高新技术企业ISO9001
服务热线:135-3042-8982
超声波点焊机在锂电池制造中的应用
近年来随着世界环境污染、气候变暖及全球能源危机的不断加剧,节能减排、绿色发展等环保问题越来越受到人们的重视。纯电动汽车具有无尾气排放、节能环保、使用成本低等优点,已成为现代汽车工业发展的一个重要方向。动力锂离子电池组作为纯电动汽车的核心部件,其质量和容量决定着纯电动汽车的稳定性、供电性能及安全性。根据纯电动汽车对动力锂离子电池组功率和容量的要求,动力锂离子电池组一般由几百甚至上千个锂离子电池单体组成。同时,一定数量的电池单体通过串联和并联构成一个电池单元,然后电池单元通过汇流条连接进而组成电池组。在动力锂离子电池组装配制造过程中有大量的焊接接头,当焊接接头强度不足时,将造成电池组内部电阻增大,不能有效供电;当焊接过度,导致焊接热量过大,电池芯和电极盖将被焊穿,容易造成电解液泄漏和电池组电路短路,同时可能发生燃烧或爆炸,将严重影响到使用者的安全。因此,接头焊接质量对电池组的性能可靠性起着决定性的作用。
锂电池的制造组装过程包括电池单体内部的连接、电池单体之间的连接、电池单元之间的连接及电池模块之间的连接。锂电池内部单体连接主要包括阴/阳极箔与正/负极片之间的连接。锂电池单体之间的连接主要包括正/负极片与汇流条之间的焊接。锂电池主要元件主要采用的材料为铜、镍和铝及其合金。
铜、铝、镍及其合金具有高导电、导热的特性,是锂电池组模块制造过程中极箔、极片和汇流条常用的几种材料。铝与铜焊接的难点在于两者之间的导热系数(Al,235W/(m·K);Cu,400W/(m·K))、熔点(Al,660℃;Cu,1085℃)相差较大及容易生产金属间化合物。采用传统的熔焊方法焊接铝和铜,将会产生金属间化合物(例如:Al2Cu,AlCu和Al4Cu9),其将严重降低焊接接头的强度,增大焊接接头的电阻,这是因为金属间化合物(Al2Cu,8.0μΩ·cm;AlCu,11.4μΩ·cm,Al4Cu9,14.2μΩ·cm)的电阻远大于母材(Al,2.9μΩ·cm;Cu,1.75μΩ·cm)的电阻。此外镍的熔点为1453℃,铝与镍熔点之间的巨大差异给传统熔焊技术造成了严重的困难,同时熔焊容易造成金属间化合物的大量生成,降低焊接接头的力学性能和导电性能。
超声波点焊
超声波点焊属于固态焊接技术,其对材料的导电性及异质性不敏感,同时焊接时间间短(一般都小于0.5s)、耗能低(0.6~1.5kJ/焊接接头),焊接界面温度低,其一般为过母材熔点的40%~80%,适用于焊接硬度低的金属片或箔材。通过增大超声波点焊机的焊头尺寸能够增大焊接接头的焊接面积,减小电阻,从而提高电流的有效传递。因此,超声波焊接相对于激光焊接和电阻点焊技术具有一定的优越性。
锂电池制造中主要采用超声波点焊机,其主要分为两类:楔-杆型和侧向驱动型。楔-杆型超声波点焊机主要包括发生器、换能器和楔-杆组件,主要用于产生超声波,并将超声波传递到工件。压力一般采用气缸、液压缸或电动设备控制,使得焊头能够自由的向上或向下运动。焊接压力可以在几十到几千牛顿之间调节。楔相当于侧向驱动型超声波焊机中的放大器,可以调控振幅,然后通过杆将振幅传递给焊头。焊接振幅一般在10~100μm之间,沿纵向传播。为了减少能量的损失,楔一般都垂直于杆,同时杆以弯曲的模式振动,产生了振幅。在设计过程中,最优的情况是底座与焊头在焊接过程中产生共振,从而可以提高焊件之间的相互运动,进而提高所焊接接头的力学性能。
侧向驱动型超声波点焊机主要包括发生器、换能器、放大器和焊头。换能器通过压电陶瓷片将电能转换为同频率的线性机械振动能;放大器根据焊接的实际需要将机械振幅提高。在焊接过程中焊件被焊头和底座牢牢压紧,上面的工件被焊头表面的尖齿咬紧,下面的工件被底座表面的尖齿咬紧。焊头与振幅方向相互平行,振幅是以横向方向传递给工件。因此,两个件的接触表面产生相对摩擦运动,导致接触界面产生切向塑性变形及工件表面微凸起的平整化,然后形成焊合区。侧向驱动型和楔-杆型焊接在振动现象方面是相似的,两种焊机都通过固态焊接机理实现工件之间的焊接。与楔-杆型超声波点焊机相比,侧向驱动型超声波点焊机的功率一般较小,因此其所能焊接的母材厚度较小。
超声波点焊属于固态焊接技术,其对材料的导电性及异质性不敏感,同时焊接时间间短、耗能低、焊接界面温度低,其一般为过母材熔点的40%~80%,适用于焊接硬度低的金属片或箔材。