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超聲波焊接在鋰離子電池中的應用
超聲波焊接在鋰離子電池中的應用
更新時間：2024-11-15
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一、超聲波焊接原理
超聲波焊接是利用高頻振動波傳遞到兩個需焊接的物體表面，在加壓的情況下，使兩個物體表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合。
一套超聲波焊接系統的主要組件包括超聲波發生器/換能器/變幅桿/焊頭三聯組/模具和機架。
超聲波焊接是通過超聲波發生器將50/60赫茲電流轉換成15、20、30或40 KHz 電能。被轉換的高頻電能通過換能器再次被轉換成為同等頻率的機械運動，隨后機械運動通過一套可以改變振幅的變幅桿裝置傳遞到焊頭。焊頭將接收到的振動能量傳遞到待焊接工件的接合部，在該區域，振動能量被通過摩擦方式轉換成熱能，將需要焊接的部件區域熔化。超聲波不僅可以被用來焊接金屬、硬熱塑性塑料，還可以加工織物和薄膜等。
1）超聲波金屬焊接原理
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為工件間的摩擦功、形變能及有限的溫升．接頭間的冶金結合是母材不發生熔化的情況下實現的一種固態焊接．因此它有效地克服了電阻焊接時所產生的飛濺和氧化等現象．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。
在鋰電池技術中，涉及到的金屬焊接方式有三種：銅/鋁箔對極耳(foil to tab)，極耳對極耳(tab to tab)，極耳到母排(tab to bus)。其中，銅/鋁箔焊接到極耳上，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，箔材到極耳的焊接，是將電池內部所有陰陽極箔材連接到對應的極耳上，從而將電池內部能量傳遞到外部。數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或者并聯方式組合，如果一個連接出現故障，那么將導致整個電池組的輸出故障。因此，穩健牢固的連接，至關重要。
上述多層箔片到極耳的連接，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，在適當的壓力和熱量下，兩者之間形成了焊縫。
該過程有幾個優點。由于它是固態過程，因此適應不同材料的組合，避免金屬化合物的產生。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生熱量以進行連接。然而，通常用于電池工業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。對于超聲波金屬焊接工藝，則沒有以上這些問題。
2）超聲波塑料焊接原理
超聲波作用于熱塑性的塑料接觸面時，會產生每秒幾萬次的高頻振動，這種達到一定振幅的高頻振動，通過上焊件把超聲能量傳送到焊區，由于焊區即兩個焊接的交界面處聲阻大，因此會產生局部高溫。又由于塑料導熱性差，一時還不能及時散發，聚集在焊區，致使兩個塑料的接觸面迅速熔化，加上一定壓力后，使其融合成一體。當超聲波停止作用后，讓壓力持續幾秒鐘，使其凝固成型，這樣就形成一個堅固的分子鏈，達到焊接的目的，焊接強度能接近于原材料強度。超聲波塑料焊接的好壞取決于換能器焊頭的振幅，所加壓力及焊接時間等三個因素，焊接時間和焊頭壓力是可以調節的，振幅由換能器和變幅桿決定。這三個量相互作用有個適宜值，能量超過適宜值時，塑料的熔解量就大，焊接物易變形；若能量小，則不易焊牢，所加的壓力也不能太大。這個最佳壓力是焊接部分的邊長與邊緣每1mm的最佳壓力之積。
1）熔接法：
以超音波超高頻率振動的焊頭在適度壓力下，使二塊塑膠的接合面產生摩擦熱而瞬間熔融接合，焊接強度可與本體媲美，采用合適的工件和合理的接口設計，可達到水密及氣密，并免除采用輔助品所帶來的不便，實現高效清潔的熔接。
2）埋植：借著焊頭之傳道及適當之壓力，瞬間將金屬零件（如螺母、螺桿等）擠入預留入塑膠孔內，固定在一定深度，完成后無論拉力、扭力均可媲美傳統模具內成型之強度，可免除射出模受損及射出緩慢之缺點。
3）鉚焊：鉚焊法指的是振動的焊頭壓制物品的突起處使其熱熔為鉚釘狀，從而使兩物體機械鉚合
4）點焊
點焊指的是對于焊線不易設計的物體進行分點焊接，同樣可達到熔接效果。
5）成型
本方法與鉚焊法類似，將凹狀的焊頭壓著于塑膠品外圈，焊頭發出超音波超高頻振動后將塑膠溶融成形而包覆于金屬物件使其固定，且外觀光滑美觀、此方法多使用在電子類、喇叭之固定成形，及化妝品類之鏡片固定等。
三、焊接優點
1）超聲波金屬焊接優點：
a、焊接材料不熔融，不脆弱金屬特性。
b、焊接后導電性好，電阻系數極低或近乎零。
c、對焊接金屬表面要求低，氧化或電鍍均可焊接。
d、焊接時間短，不需任何助焊劑、氣體、焊料。
e、焊接無火花，環保安全。
2）超聲波塑料焊接優點：
a、焊接速度快，焊接強度高、密封性好；
b、取代傳統的焊接/粘接工藝，成本低廉，清潔無污染且不會損傷工件；
c、焊接過程穩定，所有焊接參數均可通過軟件系統進行跟蹤監控，一旦發現故障很容易進行排除和維護。
四、適用產品
1）鎳氫電池鎳氫電池鎳網與鎳片互熔與鎳片互熔。
2）鋰電池、聚合物電池銅箔與鎳片互熔，鋁箔與鋁片互熔。
3）電線互熔，偏結成一條與多條互熔。
4）電線與各種電子元件、接點、連接器互熔。
5）各種家電用品、汽車用品的大型散熱座、熱交換鰭片、蜂巢心的互熔。
6）電磁開關、無熔絲開關等大電流接點，異種金屬片的互熔。
7）金屬管的封尾、切斷可水、氣密。
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