由于新能源電動汽車的快速發(fā)展，鋰離子電池需求也不斷增加，對銅箔和鋁箔的超聲波焊接應用顯著增加。

焊接機理：低于熔點的再結晶過程

上焊頭和下底座表面都帶有滾花，因此焊接時上層材料橫向移動，而下層材料固定不動，這樣上下層之間產(chǎn)生相對運動。在壓力作用下，連接表面上粗糙的凸起不斷相互摩擦和塑性變形。

超聲金屬焊接形成分子鍵的三個主要階段是：

·相對移動導致連接面上的粗糙凸起特征產(chǎn)生剪切和塑性變形——初始塑性變形；

·超聲振動導致連接面上氧化層（或污染物）分散，以及凸起特征的進一步塑性變形。這導致金屬和金屬之間接觸面積增加和焊接區(qū)域形成，該特征也叫做微焊縫。

·進一步的超聲波振動會導致接觸面繼續(xù)增大，從而增加焊接區(qū)域。

超聲波焊接決定性的優(yōu)點是“冷”焊接，即在遠低于金屬熔點的溫度下形成連接。該溫度大約只有金屬熔點的1/3-1/2（退火時的再結晶溫度），是一種固態(tài)和固態(tài)的壓焊過程。

下圖是不同有色金屬材料之間的焊接相容性。

超聲焊接應用類別

1.金屬箔材焊接

銅箔和鋁箔的超聲波焊接是電池生產(chǎn)中的典型應用。箔材厚度從6um到0.3mm不等。同時焊接的箔材層數(shù)從兩層到160層之間。典型案例有方殼電芯、軟包和圓柱電芯的極耳焊接。

2. 端子和端子焊接

端子超聲焊接中，相互焊接的金屬板厚度可達3mm。該應用的焊接強度要求要高得多。端子和端子焊接用于傳輸大負載電流的連接。

典型案例有電池系統(tǒng)高壓連接段子焊接，如輸出極。

3.電纜和端子焊接

在現(xiàn)代車輛中，用超聲波焊接組裝的電纜和端子連接器已經(jīng)成為必不可少的零件。電纜橫截面大小范圍從6-85mm2。材料是銅和鋁。典型案例有電池系統(tǒng)低壓線束焊接，如采樣線束與鋁巴之間焊接。

焊接工藝參數(shù)

超聲金屬焊接工藝的另一個主要優(yōu)點，有大量的焊接數(shù)據(jù)，可對焊接過程精細調(diào)整，以及焊接質(zhì)量控制。對于不同應用，需要調(diào)整到最佳參數(shù)，實現(xiàn)以下目的：

·在無外觀缺陷情況下，焊接強度達最大；

·容易重復性和一致的焊接結果。

超聲金屬焊接的主要參數(shù)有：工作頻率、振幅、焊接壓力、焊接時間、焊接功率、焊接能量和焊接深度等。

焊接數(shù)據(jù)可圖形化顯示（如下圖），還可以通過離散數(shù)據(jù)點圖顯示數(shù)據(jù)變化趨勢和偏差變化。

1. 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，導致焊接接頭的力學性能變差。因此，合適的焊接壓力參數(shù)對焊接質(zhì)量有決定性。

2. 焊接能量/時間的影響

超聲波焊接提供三種不同的焊接模式來提供能量控制：時間、高度和能量。時間模式要求每次焊接的周期時間保持一致。高度模式要求焊接到預設的焊接高度。能量模式對每個焊接周期應用相同的能量。

能量模式是首選模式，因為它允許焊機自動補償被接合材料表面狀況的任何差異。例如，一些需要接合表面可能有不同程度的污染，當振動開始時，這將需要更多的“摩擦”，以建立完全的金屬對金屬的表面連接合。能量模式能夠補償這些差異，而高度和時間模式則不能。

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，過長的焊接時間易導致焊頭與被焊工件的粘結；

3. 振幅的影響

在下壓力的作用下，焊頭壓緊被焊工件到焊座上，焊頭帶動上工件在焊接區(qū)域的振動距離被稱作焊接振幅。對振動幅度的要求通常是根據(jù)被焊接材料的類型和狀況確定的，并且通過焊接設備的發(fā)生器、換能器和上焊頭協(xié)同工作對每個焊接周期實施精確控制。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。

焊頭齒形

超聲焊頭和底座結構對焊接結果質(zhì)量和工藝穩(wěn)定性有重大影響。影響焊縫結果的因素有：

·齒形結構：金字塔、半球和線條；

·齒形排列方式；

·待焊接材料厚度---厚的材料需要較粗較高的齒形。

超聲波焊頭能夠抓住上部金屬工件至關重要，這樣它才能提供準確的振動橫向力，從而實現(xiàn)與下部金屬工件的結合。

焊頭是超聲波金屬焊接的關鍵組成部分，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。

來源：三一技術裝備有限公司

審核編輯：劉清