超聲波在鋰電池轉(zhuǎn)接頭清洗中的應(yīng)用

白靜 何治國(guó) 徐志強(qiáng)

摘 要：鋰離子電池的極柱結(jié)構(gòu)有平面型和螺紋型，螺紋型結(jié)構(gòu)極柱面積較小，充放電設(shè)備的輸出端無(wú)法完全接觸到電池極柱，因此需要引入轉(zhuǎn)接頭擴(kuò)充電池極柱面積，保證設(shè)備和電池接觸良好。轉(zhuǎn)接頭使用頻率高，容易被污染，需要頻繁清洗。由于數(shù)量眾多，轉(zhuǎn)接頭的螺紋結(jié)構(gòu)不易徹底清洗，所以手工清洗效率低、效果差。超聲波清洗轉(zhuǎn)接頭效率高，清洗徹底，可大量推廣。本文介紹超聲波清洗轉(zhuǎn)接頭的原理、參數(shù)選擇，并給出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及清洗效果。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)接頭；超聲波；鋰電池

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2017）03-0067-03

Abstract： Column structure of lithium-ion batteries has a thread model and plane model. Because the thread type of column area is lesser， the output of the charing and discharging equipment cannot access to the battery polo column. Connector is needed to extend battery pole column area， to ensure good contact. Connector is used in lithium-ion batteries in charing and discharging process. Because the connector use frequency is high， easy to be polluted， so we need to frequent cleaning. Manual cleaning efficiency is low and the effcct is poor， because of numerous and thread structure not to wash easily. Ultrasonic cleaning can be promoted a large number， because of high efficiency and clean thoroughly. In this paper， the principle， parameter selection， structure design and cleaning effect of ultrasonic cleaning adapter were introduced.

Keywords：adapter；ultrasonic；lithium battery

鋰離子電池出廠前，要進(jìn)行內(nèi)部電能激活，采用專用的化成設(shè)備對(duì)單個(gè)電池反復(fù)充放電。目前多數(shù)化成設(shè)備的充放電方式是：化成設(shè)備的輸出端壓在電池極柱上，形成電流回路，完成電池的充放電。電池極柱結(jié)構(gòu)不同，有螺紋型和平面型，螺紋型的電池極柱面積小于充放電設(shè)備的輸出端，充放電設(shè)備的輸出端無(wú)法完全接觸到電池極柱，需要引入轉(zhuǎn)接頭作為中介，擴(kuò)充電池極柱面積，保證充放電設(shè)備和電池接觸良好。由于使用頻率高、頻繁接觸指紋，使用環(huán)境中接觸電解液，因此轉(zhuǎn)接頭極易被污染，需要頻繁清洗。

常規(guī)的水浸泡無(wú)法溶解轉(zhuǎn)接頭表面的電解液和油漬，超聲波作為近幾年的一個(gè)新興技術(shù)，在工業(yè)清洗中的應(yīng)用日趨成熟，采用超聲波清洗轉(zhuǎn)接頭能夠有效、高速地去除轉(zhuǎn)接頭表面的污漬[1]。

1 超聲波清洗的原理

超聲波是一種頻率超出人類聽(tīng)覺(jué)范圍20kHz以上的聲波，超聲波清洗原理是由超聲波發(fā)生器發(fā)出高頻振蕩信號(hào)，通過(guò)換能器轉(zhuǎn)換成機(jī)械振蕩傳播到介質(zhì)，使清洗液隨超聲波頻率一起振動(dòng)，振動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生數(shù)以萬(wàn)計(jì)的50～500μm的微小氣泡[2]。這些氣泡在超聲波縱向傳輸?shù)呢?fù)壓區(qū)形成、生長(zhǎng)，而在正壓區(qū)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)，氣泡迅速增大，然后突然閉合。并在閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊波，在其周圍產(chǎn)生上千個(gè)大氣壓，破壞不溶性污物而使他們分散于清洗液中，當(dāng)固體粒子被油污裹著黏附在清洗件表面時(shí)，油被乳化，固體粒子脫落，從而達(dá)到清洗件凈化的目的[3]。

2 超聲波的參數(shù)選擇

轉(zhuǎn)接頭材質(zhì)是導(dǎo)電性良好的黃銅，由于黃銅易氧化，因此在表面鍍了一層銀白色的鉻，鉻材質(zhì)較硬，容易脫落，所以不宜采用硬力擦拭。轉(zhuǎn)接頭結(jié)構(gòu)采用螺紋結(jié)構(gòu)，如圖1所示，螺紋較細(xì)，縫隙處手工不易清洗。轉(zhuǎn)接頭材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的特殊性決定了超聲波的參數(shù)[4]，主要有以下幾方面。

2.1 超聲波功率

超聲波清洗的關(guān)鍵在于空化作用，空化作用的強(qiáng)度又取決于超聲波功率。通常在單位面積超過(guò)0.3W超聲功率時(shí)，超聲波強(qiáng)度越大，空化作用越明顯，清洗作用越好。但隨著超聲功率變大，清洗液溫升速度也隨之增高，高溫加速清洗液溶與轉(zhuǎn)接頭污漬的反應(yīng)速度，也容易造成脫鉻現(xiàn)象。因此，清洗轉(zhuǎn)接頭時(shí)，超聲波功率并非越大越好，選擇0.3～0.5W是非常合適的。

2.2 超聲波頻率

空化作用還與超聲波頻率有關(guān)，空化的產(chǎn)生存在著一個(gè)最小的臨界幅度，即空化是隨著頻率的升高而降低的。目前超聲波清洗機(jī)的工作頻率根據(jù)清洗對(duì)象，大致分為3個(gè)頻段：低頻超聲清洗（20～50kHz）、高頻超聲清洗（50～200kHz）和兆赫超聲清洗（700～1 000kHz）[5]。低頻超聲清洗適用于大部件表面或者污物和清洗件表面結(jié)合強(qiáng)度高的場(chǎng)合；高頻超聲清洗適用于計(jì)算機(jī)、微電子元件的精細(xì)清洗；兆赫超聲清洗適用于集成電路芯片、硅片及薄膜等的清洗。轉(zhuǎn)接頭螺紋部分污漬附著較難清洗，且并非高精密度工件，低頻超聲清洗即可滿足使用要求，因此，選擇頻率20～50kHz的超聲波。

2.3 清洗溶液的選擇

空化也與液體的表面張力有關(guān)，張力大則不容易產(chǎn)生空化，但是當(dāng)聲強(qiáng)超過(guò)空化閾值時(shí)，空化泡崩潰釋放的能量也大，有利于清洗。高蒸氣壓的液體會(huì)降低空化強(qiáng)度，而液體的粘滯度大也不容易產(chǎn)生空化，因此蒸氣壓高和黏度大的清洗劑都不利于超聲清洗。

清洗劑的選擇要從2個(gè)方面考慮，一方面要從污物的性質(zhì)來(lái)選擇化學(xué)作用效果好的清洗劑；另一方面要選擇表面張力、蒸氣壓及黏度合適的清洗劑[6]。

經(jīng)過(guò)綜合分析試驗(yàn)，選擇奧斯克-Ⅱ清洗劑，與純水按照一定比例混合后作為清洗溶液對(duì)轉(zhuǎn)接頭進(jìn)行超聲波清洗。

2.4 溫度

一般超聲波在30～40℃時(shí)空化效果最好，如添加清洗劑則溫度越高，作用越顯著。但是，溫度過(guò)高氣泡中的蒸氣壓增大，空化強(qiáng)度會(huì)降低，所以溫度的選擇要考慮對(duì)空化強(qiáng)度的影響，也要考慮清洗液的化學(xué)清洗作用。每一種液體都有一空化活躍的溫度，水較適宜的溫度是60℃左右，此時(shí)空化最活躍。

3 超聲波清洗設(shè)備的結(jié)構(gòu)

本超聲波設(shè)備核心結(jié)構(gòu)由超聲波發(fā)生器、換能器、清洗槽三部分組成，超聲波發(fā)生器即電源，提供電磁振蕩信號(hào)并提供能量；換能器即振板是超聲波清洗的關(guān)鍵部分，把發(fā)生器產(chǎn)生的電磁振動(dòng)轉(zhuǎn)換成換能器本身的超聲振動(dòng)，振板將高頻電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能之后，通過(guò)不銹鋼槽體的輻射，產(chǎn)生振幅極小的高頻振動(dòng)并傳播到清洗槽內(nèi)的溶液中。清洗槽由不銹鋼制成，用來(lái)容納清洗液及待清洗的轉(zhuǎn)接頭，清洗槽底部粘接超聲波換能器，如圖2所示。

本清洗槽采用多槽體結(jié)構(gòu)，一共有3個(gè)槽體，如圖2所示，分別是超聲波清洗槽、漂洗槽及烘干槽。

每個(gè)轉(zhuǎn)接頭約重0.3kg，一般每次清洗轉(zhuǎn)接頭500個(gè)約15kg，依靠人力搬運(yùn)工作量大，有限空間內(nèi)搬運(yùn)難度大，所以設(shè)計(jì)制作一個(gè)不銹鋼筐，將轉(zhuǎn)接頭放入筐中，以每筐為單位清洗，筐采用不銹鋼條焊接而成，不銹鋼條間隔約10mm，既保證了轉(zhuǎn)接頭不掉出，又保證水能完全浸潤(rùn)?？鸱胖迷谇逑床壑校冻鲞吙蚍奖銠C(jī)械手抓取。由于轉(zhuǎn)接頭筐較重，人力搬運(yùn)難度大，故需要機(jī)械手進(jìn)行搬運(yùn)。

當(dāng)前，工業(yè)控制領(lǐng)域中已經(jīng)廣泛采用PLC，PLC以其高可靠性、強(qiáng)抗干擾能力、邏輯功能強(qiáng)、功能簡(jiǎn)單易學(xué)、安裝操作維修方便、性價(jià)比高、功耗低、擴(kuò)充方便及功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越為工業(yè)控制界人士所認(rèn)識(shí)和接受。本清洗系統(tǒng)選擇西門(mén)子PLC S7-200作為主控制單元，流水線式的作業(yè)程序提前被設(shè)定，包含各個(gè)槽體清洗的時(shí)間、溫度、機(jī)械手的動(dòng)作等。

工作時(shí)，如圖3所示，轉(zhuǎn)接頭清洗機(jī)入料口處采用滾筒移動(dòng)，將轉(zhuǎn)接頭清洗筐沿入料口的滾輪推入清洗機(jī)內(nèi)，自動(dòng)觸發(fā)感應(yīng)開(kāi)關(guān)，PLC給出指令機(jī)械手將轉(zhuǎn)接頭筐搬運(yùn)至超聲波清洗槽，噴淋系統(tǒng)開(kāi)啟，自動(dòng)控制添加清洗液至指定液位，經(jīng)過(guò)500s超聲波清洗，30s控油后，PLC控制機(jī)械手將轉(zhuǎn)接頭筐搬運(yùn)至漂洗槽，完成設(shè)定的滌水500s，控水30s，滌水采用反復(fù)噴淋灑水方式，接下來(lái)機(jī)械手將之搬運(yùn)至烘干槽，高溫烘干500s后，機(jī)械手將之搬出，轉(zhuǎn)接頭筐沿滾輪拉出，清洗結(jié)束。

4 超聲波清洗效果的影響因素

4.1 液位

清洗槽內(nèi)無(wú)清洗液時(shí)，絕對(duì)不能啟動(dòng)超聲，否則易導(dǎo)致?lián)p壞換能器或超聲波發(fā)生器。液位以能夠淹沒(méi)轉(zhuǎn)接頭5cm為佳。

4.2 清洗時(shí)間

轉(zhuǎn)接頭材質(zhì)是黃銅外鍍鉻合金，鉻材質(zhì)較硬，服貼性不夠強(qiáng)，若超聲波振動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，外部鉻合金易脫落，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，超聲波清洗的時(shí)間以500s為宜。

5 超聲波清洗效果

由于超聲波的能量能夠穿透細(xì)微的縫隙和小孔，故能夠清洗到人工無(wú)法觸及的部位。轉(zhuǎn)接頭由于數(shù)量多，螺紋密，故手工清洗時(shí)難以一一清洗徹底，經(jīng)過(guò)車間使用驗(yàn)證，用超聲波清洗可以保證清洗質(zhì)量，效果良好。

參考文獻(xiàn)：

[1]李雅莉.超聲波清洗的原理和實(shí)際應(yīng)用[J].清洗世界，2006（7）：31-35.

[2]張峰瑞.超聲波清洗設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2013.

[3]Ed Lamm，梁治齊，李靜.神奇的超聲波清洗工藝[J].洗凈技術(shù)，2003（2）：65-68.

[4]胡興軍.超聲波清洗技術(shù)倍受矚目[J].洗凈技術(shù)，2004（1）：50-51.

[5]林仲茂.超聲波清洗機(jī)制量和清洗效果若干問(wèn)題的探討[J].洗凈技術(shù)，2003（4）：17-18.

[6]陳思忠.超聲波清洗技術(shù)與進(jìn)展[J].洗凈技術(shù)，2004（2）：11-12.