超聲波點(diǎn)焊機(jī)在鋰電池制造中的應(yīng)用

2022-01-19 17:36

近年來(lái)隨著世界環(huán)境污染、氣候變暖及全球能源危機(jī)的不斷加劇，節(jié)能減排、綠色發(fā)展等環(huán)保問題越來(lái)越受到人們的重視。純電動(dòng)汽車具有無(wú)尾氣排放、節(jié)能環(huán)保、使用成本低等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。動(dòng)力鋰離子電池組作為純電動(dòng)汽車的核心部件，其質(zhì)量和容量決定著純電動(dòng)汽車的穩(wěn)定性、供電性能及安全性。根據(jù)純電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力鋰離子電池組功率和容量的要求，動(dòng)力鋰離子電池組一般由幾百甚至上千個(gè)鋰離子電池單體組成。同時(shí)，一定數(shù)量的電池單體通過(guò)串聯(lián)和并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)電池單元，然后電池單元通過(guò)匯流條連接進(jìn)而組成電池組。在動(dòng)力鋰離子電池組裝配制造過(guò)程中有大量的焊接接頭，當(dāng)焊接接頭強(qiáng)度不足時(shí)，將造成電池組內(nèi)部電阻增大，不能有效供電;當(dāng)焊接過(guò)度，導(dǎo)致焊接熱量過(guò)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(shí)可能發(fā)生燃燒或爆炸，將嚴(yán)重影響到使用者的安全。因此，接頭焊接質(zhì)量對(duì)電池組的性能可靠性起著決定性的作用。

鋰電池的制造組裝過(guò)程包括電池單體內(nèi)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(nèi)部單體連接主要包括陰/陽(yáng)極箔與正/負(fù)極片之間的連接。鋰電池單體之間的連接主要包括正/負(fù)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(dǎo)電、導(dǎo)熱的特性，是鋰電池組模塊制造過(guò)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(diǎn)在于兩者之間的導(dǎo)熱系數(shù)(Al，235W/(m·K);Cu，400W/(m·K))、熔點(diǎn)(Al，660℃;Cu，1085℃)相差較大及容易生產(chǎn)金屬間化合物。采用傳統(tǒng)的熔焊方法焊接鋁和銅，將會(huì)產(chǎn)生金屬間化合物(例如:Al2Cu，AlCu和Al4Cu9)，其將嚴(yán)重降低焊接接頭的強(qiáng)度，增大焊接接頭的電阻，這是因?yàn)榻饘匍g化合物(Al2Cu，8．0μΩ·cm;AlCu，11．4μΩ·cm，Al4Cu9，14．2μΩ·cm)的電阻遠(yuǎn)大于母材(Al，2．9μΩ·cm;Cu，1．75μΩ·cm)的電阻。此外鎳的熔點(diǎn)為1453℃，鋁與鎳熔點(diǎn)之間的巨大差異給傳統(tǒng)熔焊技術(shù)造成了嚴(yán)重的困難，同時(shí)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(xué)性能和導(dǎo)電性能。

超聲波點(diǎn)焊

超聲波點(diǎn)焊屬于固態(tài)焊接技術(shù)，其對(duì)材料的導(dǎo)電性及異質(zhì)性不敏感，同時(shí)焊接時(shí)間間短(一般都小于0．5s)、耗能低(0．6～1．5kJ/焊接接頭)，焊接界面溫度低，其一般為過(guò)母材熔點(diǎn)的40%～80%，適用于焊接硬度低的金屬片或箔材。通過(guò)增大超聲波點(diǎn)焊機(jī)的焊頭尺寸能夠增大焊接接頭的焊接面積，減小電阻，從而提高電流的有效傳遞。因此，超聲波焊接相對(duì)于激光焊接和電阻點(diǎn)焊技術(shù)具有一定的優(yōu)越性。

鋰電池制造中主要采用超聲波點(diǎn)焊機(jī)，其主要分為兩類:楔－桿型和側(cè)向驅(qū)動(dòng)型。楔－桿型超聲波點(diǎn)焊機(jī)主要包括發(fā)生器、換能器和楔－桿組件，主要用于產(chǎn)生超聲波，并將超聲波傳遞到工件。壓力一般采用氣缸、液壓缸或電動(dòng)設(shè)備控制，使得焊頭能夠自由的向上或向下運(yùn)動(dòng)。焊接壓力可以在幾十到幾千牛頓之間調(diào)節(jié)。楔相當(dāng)于側(cè)向驅(qū)動(dòng)型超聲波焊機(jī)中的放大器，可以調(diào)控振幅，然后通過(guò)桿將振幅傳遞給焊頭。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，楔一般都垂直于桿，同時(shí)桿以彎曲的模式振動(dòng)，產(chǎn)生了振幅。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，最優(yōu)的情況是底座與焊頭在焊接過(guò)程中產(chǎn)生共振，從而可以提高焊件之間的相互運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而提高所焊接接頭的力學(xué)性能。

側(cè)向驅(qū)動(dòng)型超聲波點(diǎn)焊機(jī)主要包括發(fā)生器、換能器、放大器和焊頭。換能器通過(guò)壓電陶瓷片將電能轉(zhuǎn)換為同頻率的線性機(jī)械振動(dòng)能;放大器根據(jù)焊接的實(shí)際需要將機(jī)械振幅提高。在焊接過(guò)程中焊件被焊頭和底座牢牢壓緊，上面的工件被焊頭表面的尖齒咬緊，下面的工件被底座表面的尖齒咬緊。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(gè)件的接觸表面產(chǎn)生相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致接觸界面產(chǎn)生切向塑性變形及工件表面微凸起的平整化，然后形成焊合區(qū)。側(cè)向驅(qū)動(dòng)型和楔－桿型焊接在振動(dòng)現(xiàn)象方面是相似的，兩種焊機(jī)都通過(guò)固態(tài)焊接機(jī)理實(shí)現(xiàn)工件之間的焊接。與楔－桿型超聲波點(diǎn)焊機(jī)相比，側(cè)向驅(qū)動(dòng)型超聲波點(diǎn)焊機(jī)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(diǎn)焊屬于固態(tài)焊接技術(shù)，其對(duì)材料的導(dǎo)電性及異質(zhì)性不敏感，同時(shí)焊接時(shí)間間短、耗能低、焊接界面溫度低，其一般為過(guò)母材熔點(diǎn)的40%～80%，適用于焊接硬度低的金屬片或箔材。

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