莱芜挚虐实业有限公司

　　電動(dòng)汽車(chē)未來(lái)的成功與日益強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(chē)能否成為汽車(chē)市場(chǎng)的主流。

　　金屬連接技術(shù)對于鋰離子電池的動(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，對于生產(chǎn)可充電電動(dòng)汽車(chē)電源和超級電容器至關(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(chē)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(xiàn)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(shù)在電動(dòng)汽車(chē)電池開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)方面發(fā)揮著(zhù)重要作用。

超聲波金屬焊接的工作原理

　　長(cháng)期以來(lái)，激光或電阻焊接技術(shù)被用來(lái)熔化材料來(lái)粘合高強度含鐵金屬。然而，當涉及到EV電動(dòng)汽車(chē)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)生的摩擦會(huì )清除接合面的凹凸不平，產(chǎn)生一個(gè)干凈、連續的焊接區域，使得原子能跨過(guò)接合面，自由擴散到另一方。當振動(dòng)停止時(shí)，這種原子的自由擴散會(huì )再結晶成為與冷加工金屬相當的細晶粒結構。整個(gè)焊接周期在幾分之一秒內完成。

　　振動(dòng)部件即焊頭產(chǎn)生的熱量?jì)H相當于每種材料絕對熔點(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(xiě)，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，從而在焊接區域實(shí)現金屬與金屬的連接。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)頻率可以根據應用的不同而不同。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。

　　對于箔片數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(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計中連接多達20片銅箔或鋁箔。無(wú)論電池類(lèi)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(xiàn)束之間產(chǎn)生牢固的焊接。 當應用需要將多個(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(xiàn)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(guò)消耗高達5500W的功率來(lái)進(jìn)行高達80微米的水平運動(dòng)。這種低頻/高振幅應用通常用于電動(dòng)汽車(chē)的大型電池組，以及專(zhuān)用采礦車(chē)、大型無(wú)人機和其他特殊車(chē)輛，其中的方形電池根據焊接尺寸和面積，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

　　· 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(wú)需熔化 — 材料的化學(xué)或冶金性能無(wú)變化

　　· 非常適合焊接高導電合金;材料的反應性無(wú)關(guān)緊要

　　· 不產(chǎn)生金屬間化合物、微?；蛞鸶g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(shí)現流程定制、高重復性和統計過(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(lèi)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設的焊接高度。能量模式對每個(gè)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(dòng)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(dòng)開(kāi)始時(shí)，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(shí)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(dòng)上工件在焊接區域的振動(dòng)距離被稱(chēng)做焊接振幅。對振動(dòng)幅度的要求通常是根據被焊接材料的類(lèi)型和狀況確定的，并且通過(guò)焊接設備的發(fā)生器、換能器和上焊頭協(xié)同工作對每個(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， 其設計和材料組成。超聲波焊頭能夠抓住上部金屬工件至關(guān)重要，這樣它才能提供準確的振動(dòng)橫向力，從而實(shí)現與下部金屬工件的結合。這種抓握是通過(guò)對焊頭的表面進(jìn)行特殊加工來(lái)實(shí)現的，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)品裝配和制造數據，并根據需要提供這些數據，以符合監管準則、支持客戶(hù)服務(wù)或滿(mǎn)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置實(shí)時(shí)監控和處理焊接數據的能力，使制造商能夠更有效地滿(mǎn)足多樣化和日益嚴苛的質(zhì)量保證要求。

未來(lái)的挑戰和承諾

　　電動(dòng)汽車(chē)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)——焊接設備質(zhì)量、焊接模式控制、焊頭夾具的精度和耐用性、數據收集和通信能力以及及時(shí)的乃至全球范圍內的技術(shù)支持。幸運的是，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(mǎn)足工業(yè)規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(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(zhù)必能信超聲波金屬焊接的銷(xiāo)售，應用和業(yè)務(wù)發(fā)展。本科畢業(yè)于香港理工大學(xué)機械工程系。

　　補充圖片：

　　圖片說(shuō)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改進(jìn)使新一代電動(dòng)汽車(chē)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(shuō)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(guò)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(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。