超聲波焊接技術在鋰離子電池行業中的應用

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,經歷了從機械鉚接、電阻焊接、激光焊接到超聲波焊接的發展歷程。超聲波焊接高速、高效且高自動化,在鋰離子電池生產中的應用越來越多。

1 超聲波焊接技術概述

超聲波焊接機是利用超聲波(頻率在16 kHz以上)的高頻振動能量,對工件接頭進行內部加熱和表面清理,并對工件施加壓力來實現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輸送超聲波的機械振動能量,在下聲極6上放置工件,并向工件施加壓力;焊接時,壓緊上、下聲極之間的工件接觸面,在靜壓力及彈性振動能量的共同作用下,經過摩擦、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;焊接區金屬的物理和力學性能沒有宏觀變化,焊接接頭的靜載強度和疲勞強度較高,且穩定性好;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;可與計算機配合使用,對焊接參數和數據進行記錄、對焊接過程進行控制,實現信息化和自動化。

超聲波焊接的主要焊接參數[5]有:超聲波振動頻率f、振幅A、靜壓力F、焊接時間t、功率W。

超聲波振動頻率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度均比較低的材料時,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、焊接區域表面氧化膜的清除程度、工件結合面摩擦生成的熱量、塑性變形區的大小及材料的塑性流動狀況等。

靜壓力F:當F太小時,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,超聲波振動的傳遞條件會得到改善,兩個工件比較容易焊接在一起。

焊接時間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,焊接時輸入能量值,調整F和A進行焊接,焊接結束后,可輸出功率波形,功率曲線與時間所圍成的面積即為E,可用積分公式(1)表示:

式(1)中:P(t)表示實際輸出功率,t表示焊接時間,一般短于0.5 s。

2 超聲波焊接機的組成[6]

2.1 超聲波發生器

超聲波發生器主要給超聲波換能器提供超聲頻交流電信號。近幾年,在電路設計中使用了新型電路拓撲結構和新型功率器件,提高了超聲波電源的可靠性、負載適應性及產品一致性。針對超聲波焊機固有頻率發生漂移的現象,超聲波發生器設置了頻率自動跟蹤功能,以調整超聲波發生器的頻率。

2.2 聲學系統

聲學系統主要包括超聲波換能器、傳振桿、聚能器和聲極等4個部分。超聲波換能器將超聲波發生器產生的超聲頻電振蕩信號轉變為超聲頻機械振動,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。傳振桿主要用來調整輸出負載,固定系統及傳遞振動能量,通常選用放大倍數為0.8、1和1.25等幾種半波長階梯型桿。一般選用45號鋼、30CrMnSi合金鋼或超硬鋁來制作。聚能器又稱變幅桿,主要有兩個作用:聚能作用和向負載傳輸超聲振動能量。超聲波焊機中直接與焊件接觸的聲學部件稱為上、下聲極,上聲極又稱為焊頭,下聲極又稱底座或底模。

2.3 加壓結構

焊接工件需在一定的壓力情況下才能完成焊接。向焊機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、沖擊力小等優點,主要用于大功率焊機。小功率焊機多采用電磁加壓式或自重加壓方式。

3 超聲波焊接技術的應用

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,蓋板極耳引片厚度、材質,極耳引片厚度、材質,焊接面積,焊印形狀,焊接參數等。

3.1 在鋁殼電池制作中的應用

鋁殼電池(疊片工藝)在制作過程中,對于層數較多的極耳,需通過超聲波焊接機對多層極耳預焊,再將預焊后的極耳與蓋板極耳引片焊接起來。若極耳層數較少,可直接對多層極耳與蓋板極耳引片進行焊接,無需預焊;若蓋板極耳引片厚度較大,即使極耳層數較少,也需進行預焊。預焊起到整形的作用,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使用的超聲波焊接機功率,功率最小的為40 kHz/500 W,功率最大的為20 kHz/5 500 W。預焊時,可選擇功率較小的設備,蓋板焊接時可選擇功率較大的設備,為保證焊接質量,預焊和蓋板焊接所用設備應分開選擇。對于同于一臺設備,可同時進行預焊和蓋板焊接,但要頻繁調整焊接參數,易導致焊接效果不穩定。焊接完成后,需要使用拉力設備檢驗焊接效果,根據測試結果對焊接參數進行調整,直至焊接效果最佳。

3.2 在軟包電池制作中的應用

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行預焊,再將極耳引片與預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。整個過程分為極耳預焊和極耳引片焊接兩步。軟包電池(疊片工藝)層數較少,可用功率較小的超聲波焊接機。

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

4 小結

目前,與超聲波焊機配合的加壓裝置及相應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效率有很大的影響。在使用焊機的過程中,需要對焊機的環境加以控制,防止微小導電顆粒進入超聲波發生器或換能器,避免對焊機造成不可逆轉的損壞。

[1]ZHU Zheng-qiang(朱政強),WU Zong-hui(吳宗輝),FAN Jinghui(范靜輝).超聲波金屬焊接的研究現狀與展望[J].Welding Technology(焊接技術),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).超聲波焊接的現狀及未來前景[J].Electric Welding Machine(電焊機),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的快速成型方法研究[J].Machine Tool and Hydraulics(機床與液壓),2007,35(3):4-6.

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

[6]ZHANG Yun-dian(張云電).超聲加工及其應用[M].Beijing(北京):National Defence Industrial Press(國防工業出版社),1995.10-19.