超聲波金屬焊接技術(shù)解決鋰電池焊接難題， 迎接電動(dòng)汽車行業(yè)的未來(lái)
電動(dòng)汽車未來(lái)的成功與日益強(qiáng)大的可充電能源的發(fā)展有關(guān)，特別是鋰離子電池組。無(wú)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(dòng)汽車能否成為汽車市場(chǎng)的主流。
金屬連接技術(shù)對(duì)于鋰離子電池的動(dòng)力發(fā)揮至關(guān)重要。多年來(lái)，超聲波金屬焊接技術(shù)已成為連接這些薄至5 μm、易碎的金屬箔片的首選技術(shù)。這些箔片是鋰離子電池的核心，對(duì)于生產(chǎn)可充電電動(dòng)汽車電源和超級(jí)電容器至關(guān)重要。
超聲波金屬焊接也被證明是一種高度通用的技術(shù)。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(gè)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(yīng)用。這種焊接的多用途性將促使超聲波金屬焊接技術(shù)在電動(dòng)汽車電池開(kāi)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(zhǎng)期以來(lái)，激光或電阻焊接技術(shù)被用來(lái)熔化材料來(lái)粘合高強(qiáng)度含鐵金屬。然而，當(dāng)涉及到EV電動(dòng)汽車電池所需的較軟的有色金屬箔片時(shí)，熔點(diǎn)就成了一個(gè)問(wèn)題。對(duì)于有色金屬，材料熔化會(huì)產(chǎn)生金屬間化合物或腐蝕，從而導(dǎo)致材料和連接處過(guò)早磨損，引發(fā)電池故障。此外，在粘合多個(gè)箔層(在某些情況下為100層或更多)時(shí)，熔化如此薄且易碎的材料可能會(huì)導(dǎo)致幾乎無(wú)法解決的問(wèn)題。
超聲波焊接不需要熔化材料的表面來(lái)連接它們。相反，它對(duì)需要被連接的兩個(gè)金屬工件施加高頻振動(dòng)，這兩個(gè)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(jī)架帶動(dòng)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(dòng)，產(chǎn)生振動(dòng)能，清除上下工件接合面的表面污染物和其他涂層。振動(dòng)產(chǎn)生的摩擦?xí)宄雍厦娴陌纪共黄?，產(chǎn)生一個(gè)干凈、連續(xù)的焊接區(qū)域，使得原子能跨過(guò)接合面，自由擴(kuò)散到另一方。當(dāng)振動(dòng)停止時(shí)，這種原子的自由擴(kuò)散會(huì)再結(jié)晶成為與冷加工金屬相當(dāng)?shù)募?xì)晶粒結(jié)構(gòu)。整個(gè)焊接周期在幾分之一秒內(nèi)完成。
振動(dòng)部件即焊頭產(chǎn)生的熱量?jī)H相當(dāng)于每種材料絕對(duì)熔點(diǎn)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(guò)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(dòng)(振幅)會(huì)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(shù)多樣性的另一個(gè)方面是振幅和振動(dòng)頻率可以根據(jù)應(yīng)用的不同而不同。超聲波焊接技術(shù)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(yáng)極和陰極集電器。鎳和銅極耳和箔通常用于陽(yáng)極集電器，而鋁箔和極耳用于陰極集電器。
對(duì)于箔片數(shù)量相對(duì)較少的電池組件, 通常使用振幅相對(duì)較低的40kHz頻率來(lái)焊接。例如，在方形電池中，40kHz高頻低振幅組合簡(jiǎn)化了焊接過(guò)程，并且可以在多層電池設(shè)計(jì)中連接多達(dá)20片銅箔或鋁箔。無(wú)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(shí)踐事實(shí)證明，超聲波焊接是連接這些易碎結(jié)構(gòu)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(shè)備還能夠在較大的金屬部件與導(dǎo)體、匯流條和線束之間產(chǎn)生牢固的焊接。 當(dāng)應(yīng)用需要將多個(gè)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(shí)，超聲波焊接可以處理匯流條、線束和電纜之間的互連。但對(duì)于這些應(yīng)用，通常使用相對(duì)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(shè)備通過(guò)消耗高達(dá)5500W的功率來(lái)進(jìn)行高達(dá)80微米的水平運(yùn)動(dòng)。這種低頻/高振幅應(yīng)用通常用于電動(dòng)汽車的大型電池組，以及專用采礦車、大型無(wú)人機(jī)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(gè)極耳上。
超聲波金屬焊接工藝的優(yōu)勢(shì)
· 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(jié)合
· 無(wú)需熔化 — 材料的化學(xué)或冶金性能無(wú)變化
· 非常適合焊接高導(dǎo)電合金;材料的反應(yīng)性無(wú)關(guān)緊要
· 不產(chǎn)生金屬間化合物、微粒或引起腐蝕的反應(yīng)
· 非常適合連接薄且易碎的金屬薄膜和結(jié)構(gòu)
· 多種控制方法可實(shí)現(xiàn)流程定制、高重復(fù)性和統(tǒng)計(jì)過(guò)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(wú)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(gè)基本控制因素來(lái)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(lái)提供能量控制：時(shí)間、高度和能量。時(shí)間模式要求每次焊接的周期時(shí)間保持一致。高度模式要求焊接到預(yù)設(shè)的焊接高度。能量模式對(duì)每個(gè)焊接周期應(yīng)用相同的能量。
能量模式是首選模式，因?yàn)樗试S焊機(jī)自動(dòng)補(bǔ)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(dāng)振動(dòng)開(kāi)始時(shí)，這將需要更多的“摩擦”，以建立完全的金屬對(duì)金屬的表面連接合。能量模式能夠補(bǔ)償這些差異，而高度和時(shí)間模式則不能。
能量模式計(jì)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(dòng)上工件在焊接區(qū)域的振動(dòng)距離被稱做焊接振幅。對(duì)振動(dòng)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(guò)焊接設(shè)備的發(fā)生器、換能器和上焊頭協(xié)同工作對(duì)每個(gè)焊接周期實(shí)施精確控制。
· 焊頭夾具
焊頭夾具是指砧座和焊頭， 其設(shè)計(jì)和材料組成。超聲波焊頭能夠抓住上部金屬工件至關(guān)重要，這樣它才能提供準(zhǔn)確的振動(dòng)橫向力，從而實(shí)現(xiàn)與下部金屬工件的結(jié)合。這種抓握是通過(guò)對(duì)焊頭的表面進(jìn)行特殊加工來(lái)實(shí)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(dòng)過(guò)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(jī)精確管理這些重要控制因素, 確保通過(guò)超聲波焊接技術(shù)獲得一致的焊接質(zhì)量。
焊接過(guò)程記錄
對(duì)于許多制造商而言，通過(guò)技術(shù)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(zhǔn)則、支持客戶服務(wù)或滿足產(chǎn)品保修要求。
幸運(yùn)的是，高質(zhì)量的超聲波焊接設(shè)備內(nèi)置實(shí)時(shí)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(yán)苛的質(zhì)量保證要求。
未來(lái)的挑戰(zhàn)和承諾
電動(dòng)汽車制造商開(kāi)發(fā)和制造先進(jìn)、高功率電池的能力與金屬焊接過(guò)程的各個(gè)方面密切相關(guān)——焊接設(shè)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(shí)的乃至全球范圍內(nèi)的技術(shù)支持。幸運(yùn)的是，超聲波金屬焊接技術(shù)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(fù)性，高可靠性和高生產(chǎn)效率的質(zhì)量要求。
作者簡(jiǎn)介
楊約邦，艾默生必能信全球金屬焊業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理。在行業(yè)里深耕二十年，帶領(lǐng)著必能信超聲波金屬焊接的銷售，應(yīng)用和業(yè)務(wù)發(fā)展。本科畢業(yè)于香港理工大學(xué)機(jī)械工程系。
補(bǔ)充圖片：
圖片說(shuō)明：艾默生Branson？ GMX-20MA超聲波金屬焊接設(shè)備在精度和功率方面的持續(xù)改進(jìn)使新一代電動(dòng)汽車電池的開(kāi)發(fā)和組裝成為可能。照片由艾默生必能信提供。
圖片說(shuō)明：艾默生的 Branson？ GMX-20DP超聲波金屬直壓焊接設(shè)備利用高壓力、低振幅的設(shè)計(jì)，針對(duì)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(shuō)明：超聲波金屬焊接可以焊接相對(duì)較粗的電纜、匯流條和端子。由于該過(guò)程在不熔化導(dǎo)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(shuō)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(yáng)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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