超聲波點焊機在鋰電池製造中的應用

2022-01-19 17:36

近年來隨著世界環境汙染、氣候變暖及全球能源危機的不斷加劇，節能減排、綠色發展等環保問題越來越受到人們的重視。純電動汽車具有無尾氣排放、節能環保、使用成本低等優點，已成為現代汽車工業發展的一個重要方向。動力鋰離子電池組作為純電動汽車的核心部件，其質量和容量決定著純電動汽車的穩定性、供電性能及安全性。根據純電動汽車對動力鋰離子電池組功率和容量的要求，動力鋰離子電池組一般由幾百甚至上千個鋰離子電池單體組成。同時，一定數量的電池單體通過串聯和並聯構成一個電池單元，然後電池單元通過匯流條連接進而組成電池組。在動力鋰離子電池組裝配製造過程中有大量的焊接接頭，當焊接接頭強度不足時，將造成電池組內部電阻增大，不能有效供電;當焊接過度，導致焊接熱量過大，電池芯和電極蓋將被焊穿，容易造成電解液泄漏和電池組電路短路，同時可能發生燃燒或爆炸，將嚴重影響到使用者的安全。因此，接頭焊接質量對電池組的性能可靠性起著決定性的作用。

鋰電池的製造組裝過程包括電池單體內部的連接、電池單體之間的連接、電池單元之間的連接及電池模塊之間的連接。鋰電池內部單體連接主要包括陰/陽極箔與正/負極片之間的連接。鋰電池單體之間的連接主要包括正/負極片與匯流條之間的焊接。鋰電池主要元件主要采用的材料為銅、鎳和鋁及其合金。

銅、鋁、鎳及其合金具有高導電、導熱的特性，是鋰電池組模塊製造過程中極箔、極片和匯流條常用的幾種材料。鋁與銅焊接的難點在於兩者之間的導熱係數(Al，235W/(m·K);Cu，400W/(m·K))、熔點(Al，660℃;Cu，1085℃)相差較大及容易生產金屬間化合物。采用傳統的熔焊方法焊接鋁和銅，將會產生金屬間化合物(例如:Al2Cu，AlCu和Al4Cu9)，其將嚴重降低焊接接頭的強度，增大焊接接頭的電阻，這是因為金屬間化合物(Al2Cu，8．0μΩ·cm;AlCu，11．4μΩ·cm，Al4Cu9，14．2μΩ·cm)的電阻遠大於母材(Al，2．9μΩ·cm;Cu，1．75μΩ·cm)的電阻。此外鎳的熔點為1453℃，鋁與鎳熔點之間的巨大差異給傳統熔焊技術造成了嚴重的困難，同時熔焊容易造成金屬間化合物的大量生成，降低焊接接頭的力學性能和導電性能。

超聲波點焊

超聲波點焊屬於固態焊接技術，其對材料的導電性及異質性不敏感，同時焊接時間間短(一般都小於0．5s)、耗能低(0．6～1．5kJ/焊接接頭)，焊接界麵溫度低，其一般為過母材熔點的40%～80%，適用於焊接硬度低的金屬片或箔材。通過增大超聲波點焊機的焊頭尺寸能夠增大焊接接頭的焊接麵積，減小電阻，從而提高電流的有效傳遞。因此，超聲波焊接相對於激光焊接和電阻點焊技術具有一定的優越性。

鋰電池製造中主要采用超聲波點焊機，其主要分為兩類:楔－杆型和側向驅動型。楔－杆型超聲波點焊機主要包括發生器、換能器和楔－杆組件，主要用於產生超聲波，並將超聲波傳遞到工件。壓力一般采用氣缸、液壓缸或電動設備控製，使得焊頭能夠自由的向上或向下運動。焊接壓力可以在幾十到幾千牛頓之間調節。楔相當於側向驅動型超聲波焊機中的放大器，可以調控振幅，然後通過杆將振幅傳遞給焊頭。焊接振幅一般在10～100μm之間，沿縱向傳播。為了減少能量的損失，楔一般都垂直於杆，同時杆以彎曲的模式振動，產生了振幅。在設計過程中，最優的情況是底座與焊頭在焊接過程中產生共振，從而可以提高焊件之間的相互運動，進而提高所焊接接頭的力學性能。

側向驅動型超聲波點焊機主要包括發生器、換能器、放大器和焊頭。換能器通過壓電陶瓷片將電能轉換為同頻率的線性機械振動能;放大器根據焊接的實際需要將機械振幅提高。在焊接過程中焊件被焊頭和底座牢牢壓緊，上麵的工件被焊頭表麵的尖齒咬緊，下麵的工件被底座表麵的尖齒咬緊。焊頭與振幅方向相互平行，振幅是以橫向方向傳遞給工件。因此，兩個件的接觸表麵產生相對摩擦運動，導致接觸界麵產生切向塑性變形及工件表麵微凸起的平整化，然後形成焊合區。側向驅動型和楔－杆型焊接在振動現象方麵是相似的，兩種焊機都通過固態焊接機理實現工件之間的焊接。與楔－杆型超聲波點焊機相比，側向驅動型超聲波點焊機的功率一般較小，因此其所能焊接的母材厚度較小。

超聲波點焊屬於固態焊接技術，其對材料的導電性及異質性不敏感，同時焊接時間間短、耗能低、焊接界麵溫度低，其一般為過母材熔點的40%～80%，適用於焊接硬度低的金屬片或箔材。

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