超声波焊接技术在锂离子电池行业中的应用

王玉涛,庞 松,樊彦良,刘吉云

[中航锂电(洛阳)有限公司,河南 洛阳 471000]

在锂离子电池生产中,多层极耳之间、极耳与极耳引片之间、极耳与盖板之间的连接,经历了从机械铆接、电阻焊接、激光焊接到超声波焊接的发展历程。超声波焊接高速、高效且高自动化,在锂离子电池生产中的应用越来越多。

1 超声波焊接技术概述

超声波焊接机是利用超声波(频率在16 kHz以上)的高频振动能量,对工件接头进行内部加热和表面清理,并对工件施加压力来实现同种或异种金属连接的压焊方法[1-3]。超声波焊接的原理如图1所示。

图1 超声波焊接的原理Fig.1 The principle of ultrasonic welding

超声波焊接的过程为:通过上声极5向工件4输送超声波的机械振动能量,在下声极6上放置工件,并向工件施加压力;焊接时,压紧上、下声极之间的工件接触面,在静压力及弹性振动能量的共同作用下,经过摩擦、升温和变形,使氧化膜或其他表面附着物被破坏及碎化,完成焊接。

超声波焊接的特点有[1,4]:工件不通电,不外加热源,焊接过程趋近于冷焊接,不需要加焊剂,所需电能少,能耗较低;焊接区金属的物理和力学性能没有宏观变化,焊接接头的静载强度和疲劳强度较高,且稳定性好;被焊工件变形小,焊后无须热处理,焊接面清洁美观,焊后无需清理焊点;可与计算机配合使用,对焊接参数和数据进行记录、对焊接过程进行控制,实现信息化和自动化。

超声波焊接的主要焊接参数[5]有:超声波振动频率f、振幅A、静压力F、焊接时间t、功率W。

超声波振动频率f:f一般为16～75 kHz。通常情况下,f越高,W越小,在焊接硬度及屈服强度均比较低的材料时,宜选用较低的f。

振幅A:超声波焊接上声极的A决定摩擦能量的大小、焊接区域表面氧化膜的清除程度、工件结合面摩擦生成的热量、塑性变形区的大小及材料的塑性流动状况等。

静压力F:当F太小时,超声波几乎无法有效地传递到工件,不能形成焊接接头。如果加大F,超声波振动的传递条件会得到改善,两个工件比较容易焊接在一起。

焊接时间T:超声波焊接工件,如果T过短,则接头的抗剪切力太低,甚至无法形成接头;T过长,焊点的抗剪力又迅速下降,无法形成良好的接头。

焊接功率W:W取决于工件的厚度δ和材料的硬度H。

焊接能量E:以能量模式为例,焊接时输入能量值,调整F和A进行焊接,焊接结束后,可输出功率波形,功率曲线与时间所围成的面积即为E,可用积分公式(1)表示:

式(1)中:P(t)表示实际输出功率,t表示焊接时间,一般短于0.5 s。

2 超声波焊接机的组成[6]

2.1 超声波发生器

超声波发生器主要给超声波换能器提供超声频交流电信号。近几年,在电路设计中使用了新型电路拓扑结构和新型功率器件,提高了超声波电源的可靠性、负载适应性及产品一致性。针对超声波焊机固有频率发生漂移的现象,超声波发生器设置了频率自动跟踪功能,以调整超声波发生器的频率。

2.2 声学系统

声学系统主要包括超声波换能器、传振杆、聚能器和声极等4个部分。超声波换能器将超声波发生器产生的超声频电振荡信号转变为超声频机械振动,主要有压电换能器和磁致伸缩换能器两种。前者的效率更高,使用更广泛。传振杆主要用来调整输出负载,固定系统及传递振动能量,通常选用放大倍数为0.8、1和1.25等几种半波长阶梯型杆。一般选用45号钢、30CrMnSi合金钢或超硬铝来制作。聚能器又称变幅杆,主要有两个作用:聚能作用和向负载传输超声振动能量。超声波焊机中直接与焊件接触的声学部件称为上、下声极,上声极又称为焊头,下声极又称底座或底模。

2.3 加压结构

焊接工件需在一定的压力情况下才能完成焊接。向焊机施加压力的方式主要有液压、气压、电磁加压及自重加压等几种。液压具有压力大、冲击力小等优点,主要用于大功率焊机。小功率焊机多采用电磁加压式或自重加压方式。

3 超声波焊接技术的应用

超声波焊接效果的影响因素有:电芯制作工艺(叠片或卷绕),单层极耳厚度、极耳材质,盖板极耳引片厚度、材质,极耳引片厚度、材质,焊接面积,焊印形状,焊接参数等。

3.1 在铝壳电池制作中的应用

铝壳电池(叠片工艺)在制作过程中,对于层数较多的极耳,需通过超声波焊接机对多层极耳预焊,再将预焊后的极耳与盖板极耳引片焊接起来。若极耳层数较少,可直接对多层极耳与盖板极耳引片进行焊接,无需预焊;若盖板极耳引片厚度较大,即使极耳层数较少,也需进行预焊。预焊起到整形的作用,有利于盖板极耳引片与极耳之间的焊接。

目前,市场上适合锂离子电池行业使用的超声波焊接机功率,功率最小的为40 kHz/500 W,功率最大的为20 kHz/5 500 W。预焊时,可选择功率较小的设备,盖板焊接时可选择功率较大的设备,为保证焊接质量,预焊和盖板焊接所用设备应分开选择。对于同于一台设备,可同时进行预焊和盖板焊接,但要频繁调整焊接参数,易导致焊接效果不稳定。焊接完成后,需要使用拉力设备检验焊接效果,根据测试结果对焊接参数进行调整,直至焊接效果最佳。

3.2 在软包电池制作中的应用

软包电池(叠片工艺)与铝壳电池(叠片工艺)不同,在制作过程中,软包电池需对多层极耳进行预焊,再将极耳引片与预焊后的极耳焊接在一起,极耳引片与铝壳电池的极柱功能相当。整个过程分为极耳预焊和极耳引片焊接两步。软包电池(叠片工艺)层数较少,可用功率较小的超声波焊接机。

软包电池(卷绕工艺)需要将正、负极的极耳引片分别焊接在正、负极片上,再进行卷绕,形成单只电芯。在此过程中,需用超声波焊机进行极耳引片焊接,由于极耳引片较薄,可选用800 W左右的焊机焊接。

4 小结

目前,与超声波焊机配合的加压装置及相应的工件固定夹具的精度和自动化程度,对焊接的效果及生产效率有很大的影响。在使用焊机的过程中,需要对焊机的环境加以控制,防止微小导电颗粒进入超声波发生器或换能器,避免对焊机造成不可逆转的损坏。

[1]ZHU Zheng-qiang(朱政强),WU Zong-hui(吴宗辉),FAN Jinghui(范静辉).超声波金属焊接的研究现状与展望[J].Welding Technology(焊接技术),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(苏晓鹰).超声波焊接的现状及未来前景[J].Electric Welding Machine(电焊机),2004,34(3):77-81.

[4]LI Xiao-ming(李小明),LI Yan-sheng(李彦生),HAN Jing-yun(韩景芸).基于超声波焊接技术的快速成型方法研究[J].Machine Tool and Hydraulics(机床与液压),2007,35(3):4-6.

[5]LIU Zhi-liang(刘智良).某手机壳体超声波焊接工艺研究[D].Xi'an(西安):Northwestern Polytechnical University(西北工业大学),2006.

[6]ZHANG Yun-dian(张云电).超声加工及其应用[M].Beijing(北京):National Defence Industrial Press(国防工业出版社),1995.10-19.