線束和金屬的超聲波焊接

來源：?作者：線束世界-Jimmy?2021-05-11 07:13

圖1 用超聲波焊接將線束焊接到金屬件上，或者線束和線束焊接。

圖2 Herrmann Ultrasonic在2019年推出的金屬焊接機。

圖3 2018年Blue Jean Cable使用SonoWeld 1600焊接機將連接揚聲器的線束焊接到香蕉插座上。

圖4 上圖是汽車行業(yè)常見的應用，用超聲波將銅線束焊接到接地端子上。

超聲波技術很早就存在，從1960開始就用于塑料、無紡布和包裝材料的焊接，以及橡膠和食品的切割。從2017年開始，隨著汽車輕量化和新能源汽車的快速發(fā)展，超聲波以另一種創(chuàng)新的應用方式——超聲波金屬焊接，出現(xiàn)在大家面前。

超聲波金屬焊接機可以將銅或者鋁線纜可靠的焊接到金屬件上，這些金屬件通常較小不大于你的手掌。典型的焊接應用包括鋰電池、線纜接線頭、母線、電機線圈、各種接線端子和電池管理系統(tǒng)。

目前，市場上各家企業(yè)發(fā)展了自己的獨特超聲波金屬焊接系統(tǒng)，包括橫向振動型，扭矩振動型。各自有自己的優(yōu)勢，典型的焊接周期時間為幾毫秒至2秒。

橫向振動系統(tǒng)?

圖4 橫向振動系統(tǒng)

橫向振動型（也叫做橫向驅(qū)動系統(tǒng)，見圖4）最初該系統(tǒng)設計是為了焊接塑料——驅(qū)動系統(tǒng)豎直放置，待焊的塑料件水平放置，即振動方向垂直與焊接表面。對于金屬焊接，將驅(qū)動系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)90°到橫向水平位置，利用剪切運動對水平放置的金屬進行焊接。

Sonics&Materials Inc公司金屬焊接產(chǎn)品北美銷售經(jīng)理Dave Krysiak指出：“超聲波金屬焊接使用越來越多有幾個原因：該技術保證連接處極低的電阻率，即電流有最高電導性能；允許用戶測量和實時監(jiān)控振幅、時間和焊接能量等參數(shù)，有助于過程穩(wěn)定；焊接時切向振動去除金屬表面氧化物，不會因為金屬件長期放置表面氧化而影響焊接?！?/span>

幾年前，Sonics&Materials向市場推出了三款系列的超聲波金屬焊機（MWB40，MWB20，MWB15）。Krysiak說，所有機型都可以焊接線束和金屬件、線束和線束，并可集成自動取放件系統(tǒng)，以實現(xiàn)焊接件上料和下料。

MWB40是40KHz的金屬點焊機，功率800瓦，可處理規(guī)格30AWG到16AWG電線。MWB20是20Khz點焊機，功率有1500，2500或4000W，可處理規(guī)格16AWG到6AWG電線。MWB15是15Khz點焊機，功率高達6000W，可處理規(guī)格8AWG到0000AWG電線。

在過去的幾年里，橫向振動型系統(tǒng)有了更新的發(fā)展，增加了驅(qū)動系統(tǒng)的安裝剛度以抵消側(cè)向載荷，提高了操作者對零件的可達性（可操作性），增加了焊接過程中能量的有效傳遞，同時減小對焊頭的磨損。

扭矩振動系統(tǒng)

在超聲波金屬焊接出現(xiàn)不久，Sonobond Ultrasonic公司就于1960年開發(fā)了其專利”楔形驅(qū)動系統(tǒng)“（見圖5）。該系統(tǒng)采用垂直振動簧片（Reed），由水平放置的楔形耦合器（Wedge）和換能器（Transducer）組件驅(qū)動。此時剪切振動方向是平行于焊接表面，焊接壓力直接施加在要焊接的部件上。消除了焊接過程中彎曲應力和運動停滯問題。

圖5?楔形驅(qū)動系統(tǒng)

同樣重要的是，根據(jù)Sonobond Ultrasonic總裁Janet Devine的說法，該系統(tǒng)能夠可靠焊接大多數(shù)表面氧化和鍍錫的金屬，不需要預先清洗。它還能有效地焊接類似或者不同的有色金屬組件，包括將銅線束到鋁金屬件上。

該公司的SonoWeld 1600超聲波金屬焊機，輸出功率1500或2500W，可將線規(guī)17AWG到00AWG的線束點焊到金屬端子上。其微處理器控制系統(tǒng)能夠存儲和調(diào)用多達250個焊接協(xié)議，其數(shù)字顯示屏可方便的選擇時間、能量或距離的焊接模式。該機型還具有自動鎖頻、質(zhì)量監(jiān)控和過載保護功能。經(jīng)過熱處理的焊嘴使用壽命可達10萬次。

幾年前，Blue Jeans Cable公司購買了SonoWeld 1600機型，將連接揚聲器的線束焊接到香蕉插座上，以取代原來的不可靠的螺絲連接工藝。

Blue公司工程師Devine說道，“超聲波焊接工藝有明顯優(yōu)勢，連接更堅固、更可靠，需要更少勞力，生產(chǎn)效率高?！辈僮鲿r，操作人員將插座放置在下模具上，再將10AWG和12AWG規(guī)格的銅線束從一側(cè)插入插座，用超聲熔合到黃銅表面（如圖3）。連接可靠。

圖6?SONIQTWIST超聲波扭矩焊接系統(tǒng)

瑞士Telsonic AG在2002年推出SONIQTWIST超聲波扭矩焊接系統(tǒng)，最初該系統(tǒng)主要焊接和密封有色金屬制成的圓形零件，例如圓柱形電池、氣囊和安全帶傳感器。該技術現(xiàn)在已經(jīng)用于金屬焊接，例如電池極耳、線束和線束、線束和金屬端子的焊接。

根據(jù)Telsonic公司前總裁兼現(xiàn)任顧問Saeed Mogadam的說法，MT8000扭矩焊接系統(tǒng)可以焊接橫截面高達200平方毫米（線規(guī)000000AWG）鋁線束和高達160平方毫米（線規(guī)00000AWG）的銅線束的焊接。

2011年，Telsonic推出了SONIQTWIST的分支系列PowerWheel系統(tǒng)，專門為更大的電池線束端子焊接設計的。

焊接開始前先將端子和線束放在下模具上，焊頭尖端（Sonotrode tip）壓緊線束頂部，焊接壓力施加在焊接區(qū)域上方。20Khz的高頻正弦波信號發(fā)送到換能器（Transducer），換能器輸出線性振動，向下傳遞到焊頭（Sonotrode）。焊接通常只需要幾毫秒。

Royal Power Solution公司，需要將銅線束超聲焊接在連接器上。電纜的厚度從5AWG到0000AWG，端子有多達12種不同的規(guī)格。有幾個端子設計有側(cè)壁。經(jīng)過廣泛研究和測試，該公司最后使用Telsonics的MPX-TC焊機對四個銅線束端子（16平方毫米）焊接，其余的采用MT8000 PowerWheel系統(tǒng)焊接（橫截面高達120平方毫米）。