详解电动汽车锂电池的超声波金属焊接工艺技术

电动汽车锂电池的超声波金属焊接工艺技术

电动汽车因其绿色环保，且电池技术日趋成熟，因此越来越受到消费者喜爱。其中，锂离子电池技术是电动汽车关键技术之一。

超声波焊接原理

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。

超声波发生器是一个变频装置，它将工频电流转变为超声波频率（15-60khz）的振荡电路；换能器则利用逆压电效应转换成弹性机械振动能；传振杆、聚能器用来放大振幅，并通过耦合杆上声极传递到工件。换能器、传振杆、聚能器、耦合杆及上声极构成一个整体，称之为声学系统。由上声极传输的弹性振动能量是经过一系列的能量转换及传递环节产生的。声学系统中各个组元的自振频率，将按同一个频率设计，当发生器的振荡电泫频率与声学系统的自振频率一致时，系统即产生谐振（共振），并向工件输出弹性振动能。

金属焊接方式

锂电池技术中，涉及到的金属焊接方式有三种：铜/铝箔到极片(foiltotab)，极片到极片(tabtotab)，极片到极耳(tabtobus)。其中，铜/铝箔焊接到极片上，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，极箔到极片的焊接，是将电池内部所有阴阳极箔连接到对应的极片上，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，如果一个极箔与极片连接出现故障，那么将导致整个电池组的输出故障。因此，极箔与极片之间稳健牢固的连接，至关重要。

上述多层箔片到极片的连接，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。

超声波焊焊缝形成的决定因素

超声波焊焊缝的形成主要由振动剪切力、静压力和焊区的温升三个因素所决定。综观焊接过程，超声波焊经历了如下三个阶段。

（1）摩擦去污阶段：在振幅为几十微米的振动摩擦力的作用下，工件表面的油污、氧化物等杂质被排出，金属表面露出。

（2）应力及应变阶段：变化频率为几千次/秒的剪切应力也是造成振动摩擦的原因，在工件间发生局部连接后，这种振动的应力和应变将形成金属间实现冶金结合的条件。

（3）固相连接阶段：在上述两个阶段中，由于弹性滞后、局部表面滑移和塑性变形的综合结果，焊接区局部温度升高。焊接区产生了扩散及相变、再结晶和金属键合等冶金过程，形成固相连接。

超声波金属焊接的优势

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。
典型的锂离子电池单元，使用铜箔作为阳极集电器，铝箔作为阴极集电器。因此，我们分别对两种情况进行测试——（1）铝箔与铝接头连接；（2）铜箔与铜接头连接。测试模型如上图所示。其中，极片厚度0.13mm，箔片厚度12和25μm，箔片堆叠高度为20和60层。

对上述横截面的观察，我们对箔片压缩，箔片失效和接头最终状态有了更清楚的认识。采用更薄箔片和更少层数的金属焊接工艺，两侧邻近焊接区域的箔片变形和位移加剧，略显松散和强度不足。相反，采用更厚箔片和更多层数的金属焊接工艺，两侧粘合区域更大，强度更大。

结论：

超声波金属焊接，将多层箔片紧固连接到极片上是可行的；焊接过程不会破坏箔片；粘合发生在箔片与极片（接头）表面，以及每个箔片与箔片之间，因此能够提供强度更高，导电更佳的金属连接；红外摄像显示，所有接头在焊接周期内都保持在60C以下，表明该过程不会对附近的热敏元件造成伤害。