134°

超声波焊接详细介绍

超声波焊接是一种固相焊接方法,焊件之间的连接是通过声学系统的高频弹性振动以及在工件之间静压力的加持作用下实现的。

特斯拉在其电池系统中应用了超声波焊接技术中的一个具体应用方式,Wire Bonding,使得超声焊接技术在动力电池成组连接领域中的应用被越来越多的讨论。超声波焊接在动力电池上的应用,可以看到应用实例的主要集中在极耳焊接,熔丝焊接方面。

超声波焊接详细介绍

超声波焊接特点

●可焊接的材料类型广泛,可用于同种金属材料、特别是高导电、高导热材料(如金、银、铜、铝等)和一些难熔金属的焊接,也可用于性能相差悬殊的异种金属材料(如导热、硬度、熔点等)、金属与非金属、塑料等材质的焊接,还能够完成厚度相差悬殊材料焊接以及多层箔片的焊接;

●焊件不通电,不需求外加热源,接头中不呈现微观的气孔等缺陷,不生成脆性金属间化合物,不发生像电阻焊时易呈现的熔融金属的喷溅等疑问;

●焊缝金属的物理和力学性能不发生微观改变,其焊接接头的静载强度和疲劳强度都比电阻焊接头的强度高,且稳定性好;

●被焊金属外表氧化膜或涂层对焊接质量影响较小,焊前对焊件外表准备工作比较简单;

●焊接所需电能少;焊件变形小;

●不需要增加任何粘结剂、填料或溶剂,具有操作简洁、焊接速度快、接头强度高、出产功率高级长处;

●缺点,超声波焊接的主要缺陷是受现有设备功率的约束,因而与上声极触摸的焊件厚度不能太厚;接头只能选用搭接接头,对接接头还无法使用。

超声焊接的原理

超声波焊接是一种固相焊接方法,焊件之间的连接是通过声学系统的高频弹性振动以及在工件之间静压力的加持作用下实现的。焊件在静压力及弹性振动能量的共同作用下,将弹性振动能量转变成工件间的摩擦能、形变能和热能,致使两工件表面形成纯净金属贴合、原子扩散,从而达到摩擦焊接。原理如下图所示。

超声波焊接详细介绍

超声焊接流程和原理

目前对于较厚板材(0.8–3.0 mm)大功率超声焊接的研究主要集中在 Al、Mg 合金结构件方面。在锂电池极片封装等行业大功率超声焊接 Cu、Al 是当前重要的研究方向之一。

超声焊机系统通常由 5部分构成:

1)超声电源(Power supply)。工频单相或三相交流电通过超声电源转换为高频(15–75 kHz)交流电,为压电换能器(PZT)提供电能;

2)压电换能器。电源输出的高频交流信号通过压电换能器转换为同频的振动信号;

3)变幅杆(Booster)。使换能器输出的高频振动信号幅值放大;

4)工具头(Horn/Sonotrode)。进一步放大振动幅值,并把能量传递到焊接区域;

5)气动加压部分,为焊接过程提供压力。

超声波焊接详细介绍

如上面图中所示,将工件放置于底座上,工具头在压力作用下压紧工件,在压力和高频切向振动作用下,界面氧化物被破摔排除形成纯净金属之间的接触;同时由于摩擦及超声软化作用,使得形成接触的金属发生塑性变形及流动,形成局部连接区域;随着输入能量的增加,界面区域金属塑性流动性进一步增强,局部连接区域不断扩展融合,从而形成超声焊接接头。

超声波焊接的分类

超声波焊接分类依照超声波弹性振荡能量传入焊件的方向,超声波焊接的基本类型分为两类:一类是振荡能量由切向传递到焊件外表,而使焊接界面发生相对移动,这种方式适用于金属材料的焊接;另一类是振荡能量由垂直于焊件外表的方向传入焊件,主要用于塑料的焊接。

另外一种,根据设备特点的驱动信号方式分类,分成线性振荡和非线性振荡两类,如下图所示:

超声波焊接详细介绍

非线性振动焊接设备,其又包括扭矩超声焊接设备和复合振动焊接设备。

超声波焊接详细介绍

线性振动焊接设备,根据加压的位置不同分为楔–杆超声焊接设备和侧向驱动焊接设备。其中楔–杆超声焊接设备根据换能器的个数可分为单换能器和双换能器焊接设备;侧向驱动焊接设备根据工具头的波长可分为半波和全波焊接设备。

超声波焊接详细介绍

超声波焊接详细介绍

按照焊点形状,常见的金属超声波焊接可分为点焊、环焊、缝焊、线焊、双超声波振荡体系的点焊等。点焊