊接性能优良的锂离子电池壳用高强度铝合金，其成分：Mn：1.0～1.5wt％，Mg：0.2～1.0wt％，Cu：0.3～0.399wt％，Si：0.251～0.4wt％，Fe：0.2～0.6wt％，Ti：＜0.05wt％，B：＜0.005wt％，Mn+Mg+Cu≥1.8wt％，Mg+Cu+Si≤1.4wt％，其余由Al以及不可避免的杂质元素构成。

Mn：Mn固溶于Al基体中，可有效地提高铝合金板的强度；Mn与Al、Fe、Si等元素可形成细小弥散的Al-Mn相、Al-Fe-Mn-Si相，使再结晶晶粒细化，进一步使铝合金板在减薄-拉深成型时具有良好的表面。优选Mn含量在1.0～1.5wt％的范围内，未达到下限时，其效果不明显，铝合金板的耐膨胀性尚显不足；超过上限时，会形成粗大的金属间化合物，使铝合金板的成形性降低。

Mg、Cu：Mg、Cu固溶于Al基体中，可有效地提高铝合金板的强度；同时使铝合金板的加工硬化变大，提高其耐膨胀性。优选Mg：0.2～1.0wt％、Cu：0.3～0.399wt％；未达到下限时，其效果不大；超过上限时，铝合金板的激光焊接性能会降低。

另外，优选Mn、Mg、Cu的总含量在≥1.8wt％的范围内，未达到该值时，铝合金O态板材的抗拉强度难以达到170MPa、H1X板材的抗拉强度难以达到230MPa，耐膨胀性也较差。

Si、Fe：Si固溶于Al基体中，可有效地提高铝合金板的强度；Si、Fe与Al、Mn等元素可形成数微米尺寸的Al-Fe-Mn-Si相、Al-Fe相，使再结晶晶粒细化，另外还有助于电池壳成形加工时对模具的清洁作用，进一步使铝合金板在减薄-拉深成型时具有良好的表面。优选Si含量在0.251～0.4wt％的范围内、Fe含量在0.2～0.6wt％的范围内，未达到下限时，其效果不明显；超过上限时，会形成粗大的金属间化合物，使成形性降低。

另外，优选Mg、Cu、Si的总含量在≤1.4wt％的范围内，超过该值时，合金的激光焊接性能显著降低。

Ti、B：Ti与B可有效地使晶粒细化，防止成型加工时的破裂和表面粗糙；激光焊接过程中，熔池内可形成多种有效的形核质点，使焊池晶粒细化，防止焊接裂纹的出现。Ti与B通常以Al-Ti-B丝、Al-Ti中间合金、Al-B中间合金的形式加入。优选Ti含量在＜0.05wt％的范围内、B含量在＜0.005wt％的范围内，超过上限时，激光焊接过程中焊池内会残存有气孔，该气孔会诱发裂纹，从而降低合金的激光焊接性能。

Cr：具有细化再结晶晶粒的作用。优选Cr含量在≤0.1wt％的范围内，超过上限时，易生成粗大的金属间化合物从而降低铝合金板的成形性。

难以避免的杂质元素：难以避免的杂质元素是控制范围之外的元素，不可避免地从金属原料、回收材料等中混入。典型的难以避免的杂质元素是，例如，Zn≤0.25wt％、V≤0.05wt％、其他元素≤0.05wt％。在此范围内，即使包含了控制范围之外的元素，也不会抑制本发明的效果。

采用半连续铸造法将铝合金熔体制备成铸锭，而后进行均匀化、热轧、冷轧、中间退火以及最终冷轧，得到激光焊接性能优良、且具有高强度与良好的减薄-拉深成型性的铝合金板材。

<均匀化>

在热轧之前，对铸锭进行均匀化处理，消除微观偏析，并使铸造时形成的非平衡组织转变为平衡组织，以有利于后续的热轧。加热温度为570～620℃，保温2h以上较好，可有效地消除微观偏析。若加热温度过低，或者保温时间过短，无法有效地消除微观偏析，后续热轧时加工性能较差；若加热温度过高，则容易发生过烧。

<热轧>

热轧时初轧温度为450～600℃，若低于450℃，材料的变形抗力较大，所需轧制道次增多，使生产率降低；若高于600℃，轧制过程中会形成粗大的再结晶晶粒，容易造成组织的不均匀。

终轧温度控制在250～350℃，若终轧温度低于250℃，再结晶不完全，后续冷轧时成形性不良；若终轧温度高于350℃，再结晶晶粒会粗大化，不利于后续冷轧。

<冷轧与中间退火>

制备O态板材时，需进行最终退火；制备H1X态板材时，冷轧过程中需对板材进行中间退火，以得到具有目标厚度与目标力学性能的最终冷轧板。O态板材的最终退火与H1X态板材的中间退火可以采用同样的工艺制度。

退火方式可以采用连续退火，也可以采用箱式炉退火。

(采用连续退火时)

升温速度在5℃/s以上较好，若升温速度低于5℃/s，再结晶晶粒较大，使板材的成形性变差。

加热温度控制在400～550℃较好，若低于400℃，板材内Mn、Mg、Cu等元素的固溶量有限，造成板材的强度不足；若高于550℃，会造成Al-Cu相的重熔，不利于后续的加工。

保温时间控制在5～120s较好，若低于5s，再结晶不充分，造成组织不均匀，使板材的成形性降低；若高于120s，再结晶晶粒较大，降低板材的成形性。

冷却速度在10℃/s以上较好，若低于10℃/s，固溶元素Mg、Cu等会析出，使板材的强度降低。

(采用箱式炉退火时)

加热温度控制在300～400℃较好，若低于300℃，板材难以发生再结晶；若高于400℃，会使得再结晶晶粒较大，降低板材的成形性。

保温时间控制在1～3h较好，若低于1h，再结晶不充分，造成组织不均匀，使板材的成形性降低；若高于3h，再结晶晶粒较大，降低板材的成形性。

H1X态板材最终冷轧时，优选最终冷轧率在20～70％的范围内，低于20％时，铝合金板的抗拉强度较低；高于70％时，铝合金板的成形性能降低，进行电池壳减薄-拉深成型加工时，壳体易破裂。

按照上述工艺制造的铝合金板材，激光焊接时不会产生焊接裂纹，具有良好的激光焊接性能，并且具有高强度与良好的减薄-拉深成型性。

下面就具体的实施例进行说明。

实施例

按照表1中各合金的成分，采用半连续铸造法，进行铸锭的制备，铸锭厚度为500mm、宽度为1100mm。

将该铸锭铣面后，进行均匀化处理，加热温度为600℃，保温时间为8h。

均匀化结束后，即开始进行热轧，终轧温度控制在280℃，得到厚度为6mm的热轧板。

热轧板冷却至室温后，进行冷轧，制备O态板材时直接冷轧至目标厚度(1mm～2mm)，而后进行最终退火得到O态板材；制备H1X态板材时，先冷轧得到不同厚度的中间冷轧板，而后进行中间退火，分别采用两种方式进行：①盐浴中间退火(模拟连续退火)，加热温度为500℃，保温时间为30s，而后水冷；②箱式炉中间退火，加热温度为350℃，保温时间为2h，而后空冷。中间退火后进行最终冷轧，得到厚度为0.4mm～0.6mm的冷轧板。

采用上述冷轧板进行了如下的性能检测，结果如表2所示。

<激光焊接性检测>

按下述脉冲激光焊接工艺进行上述冷轧板的焊接试验，在50倍光学显微镜下确认有无裂纹。将不出现焊接裂纹者定为合格，标记为○；将出现焊接裂纹者定为不合格，标记为×。

峰值功率：4.5KW；

脉冲宽度：8ms；

脉冲能量：11.74J；

脉冲频率：20Hz；

焊接速度：3mm/s。

<力学性能检测>

根据GB/T228.1-2010的要求，采用数控铣床制备拉伸试样，拉伸方向与轧制方向平行，于室温下进行拉伸试验，对于O态板材，将抗拉强度大于等于170MPa、断后伸长率大于等于20％者定为合格，将抗拉强度低于170MPa或断后伸长率低于20％者定为不合格；对于H1X态板材，将抗拉强度大于等于230MPa、断后伸长率大于等于2％者定为合格，将抗拉强度低于230MPa或断后伸长率低于2％者定为不合格。

表1各合金的成分(wt％)

表2各合金的性能

注：○表示无焊接裂纹，性能合格；×表示出现焊接裂纹，性能不合格。

根据表1、表2的结果：

合金10因Mn、Mg与Cu的总含量过低，导致强度不足；

合金11、12分别因Cu、Si的含量过高，导致焊接性能较差；

合金13因Mg、Cu与Si的总含量过高，导致焊接性能较差；

合金14、15分别因Ti、B含量过高，导致焊接性能较差。

合金1～9为本发明实施例，各合金元素的含量均较适宜，使合金既具有优良的激光焊接性能，同时又具有较高的强度(O态板材的抗拉强度≥170MPa，H1X态板材的抗拉强度≥230MPa)和良好的减薄-拉深成型性。

综上所述，本发明具有上述合金成分的铝合金板材，其具有优良的激光焊接性能，并且具有高强度与良好的减薄-拉深成型性，适合制作锂离子电池壳。

需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.激光焊接性能优良的锂离子电池壳用高强度铝合金的制备方法，其特征在于包括以下几个步骤：

（1）按如下成分的质量百分含量制备铝合金熔体：

Mn：1.0～1.5wt%；

Mg：0.2～1.0wt%；

Cu：0.3 ～0.399wt%；

Si：0.251～0.4wt%；

Fe：0.2～0.6wt%；

Ti：＜0.05wt%；

B：＜0.005wt%；

Cr：≤0.1wt%；

其余由Al 以及难以避免的杂质元素；

（2）采用半连续铸造法将铝合金熔体制备成铸锭；

（3）对铸锭进行均匀化处理，加热温度为570～620℃，保温2h以上；

（4）对均匀化处理后的铸锭进行热轧，初轧温度为450～600℃，终轧温度为250～350℃；

（5）热轧板冷却至室温后，进行冷轧，制备O态板材时，直接冷轧至目标厚度，而后进行最终退火得到O态板材；制备H1X态板材时，先冷轧得到不同厚度的中间冷轧板，而后进行中间退火，中间退火后进行最终冷轧，最终冷轧率在20～70%的范围内；

（6）O态板材的最终退火与H1X态板材的中间退火采用同样的工艺制度；退火方式为连续退火或采用箱式炉退火；采用连续退火时，以5℃/s以上的升温速度加热至400～550℃，保温时间为5～120s，之后以10℃/s以上的速度冷却；采用箱式炉退火时，加热温度为300～400℃，保温时间控制在1～3h，而后空冷。

2.根据权利要求1所述的激光焊接性能优良的锂离子电池壳用高强度铝合金的制备方法，其特征在于：所述铝合金O态板材的抗拉强度≥170MPa，H1X 态板材的抗拉强度≥230MPa。

3.根据权利要求1所述的激光焊接性能优良的锂离子电池壳用高强度铝合金的制备方法，其特征在于：所述铝合金熔体Mn+Mg+Cu≥1.8wt%，Mg+ Cu+Si≤1.4wt%。