在決定金屬連接方法時(shí)需要考慮許多因素，包括有形和無形特征。根據(jù)應(yīng)用的不同，投資將根據(jù)連接設(shè)計(jì)、焊接材料、幾何形狀、尺寸和尺寸、環(huán)境影響以及給定產(chǎn)品所需的機(jī)械和電氣完整性而有所不同。在一篇文章中我們不可能介紹所有的連接方式，因此我們將重點(diǎn)介紹汽車線束行業(yè)，以闡明壓接、錫焊、超聲波焊接、激光焊和電阻焊的差異。

在某些情況下，超聲波焊接好像是唯一的解決方案，或者可能根本不可行。然而，無論在選擇連接方法時(shí)考慮多少變量，超聲波焊接似乎都比所有其他可行的工藝提供更好的長期回報(bào)。

超聲波金屬焊接設(shè)備的初始投資相對于其他焊接工藝（例如電阻焊、壓接以及機(jī)械連接）較高，但低于激光焊接設(shè)備。那么，為什么這項(xiàng)技術(shù)主導(dǎo)了線束制造，并成為電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車電池和配電系統(tǒng)的必需品呢？有色金屬超聲波焊接幾十年來一直是一項(xiàng)經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)。然而，自 20 世紀(jì) 80 年代初以來，超聲波金屬焊接一直在汽車行業(yè)占據(jù)主導(dǎo)地位，汽車線束制造商是該技術(shù)的最大用戶（圖 1）。由于其效率和無與倫比的質(zhì)量，超聲波焊接幾乎一出現(xiàn)就取代了所有汽車品牌的機(jī)械壓接和電阻焊。由于電動(dòng)汽車 (EV) 的增加，超聲波焊接在汽車線束中的應(yīng)用在過去十年中出現(xiàn)了更加快速的增長。

圖 1 – 汽車線束的傳統(tǒng)超聲波焊接應(yīng)用

平均一輛車的一套線束包含 180 個(gè)超聲波焊接接頭，并且該數(shù)字隨著車型年份的增加而增加。OEMs正在為汽車添加更多的電子功能，這需要更多的接頭。接頭和電線端子共同構(gòu)成了一條又長又復(fù)雜的重型線束，用于控制整個(gè)車輛的整個(gè)電氣系統(tǒng)。由于電線加工固有的勞動(dòng)強(qiáng)度，電線拼接一直是線束制造的主要焦點(diǎn)。但是線束行業(yè)行業(yè)仍然采用壓接或電阻焊來進(jìn)行小電線壓接或錫線拼接等應(yīng)用。一般來說，超聲波焊接對于鍍錫零件或鋼等硬質(zhì)材料不可行。這就是電阻焊或激光焊選項(xiàng)變得可行的地方。但是，對于最近很火的鋁材質(zhì)，并且將鋁焊接到另一種有色金屬時(shí)，超聲波焊接是最終選擇。由于其冷熔焊接性質(zhì)，鋁可以牢固地焊接而不會熔化或受到熱量的顯著影響。超聲波焊接的優(yōu)點(diǎn)適用于鋁、銅和鎂等導(dǎo)熱材料，而這些材料用電阻焊機(jī)和激光焊接起來可能很麻煩。超聲波對于連接薄材料和厚材料也非常有用。

如果要求將熱對材料性能的干擾降至最低，超聲波通常是最佳的焊接工藝

電線拼接是評估當(dāng)今線束制造中一些連接工藝的絕佳示例。在焊接成為可行的選擇之前，制造商已經(jīng)使用壓接工藝多年。一些OEMs只是使用夾子將電線壓接到接頭中。有些還浸入焊錫槽中以確保電氣完整性。其缺點(diǎn)是需要添加材料（許多不同尺寸的夾子）、專用壓力機(jī)所需的空間、焊接技能的要求以及由于夾子和焊料產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力和熱量對線束的影響。

因此，從電阻焊開始，然后是超聲波焊接開始，電線的焊接變得非常需要。超聲波金屬焊接的冷熔性質(zhì)、其在焊接前消除氧化的能力、異種金屬的連接、極低的能耗以及使用一臺機(jī)器和相同的通用工具焊接各種接頭尺寸的能力，是使超聲波金屬絲接頭成為全球可接受的工藝的令人信服的因素。線束制造商花了幾年時(shí)間才熟悉該流程并采用該技術(shù)。有些從壓接轉(zhuǎn)向超聲波焊接，有些在轉(zhuǎn)向超聲波焊接之前使用電阻焊。超聲波焊接設(shè)備比其他連接方法具有優(yōu)勢，這些優(yōu)勢至今仍然存在。

縱觀過去 30 年焊接技術(shù)的發(fā)展，質(zhì)量和可靠性始終是最終的決定因素。投資回報(bào)很容易證明是合理的——超聲波焊接接頭可以延長車輛的使用壽命。如今，下表（表 1）中的大多數(shù)功能都適用于其他金屬焊接應(yīng)用，例如電線到端子、端子到端子和母線。

表 1 顯示了每種工藝的優(yōu)點(diǎn)以及直接和間接的運(yùn)營成本。在許多情況下，一種連接方法顯然可能是更好的選擇，甚至是唯一的選擇。在多個(gè)連接選項(xiàng)之間做出決定時(shí)，請考慮下表中的功能。

表 1-比較表

每個(gè)接頭的操作/維護(hù)成本必須同時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證，但質(zhì)量是最優(yōu)先考慮的。以下是選擇連接方法時(shí)需要考慮的一些因素：

·初始投資及數(shù)量

·輸出率

·耗材

·耗電量——超聲波焊接需要電阻焊的5%

·額外的基礎(chǔ)設(shè)施，例如水冷卻、通風(fēng)和額外的電力安裝

·設(shè)備所需占地面積

·隨著時(shí)間的推移而變化

·每個(gè)應(yīng)用程序的設(shè)置時(shí)間

·模具壽命及其對質(zhì)量的影響（圖2）

圖 2 – 用于超聲波焊絲熔接的工具（通常超過 200000 個(gè)焊縫）

超聲波金屬焊接的優(yōu)點(diǎn)

·低溫工藝不影響材料性能

·適用于多種有色金屬材料的純冶金結(jié)合劑

·具有焊接異種材料的能力

·沒有接頭夾或焊料等消耗材料

·環(huán)保工藝

·一致的焊接質(zhì)量、機(jī)械和電氣性能

·快速的循環(huán)時(shí)間

·人機(jī)界面友好

·無煙霧或鉛等化學(xué)物質(zhì)，確保操作員安全

·過程

超聲波焊接方法有金屬和塑料兩種。線性焊接是設(shè)備制造商更常用的技術(shù)，也是電線拼接的標(biāo)準(zhǔn)（圖 3）。扭轉(zhuǎn)焊接技術(shù)可用于線性焊接的大多數(shù)常見應(yīng)用。然而，由于其獨(dú)特的功能，它在應(yīng)用的幾何形狀和溫和的工藝方面具有一定的優(yōu)勢，從而在市場上獲得更廣泛的應(yīng)用。事實(shí)上，有該技術(shù)有時(shí)被發(fā)現(xiàn)是電動(dòng)汽車電池制造商和高壓電纜焊接的唯一解決方案（圖 4）。扭轉(zhuǎn)超聲波焊接被證明是更優(yōu)越的方法的其他示例包括母線、3D 端子和集成柵極雙極晶體管 (IGBT)。

超聲波焊接技術(shù)

當(dāng)前超聲波焊接電動(dòng)汽車應(yīng)用示例

圖 5 – 汽車超聲波焊接應(yīng)用示例

工作原理：

電線堆疊在振動(dòng)/振蕩工具（超聲波發(fā)生器）和砧塊之間。在通過砧施加靜力之前，它們被限制在預(yù)定的空間內(nèi)。隨著振蕩的發(fā)生，金屬表面升溫并塑化，并且股絲通過分子水平的相互混合而粘合在一起（圖 6）。其結(jié)果是形成具有細(xì)晶結(jié)構(gòu)的連續(xù)焊縫，類似于冷加工金屬的結(jié)構(gòu)。整個(gè)過程非?？?，焊接通常在不到一秒的時(shí)間內(nèi)完成。

當(dāng)今使用的最常見的熔接機(jī)在 20KHz 頻率的機(jī)械振動(dòng)下運(yùn)行。力下的振動(dòng)會驅(qū)散所有污染物并開始冷摩擦焊接，直至焊接完成。由于焊接界面的摩擦力，焊接材料的溫升小于30%。因此，不存在使焊縫過渡區(qū)域中的線束變脆的線材硬化。這是相對于電阻焊的眾多優(yōu)點(diǎn)之一，電阻焊經(jīng)常熔化材料以形成熔核。

圖 6 – 金屬超聲波線性焊接的振動(dòng)和運(yùn)動(dòng)

基本焊接參數(shù)和變量

實(shí)踐證明，超聲波焊絲焊接具有高質(zhì)量和安全性。由于可以針對每種應(yīng)用調(diào)整和監(jiān)控焊接參數(shù)，因此現(xiàn)在可以在工業(yè) 4.0 環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。

焊接參數(shù)：

除了始終預(yù)先確定的焊接工具和尺寸的條件外，還需要設(shè)置四個(gè)焊接參數(shù)。這些參數(shù)通常由機(jī)器控制器給出的默認(rèn)值建立，以開始焊接質(zhì)量的鑒定。

·焊縫寬度：由機(jī)器設(shè)置

·焊接能量：完成焊接所需的固定瓦秒數(shù)

·振幅：可調(diào)節(jié)至超聲波發(fā)生器 100% 能力的振蕩

·力-壓力設(shè)置：設(shè)置焊接力

質(zhì)量變量：

為了在使用固定能量焊接時(shí)控制過程以獲得最佳質(zhì)量，需要測量以下變量并將其與機(jī)器或用戶確定的允許上限和下限進(jìn)行比較。

·焊接時(shí)間（焊接持續(xù)時(shí)間）

·超聲波啟動(dòng)前的壓實(shí)高度

·最終焊縫高度

·消耗功率

穩(wěn)定的生產(chǎn)和數(shù)據(jù)完整性

超聲波金屬焊接對于線束組件的各個(gè)方面來說都是至關(guān)重要的工藝，因?yàn)樗軌蛱峁┛煽康恼澈弦詽M足所有低和高載流特性。因此，各個(gè)公司制定了某些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。用于超聲波電線接合和端接的 USCAR 45 和 38 是一些示例，以及可應(yīng)用于市場上大多數(shù)工業(yè)產(chǎn)品的其他規(guī)格。

在當(dāng)今電動(dòng)汽車電池和高壓連接系統(tǒng)的快速發(fā)展中，需要快速響應(yīng)并提供可靠的連接解決方案。產(chǎn)品工程師必須在設(shè)計(jì)和開發(fā)階段選擇連接技術(shù)。這需要焊接解決方案提供商和產(chǎn)品設(shè)計(jì)師之間進(jìn)行溝通，以加快流程，并為原型設(shè)計(jì)和初始產(chǎn)品測試準(zhǔn)備好所有工具。

隨著超聲波焊接知識的增長，越來越多的應(yīng)用程序被設(shè)計(jì)來配合其當(dāng)前的功能。