超声波焊接在锂离子电池中的应用

线束中国 2024-11-11 09:53

【应用手册】TI 全新MCU及C29内核的能源设施应用方案 构建AI未来，Arm计算平台无处不在

一、超声波焊接原理

超声波焊接是利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。

一套超声波焊接系统的主要组件包括超声波发生器/换能器/变幅杆/焊头三联组/模具和机架。

超声波焊接是通过超声波发生器将50/60赫兹电流转换成15、20、30或40 KHz 电能。被转换的高频电能通过换能器再次被转换成为同等频率的机械运动，随后机械运动通过一套可以改变振幅的变幅杆装置传递到焊头。焊头将接收到的振动能量传递到待焊接工件的接合部，在该区域，振动能量被通过摩擦方式转换成热能，将需要焊接的部件区域熔化。超声波不仅可以被用来焊接金属、硬热塑性塑料，还可以加工织物和薄膜等。

1）超声波金属焊接原理

超声波金属焊接原理是利用超声频率（超过16KHz ）的机械振动能量，连接同种金属或异种金属的一种特殊方法．金属在进行超声波焊接时，既不向工件输送电流，也不向工件施以高温热源，只是在静压力之下，将框框振动能量转变为工件间的摩擦功、形变能及有限的温升．接头间的冶金结合是母材不发生熔化的情况下实现的一种固态焊接．因此它有效地克服了电阻焊接时所产生的飞溅和氧化等现象．超声金属焊机能对铜、银、铝、镍等有色金属的细丝或薄片材料进行单点焊接、多点焊接和短条状焊接．可广泛应用于可控硅引线、熔断器片、电器引线、锂电池极片、极耳的焊接。

在锂电池技术中，涉及到的金属焊接方式有三种：铜/铝箔对极耳(foil to tab)，极耳对极耳(tab to tab)，极耳到母排(tab to bus)。其中，铜/铝箔焊接到极耳上，难度最大。因为金属焊接的两端采用不同厚度和材料的金属，一端（tab）相对较厚（例如0.2mm），另一端由多层极薄的金属片构成。下图展示了一个锂离子电池单元的剖面图。

其中，箔材到极耳的焊接，是将电池内部所有阴阳极箔材连接到对应的极耳上，从而将电池内部能量传递到外部。数以百计的锂电池单元构成典型的锂电池组。各电池单元之间采用串联或者并联方式组合，如果一个连接出现故障，那么将导致整个电池组的输出故障。因此，稳健牢固的连接，至关重要。

上述多层箔片到极耳的连接，是采用超声波金属焊接（UMW），该工艺过程如下图所示。UMW非常适合于不同金属材料（如铜，铝和镍）之间的焊接。两个金属件通过压力压紧，以超声波高频（通常是20Khz-40Khz）进行相对振动，摩擦产生的热量可以消除金属表面的氧化物和污染物，同时两个形成“光滑”的金属表面。此时，在适当的压力和热量下，两者之间形成了焊缝。

该过程有几个优点。由于它是固态过程，因此适应不同材料的组合，避免金属化合物的产生。非常适合高导电材料如镀铜材料之间的焊接。整个过程不需要高功率，焊接周期非常短，只有几分之一秒。在一次操作中可焊接多层薄材料。

相比较电阻点焊（RSW）和激光束焊接（LBW），超声波金属焊接（UMW）是锂离子电池应用中更为理想的连接工艺。RSW依靠材料的阻力来产生热量以进行连接。然而，通常用于电池工业的铝箔和铜箔具有极低的电阻，且铝箔表面形成的坚韧氧化物层，抑制RSW的应用。LBW对焊接两端的材料层间隙非常敏感。一般经验认为，间隙应小于材料厚度的10％，即12μm的箔片将需要1.2μm或更小的间隙，这些要求难以实现。对于超声波金属焊接工艺，则没有以上这些问题。

2）超声波塑料焊接原理

超声波作用于热塑性的塑料接触面时，会产生每秒几万次的高频振动，这种达到一定振幅的高频振动，通过上焊件把超声能量传送到焊区，由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大，因此会产生局部高温。又由于塑料导热性差，一时还不能及时散发，聚集在焊区，致使两个塑料的接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其融合成一体。当超声波停止作用后，让压力持续几秒钟，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，焊接强度能接近于原材料强度。超声波塑料焊接的好坏取决于换能器焊头的振幅，所加压力及焊接时间等三个因素，焊接时间和焊头压力是可以调节的，振幅由换能器和变幅杆决定。这三个量相互作用有个适宜值，能量超过适宜值时，塑料的熔解量就大，焊接物易变形；若能量小，则不易焊牢，所加的压力也不能太大。这个最佳压力是焊接部分的边长与边缘每1mm的最佳压力之积。