随着对卓越电池性能的要求不断提高,创新的电池技术不断以显著的方式进步,以最大限度地减少空间,最大限度地提高功率密度和存储容量,并延长工作时间和容量。在过去的25年里,超声波焊接技术就是这样一种技术,它帮助我们实现了这样的进步。


一文了解超声波金属焊接如何简化多层电池设计的组装


超声波金属焊接在1990年左右开始广泛使用,它可以很好地连接通常很薄、易碎和不同的有色金属材料,这些材料对先进的电池设计至关重要。这些柔软的导电材料包括铜、铝、镍、黄铜、钛、银甚至金。如今,超声焊接连接在电池中的应用,为手机、笔记本电脑、植入式医疗设备、电动和混合动力汽车、遥控飞机和车辆,甚至是美国宇航局的火星探测器Spirit和Opportunity供电。


超声波金属焊接和拼接的好处


超声波金属焊接和拼接具有很多优点;例如,使用多种有色金属材料。它在异种金属之间建立了永久的冶金结合。


无需熔化,这意味着不会改变材料的化学或冶金学。是连接材料反应性无关紧要的高导电合金的理想选择。该过程不会产生金属间化合物,微粒或引起腐蚀的反应。


这种方法可处理易碎的金属薄膜和结构的粘合,并且多种控制方法可实现过程定制,可重复性和统计过程控制(SPC)。与熔焊或电阻焊相比,低能耗输入的能耗降低了30倍,而且没有消耗品。总体而言,在任何焊接技术中,超声波金属焊接和拼接的单焊接总成本最低。


超声波焊接是一种低能耗的工艺


超声波焊接与其他金属焊接工艺(例如电阻焊或激光焊接)之间的关键区别之一是,超声波焊接是一种相对低能耗的工艺-它从不熔化被焊接的材料。高能焊接过程引起的熔化对于连接高强度黑色金属可能是必不可少的。但是,在连接较软的有色金属时,熔化会成为问题,因为它会导致形成金属间化合物,从而导致过早的材料,连接和电池故障。


例如,将铜和铝融化在一起最初会形成连接,但最终会导致电化腐蚀反应,从而导致连接失败。与焊接相关的熔化还使成功组装多个薄箔的过程变得复杂,这些薄箔必须与现代电池设计中的接线片连接。


超声波金属焊接的基本原理


电源采用标准电线电压(通常为50或60 Hz),并将其转换为金属焊接所需的频率(对于较小和/或更精细的零件,为40 kHz;对于较大,较厚的零件,为20 kHz)。电能通过RF电缆发送到转换器。


随后,转换器利用压电陶瓷将电能转换为电源的工作频率下的机械振荡。这些振动根据增强器和喇叭的配置而增加或减少。振幅或适当的振荡程度通常由应用工程师确定。振幅的精确控制对于可重复的金属焊接至关重要(图1)。


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1.电能可以转换为超声波焊接能量。(由艾默生提供)


通过对由气压缸垂直施加在压力下保持的两个金属零件施加高频振动来实现粘结。下部金属部件在称为砧的工具中保持固定,而上部金属则受到振动的号角(也称为“超声波发生器”)的运动而压靠在其上。超声波发生器从焊机的电源水平延伸,是产生金属与金属结合的超声波能量的来源。


焊接过程开始时,焊头使上部振动抵靠下部。最初,这种快速的振荡剪切力破坏了表面氧化和相邻金属表面上的污染物,从而形成了大面积的金属与金属接触。随着振荡的继续,力会破坏金属表面上的表面粗糙(粗糙区域),直到产生连续的焊接区域。当振荡停止时,由于焊接零件的金属表面重结晶成细晶粒结构,类似于冷加工金属的结构,现在焊接的区域的特征是原子扩散穿过连接零件的界面。


整个过程非常迅速,焊接通常在不到一秒的时间内完成(图2)。


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2.在焊接区域中金属与金属的界面特写。(由艾默生提供)


上部相对下部的振荡剪切力产生的摩擦会产生热量,但热量不足以熔化任何一种金属。(通常,所产生的热量大约等于两种材料的绝对熔点的三分之一至一半。)这种固态过程可形成牢固的焊接结合,但可避免通过薄或易碎的箔片燃烧或使材料熔化而使材料熔化。形成金属间化合物。


精确控制的专业流程


超声波金属焊接是一种专门的过程,需要在以下三个主要方面进行精确控制:


焊接能量控制


焊接幅度控制


焊接模具质量


焊接能量控制


超声波金属焊接系统提供了多种焊接质量控制模式。例如,它们可以焊接固定的时间长度(时间模式),也可以焊接到特定的最终焊接高度(高度模式)。但是,以能量模式进行焊接通常可提供最佳结果。此模式可确保每个焊缝接收相同量的连接能量,其计算方式如下:


E = P×T


其中E等于以焦耳为单位的能量,P等于以瓦特为单位的功率,T等于以秒为单位的时间。焊缝中消耗的瓦特功率P进一步分解为P = F×A,其中F等于施加在焊缝上的向下力(通常由气动执行器产生),A等于振动幅度剪切力直接进入焊缝。


因此,当以能量模式进行焊接时,超声波金属焊机会自动补偿(使用时间)被接合金属的表面状况中常见的差异。换句话说,具有较大程度的氧化或污染的相邻金属表面将需要较长的初始“擦洗”时间,然后才能建立导电性并进行有效的金属对金属连接。能量模式焊接很容易弥补这些差异。


焊接幅度控制


在超声金属焊缝中,振幅是指上部移动的金属零件传递到焊缝区的振荡的长度。成功且可重复的超声波金属焊接生产要求根据要组装的材料仔细计算该振幅。然后必须在整个生产过程中使用焊接电源,转换器和超声焊极/焊头组件的功能对其进行精确控制。


焊接模具质量


超声波金属焊接成功的另一个主要因素是焊接工具的设计和材料组成,尤其是砧座和超声焊极或焊头。砧座对于将固定的金属零件牢固地固定到位至关重要,而焊头必须有效地“抓住”活动的金属零件,并精确地通过它传递振荡的剪切力,以建立结合。


喇叭握住上部的能力是通过专门的机械加工工艺产生的,该加工过程在喇叭的尖端上产生了球形,菱形或锯齿状的“滚花”(凸出的脊状图案)图案。这些滚花以及焊头的整体设计是超声金属焊接过程中的另一个重要因素。


关键连接


无论单个电池是圆柱形的还是方形的锂离子电池,还是新型的锂聚合物袋设计或固态电池,超声焊接都被证明是可靠的,可以将用作阳极和阴极集电器结构的镍和铜接线片和箔互连。


由于很少数量的非常薄的箔片结构被接合,因此这些或其他小型电池结构的焊接通常在40 kHz的频率下以低振幅进行。在棱柱形电池中,40 kHz超声波焊接可以连接多达20个薄的铜箔或铝箔(取决于焊接区域),从而简化了多层电池设计的组装。


当通过汇流排结构连接的较大的电池模块或电池组中需要一个以上的电池时,超声波金属焊缝也会按比例增加以满足这些要求。根据不同的应用,超声波金属焊接可以将导电金属部件接合在一起,例如电池组,线束和电池电缆。对于这些较大的焊缝,通常采用高振幅的20 kHz频率。在此频率,焊接过程可以使用最多5500 W免费功率和至多80 μ运动(振幅)的米。


频率为20 kHz的超声波金属焊接通常用于电动汽车的大型电池组和专用车辆(专用采矿车辆,大型无人机等)的电池组。根据焊接区域的不同,此类应用可能会使用棱柱形电池,这些电池可以将多达100层甚至更多层的箔连接到单个凸耳上。


各种全球要求的焊接工艺文档


在越来越多的行业中,可能需要设备组装或制造数据以符合法规(例如,医疗设备的唯一设备标识符要求),满足质量要求或支持产品保修或服务运营。艾默生的Branson超声波金属焊接设备具有记录焊接参数和过程数据的能力,可以满足各种全球要求。

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