锂电池超声焊接原理及影响因素
焊接工序作为锂电池制造工艺中的关键一环，被应用于锂电池铝/铜正负集流体、极片以及电池封装等多个位置的连接，任何焊接接头缺陷都将显著影响锂电池性能的一致性。因此，理解超声焊接过程十分必要。
1、超声焊接原理
在超声焊接过程中，换能器把高频电信号转化为超声振动信号，高频振动通过焊接工具头传递到待焊金属表面，界面金属氧化膜在一定的压力和超声振动的剧烈摩擦作用下破碎，界面洁净金属接触并在摩擦和超声软化的共同作用下，进一步产生塑性流动和扩散使连接面积逐渐增大最终形成可靠的连接。
焊接接头的形成需经过两个阶段：过渡阶段和稳定阶段。
过渡阶段为清除焊件表面膜和氧化物的短暂过程，稳定阶段为界面产生相互扩散并使相互扩散稳定的过程。在过渡阶段，焊件表面氧化物膜由于强烈磨擦作用破碎，此时磨擦为主要热源，工件温度升高使工件材料屈服强度降低，有利于工件表面氧化膜破碎及发生塑性变形，对接头形成有重要作用。稳定阶段，金属接触表面变得平滑后摩擦作用减弱，热量由于产生塑性变形而在焊接界面聚集，在此过程中的热量是由工件的塑性变形过程产生，工具头施加的压力致使界面原子之间产生作用力而形成的金属连接过程。焊接区域塑性变形
工件与工件连接界面仅在压痕槽下方存在连接，接头连接界面的所有槽下方的连接长度求和得到接头连接长度的总和，称之为有效连接长度，也是塑性变形量的一个衡量指标。
焊接区域微观形貌
2、超声金属焊接工艺参数研究
超声金属焊接过程的主要工艺参数有焊接压力、焊接能量/时间、工具头振幅和工具、头齿纹与尺寸等。
（1）压力的影响
焊接压力对焊接接头质量的影响显著，焊接接头强度随压力的增大先增加后减小。焊接压力会改变焊接界面的滑动阻力，焊接压力较小会导致界面的滑动阻力较小，使摩擦产生的能量不足以让界面形成有效连接；焊接压力过大导致工具头下压过深，焊接界面金属产生相互咬合而影响了界面的相对运动，阻碍界面金属进一步连接，导致焊接接头的力学性能变差。因此，合适的焊接压力参数对焊接质量有决定性。
（2）时间的影响
焊接时间直接影响了焊接过程中能量的输入，对焊接效果有着直接的影响。焊接时间过短，输入能量不足，由于没有充分的摩擦，难以形成有效的焊点；随着焊接时间的增加，相互摩擦引起温度升高，工件材料开始软化，焊接区域界面氧化膜破损及塑性变形，能形成较好的连接；当焊接时间进一步延长，焊头容易在工件表面形成较深的痕迹，对焊接效果产生不利的影响，此外，过长的焊接诶时间易导致焊头与被焊工件的粘结；
（3）振幅的影响
超声波焊接过程中工件与工件形成的振动系统，振幅直接影响工件界面振动的瞬时速度，最终影响摩擦生热及塑性变形，对焊接质量造成影响。
（4）焊头的影响
焊头是超声波金属焊接的关键组成部分，焊接过程中，焊头在压力作用下要抓紧被焊工件，这样，超声波焊机产生的机械振动才能传递给被焊工件界面以形成固相连接。焊头面积不同，会导致焊接过程中焊接压力的分布不同，即连接界面的具有不同的应力，使焊接过程中摩擦力不同，从而使焊接过程中摩擦产热量不同，导致焊接过程中工件温度不同，最终影响接头质量。而焊头花纹齿深则决定焊头花纹嵌入工件表面的难易程度，也直接影响工件表面压痕深度，间接影响焊接过程中工件温度，对接头质量造成影响。因此，焊头形貌及尺寸对接头质量有非常关键的作用。
焊头面积相同时，矩形焊头比圆形焊头产生的塑性变形程度强烈；焊头形状相同时，面积大的焊头能使焊接区塑性变形程度更强烈。焊头面积相同时，圆形焊头更容易将焊头下方的工件材料挤出，形成更深的压痕；焊头形状相同时， 面积小的焊头使工件表面接触区域压强较大，从而形成更深的压痕。3、焊接质量监视
（1）破坏性测试
超声焊接的好坏，可直接通过检测焊接区域的抗拉情况进行判定，当虚焊与过焊时，拉力值均会很低。
（2）红外测试
焊接工艺参数不同，导致焊机供给被焊工件的焊接总能量变化，必然引起焊接过程中的摩擦作用不同，致使焊接过程中产生的热量变化，那么焊接过程中工件的温度也将随之变化，焊头-工件接触区温度可以有效反映接头强度，可以通过测量焊接过程中工件的温度预测接头质量。但接触区温度并不是越高越好，对于每种被焊材料匹配，都有一个临界温度值，工件温度小于临界温度时，温度越高则接头强度越高；工件温度大于临界温度时，接头强度则会减弱。
（3）能量反馈
不同的焊接参数，不同的焊接效果所需的能量是不一样的，可以通过检测焊接过程的焊接能量进行判断。
参考文献
1、Kim T H , Yum J , Hu S J , et al. Processrobustness of single lap ultrasonic welding of thin, dissimilar materials[J].CIRP Annals - Manufacturing Technology, 2011, 60(1):17-20.
2、Bakavos D, Prangnell P B. Mechanisms of joint andmicrostructure formation in high power ultrasonic spot welding 6111 aluminiumautomotive sheet[J]. Materials Science and Engineering: A, 2010, 527(23):6320-6334
3、李东, 赵杨洋,张延松. 焊头几何尺寸对铜/铝超声波焊接接头塑性变形的影响[J]. 热加工工艺(9):157-159.
4、李东. 层叠式锂电池制造中金属极片的超声波焊接工艺优化方法[D]. 上海交通大学, 2013
5、肖中扬. 超声固接带状金属箔的工艺及机理研究[D].
超声波金属焊接技术破解锂电池焊接难题
文章来源自：高工锂电网
2022-07-06 09:12:07 阅读：1928
摘要作为一种高度通用的技术，超声波金属焊接技术在电动汽车电池开发和生产方面发挥着重要作用。
【文/艾默生必能信金属焊全球业务发展经理 杨约邦】 电动汽车未来的成功与日益强大的可充电能源的发展有关，特别是锂离子电池组。无论锂离子电池是圆柱形、方形、软包电池还是固态电池，电源的性能将决定电动汽车能否成为汽车市场的主流。
超声波金属焊接作为一种高度通用的技术，除了能够连接薄而易碎的金属箔片外，它还可以用于组装和连接更厚的电池箔片以及在整个车辆中分配电力所需的大型焊接。
这些大型焊接可以包括从厚铜和铝板汇流条到线束和端子的所有焊接应用。这种焊接的多用途性将促使超声波金属焊接技术在电动汽车电池开发和生产方面发挥着重要作用。
超声波金属焊接的工作原理
长期以来，激光或电阻焊接技术被用来熔化材料来粘合高强度含铁金属。然而，当涉及到EV电动汽车电池所需的较软的有色金属箔片时，熔点就成了一个问题。对于有色金属，材料熔化会产生金属间化合物或腐蚀，从而导致材料和连接处过早磨损，引发电池故障。此外，在粘合多个箔层（在某些情况下为100层或更多）时，熔化如此薄且易碎的材料可能会导致几乎无法解决的问题。
超声波焊接不需要熔化材料的表面来连接它们。相反，它对需要被连接的两个金属工件施加高频振动，这两个金属工件被置于“焊头”和“砧座”之间，下工件被砧座上的齿纹 “抓住”并固定到位，机架带动焊头下压上工件，直到上下工件紧密接触并压紧。
然后焊头做水平方向的高频振动，产生振动能，清除上下工件接合面的表面污染物和其他涂层。振动产生的摩擦会清除接合面的凹凸不平，产生一个干净、连续的焊接区域，使得原子能跨过接合面，自由扩散到另一方。当振动停止时，这种原子的自由扩散会再结晶成为与冷加工金属相当的细晶粒结构。整个焊接周期在几分之一秒内完成。
图1：超声波金属焊接过程特写，显示焊头、砧座和上下金属工件的位置。向下的压力和水平方向振动（振幅）会产生摩擦，从而在焊接区域实现金属与金属的连接。图片由艾默生必能信提供。
高品质的超声波金属焊接设备能够在较大的金属部件与导体、汇流条和线束之间产生牢固的焊接。
当应用需要将多个电池并入电池模块中，然后将模块连接在一起形成电池组时，超声波焊接可以处理汇流条、线束和电缆之间的互连。但对于这些应用，通常使用相对较低的20kHz频率和较高的振幅。
在20KHz频率下，超声波金属焊接设备通过消耗高达5500W的功率来进行高达80微米的水平运动。
这种低频/高振幅应用通常用于电动汽车的大型电池组，以及专用采矿车、大型无人机和其他特殊车辆，其中的方形电池根据焊接尺寸和面积，可以将100多层的箔片焊接到单个极耳上。
超声波金属焊接工艺的优势
· 适用于各种有色金属材料
· 在不同金属之间建立永久的冶金结合
· 无需熔化 — 材料的化学或冶金性能无变化
· 非常适合焊接高导电合金；材料的反应性无关紧要
· 不产生金属间化合物、微粒或引起腐蚀的反应
· 非常适合连接薄且易碎的金属薄膜和结构
· 多种控制方法可实现流程定制、高重复性和统计过程控制SPC (Statistical Process Control)
· 低能量输入（能耗比熔焊或电阻焊低 30 倍）；无耗材
· 总成本低于其他各类焊接工艺
精确控制确保焊接质量的一致性
超声波金属焊接基于三个基本控制因素来确保焊接质量：能量控制、振幅控制和焊头夹具质量。
➤ 焊接能量控制
超声波焊接提供三种不同的焊接模式来提供能量控制：时间、高度和能量。时间模式要求每次焊接的周期时间保持一致。高度模式要求焊接到预设的焊接高度。能量模式对每个焊接周期应用相同的能量。
能量模式是首选模式，因为它允许焊机自动补偿被接合材料表面状况的任何差异。例如，一些需要接合表面可能有不同程度的污染，当振动开始时，这将需要更多的“摩擦”，以建立完全的金属对金属的表面连接合。能量模式能够补偿这些差异，而高度和时间模式则不能。
➤ 焊接振幅控制
在下压力的作用下，焊头压紧被焊工件到砧座上，焊头带动上工件在焊接区域的振动距离被称做焊接振幅。对振动幅度的要求通常是根据被焊接材料的类型和状况确定的，并且通过焊接设备的发生器、换能器和上焊头协同工作对每个焊接周期实施精确控制。
➤ 焊头夹具
焊头夹具是指砧座和焊头，其设计和材料组成。超声波焊头能够抓住上部金属工件至关重要，这样它才能提供准确的振动横向力，从而实现与下部金属工件的结合。
这种抓握是通过对焊头的表面进行特殊加工来实现的，就是把焊头的表面制作成球形、菱形或锯齿状歯纹，在振动过程中能够牢牢夹持住上工件，下部金属工件由下部砧座固定到位。超声波焊机精确管理这些重要控制因素, 确保通过超声波焊接技术获得一致的焊接质量。
未来的市场机遇
电动汽车制造商开发和制造先进、高功率电池的能力与金属焊接过程的各个方面密切相关——焊接设备质量、焊接模式控制、焊头夹具的精度和耐用性、数据收集和通信能力以及及时的乃至全球范围内的技术支持。
幸运的是，超声波金属焊接技术已被证明是首屈一指的金属连接工艺，它可以满足工业规模所要求的高重复性，高可靠性和高生产效率的质量要求。
图片说明：艾默生Branson™ GMX-20MA超声波金属焊接设备在精度和功率方面的持续改进使新一代电动汽车电池的开发和组装成为可能。照片由艾默生必能信提供。
图片说明：艾默生的 Branson™ GMX-20DP超声波金属直压焊接设备利用高压力、低振幅的设计，针对电池簿材焊接能减少损坏和粉尘。照片由艾默生必能信提供。
图片说明：超声波金属焊接可以焊接相对较粗的电缆、汇流条和端子。由于该过程在不熔化导电金属的情况下连接它们，因此金属材料本身的完整性和特性不受影响。照片由艾默生必能信提供。
图片说明：超声波焊接提供了成熟、可靠的解决方案，用于接合通常用作阳极集电器的铜箔和极耳。照片由艾默生必能信提供。
作者简介
杨约邦
艾默生必能信全球金属焊业务发展经理
在行业里深耕二十年，带领着必能信超声波金属焊接的销售，应用和业务发展。本科毕业于香港理工大学机械工程系。
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