CN108288689A - 一种铜铝复合极柱的制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于动力电池制造工艺技术领域，尤其涉及一种动力电池铜铝复合极柱的制造工艺，包括以下步骤：步骤1)、加热：将铝块放入加热炉中进行加热并熔解成铝液；步骤2)、注液：将步骤1)中的铝液注入底部含有铜块的模腔内并保温；步骤3)、冷却：使温度由高逐步降低进行冷却处理，形成铜铝复合块；步骤4)、成型：出模后进行尺寸分切，即得到铜铝复合极柱。相比于传统的摩擦焊工艺制造铜铝复合极柱，采用本发明制造工艺制得的铜铝复合极柱具有更高的拉拔强度、更低的接触电阻，且铜铝复合极柱一致性更高，制造风险更为可控，不会出现虚焊等异常情况；此外，本发明制造工艺方法简单，操作简便，制造成本低，适于企业规模化生产。

Description

一种铜铝复合极柱的制造工艺
技术领域
本发明属于动力电池制造工艺技术领域，尤其涉及一种动力电池铜铝复合极柱的制造工艺。
背景技术
在动力电池技术领域，极柱是动力电池中连通电池内外的必要部件，极柱的一端与动力电池的外部电路连接，另一端与动力电池的内部电芯连接，使电池能够实现充放电的功能。由于电池的外电路采用铝材料可以降低成本和重量，所以外电路中单体电池之间的连接一般使用铝片，但电芯内部负极集流片是铜箔材料，所以要求负极柱为铜材料才能保证电池的使用性能。根据这一需要，目前的动力电池负极有采用铜铝复合极柱。在电池的外部，极柱材料为铝，而在电池的内部，极柱的材料为铜，铜铝之间通过摩擦焊连接在一起形成一个整体复合极柱。
然而，实际生产中发现，采用摩擦焊焊接工艺制造铜铝复合极柱的生产工艺存在以下不足：第一、铜和铝的线胀系数不同，容易引起热应力，而且这种热应力往往不易消除，结果会产生很大的焊接变形。第二、在进行焊接过程中，由于焊接应力和脆性的增加，焊接界面容易产生裂纹，尤其是热影响区更容易产生裂纹，甚至发生断裂，大大降低复合极柱的安全性。第二、焊接后铜铝复合界面电阻相对较大，拉拔强度相对较低，大大降低复合极柱连接的可靠性。第四、摩擦焊焊接工艺要求较高，并且还需要保证成型后极柱的圆柱度等，相应也导致复合极柱的制造成本比较高。
有鉴于此，确有必要提供一种解决上述问题的技术方案。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种制造工艺简单，生产成本低，复合极柱性能稳定、拉拔强度高、电阻率低的动力电池铜铝复合极柱的制造工艺。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种铜铝复合极柱的制造工艺，包括以下步骤：
步骤1)、加热：将铝块放入加热炉中进行加热并熔解成铝液；
步骤2)、注液：将步骤1)中的铝液注入底部含有铜块的模腔内并保温；
步骤3)、冷却：使温度由高逐步降低进行冷却处理，形成铜铝复合块；
步骤4)、成型：出模后进行尺寸分切，即得到铜铝复合极柱。
作为本发明所述的铜铝复合极柱的制造工艺的一种改进，步骤4)中形成的铜铝复合极柱的拉拔强度≥9000N/mm2，优选地，拉拔强度≥10000N/mm2。其中，拉拔强度的高低反映了复合极柱的结构稳定性，拉拔强度越高代表铜铝复合强度越强；实验测试表明，通过摩擦焊工艺形成的铜铝复合极柱，其拉拔强度远低于9000N/mm2；而本发明制造工艺制得的铜铝复合极柱，其拉拔强度均在9000N/mm2以上。
作为本发明所述的铜铝复合极柱的制造工艺的一种改进，步骤4)中形成的铜铝复合极柱的接触电阻≤1mΩ，优选地，接触电阻≤0.1mΩ。其中，接触电阻的高低影响着铜铝复合极柱的过流性能，接触电阻越低代表铜铝复合极柱的过流性能越好；实验测试表明，通过摩擦焊工艺形成的铜铝复合极柱，其接触电阻普遍在5mΩ左右；而本发明制造工艺制得的铜铝复合极柱，其接触电阻普遍低于1mΩ。
作为本发明所述的铜铝复合极柱的制造工艺的一种改进，步骤4)中形成的铜铝复合极柱的热膨胀系数≤8.0×10-6/℃，优选地，热膨胀系数≤4.0×10-6/℃。其中，热膨胀系数的高低会影响铜铝复合极柱的结合稳定性，若热线胀系数过大，容易引起热应力，且这种热应力往往不易消除，结果会使铜铝复合面产生变形；实验测试表明，通过摩擦焊工艺形成的铜铝复合极柱，其复合极柱的热膨胀系数普遍在15×10-6/℃以上；而本发明制造工艺制得的铜铝复合极柱，其复合极柱的热膨胀系数普遍低于8×10-6/℃。
作为本发明所述的铜铝复合极柱的制造工艺的一种改进，步骤3)冷却处理过程中对铜铝复合块进行加压，施加压力为8000～13000N。在冷却处理过程对铜铝复合块进行加压处理，这样能够进一步提升铜铝复合极柱的结合强度，并可以有效消除铜铝复合面的内应力。
作为本发明所述的铜铝复合极柱的制造工艺的一种改进，步骤1)中加热的温度为700～950℃。需要说明的是，加热温度的控制至关重要，若加热温度过低，则无法将铝块熔解成铝液；若加热温度过高，则容易使铝液或铜块氧化，从而大大降低铜铝的结合强度，并增加两者的接触电阻。
作为本发明所述的铜铝复合极柱的制造工艺的一种改进，步骤2)中保温的温度为700～950℃，保温的时间为0.5～3h。
作为本发明所述的铜铝复合极柱的制造工艺的一种改进，步骤2)中的铜块采用金属清洗剂进行表面去污处理；这样能够有效去除铜块表面的油污、氧化物等杂质，从而减少接触电阻，提升铜铝熔融结合的结构强度。
作为本发明所述的铜铝复合极柱的制造工艺的一种改进，步骤1)至步骤3)均在真空条件下进行；在真空条件下能够有效避免铜铝基材被氧化。
相比于现有技术，本发明至少具有以下有益效果：
1)相比于传统的摩擦焊工艺制造铜铝复合极柱，采用本发明制造工艺制得的铜铝复合极柱具有更高的拉拔强度，拉拔强度高于9000N/mm2。
2)相比于传统的摩擦焊工艺制造铜铝复合极柱，采用本发明制造工艺制得的铜铝复合极柱具有更低的接触电阻，接触电阻低于1mΩ。
3)相比于传统的摩擦焊工艺制造铜铝复合极柱，采用本发明制造工艺制得的铜铝复合极柱一致性更高，制造风险更为可控，不会出现虚焊等异常情况，且外形更加美观。
4)本发明制造工艺方法简单，操作简便，制造成本低，适于企业规模化生产。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种铜铝复合极柱的制造工艺，包括以下步骤：
步骤1)、加热：将铝块放入加热炉中进行加热并熔解成铝液，其中，加热的温度控制在700℃；
步骤2)、注液：将步骤1)中的铝液注入底部含有铜块的模腔内并保温，其中，保温的温度控制在700℃，保温的时间控制在2h；
步骤3)、冷却：使温度由高逐步降低进行冷却处理，形成铜铝复合块；
步骤4)、成型：出模后进行尺寸分切，即得到铜铝复合极柱。
对制得的铜铝复合极柱进行拉拔强度测试、热膨胀系数测试和接触电阻测试，测得拉拔强度为9500N/mm2，热膨胀系数为6.0×10-6/℃，接触电阻为1.0mΩ。
实施例2
一种铜铝复合极柱的制造工艺，包括以下步骤：
步骤1)、加热：将铝块放入加热炉中进行加热并熔解成铝液，其中，加热的温度控制在950℃；
步骤2)、注液：将步骤1)中的铝液注入底部含有铜块的模腔内并保温，其中，铜块采用金属清洗剂进行表面去污处理；保温的温度控制在950℃，保温的时间控制在1h；
步骤3)、冷却：使温度由高逐步降低进行冷却处理，形成铜铝复合块；
步骤4)、成型：出模后进行尺寸分切，即得到铜铝复合极柱。
对制得的铜铝复合极柱进行拉拔强度测试、热膨胀系数测试和接触电阻测试，测得拉拔强度为10500N/mm2，热膨胀系数为4.0×10-6/℃，接触电阻为0.5mΩ。
实施例3
一种铜铝复合极柱的制造工艺，包括以下步骤：
步骤1)、加热：将铝块放入加热炉中进行加热并熔解成铝液，其中，加热的温度控制在850℃；
步骤2)、注液：将步骤1)中的铝液注入底部含有铜块的模腔内并保温，其中，铜块采用金属清洗剂进行表面去污处理；保温的温度控制在850℃，保温的时间控制在0.5h；
步骤3)、冷却：使温度由高逐步降低进行冷却处理，形成铜铝复合块；
步骤4)、成型：出模后进行尺寸分切，即得到铜铝复合极柱；
其中，步骤1)至步骤3)均在真空条件下进行，以避免铜铝基材被氧化。
对制得的铜铝复合极柱进行拉拔强度测试、热膨胀系数测试和接触电阻测试，测得拉拔强度为12500N/mm2，热膨胀系数为2.0×10-6/℃，接触电阻为0.2mΩ。
实施例4
一种铜铝复合极柱的制造工艺，包括以下步骤：
步骤1)、加热：将铝块放入加热炉中进行加热并熔解成铝液，其中，加热的温度控制在800℃；
步骤2)、注液：将步骤1)中的铝液注入底部含有铜块的模腔内并保温，其中，铜块采用金属清洗剂进行表面去污处理；保温的温度控制在800℃，保温的时间控制在1.5h；
步骤3)、冷却：使温度由高逐步降低进行冷却处理，同时施加8000～13000N压力，形成铜铝复合块；
步骤4)、成型：出模后进行尺寸分切，即得到铜铝复合极柱；
其中，步骤1)至步骤3)均在真空条件下进行，以避免铜铝基材被氧化。
对制得的铜铝复合极柱进行拉拔强度测试、热膨胀系数测试和接触电阻测试，测得拉拔强度为13500N/mm2，热膨胀系数为1.0×10-6/℃，接触电阻为0.1mΩ。
对比例1
本对比例采用传统的摩擦焊工艺，将铜块和铝块进行焊接复合，再进行尺寸分切，即得到铜铝复合极柱。
分别对实施例1～4和对比例1进行拉拔强度测试、热膨胀系数测试和接触电阻测试，测试结果见表1。
表1实施例和对比例的铜铝复合极柱的性能测试结果
组别 拉拔强度(N/mm2) 接触电阻(mΩ) 热膨胀系数(/℃)
实施例1 9500 1.0 6.0×10-6
实施例2 10500 0.5 4.0×10-6
实施例3 12500 0.2 2.0×10-6
实施例4 13500 0.1 1.0×10-6
对比例1 7500 5.0 15×10-6
由表1的测试结果可知，相比于采用传统的摩擦焊工艺制造铜铝复合极柱，采用本发明制造工艺制得的铜铝复合极柱，具有更高的拉拔强度，更低的接触电阻和更低的热膨胀系数，说明本发明采用熔融结合方法获得的铜铝复合极柱结构稳定性强，一致性高，性能更加可靠。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (9)

1.一种铜铝复合极柱的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)、加热：将铝块放入加热炉中进行加热并熔解成铝液；
步骤2)、注液：将步骤1)中的铝液注入底部含有铜块的模腔内并保温；
步骤3)、冷却：使温度由高逐步降低进行冷却处理，形成铜铝复合块；
步骤4)、成型：出模后进行尺寸分切，即得到铜铝复合极柱。
2.根据权利要求1所述的一种铜铝复合极柱的制造工艺，其特征在于：步骤4)中形成的铜铝复合极柱的拉拔强度≥9000N/mm2。
3.根据权利要求1所述的一种铜铝复合极柱的制造工艺，其特征在于：步骤4)中形成的铜铝复合极柱的接触电阻≤1mΩ。
4.根据权利要求1所述的一种铜铝复合极柱的制造工艺，其特征在于：步骤4)中形成的铜铝复合极柱的热膨胀系数≤8.0×10-6/℃。
5.根据权利要求1所述的一种铜铝复合极柱的制造工艺，其特征在于：步骤3)冷却处理过程中对铜铝复合块进行加压，施加压力为8000～13000N。
6.根据权利要求1所述的一种铜铝复合极柱的制造工艺，其特征在于：步骤1)中加热的温度为700～950℃。
7.根据权利要求1所述的一种铜铝复合极柱的制造工艺，其特征在于：步骤2)中保温的温度为700～950℃，保温的时间为0.5～3h。
8.根据权利要求1所述的一种铜铝复合极柱的制造工艺，其特征在于：步骤2)中的铜块采用金属清洗剂进行表面去污处理。
9.根据权利要求1所述的一种铜铝复合极柱的制造工艺，其特征在于：步骤1)至步骤3)均在真空条件下进行。
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