超聲波焊接技術(shù)在鋰離子電池行業(yè)中的應(yīng)用

王玉濤,龐 松,樊彥良,劉吉云

[中航鋰電(洛陽)有限公司,河南 洛陽 471000]

在鋰離子電池生產(chǎn)中,多層極耳之間、極耳與極耳引片之間、極耳與蓋板之間的連接,經(jīng)歷了從機(jī)械鉚接、電阻焊接、激光焊接到超聲波焊接的發(fā)展歷程。超聲波焊接高速、高效且高自動(dòng)化,在鋰離子電池生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越多。

1 超聲波焊接技術(shù)概述

超聲波焊接機(jī)是利用超聲波(頻率在16 kHz以上)的高頻振動(dòng)能量,對工件接頭進(jìn)行內(nèi)部加熱和表面清理,并對工件施加壓力來實(shí)現(xiàn)同種或異種金屬連接的壓焊方法[1-3]。超聲波焊接的原理如圖1所示。

圖1 超聲波焊接的原理Fig.1 The principle of ultrasonic welding

超聲波焊接的過程為:通過上聲極5向工件4輸送超聲波的機(jī)械振動(dòng)能量,在下聲極6上放置工件,并向工件施加壓力;焊接時(shí),壓緊上、下聲極之間的工件接觸面,在靜壓力及彈性振動(dòng)能量的共同作用下,經(jīng)過摩擦、升溫和變形,使氧化膜或其他表面附著物被破壞及碎化,完成焊接。

超聲波焊接的特點(diǎn)有[1,4]:工件不通電,不外加熱源,焊接過程趨近于冷焊接,不需要加焊劑,所需電能少,能耗較低;焊接區(qū)金屬的物理和力學(xué)性能沒有宏觀變化,焊接接頭的靜載強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度較高,且穩(wěn)定性好;被焊工件變形小,焊后無須熱處理,焊接面清潔美觀,焊后無需清理焊點(diǎn);可與計(jì)算機(jī)配合使用,對焊接參數(shù)和數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、對焊接過程進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)信息化和自動(dòng)化。

超聲波焊接的主要焊接參數(shù)[5]有:超聲波振動(dòng)頻率f、振幅A、靜壓力F、焊接時(shí)間t、功率W。

超聲波振動(dòng)頻率f:f一般為16～75 kHz。通常情況下,f越高,W越小,在焊接硬度及屈服強(qiáng)度均比較低的材料時(shí),宜選用較低的f。

振幅A:超聲波焊接上聲極的A決定摩擦能量的大小、焊接區(qū)域表面氧化膜的清除程度、工件結(jié)合面摩擦生成的熱量、塑性變形區(qū)的大小及材料的塑性流動(dòng)狀況等。

靜壓力F:當(dāng)F太小時(shí),超聲波幾乎無法有效地傳遞到工件,不能形成焊接接頭。如果加大F,超聲波振動(dòng)的傳遞條件會(huì)得到改善,兩個(gè)工件比較容易焊接在一起。

焊接時(shí)間T:超聲波焊接工件,如果T過短,則接頭的抗剪切力太低,甚至無法形成接頭;T過長,焊點(diǎn)的抗剪力又迅速下降,無法形成良好的接頭。

焊接功率W:W取決于工件的厚度δ和材料的硬度H。

焊接能量E:以能量模式為例,焊接時(shí)輸入能量值,調(diào)整F和A進(jìn)行焊接,焊接結(jié)束后,可輸出功率波形,功率曲線與時(shí)間所圍成的面積即為E,可用積分公式(1)表示:

式(1)中:P(t)表示實(shí)際輸出功率,t表示焊接時(shí)間,一般短于0.5 s。

2 超聲波焊接機(jī)的組成[6]

2.1 超聲波發(fā)生器

超聲波發(fā)生器主要給超聲波換能器提供超聲頻交流電信號(hào)。近幾年,在電路設(shè)計(jì)中使用了新型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和新型功率器件,提高了超聲波電源的可靠性、負(fù)載適應(yīng)性及產(chǎn)品一致性。針對超聲波焊機(jī)固有頻率發(fā)生漂移的現(xiàn)象,超聲波發(fā)生器設(shè)置了頻率自動(dòng)跟蹤功能,以調(diào)整超聲波發(fā)生器的頻率。

2.2 聲學(xué)系統(tǒng)

聲學(xué)系統(tǒng)主要包括超聲波換能器、傳振桿、聚能器和聲極等4個(gè)部分。超聲波換能器將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槌曨l機(jī)械振動(dòng),主要有壓電換能器和磁致伸縮換能器兩種。前者的效率更高,使用更廣泛。傳振桿主要用來調(diào)整輸出負(fù)載,固定系統(tǒng)及傳遞振動(dòng)能量,通常選用放大倍數(shù)為0.8、1和1.25等幾種半波長階梯型桿。一般選用45號(hào)鋼、30CrMnSi合金鋼或超硬鋁來制作。聚能器又稱變幅桿,主要有兩個(gè)作用:聚能作用和向負(fù)載傳輸超聲振動(dòng)能量。超聲波焊機(jī)中直接與焊件接觸的聲學(xué)部件稱為上、下聲極,上聲極又稱為焊頭,下聲極又稱底座或底模。

2.3 加壓結(jié)構(gòu)

焊接工件需在一定的壓力情況下才能完成焊接。向焊機(jī)施加壓力的方式主要有液壓、氣壓、電磁加壓及自重加壓等幾種。液壓具有壓力大、沖擊力小等優(yōu)點(diǎn),主要用于大功率焊機(jī)。小功率焊機(jī)多采用電磁加壓式或自重加壓方式。

3 超聲波焊接技術(shù)的應(yīng)用

超聲波焊接效果的影響因素有:電芯制作工藝(疊片或卷繞),單層極耳厚度、極耳材質(zhì),蓋板極耳引片厚度、材質(zhì),極耳引片厚度、材質(zhì),焊接面積,焊印形狀,焊接參數(shù)等。

3.1 在鋁殼電池制作中的應(yīng)用

鋁殼電池(疊片工藝)在制作過程中,對于層數(shù)較多的極耳,需通過超聲波焊接機(jī)對多層極耳預(yù)焊,再將預(yù)焊后的極耳與蓋板極耳引片焊接起來。若極耳層數(shù)較少,可直接對多層極耳與蓋板極耳引片進(jìn)行焊接,無需預(yù)焊;若蓋板極耳引片厚度較大,即使極耳層數(shù)較少,也需進(jìn)行預(yù)焊。預(yù)焊起到整形的作用,有利于蓋板極耳引片與極耳之間的焊接。

目前,市場上適合鋰離子電池行業(yè)使用的超聲波焊接機(jī)功率,功率最小的為40 kHz/500 W,功率最大的為20 kHz/5 500 W。預(yù)焊時(shí),可選擇功率較小的設(shè)備,蓋板焊接時(shí)可選擇功率較大的設(shè)備,為保證焊接質(zhì)量,預(yù)焊和蓋板焊接所用設(shè)備應(yīng)分開選擇。對于同于一臺(tái)設(shè)備,可同時(shí)進(jìn)行預(yù)焊和蓋板焊接,但要頻繁調(diào)整焊接參數(shù),易導(dǎo)致焊接效果不穩(wěn)定。焊接完成后,需要使用拉力設(shè)備檢驗(yàn)焊接效果,根據(jù)測試結(jié)果對焊接參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,直至焊接效果最佳。

3.2 在軟包電池制作中的應(yīng)用

軟包電池(疊片工藝)與鋁殼電池(疊片工藝)不同,在制作過程中,軟包電池需對多層極耳進(jìn)行預(yù)焊,再將極耳引片與預(yù)焊后的極耳焊接在一起,極耳引片與鋁殼電池的極柱功能相當(dāng)。整個(gè)過程分為極耳預(yù)焊和極耳引片焊接兩步。軟包電池(疊片工藝)層數(shù)較少,可用功率較小的超聲波焊接機(jī)。

軟包電池(卷繞工藝)需要將正、負(fù)極的極耳引片分別焊接在正、負(fù)極片上,再進(jìn)行卷繞,形成單只電芯。在此過程中,需用超聲波焊機(jī)進(jìn)行極耳引片焊接,由于極耳引片較薄,可選用800 W左右的焊機(jī)焊接。

4 小結(jié)

目前,與超聲波焊機(jī)配合的加壓裝置及相應(yīng)的工件固定夾具的精度和自動(dòng)化程度,對焊接的效果及生產(chǎn)效率有很大的影響。在使用焊機(jī)的過程中,需要對焊機(jī)的環(huán)境加以控制,防止微小導(dǎo)電顆粒進(jìn)入超聲波發(fā)生器或換能器,避免對焊機(jī)造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。

[1]ZHU Zheng-qiang(朱政強(qiáng)),WU Zong-hui(吳宗輝),FAN Jinghui(范靜輝).超聲波金屬焊接的研究現(xiàn)狀與展望[J].Welding Technology(焊接技術(shù)),2010,39(12):1-6.

[2]Laborde J L,Hita A,Caltagirone J P,et al.Fluid dynamics phenomena induced by poser ultrasounds[J].Ultrasonics,2000,38(2):297-300.

[3]SU Xiao-ying(蘇曉鷹).超聲波焊接的現(xiàn)狀及未來前景[J].Electric Welding Machine(電焊機(jī)),2004,34(3):77-81.

[4]LI Xiao-ming(李小明),LI Yan-sheng(李彥生),HAN Jing-yun(韓景蕓).基于超聲波焊接技術(shù)的快速成型方法研究[J].Machine Tool and Hydraulics(機(jī)床與液壓),2007,35(3):4-6.

[5]LIU Zhi-liang(劉智良).某手機(jī)殼體超聲波焊接工藝研究[D].Xi'an(西安):Northwestern Polytechnical University(西北工業(yè)大學(xué)),2006.

[6]ZHANG Yun-dian(張?jiān)齐?.超聲加工及其應(yīng)用[M].Beijing(北京):National Defence Industrial Press(國防工業(yè)出版社),1995.10-19.