銅箔和鋁箔的超聲波焊接應(yīng)用

來源：線束世界?作者：線束世界-Jimmy?2023-08-02 09:42

由于新能源電動汽車的快速發(fā)展，鋰離子電池需求也不斷增加，對銅箔和鋁箔的超聲波焊接應(yīng)用顯著增加。

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焊接機(jī)理：低于熔點(diǎn)的再結(jié)晶過程

上焊頭和下底座表面都帶有滾花，因此焊接時(shí)上層材料橫向移動，而下層材料固定不動，這樣上下層之間產(chǎn)生相對運(yùn)動。在壓力作用下，連接表面上粗糙的凸起不斷相互摩擦和塑性變形。

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超聲金屬焊接形成分子鍵的三個(gè)主要階段是：

·?相對移動導(dǎo)致連接面上的粗糙凸起特征產(chǎn)生剪切和塑性變形——初始塑性變形；
·?超聲振動導(dǎo)致連接面上氧化層（或污染物）分散，以及凸起特征的進(jìn)一步塑性變形。

這導(dǎo)致金屬和金屬之間接觸面積增加和焊接區(qū)域形成，該特征也叫做微焊縫。

·?進(jìn)一步的超聲波振動會導(dǎo)致接觸面繼續(xù)增大，從而增加焊接區(qū)域。

超聲波焊接決定性的優(yōu)點(diǎn)是“冷”焊接，即在遠(yuǎn)低于金屬熔點(diǎn)的溫度下形成連接。該溫度大約只有金屬熔點(diǎn)的1/3-1/2（退火時(shí)的再結(jié)晶溫度），是一種固態(tài)和固態(tài)的壓焊過程。下圖是不同有色金屬材料之間的焊接相容性。

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超聲焊接應(yīng)用類別

1.?金屬箔材焊接

銅箔和鋁箔的超聲波焊接是電池生產(chǎn)中的典型應(yīng)用。箔材厚度從6um到0.3mm不等。同時(shí)焊接的箔材層數(shù)從兩層到160層之間。典型案例有方殼電芯、軟包和圓柱電芯的極耳焊接。

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2. 端子和端子焊接

端子超聲焊接中，相互焊接的金屬板厚度可達(dá)3mm。該應(yīng)用的焊接強(qiáng)度要求要高得多。端子和端子焊接用于傳輸大負(fù)載電流的連接。典型案例有電池系統(tǒng)高壓連接段子焊接，如輸出極。

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3.?電纜和端子焊接

在現(xiàn)代車輛中，用超聲波焊接組裝的電纜和端子連接器已經(jīng)成為必不可少的零件。電纜橫截面大小范圍從6-85mm2。材料是銅和鋁。典型案例有電池系統(tǒng)低壓線束焊接，如采樣線束與鋁巴之間焊接。

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焊接工藝參數(shù)

超聲金屬焊接工藝的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)，有大量的焊接數(shù)據(jù)，可對焊接過程精細(xì)調(diào)整，以及焊接質(zhì)量控制。對于不同應(yīng)用，需要調(diào)整到最佳參數(shù)，實(shí)現(xiàn)以下目的：

·?在無外觀缺陷情況下，焊接強(qiáng)度達(dá)最大；

·?容易重復(fù)性和一致的焊接結(jié)果。

超聲金屬焊接的主要參數(shù)有：工作頻率、振幅、焊接壓力、焊接時(shí)間、焊接功率、焊接能量和焊接深度等。焊接數(shù)據(jù)可圖形化顯示（如下圖），還可以通過離散數(shù)據(jù)點(diǎn)圖顯示數(shù)據(jù)變化趨勢和偏差變化。

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1. 壓力的影響

焊接壓力對焊接接頭質(zhì)量的影響顯著，焊接接頭強(qiáng)度隨壓力的增大先增加后減小。焊接壓力會改變焊接界面的滑動阻力，焊接壓力較小會導(dǎo)致界面的滑動阻力較小，使摩擦產(chǎn)生的能量不足以讓界面形成有效連接；焊接壓力過大導(dǎo)致工具頭下壓過深，焊接界面金屬產(chǎn)生相互咬合而影響了界面的相對運(yùn)動，阻礙界面金屬進(jìn)一步連接，導(dǎo)致焊接接頭的力學(xué)性能變差。因此，合適的焊接壓力參數(shù)對焊接質(zhì)量有決定性。

2. 焊接能量/時(shí)間的影響

超聲波焊接提供三種不同的焊接模式來提供能量控制：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)振動開始時(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(bǔ)償這些差異，而高度和時(shí)間模式則不能。

焊接時(shí)間直接影響了焊接過程中能量的輸入，對焊接效果有著直接的影響。焊接時(shí)間過短，輸入能量不足，由于沒有充分的摩擦，難以形成有效的焊點(diǎn)；隨著焊接時(shí)間的增加，相互摩擦引起溫度升高，工件材料開始軟化，焊接區(qū)域界面氧化膜破損及塑性變形，能形成較好的連接；當(dāng)焊接時(shí)間進(jìn)一步延長，焊頭容易在工件表面形成較深的痕跡，對焊接效果產(chǎn)生不利的影響，此外，過長的焊接時(shí)間易導(dǎo)致焊頭與被焊工件的粘結(jié)；

3. 振幅的影響

在下壓力的作用下，焊頭壓緊被焊工件到焊座上，焊頭帶動上工件在焊接區(qū)域的振動距離被稱作焊接振幅。對振動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，并且通過焊接設(shè)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。超聲波焊接過程中工件與工件形成的振動系統(tǒng)，振幅直接影響工件界面振動的瞬時(shí)速度，最終影響摩擦生熱及塑性變形，對焊接質(zhì)量造成影響。

?焊頭齒形

超聲焊頭和底座結(jié)構(gòu)對焊接結(jié)果質(zhì)量和工藝穩(wěn)定性有重大影響。影響焊縫結(jié)果的因素有：

·齒形結(jié)構(gòu)：金字塔、半球和線條；

·?齒形排列方式；

·待焊接材料厚度---厚的材料需要較粗較高的齒形。

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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)確的振動橫向力，從而實(shí)現(xiàn)與下部金屬工件的結(jié)合。

焊頭是超聲波金屬焊接的關(guān)鍵組成部分，焊接過程中，焊頭在壓力作用下要抓緊被焊工件，這樣，超聲波焊機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械振動才能傳遞給被焊工件界面以形成固相連接。

焊頭面積不同，會導(dǎo)致焊接過程中焊接壓力的分布不同，即連接界面的具有不同的應(yīng)力，使焊接過程中摩擦力不同，從而使焊接過程中摩擦產(chǎn)熱量不同，導(dǎo)致焊接過程中工件溫度不同，最終影響接頭質(zhì)量。而焊頭花紋齒深則決定焊頭花紋嵌入工件表面的難易程度，也直接影響工件表面壓痕深度，間接影響焊接過程中工件溫度，對接頭質(zhì)量造成影響。因此，焊頭形貌及尺寸對接頭質(zhì)量有非常關(guān)鍵的作用。

焊頭面積相同時(shí)，矩形焊頭比圓形焊頭產(chǎn)生的塑性變形程度強(qiáng)烈；焊頭形狀相同時(shí)，面積大的焊頭能使焊接區(qū)塑性變形程度更強(qiáng)烈。

焊頭面積相同時(shí)，圓形焊頭更容易將焊頭下方的工件材料擠出，形成更深的壓痕；焊頭形狀相同時(shí)，面積小的焊頭使工件表面接觸區(qū)域壓強(qiáng)較大，從而形成更深的壓痕。