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超聲波焊接在鋰離子電池中的應用
更新時間：2024-11-15
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一、超聲波焊接原理
超聲波焊接是利用高頻振動波傳遞到兩個需焊接的物體表面，在加壓的情況下，使兩個物體表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合。
一套超聲波焊接系統(tǒng)的主要組件包括超聲波發(fā)生器/換能器/變幅桿/焊頭三聯(lián)組/模具和機架。
超聲波焊接是通過超聲波發(fā)生器將50/60赫茲電流轉(zhuǎn)換成15、20、30或40 KHz 電能。被轉(zhuǎn)換的高頻電能通過換能器再次被轉(zhuǎn)換成為同等頻率的機械運動，隨后機械運動通過一套可以改變振幅的變幅桿裝置傳遞到焊頭。焊頭將接收到的振動能量傳遞到待焊接工件的接合部，在該區(qū)域，振動能量被通過摩擦方式轉(zhuǎn)換成熱能，將需要焊接的部件區(qū)域熔化。超聲波不僅可以被用來焊接金屬、硬熱塑性塑料，還可以加工織物和薄膜等。
1）超聲波金屬焊接原理
超聲波金屬焊接原理是利用超聲頻率（超過16KHz ）的機械振動能量，連接同種金屬或異種金屬的一種特殊方法．金屬在進行超聲波焊接時，既不向工件輸送電流，也不向工件施以高溫熱源，只是在靜壓力之下，將框框振動能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぜg的摩擦功、形變能及有限的溫升．接頭間的冶金結(jié)合是母材不發(fā)生熔化的情況下實現(xiàn)的一種固態(tài)焊接．因此它有效地克服了電阻焊接時所產(chǎn)生的飛濺和氧化等現(xiàn)象．超聲金屬焊機能對銅、銀、鋁、鎳等有色金屬的細絲或薄片材料進行單點焊接、多點焊接和短條狀焊接．可廣泛應用于可控硅引線、熔斷器片、電器引線、鋰電池極片、極耳的焊接。
在鋰電池技術(shù)中，涉及到的金屬焊接方式有三種：銅/鋁箔對極耳(foil to tab)，極耳對極耳(tab to tab)，極耳到母排(tab to bus)。其中，銅/鋁箔焊接到極耳上，難度最大。因為金屬焊接的兩端采用不同厚度和材料的金屬，一端（tab）相對較厚（例如0.2mm），另一端由多層極薄的金屬片構(gòu)成。下圖展示了一個鋰離子電池單元的剖面圖。
其中，箔材到極耳的焊接，是將電池內(nèi)部所有陰陽極箔材連接到對應的極耳上，從而將電池內(nèi)部能量傳遞到外部。數(shù)以百計的鋰電池單元構(gòu)成典型的鋰電池組。各電池單元之間采用串聯(lián)或者并聯(lián)方式組合，如果一個連接出現(xiàn)故障，那么將導致整個電池組的輸出故障。因此，穩(wěn)健牢固的連接，至關(guān)重要。
上述多層箔片到極耳的連接，是采用超聲波金屬焊接（UMW），該工藝過程如下圖所示。UMW非常適合于不同金屬材料（如銅，鋁和鎳）之間的焊接。兩個金屬件通過壓力壓緊，以超聲波高頻（通常是20Khz-40Khz）進行相對振動，摩擦產(chǎn)生的熱量可以消除金屬表面的氧化物和污染物，同時兩個形成“光滑"的金屬表面。此時，在適當?shù)膲毫蜔崃肯?，兩者之間形成了焊縫。
該過程有幾個優(yōu)點。由于它是固態(tài)過程，因此適應不同材料的組合，避免金屬化合物的產(chǎn)生。非常適合高導電材料如鍍銅材料之間的焊接。整個過程不需要高功率，焊接周期非常短，只有幾分之一秒。在一次操作中可焊接多層薄材料。
相比較電阻點焊（RSW）和激光束焊接（LBW），超聲波金屬焊接（UMW）是鋰離子電池應用中更為理想的連接工藝。RSW依靠材料的阻力來產(chǎn)生熱量以進行連接。然而，通常用于電池工業(yè)的鋁箔和銅箔具有極低的電阻，且鋁箔表面形成的堅韌氧化物層，抑制RSW的應用。LBW對焊接兩端的材料層間隙非常敏感。一般經(jīng)驗認為，間隙應小于材料厚度的10％，即12μm的箔片將需要1.2μm或更小的間隙，這些要求難以實現(xiàn)。對于超聲波金屬焊接工藝，則沒有以上這些問題。
2）超聲波塑料焊接原理
超聲波作用于熱塑性的塑料接觸面時，會產(chǎn)生每秒幾萬次的高頻振動，這種達到一定振幅的高頻振動，通過上焊件把超聲能量傳送到焊區(qū)，由于焊區(qū)即兩個焊接的交界面處聲阻大，因此會產(chǎn)生局部高溫。又由于塑料導熱性差，一時還不能及時散發(fā)，聚集在焊區(qū)，致使兩個塑料的接觸面迅速熔化，加上一定壓力后，使其融合成一體。當超聲波停止作用后，讓壓力持續(xù)幾秒鐘，使其凝固成型，這樣就形成一個堅固的分子鏈，達到焊接的目的，焊接強度能接近于原材料強度。超聲波塑料焊接的好壞取決于換能器焊頭的振幅，所加壓力及焊接時間等三個因素，焊接時間和焊頭壓力是可以調(diào)節(jié)的，振幅由換能器和變幅桿決定。這三個量相互作用有個適宜值，能量超過適宜值時，塑料的熔解量就大，焊接物易變形；若能量小，則不易焊牢，所加的壓力也不能太大。這個最佳壓力是焊接部分的邊長與邊緣每1mm的最佳壓力之積。
1）熔接法：
以超音波超高頻率振動的焊頭在適度壓力下，使二塊塑膠的接合面產(chǎn)生摩擦熱而瞬間熔融接合，焊接強度可與本體媲美，采用合適的工件和合理的接口設計，可達到水密及氣密，并免除采用輔助品所帶來的不便，實現(xiàn)高效清潔的熔接。
2）埋植：借著焊頭之傳道及適當之壓力，瞬間將金屬零件（如螺母、螺桿等）擠入預留入塑膠孔內(nèi)，固定在一定深度，完成后無論拉力、扭力均可媲美傳統(tǒng)模具內(nèi)成型之強度，可免除射出模受損及射出緩慢之缺點。
3）鉚焊：鉚焊法指的是振動的焊頭壓制物品的突起處使其熱熔為鉚釘狀，從而使兩物體機械鉚合
4）點焊
點焊指的是對于焊線不易設計的物體進行分點焊接，同樣可達到熔接效果。
5）成型
本方法與鉚焊法類似，將凹狀的焊頭壓著于塑膠品外圈，焊頭發(fā)出超音波超高頻振動后將塑膠溶融成形而包覆于金屬物件使其固定，且外觀光滑美觀、此方法多使用在電子類、喇叭之固定成形，及化妝品類之鏡片固定等。
三、焊接優(yōu)點
1）超聲波金屬焊接優(yōu)點：
a、焊接材料不熔融，不脆弱金屬特性。
b、焊接后導電性好，電阻系數(shù)極低或近乎零。
c、對焊接金屬表面要求低，氧化或電鍍均可焊接。
d、焊接時間短，不需任何助焊劑、氣體、焊料。
e、焊接無火花，環(huán)保安全。
2）超聲波塑料焊接優(yōu)點：
a、焊接速度快，焊接強度高、密封性好；
b、取代傳統(tǒng)的焊接/粘接工藝，成本低廉，清潔無污染且不會損傷工件；
c、焊接過程穩(wěn)定，所有焊接參數(shù)均可通過軟件系統(tǒng)進行跟蹤監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)故障很容易進行排除和維護。
四、適用產(chǎn)品
1）鎳氫電池鎳氫電池鎳網(wǎng)與鎳片互熔與鎳片互熔。
2）鋰電池、聚合物電池銅箔與鎳片互熔，鋁箔與鋁片互熔。
3）電線互熔，偏結(jié)成一條與多條互熔。
4）電線與各種電子元件、接點、連接器互熔。
5）各種家電用品、汽車用品的大型散熱座、熱交換鰭片、蜂巢心的互熔。
6）電磁開關(guān)、無熔絲開關(guān)等大電流接點，異種金屬片的互熔。
7）金屬管的封尾、切斷可水、氣密。
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