鋰電池超聲焊接原理介紹及說明

趙旭東 李青松

摘要：介紹了超聲波焊接的原理、技術(shù)、和設(shè)備組成;綜述了鋰電池中極耳焊接是影響鋰電池應(yīng)用的主要問題，容易引起接觸電阻不一致，影響使用的情況。超聲波極耳焊接方式能夠突破傳統(tǒng)螺栓連接或傳統(tǒng)焊接中存在的問題，實現(xiàn)直接焊接，本文結(jié)合鋰電池極耳超聲波焊接的設(shè)計原理，對鋰電池極耳超聲波焊接的工藝進行分析，促進超聲波焊接在鋰電池行業(yè)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池;超聲波焊接

引言

隨著鋰電行業(yè)水平的逐步提高，現(xiàn)代焊接技術(shù)形式也發(fā)生了極大的創(chuàng)新，鋰電池極耳超聲波焊接形式可以突破傳統(tǒng)螺栓連接或焊接模式，同時又打破了傳統(tǒng)焊接中多方面焊接因素的相互影響，成為超聲波焊接技術(shù)的一種新的工藝應(yīng)用方向。焊接工序作為鋰電池制造工藝中的關(guān)鍵一環(huán)，被應(yīng)用于鋰電池鋁/銅正負集流體、極片以及電池封裝等多個位置的連接，任何焊接接頭缺陷都將顯著影響鋰電池性能的一致性。因此，理解超聲焊接過程十分必要。鋰電池中極耳連接的超聲波焊接的分析是本次研究的主要內(nèi)容。

一、超聲焊的工作原理

超聲波焊接是利用超聲波頻率（超過20KHz）的機械振動能量，連接同種或異種金屬、半導(dǎo)體、塑料及金屬陶瓷等材料的特殊焊接方法。超聲波換能器把具有一定功率的超聲波信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的聲能，再經(jīng)過聚能器對超聲波進行高度聚焦，使超聲波能量變得更加強大，聚焦后的強大超聲波施加到被焊接的金屬片的介面，其物理效應(yīng)在此發(fā)生強烈反應(yīng)，進而瞬間激活金屬晶格中的粒子，使金屬片相合處的分子相互滲透而牢固地焊接在一起。由于超聲波焊接不存在熱傳導(dǎo)與電阻率問題，因此，對于不同厚度的有色金屬箔，片，帶材都能有效地進行理想的焊接，尤其是對最難焊接的鋁及其合金材料的焊接質(zhì)量，更能突出其無可比擬的優(yōu)越性能。

離子電池極耳超聲波焊接主要分單點和多點焊接，另一項重要用途為自動極片焊機和自動卷繞機配套超聲波焊接。用于鋰離子電池極耳正負極單層銅、鋁箔與鎳片或銅片、鋁片焊接。

焊接接頭的形成需經(jīng)過兩個階段：過渡階段和穩(wěn)定階段。

（一）過渡階段為清除焊件表面膜和氧化物的短暫過程，穩(wěn)定階段為界面產(chǎn)生相互擴散并使相互擴散穩(wěn)定的過程。在過渡階段，焊件表面氧化物膜由于強烈磨擦作用破碎，此時磨擦為主要熱源，工件溫度升高使工件材料屈服強度降低，有利于工件表面氧化膜破碎及發(fā)生塑性變形，對接頭形成有重要作用。

（二）穩(wěn)定階段，金屬接觸表面變得平滑后摩擦作用減弱，熱量由于產(chǎn)生塑性變形而在焊接界面聚集，在此過程中的熱量是由工件的塑性變形過程產(chǎn)生，工具頭施加的壓力致使界面原子之間產(chǎn)生作用力而形成的金屬連接過程。

焊接區(qū)域塑性變形工件與工件連接界面僅在壓痕槽下方存在連接，接頭連接界面的所有槽下方的連接長度求和得到接頭連接長度的總和，稱之為有效連接長度，也是塑性變形量的一個衡量指標(biāo)。

二、影響焊接的因素

超聲金屬焊接工藝參數(shù)研究超聲金屬焊接過程的主要工藝參數(shù)有焊接壓力、焊接能量/時間、工具頭振幅和工具、頭齒紋與尺寸等。

（一）壓力的影響

焊接壓力對焊接接頭質(zhì)量的影響顯著，焊接接頭強度隨壓力的增大先增加后減小。焊接壓力會改變焊接界面的滑動阻力，焊接壓力較小會導(dǎo)致界面的滑動阻力較小，使摩擦產(chǎn)生的能量不足以讓界面形成有效連接;焊接壓力過大導(dǎo)致工具頭下壓過深，焊接界面金屬產(chǎn)生相互咬合而影響了界面的相對運動，阻礙界面金屬進一步連接，導(dǎo)致焊接接頭的力學(xué)性能變差。因此，合適的焊接壓力參數(shù)對焊接質(zhì)量有決定性。

（二）時間的影響

焊接時間直接影響了焊接過程中能量的輸入，對焊接效果有著直接的影響。焊接時間過短，輸入能量不足，由于沒有充分的摩擦，難以形成有效的焊點;隨著焊接時間的增加，相互摩擦引起溫度升高，工件材料開始軟化，焊接區(qū)域界面氧化膜破損及塑性變形，能形成較好的連接;當(dāng)焊接時間進一步延長，焊頭容易在工件表面形成較深的痕跡，對焊接效果產(chǎn)生不利的影響，此外，過長的焊接誒時間易導(dǎo)致焊頭與被焊工件的粘結(jié);

（三）振幅的影響

超聲波焊接過程中工件與工件形成的振動系統(tǒng)，振幅直接影響工件界面振動的瞬時速度，最終影響摩擦生熱及塑性變形，對焊接質(zhì)量造成影響。

（四）焊頭的影響

焊頭是超聲波金屬焊接的關(guān)鍵組成部分，焊接過程中，焊頭在壓力作用下要抓緊被焊工件，這樣，超聲波焊機產(chǎn)生的機械振動才能傳遞給被焊工件界面以形成固相連接。焊頭面積不同，會導(dǎo)致焊接過程中焊接壓力的分布不同，即連接界面的具有不同的應(yīng)力，使焊接過程中摩擦力不同，從而使焊接過程中摩擦產(chǎn)熱量不同，導(dǎo)致焊接過程中工件溫度不同，最終影響接頭質(zhì)量。而焊頭花紋齒深則決定焊頭花紋嵌入工件表面的難易程度，也直接影響工件表面壓痕深度，間接影響焊接過程中工件溫度，對接頭質(zhì)量造成影響。因此，焊頭形貌及尺寸對接頭質(zhì)量有非常關(guān)鍵的作用。焊頭面積相同時，矩形焊頭比圓形焊頭產(chǎn)生的塑性變形程度強烈;焊頭形狀相同時，面積大的焊頭能使焊接區(qū)塑性變形程度更強烈。焊頭面積相同時，圓形焊頭更容易將焊頭下方的工件材料擠出，形成更深的壓痕;焊頭形狀相同時， 面積小的焊頭使工件表面接觸區(qū)域壓強較大，從而形成更深的壓痕。

（五）其他因素

超聲波焊接效果的影響因素還有：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)，表面清潔度等。

三、焊接過程監(jiān)測

（一）破壞性測試超聲焊接的好壞，可直接通過檢測焊接區(qū)域的抗拉情況進行判定，當(dāng)虛焊與過焊時，拉力值均會很低。

（二）紅外測試焊接工藝參數(shù)不同，導(dǎo)致焊機供給被焊工件的焊接總能量變化，必然引起焊接過程中的摩擦作用不同，致使焊接過程中產(chǎn)生的熱量變化，那么焊接過程中工件的溫度也將隨之變化，焊頭-工件接觸區(qū)溫度可以有效反映接頭強度，可以通過測量焊接過程中工件的溫度預(yù)測接頭質(zhì)量。但接觸區(qū)溫度并不是越高越好，對于每種被焊材料匹配，都有一個臨界溫度值，工件溫度小于臨界溫度時，溫度越高則接頭強度越高;工件溫度大于臨界溫度時，接頭強度則會減弱。

（三）能量反饋不同的焊接參數(shù)，不同的焊接效果所需的能量是不一樣的，可以通過檢測焊接過程的焊接能量進行判斷。

四、超聲波焊接技術(shù)的應(yīng)用

（一）超聲波焊接在圓柱鋼殼電池制作中的應(yīng)用

圓柱鋼殼電池（卷繞工藝）焊接時主要應(yīng)用在制片及卷繞工序的正負極極片與銅極耳和鋁極耳的焊接、后工序卷繞完成后正極極耳與蓋帽極耳的焊接。

（二）超聲波焊接在軟包電池制作中的應(yīng)用

軟包電池（卷繞工藝）和軟包電池（疊片工藝）的焊接方式是不同的;卷繞工藝是采用極片焊接極耳的方式進行焊接，再卷繞形成電芯;疊片工藝需在疊片完成后對各個極片的箔材進行預(yù)焊接，防止錯位及散落，而后再將極耳與預(yù)焊接的部分進行二次焊接。

五、總結(jié)

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

參考文獻：

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