電動汽車鋰電池的超聲波金屬焊接工藝技術

電動汽車因其綠色環(huán)保，且電池技術日趨成熟，因此越來越受到消費者喜愛。其中，鋰離子電池技術是電動汽車關鍵技術之一。

超聲波焊接原理

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。

超聲波發(fā)生器是一個變頻裝置，它將工頻電流轉變?yōu)槌暡l率（15-60khz）的振蕩電路；換能器則利用逆壓電效應轉換成彈性機械振動能；傳振桿、聚能器用來放大振幅，并通過耦合桿上聲極傳遞到工件。換能器、傳振桿、聚能器、耦合桿及上聲極構成一個整體，稱之為聲學系統(tǒng)。由上聲極傳輸?shù)膹椥哉駝幽芰渴墙?jīng)過一系列的能量轉換及傳遞環(huán)節(jié)產(chǎn)生的。聲學系統(tǒng)中各個組元的自振頻率，將按同一個頻率設計，當發(fā)生器的振蕩電泫頻率與聲學系統(tǒng)的自振頻率一致時，系統(tǒng)即產(chǎn)生諧振（共振），并向工件輸出彈性振動能。

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金屬焊接方式

鋰電池技術中，涉及到的金屬焊接方式有三種：銅/鋁箔到極片(foiltotab)，極片到極片(tabtotab)，極片到極耳(tabtobus)。其中，銅/鋁箔焊接到極片上，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成。下圖展示了一個鋰離子電池單元的剖面圖。

其中，極箔到極片的焊接，是將電池內部所有陰陽極箔連接到對應的極片上，從而將電池內部能量傳遞到外部。數(shù)以百計的鋰電池單元構成典型的鋰電池組。各電池單元之間采用串聯(lián)或者并聯(lián)方式組合，如果一個極箔與極片連接出現(xiàn)故障，那么將導致整個電池組的輸出故障。因此，極箔與極片之間穩(wěn)健牢固的連接，至關重要。

上述多層箔片到極片的連接，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。

超聲波焊焊縫形成的決定因素

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超聲波焊焊縫的形成主要由振動剪切力、靜壓力和焊區(qū)的溫升三個因素所決定。綜觀焊接過程，超聲波焊經(jīng)歷了如下三個階段。

（1）摩擦去污階段：在振幅為幾十微米的振動摩擦力的作用下，工件表面的油污、氧化物等雜質被排出，金屬表面露出。

（2）應力及應變階段：變化頻率為幾千次/秒的剪切應力也是造成振動摩擦的原因，在工件間發(fā)生局部連接后，這種振動的應力和應變將形成金屬間實現(xiàn)冶金結合的條件。

（3）固相連接階段：在上述兩個階段中，由于彈性滯后、局部表面滑移和塑性變形的綜合結果，焊接區(qū)局部溫度升高。焊接區(qū)產(chǎn)生了擴散及相變、再結晶和金屬鍵合等冶金過程，形成固相連接。

超聲波金屬焊接的優(yōu)勢

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。
典型的鋰離子電池單元，使用銅箔作為陽極集電器，鋁箔作為陰極集電器。因此，我們分別對兩種情況進行測試——（1）鋁箔與鋁接頭連接；（2）銅箔與銅接頭連接。測試模型如上圖所示。其中，極片厚度0.13mm，箔片厚度12和25μm，箔片堆疊高度為20和60層。

對上述橫截面的觀察，我們對箔片壓縮，箔片失效和接頭最終狀態(tài)有了更清楚的認識。采用更薄箔片和更少層數(shù)的金屬焊接工藝，兩側鄰近焊接區(qū)域的箔片變形和位移加劇，略顯松散和強度不足。相反，采用更厚箔片和更多層數(shù)的金屬焊接工藝，兩側粘合區(qū)域更大，強度更大。

結論：

超聲波金屬焊接，將多層箔片緊固連接到極片上是可行的；焊接過程不會破壞箔片；粘合發(fā)生在箔片與極片（接頭）表面，以及每個箔片與箔片之間，因此能夠提供強度更高，導電更佳的金屬連接；紅外攝像顯示，所有接頭在焊接周期內都保持在60C以下，表明該過程不會對附近的熱敏元件造成傷害。