超聲波金屬焊接技術解決鋰電池焊接難題， 迎接電動汽車行業(yè)的未來
電動汽車未來的成功與日益強大的可充電能源的發(fā)展有關，特別是鋰離子電池組。無論鋰離子電池是圓柱形、方形、軟包電池還是固態(tài)電池，電源的性能將決定電動汽車能否成為汽車市場的主流。
金屬連接技術對于鋰離子電池的動力發(fā)揮至關重要。多年來，超聲波金屬焊接技術已成為連接這些薄至5 μm、易碎的金屬箔片的首選技術。這些箔片是鋰離子電池的核心，對于生產(chǎn)可充電電動汽車電源和超級電容器至關重要。
超聲波金屬焊接也被證明是一種高度通用的技術。除了連接薄而易碎的金屬箔片外，它還可以用于組裝和連接更厚的電池箔片以及在整個車輛中分配電力所需的大型焊接。這些大型焊接可以包括從厚銅和鋁板匯流條到線束和端子的所有焊接應用。這種焊接的多用途性將促使超聲波金屬焊接技術在電動汽車電池開發(fā)和生產(chǎn)方面發(fā)揮著重要作用。
超聲波金屬焊接的工作原理
長期以來，激光或電阻焊接技術被用來熔化材料來粘合高強度含鐵金屬。然而，當涉及到EV電動汽車電池所需的較軟的有色金屬箔片時，熔點就成了一個問題。對于有色金屬，材料熔化會產(chǎn)生金屬間化合物或腐蝕，從而導致材料和連接處過早磨損，引發(fā)電池故障。此外，在粘合多個箔層(在某些情況下為100層或更多)時，熔化如此薄且易碎的材料可能會導致幾乎無法解決的問題。
超聲波焊接不需要熔化材料的表面來連接它們。相反，它對需要被連接的兩個金屬工件施加高頻振動，這兩個金屬工件被置于“焊頭”和“砧座”之間，下工件被砧座上的齒紋 “抓住”并固定到位，機架帶動焊頭下壓上工件，直到上下工件緊密接觸并壓緊。然后焊頭做水平方向的高頻振動，產(chǎn)生振動能，清除上下工件接合面的表面污染物和其他涂層。振動產(chǎn)生的摩擦會清除接合面的凹凸不平，產(chǎn)生一個干凈、連續(xù)的焊接區(qū)域，使得原子能跨過接合面，自由擴散到另一方。當振動停止時，這種原子的自由擴散會再結晶成為與冷加工金屬相當?shù)募毦Я＝Y構。整個焊接周期在幾分之一秒內(nèi)完成。
振動部件即焊頭產(chǎn)生的熱量僅相當于每種材料絕對熔點的三分之一至二分之一，從而可以在不熔化材料、不燒穿易碎箔或不產(chǎn)生有害金屬間化合物的情況下形成牢固的連接。
圖1：超聲波金屬焊接過程特寫，顯示焊頭、砧座和上下金屬工件的位置。向下的壓力和水平方向振動(振幅)會產(chǎn)生摩擦，從而在焊接區(qū)域?qū)崿F(xiàn)金屬與金屬的連接。圖片由艾默生必能信提供。
超聲波焊接技術多樣性的另一個方面是振幅和振動頻率可以根據(jù)應用的不同而不同。超聲波焊接技術足夠溫和，可以焊接鋰離子電池內(nèi)部的薄而易碎的多層箔片和極耳。鋰離子電池使用陽極和陰極集電器。鎳和銅極耳和箔通常用于陽極集電器，而鋁箔和極耳用于陰極集電器。
對于箔片數(shù)量相對較少的電池組件, 通常使用振幅相對較低的40kHz頻率來焊接。例如，在方形電池中，40kHz高頻低振幅組合簡化了焊接過程，并且可以在多層電池設計中連接多達20片銅箔或鋁箔。無論電池類型是圓柱形、方形、固態(tài)還是新型鋰聚合物電池，實踐事實證明，超聲波焊接是連接這些易碎結構的箔片和極耳的最可靠解決方案。
高品質(zhì)的超聲波金屬焊接設備還能夠在較大的金屬部件與導體、匯流條和線束之間產(chǎn)生牢固的焊接。 當應用需要將多個電池并入電池模塊中，然后將模塊連接在一起形成電池組時，超聲波焊接可以處理匯流條、線束和電纜之間的互連。但對于這些應用，通常使用相對較低的20kHz頻率和較高的振幅。在20KHz頻率下，超聲波金屬焊接設備通過消耗高達5500W的功率來進行高達80微米的水平運動。這種低頻/高振幅應用通常用于電動汽車的大型電池組，以及專用采礦車、大型無人機和其他特殊車輛，其中的方形電池根據(jù)焊接尺寸和面積，可以將100多層的箔片焊接到單個極耳上。
超聲波金屬焊接工藝的優(yōu)勢
· 適用于各種有色金屬材料
· 在不同金屬之間建立永久的冶金結合
· 無需熔化 — 材料的化學或冶金性能無變化
· 非常適合焊接高導電合金;材料的反應性無關緊要
· 不產(chǎn)生金屬間化合物、微粒或引起腐蝕的反應
· 非常適合連接薄且易碎的金屬薄膜和結構
· 多種控制方法可實現(xiàn)流程定制、高重復性和統(tǒng)計過程控制SPC (Statistical Process Control)
· 低能量輸入(能耗比熔焊或電阻焊低 30 倍);無耗材
· 總成本低于其他各類焊接工藝
精確控制確保焊接質(zhì)量的一致性
超聲波金屬焊接基于三個基本控制因素來確保焊接質(zhì)量：能量控制、振幅控制和焊頭夾具質(zhì)量。
· 焊接能量控制
超聲波焊接提供三種不同的焊接模式來提供能量控制：時間、高度和能量。時間模式要求每次焊接的周期時間保持一致。高度模式要求焊接到預設的焊接高度。能量模式對每個焊接周期應用相同的能量。
能量模式是首選模式，因為它允許焊機自動補償被接合材料表面狀況的任何差異。例如，一些需要接合表面可能有不同程度的污染，當振動開始時，這將需要更多的“摩擦”，以建立完全的金屬對金屬的表面連接合。能量模式能夠補償這些差異，而高度和時間模式則不能。
能量模式計算公式如下：
· 焊接振幅控制
在下壓力的作用下，焊頭壓緊被焊工件到砧座上，焊頭帶動上工件在焊接區(qū)域的振動距離被稱做焊接振幅。對振動幅度的要求通常是根據(jù)被焊接材料的類型和狀況確定的，并且通過焊接設備的發(fā)生器、換能器和上焊頭協(xié)同工作對每個焊接周期實施精確控制。
· 焊頭夾具
焊頭夾具是指砧座和焊頭， 其設計和材料組成。超聲波焊頭能夠抓住上部金屬工件至關重要，這樣它才能提供準確的振動橫向力，從而實現(xiàn)與下部金屬工件的結合。這種抓握是通過對焊頭的表面進行特殊加工來實現(xiàn)的，就是把焊頭的表面制作成球形、菱形或鋸齒狀歯紋，在振動過程中能夠牢牢夾持住上工件，下部金屬工件由下部砧座固定到位。超聲波焊機精確管理這些重要控制因素, 確保通過超聲波焊接技術獲得一致的焊接質(zhì)量。
焊接過程記錄
對于許多制造商而言，通過技術手段記錄產(chǎn)品質(zhì)量變得尤為重要。各行各業(yè)都要求記錄產(chǎn)品裝配和制造數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要提供這些數(shù)據(jù)，以符合監(jiān)管準則、支持客戶服務或滿足產(chǎn)品保修要求。
幸運的是，高質(zhì)量的超聲波焊接設備內(nèi)置實時監(jiān)控和處理焊接數(shù)據(jù)的能力，使制造商能夠更有效地滿足多樣化和日益嚴苛的質(zhì)量保證要求。
未來的挑戰(zhàn)和承諾
電動汽車制造商開發(fā)和制造先進、高功率電池的能力與金屬焊接過程的各個方面密切相關——焊接設備質(zhì)量、焊接模式控制、焊頭夾具的精度和耐用性、數(shù)據(jù)收集和通信能力以及及時的乃至全球范圍內(nèi)的技術支持。幸運的是，超聲波金屬焊接技術已被證明是首屈一指的金屬連接工藝，它可以滿足工業(yè)規(guī)模所要求的高重復性，高可靠性和高生產(chǎn)效率的質(zhì)量要求。
作者簡介
楊約邦，艾默生必能信全球金屬焊業(yè)務發(fā)展經(jīng)理。在行業(yè)里深耕二十年，帶領著必能信超聲波金屬焊接的銷售，應用和業(yè)務發(fā)展。本科畢業(yè)于香港理工大學機械工程系。
補充圖片：
圖片說明：艾默生Branson？ GMX-20MA超聲波金屬焊接設備在精度和功率方面的持續(xù)改進使新一代電動汽車電池的開發(fā)和組裝成為可能。照片由艾默生必能信提供。
圖片說明：艾默生的 Branson？ GMX-20DP超聲波金屬直壓焊接設備利用高壓力、低振幅的設計，針對電池簿材焊接能減少損壞和粉塵。照片由艾默生必能信提供。
圖片說明：超聲波金屬焊接可以焊接相對較粗的電纜、匯流條和端子。由于該過程在不熔化導電金屬的情況下連接它們，因此金屬材料本身的完整性和特性不受影響。照片由艾默生必能信提供。
圖片說明：超聲波焊接提供了成熟、可靠的解決方案，用于接合通常用作陽極集電器的銅箔和極耳。照片由艾默生必能信提供。
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