電動汽車鋰電池的超聲波金屬焊接工藝技術

電動汽車因其綠色環保，且電池技術日趨成熟，因此越來越受到消費者喜愛。其中，鋰離子電池技術是電動汽車關鍵技術之一。

超聲波焊接原理

超聲波金屬焊接原理是利用超聲頻率(超過16KHz)的機械振動能量，連接同種金屬或異種金屬的一種特殊方法.金屬在進行超聲波焊接時，既不向工件輸送電流，也不向工件施以高溫熱源，只是在靜壓力之下，將框框振動能量轉變為工件間的摩擦功、形變能及有限的溫升.接頭間的冶金結合是母材不發生熔化的情況下實現的一種固態焊接.因此它有效地克服了電阻焊接時所產生的飛濺和氧化等現象.超聲金屬焊機能對銅、銀、鋁、鎳等有色金屬的細絲或薄片材料進行單點焊接、多點焊接和短條狀焊接.可廣泛應用于可控硅引線、熔斷器片、電器引線、鋰電池極片、極耳的焊接。

超聲波發生器是一個變頻裝置，它將工頻電流轉變為超聲波頻率（15-60khz）的振蕩電路；換能器則利用逆壓電效應轉換成彈性機械振動能；傳振桿、聚能器用來放大振幅，并通過耦合桿上聲極傳遞到工件。換能器、傳振桿、聚能器、耦合桿及上聲極構成一個整體，稱之為聲學系統。由上聲極傳輸的彈性振動能量是經過一系列的能量轉換及傳遞環節產生的。聲學系統中各個組元的自振頻率，將按同一個頻率設計，當發生器的振蕩電泫頻率與聲學系統的自振頻率一致時，系統即產生諧振（共振），并向工件輸出彈性振動能。

金屬焊接方式

鋰電池技術中，涉及到的金屬焊接方式有三種：銅/鋁箔到極片(foiltotab)，極片到極片(tabtotab)，極片到極耳(tabtobus)。其中，銅/鋁箔焊接到極片上，難度最大。因為金屬焊接的兩端采用不同厚度和材料的金屬，一端（tab）相對較厚（例如0.2mm），另一端由多層極薄的金屬片構成。下圖展示了一個鋰離子電池單元的剖面圖。

其中，極箔到極片的焊接，是將電池內部所有陰陽極箔連接到對應的極片上，從而將電池內部能量傳遞到外部。數以百計的鋰電池單元構成典型的鋰電池組。各電池單元之間采用串聯或者并聯方式組合，如果一個極箔與極片連接出現故障，那么將導致整個電池組的輸出故障。因此，極箔與極片之間穩健牢固的連接，至關重要。

上述多層箔片到極片的連接，是采用超聲波金屬焊接（UMW），該工藝過程如下圖所示。UMW非常適合于不同金屬材料（如銅，鋁和鎳）之間的焊接。兩個金屬件通過壓力壓緊，以超聲波高頻（通常是20Khz-40Khz）進行相對振動，摩擦產生的熱量可以消除金屬表面的氧化物和污染物，同時兩個形成“光滑”的金屬表面。此時，在適當的壓力和熱量下，兩者之間形成了焊縫。

超聲波焊焊縫形成的決定因素

超聲波焊焊縫的形成主要由振動剪切力、靜壓力和焊區的溫升三個因素所決定。綜觀焊接過程，超聲波焊經歷了如下三個階段。

（1）摩擦去污階段：在振幅為幾十微米的振動摩擦力的作用下，工件表面的油污、氧化物等雜質被排出，金屬表面露出。

（2）應力及應變階段：變化頻率為幾千次/秒的剪切應力也是造成振動摩擦的原因，在工件間發生局部連接后，這種振動的應力和應變將形成金屬間實現冶金結合的條件。

（3）固相連接階段：在上述兩個階段中，由于彈性滯后、局部表面滑移和塑性變形的綜合結果，焊接區局部溫度升高。焊接區產生了擴散及相變、再結晶和金屬鍵合等冶金過程，形成固相連接。

超聲波金屬焊接的優勢

該過程有幾個優點。由于它是固態過程，因此適應不同材料的組合，避免金屬化合物的產生。非常適合高導電材料如鍍銅材料之間的焊接。整個過程不需要高功率，焊接周期非常短，只有幾分之一秒。在一次操作中可焊接多層薄材料。

相比較電阻點焊（RSW）和激光束焊接（LBW），超聲波金屬焊接（UMW）是鋰離子電池應用中更為理想的連接工藝。RSW依靠材料的阻力來產生熱量以進行連接。然而，通常用于電池工業的鋁箔和銅箔具有極低的電阻，且鋁箔表面形成的堅韌氧化物層，抑制RSW的應用。LBW對焊接兩端的材料層間隙非常敏感。一般經驗認為，間隙應小于材料厚度的10％，即12μm的箔片將需要1.2μm或更小的間隙，這些要求難以實現。對于超聲波金屬焊接工藝，則沒有以上這些問題。
典型的鋰離子電池單元，使用銅箔作為陽極集電器，鋁箔作為陰極集電器。因此，我們分別對兩種情況進行測試——（1）鋁箔與鋁接頭連接；（2）銅箔與銅接頭連接。測試模型如上圖所示。其中，極片厚度0.13mm，箔片厚度12和25μm，箔片堆疊高度為20和60層。

對上述橫截面的觀察，我們對箔片壓縮，箔片失效和接頭最終狀態有了更清楚的認識。采用更薄箔片和更少層數的金屬焊接工藝，兩側鄰近焊接區域的箔片變形和位移加劇，略顯松散和強度不足。相反，采用更厚箔片和更多層數的金屬焊接工藝，兩側粘合區域更大，強度更大。

結論：

超聲波金屬焊接，將多層箔片緊固連接到極片上是可行的；焊接過程不會破壞箔片；粘合發生在箔片與極片（接頭）表面，以及每個箔片與箔片之間，因此能夠提供強度更高，導電更佳的金屬連接；紅外攝像顯示，所有接頭在焊接周期內都保持在60C以下，表明該過程不會對附近的熱敏元件造成傷害。