2020-06-08

鋰離子電池超聲焊接原理及影響因素

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鋰離子電池超聲焊接原理及影響因素

焊接工序作為鋰電池制造工藝中的關鍵一環,被應用于鋰電池鋁/銅正負集流體、極片以及電池封裝等多個位置的連接,任何焊接接頭缺陷都將顯著影響鋰電池性能的一致性。因此,理解超聲焊接過程十分必要。


1、超聲焊接原理

在超聲焊接過程中,換能器把高頻電信號轉化為超聲振動信號,高頻振動通過焊接工具頭傳遞到待焊金屬表面,界面金屬氧化膜在一定的壓力和超聲振動的劇烈摩擦作用下破碎,界面潔凈金屬接觸并在摩擦和超聲軟化的共同作用下,進一步產生塑性流動和擴散使連接面積逐漸增大最終形成可靠的連接。


鋰離子電池超聲焊接原理及影響因素(圖1)

焊接接頭的形成需經過兩個階段:過渡階段和穩定階段。

過渡階段為清除焊件表面膜和氧化物的短暫過程,穩定階段為界面產生相互擴散并使相互擴散穩定的過程。在過渡階段,焊件表面氧化物膜由于強烈磨擦作用破碎,此時磨擦為主要熱源,工件溫度升高使工件材料屈服強度降低,有利于工件表面氧化膜破碎及發生塑性變形,對接頭形成有重要作用。

穩定階段,金屬接觸表面變得平滑后摩擦作用減弱,熱量由于產生塑性變形而在焊接界面聚集,在此過程中的熱量是由工件的塑性變形過程產生,工具頭施加的壓力致使界面原子之間產生作用力而形成的金屬連接過程。


 鋰離子電池超聲焊接原理及影響因素(圖2)鋰離子電池超聲焊接原理及影響因素(圖3)
焊接區域塑性變形

工件與工件連接界面僅在壓痕槽下方存在連接,接頭連接界面的所有槽下方的連接長度求和得到接頭連接長度的總和,稱之為有效連接長度,也是塑性變形量的一個衡量指標。

鋰離子電池超聲焊接原理及影響因素(圖4)

焊接區域微觀形貌

 
2、超聲金屬焊接工藝參數研究

超聲金屬焊接過程的主要工藝參數有焊接壓力、焊接能量/時間、工具頭振幅和工具、頭齒紋與尺寸等。

(1)壓力的影響

焊接壓力對焊接接頭質量的影響顯著,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對焊接質量有決定性。


(2)時間的影響

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,對焊接效果產生不利的影響,此外,過長的焊接誒時間易導致焊頭與被焊工件的粘結;

鋰離子電池超聲焊接原理及影響因素(圖5)

(3)振幅的影響

超聲波焊接過程中工件與工件形成的振動系統,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,對焊接質量造成影響。


(4)焊頭的影響

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熱量不同,導致焊接過程中工件溫度不同,最終影響接頭質量。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,對接頭質量造成影響。因此,焊頭形貌及尺寸對接頭質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域壓強較大,從而形成更深的壓痕。


鋰離子電池超聲焊接原理及影響因素(圖6)


3、焊接質量監視

(1)破壞性測試

超聲焊接的好壞,可直接通過檢測焊接區域的抗拉情況進行判定,當虛焊與過焊時,拉力值均會很低。

鋰離子電池超聲焊接原理及影響因素(圖7)鋰離子電池超聲焊接原理及影響因素(圖8)

(2)紅外測試

焊接工藝參數不同,導致焊機供給被焊工件的焊接總能量變化,必然引起焊接過程中的摩擦作用不同,致使焊接過程中產生的熱量變化,那么焊接過程中工件的溫度也將隨之變化,焊頭-工件接觸區溫度可以有效反映接頭強度,可以通過測量焊接過程中工件的溫度預測接頭質量。但接觸區溫度并不是越高越好,對于每種被焊材料匹配,都有一個臨界溫度值,工件溫度小于臨界溫度時,溫度越高則接頭強度越高;工件溫度大于臨界溫度時,接頭強度則會減弱。鋰離子電池超聲焊接原理及影響因素(圖9)鋰離子電池超聲焊接原理及影響因素(圖10)




(3)能量反饋

不同的焊接參數,不同的焊接效果所需的能量是不一樣的,可以通過檢測焊接過程的焊接能量進行判斷。

鋰離子電池超聲焊接原理及影響因素(圖11)


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