超声波焊接在锂离子电池中的应用

一、超声波焊接原理

超声波焊接是利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。

一套超声波焊接系统的主要组件包括超声波发生器/换能器/变幅杆/焊头三联组/模具和机架。

超声波焊接是通过超声波发生器将50/60赫兹电流转换成15、20、30或40 KHz 电能。被转换的高频电能通过换能器再次被转换成为同等频率的机械运动，随后机械运动通过一套可以改变振幅的变幅杆装置传递到焊头。焊头将接收到的振动能量传递到待焊接工件的接合部，在该区域，振动能量被通过摩擦方式转换成热能，将需要焊接的部件区域熔化。超声波不仅可以被用来焊接金属、硬热塑性塑料，还可以加工织物和薄膜等。

1）超声波金属焊接原理

超声波金属焊接原理是利用超声频率（超过16KHz ）的机械振动能量，连接同种金属或异种金属的一种特殊方法．金属在进行超声波焊接时，既不向工件输送电流，也不向工件施以高温热源，只是在静压力之下，将框框振动能量转变为工件间的摩擦功、形变能及有限的温升．接头间的冶金结合是母材不发生熔化的情况下实现的一种固态焊接．因此它有效地克服了电阻焊接时所产生的飞溅和氧化等现象．超声金属焊机能对铜、银、铝、镍等有色金属的细丝或薄片材料进行单点焊接、多点焊接和短条状焊接．可广泛应用于可控硅引线、熔断器片、电器引线、锂电池极片、极耳的焊接。

在锂电池技术中，涉及到的金属焊接方式有三种：铜/铝箔对极耳(foil to tab)，极耳对极耳(tab to tab)，极耳到母排(tab to bus)。其中，铜/铝箔焊接到极耳上，难度最大。因为金属焊接的两端采用不同厚度和材料的金属，一端（tab）相对较厚（例如0.2mm），另一端由多层极薄的金属片构成。下图展示了一个锂离子电池单元的剖面图。

其中，箔材到极耳的焊接，是将电池内部所有阴阳极箔材连接到对应的极耳上，从而将电池内部能量传递到外部。数以百计的锂电池单元构成典型的锂电池组。各电池单元之间采用串联或者并联方式组合，如果一个连接出现故障，那么将导致整个电池组的输出故障。因此，稳健牢固的连接，至关重要。

上述多层箔片到极耳的连接，是采用超声波金属焊接（UMW），该工艺过程如下图所示。UMW非常适合于不同金属材料（如铜，铝和镍）之间的焊接。两个金属件通过压力压紧，以超声波高频（通常是20Khz-40Khz）进行相对振动，摩擦产生的热量可以消除金属表面的氧化物和污染物，同时两个形成“光滑”的金属表面。此时，在适当的压力和热量下，两者之间形成了焊缝。

该过程有几个优点。由于它是固态过程，因此适应不同材料的组合，避免金属化合物的产生。非常适合高导电材料如镀铜材料之间的焊接。整个过程不需要高功率，焊接周期非常短，只有几分之一秒。在一次操作中可焊接多层薄材料。

相比较电阻点焊（RSW）和激光束焊接（LBW），超声波金属焊接（UMW）是锂离子电池应用中更为理想的连接工艺。RSW依靠材料的阻力来产生热量以进行连接。然而，通常用于电池工业的铝箔和铜箔具有极低的电阻，且铝箔表面形成的坚韧氧化物层，抑制RSW的应用。LBW对焊接两端的材料层间隙非常敏感。一般经验认为，间隙应小于材料厚度的10％，即12μm的箔片将需要1.2μm或更小的间隙，这些要求难以实现。对于超声波金属焊接工艺，则没有以上这些问题。

2）超声波塑料焊接原理

超声波作用于热塑性的塑料接触面时，会产生每秒几万次的高频振动，这种达到一定振幅的高频振动，通过上焊件把超声能量传送到焊区，由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大，因此会产生局部高温。又由于塑料导热性差，一时还不能及时散发，聚集在焊区，致使两个塑料的接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其融合成一体。当超声波停止作用后，让压力持续几秒钟，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，焊接强度能接近于原材料强度。超声波塑料焊接的好坏取决于换能器焊头的振幅，所加压力及焊接时间等三个因素，焊接时间和焊头压力是可以调节的，振幅由换能器和变幅杆决定。这三个量相互作用有个适宜值，能量超过适宜值时，塑料的熔解量就大，焊接物易变形；若能量小，则不易焊牢，所加的压力也不能太大。这个最佳压力是焊接部分的边长与边缘每1mm的最佳压力之积。

1）熔接法：

以超音波超高频率振动的焊头在适度压力下，使二块塑胶的接合面产生摩擦热而瞬间熔融接合，焊接强度可与本体媲美，采用合适的工件和合理的接口设计，可达到水密及气密，并免除采用辅助品所带来的不便，实现高效清洁的熔接。

2）埋植：借着焊头之传道及适当之压力，瞬间将金属零件（如螺母、螺杆等）挤入预留入塑胶孔内，固定在一定深度，完成后无论拉力、扭力均可媲美传统模具内成型之强度，可免除射出模受损及射出缓慢之缺点。

3）铆焊：铆焊法指的是振动的焊头压制物品的突起处使其热熔为铆钉状，从而使两物体机械铆合

4）点焊

点焊指的是对于焊线不易设计的物体进行分点焊接，同样可达到熔接效果。

5）成型

本方法与铆焊法类似，将凹状的焊头压着于塑胶品外圈，焊头发出超音波超高频振动后将塑胶溶融成形而包覆于金属物件使其固定，且外观光滑美观、此方法多使用在电子类、喇叭之固定成形，及化妆品类之镜片固定等。

三、焊接优点

1）超声波金属焊接优点：

a、焊接材料不熔融，不脆弱金属特性。

b、焊接后导电性好，电阻系数极低或近乎零。

c、对焊接金属表面要求低，氧化或电镀均可焊接。

d、焊接时间短，不需任何助焊剂、气体、焊料。

e、焊接无火花，环保安全。

2）超声波塑料焊接优点：

a、焊接速度快，焊接强度高、密封性好；

b、取代传统的焊接/粘接工艺，成本低廉，清洁无污染且不会损伤工件；

c、焊接过程稳定，所有焊接参数均可通过软件系统进行跟踪监控，一旦发现故障很容易进行排除和维护。

四、适用产品

1）镍氢电池镍氢电池镍网与镍片互熔与镍片互熔。

2）锂电池、聚合物电池铜箔与镍片互熔，铝箔与铝片互熔。

3）电线互熔，偏结成一条与多条互熔。

4）电线与各种电子元件、接点、连接器互熔。

5）各种家电用品、汽车用品的大型散热座、热交换鳍片、蜂巢心的互熔。

6）电磁开关、无熔丝开关等大电流接点，异种金属片的互熔。

7）金属管的封尾、切断可水、气密。