超聲波在鋰電池轉接頭清洗中的應用

白靜 何治國 徐志強

（中航鋰電（洛陽）有限公司，河南 洛陽 471000）

超聲波在鋰電池轉接頭清洗中的應用

白靜 何治國 徐志強

（中航鋰電（洛陽）有限公司，河南 洛陽 471000）

鋰離子電池的極柱結構有平面型和螺紋型，螺紋型結構極柱面積較小，充放電設備的輸出端無法完全接觸到電池極柱，因此需要引入轉接頭擴充電池極柱面積，保證設備和電池接觸良好。轉接頭使用頻率高，容易被污染，需要頻繁清洗。由于數量眾多，轉接頭的螺紋結構不易徹底清洗，所以手工清洗效率低、效果差。超聲波清洗轉接頭效率高，清洗徹底，可大量推廣。本文介紹超聲波清洗轉接頭的原理、參數選擇，并給出結構設計及清洗效果。

轉接頭；超聲波；鋰電池

鋰離子電池出廠前，要進行內部電能激活，采用專用的化成設備對單個電池反復充放電。目前多數化成設備的充放電方式是：化成設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。電池極柱結構不同，有螺紋型和平面型，螺紋型的電池極柱面積小于充放電設備的輸出端，充放電設備的輸出端無法完全接觸到電池極柱，需要引入轉接頭作為中介，擴充電池極柱面積，保證充放電設備和電池接觸良好。由于使用頻率高、頻繁接觸指紋，使用環境中接觸電解液，因此轉接頭極易被污染，需要頻繁清洗。

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

1 超聲波清洗的原理

超聲波是一種頻率超出人類聽覺范圍20kHz以上的聲波，超聲波清洗原理是由超聲波發生器發出高頻振蕩信號，通過換能器轉換成機械振蕩傳播到介質，使清洗液隨超聲波頻率一起振動，振動過程中產生數以萬計的50～500μm的微小氣泡［2］。這些氣泡在超聲波縱向傳輸的負壓區形成、生長，而在正壓區，當聲壓達到一定值時，氣泡迅速增大，然后突然閉合。并在閉合時產生沖擊波，在其周圍產生上千個大氣壓，破壞不溶性污物而使他們分散于清洗液中，當固體粒子被油污裹著黏附在清洗件表面時，油被乳化，固體粒子脫落，從而達到清洗件凈化的目的［3］。

2 超聲波的參數選擇

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

圖1 轉接頭結構

2.1 超聲波功率

超聲波清洗的關鍵在于空化作用，空化作用的強度又取決于超聲波功率。通常在單位面積超過0.3W超聲功率時，超聲波強度越大，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接頭污漬的反應速度，也容易造成脫鉻現象。因此，清洗轉接頭時，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，空化的產生存在著一個最小的臨界幅度，即空化是隨著頻率的升高而降低的。目前超聲波清洗機的工作頻率根據清洗對象，大致分為3個頻段：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合強度高的場合；高頻超聲清洗適用于計算機、微電子元件的精細清洗；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，張力大則不容易產生空化，但是當聲強超過空化閾值時，空化泡崩潰釋放的能量也大，有利于清洗。高蒸氣壓的液體會降低空化強度，而液體的粘滯度大也不容易產生空化，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個方面考慮，一方面要從污物的性質來選擇化學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］。

經過綜合分析試驗，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轉接頭進行超聲波清洗。

2.4 溫度

一般超聲波在30～40℃時空化效果最好，如添加清洗劑則溫度越高，作用越顯著。但是，溫度過高氣泡中的蒸氣壓增大，空化強度會降低，所以溫度的選擇要考慮對空化強度的影響，也要考慮清洗液的化學清洗作用。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，此時空化最活躍。

3 超聲波清洗設備的結構

本超聲波設備核心結構由超聲波發生器、換能器、清洗槽三部分組成，超聲波發生器即電源，提供電磁振蕩信號并提供能量；換能器即振板是超聲波清洗的關鍵部分，把發生器產生的電磁振動轉換成換能器本身的超聲振動，振板將高頻電能轉換成機械能之后，通過不銹鋼槽體的輻射，產生振幅極小的高頻振動并傳播到清洗槽內的溶液中。清洗槽由不銹鋼制成，用來容納清洗液及待清洗的轉接頭，清洗槽底部粘接超聲波換能器，如圖2所示。

圖2 超聲波清洗機結構

本清洗槽采用多槽體結構，一共有3個槽體，如圖2所示，分別是超聲波清洗槽、漂洗槽及烘干槽。

每個轉接頭約重0.3kg，一般每次清洗轉接頭500個約15kg，依靠人力搬運工作量大，有限空間內搬運難度大，所以設計制作一個不銹鋼筐，將轉接頭放入筐中，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，既保證了轉接頭不掉出，又保證水能完全浸潤。筐放置在清洗槽中，露出邊框方便機械手抓取。由于轉接頭筐較重，人力搬運難度大，故需要機械手進行搬運。

當前，工業控制領域中已經廣泛采用PLC，PLC以其高可靠性、強抗干擾能力、邏輯功能強、功能簡單易學、安裝操作維修方便、性價比高、功耗低、擴充方便及功能強大等優點越來越為工業控制界人士所認識和接受。本清洗系統選擇西門子PLC S7-200作為主控制單元，流水線式的作業程序提前被設定，包含各個槽體清洗的時間、溫度、機械手的動作等。

工作時，如圖3所示，轉接頭清洗機入料口處采用滾筒移動，將轉接頭清洗筐沿入料口的滾輪推入清洗機內，自動觸發感應開關，PLC給出指令機械手將轉接頭筐搬運至超聲波清洗槽，噴淋系統開啟，自動控制添加清洗液至指定液位，經過500s超聲波清洗，30s控油后，PLC控制機械手將轉接頭筐搬運至漂洗槽，完成設定的滌水500s，控水30s，滌水采用反復噴淋灑水方式，接下來機械手將之搬運至烘干槽，高溫烘干500s后，機械手將之搬出，轉接頭筐沿滾輪拉出，清洗結束。

圖3 轉接頭清洗工藝流程圖

4 超聲波清洗效果的影響因素

4.1 液位

清洗槽內無清洗液時，絕對不能啟動超聲，否則易導致損壞換能器或超聲波發生器。液位以能夠淹沒轉接頭5cm為佳。

4.2 清洗時間

轉接頭材質是黃銅外鍍鉻合金，鉻材質較硬，服貼性不夠強，若超聲波振動時間過長，外部鉻合金易脫落，經過反復試驗，超聲波清洗的時間以500s為宜。

5 超聲波清洗效果

由于超聲波的能量能夠穿透細微的縫隙和小孔，故能夠清洗到人工無法觸及的部位。轉接頭由于數量多，螺紋密，故手工清洗時難以一一清洗徹底，經過車間使用驗證，用超聲波清洗可以保證清洗質量，效果良好。

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

［2］張峰瑞.超聲波清洗設備控制系統的設計與實現［D］.武漢：華中科技大學，2013.

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

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

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

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

Application of Ultrasonic Wave in the Cleaning of Lithium Battery Adapter

Bai JingHe ZhiguoXu Zhiqiang
（China Aviation Lithium Battery（Luoyang）Co.Ltd.，Luoyang Henan 471000）

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 bat?teries 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.

adapter；ultrasonic；lithium battery

TP273

：A

：1003-5168（2017）03-0067-03

2017-02-07

白靜（1988-），女，碩士，助理工程師，研究方向：自動控制。