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2021-06-08

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(han)接(jie)(jie)工序作為鋰(li)(li)電池(chi)制造工藝中(zhong)的(de)關鍵一(yi)環,被應用于鋰(li)(li)電池(chi)鋁/銅正負集流體、極(ji)片以(yi)及電池(chi)封裝等多個位置(zhi)的(de)連接(jie)(jie),任何焊(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭缺(que)陷都(dou)將顯著影響鋰(li)(li)電池(chi)性(xing)能的(de)一(yi)致性(xing)。因此,理解超聲焊(han)接(jie)(jie)過程十分必(bi)要。


1、超聲焊接原理

在超(chao)聲(sheng)(sheng)焊接(jie)過程中,換能器把高(gao)頻(pin)電信號轉化(hua)為(wei)超(chao)聲(sheng)(sheng)振動(dong)信號,高(gao)頻(pin)振動(dong)通過焊接(jie)工具頭傳遞到待(dai)焊金屬(shu)表面,界(jie)面金屬(shu)氧化(hua)膜在一(yi)定的壓力和(he)超(chao)聲(sheng)(sheng)振動(dong)的劇(ju)烈摩擦(ca)作(zuo)用(yong)下破碎,界(jie)面潔凈(jing)金屬(shu)接(jie)觸并在摩擦(ca)和(he)超(chao)聲(sheng)(sheng)軟化(hua)的共同(tong)作(zuo)用(yong)下,進一(yi)步產生塑性(xing)流動(dong)和(he)擴散(san)使連接(jie)面積(ji)逐漸增大最終(zhong)形(xing)成可靠的連接(jie)。


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(liang)個(ge)階(jie)段:過渡階(jie)段和穩定階(jie)段。

過渡階段為清(qing)除(chu)焊件表面膜(mo)和氧(yang)化(hua)物的短暫(zan)過(guo)程,穩定階段(duan)為界(jie)面產生相(xiang)互擴(kuo)散并使相(xiang)互擴(kuo)散穩定的過(guo)程。在過(guo)渡階段(duan),焊件表面氧(yang)化(hua)物膜(mo)由于(yu)強(qiang)烈(lie)磨(mo)擦(ca)作(zuo)用(yong)(yong)破(po)(po)碎(sui),此時磨(mo)擦(ca)為主要熱源(yuan),工(gong)件溫度(du)升高使工(gong)件材料(liao)屈服(fu)強(qiang)度(du)降低(di),有利于(yu)工(gong)件表面氧(yang)化(hua)膜(mo)破(po)(po)碎(sui)及(ji)發生塑性(xing)變形,對接頭形成有重要作(zuo)用(yong)(yong)。

穩定階段,金(jin)屬接觸(chu)表面(mian)(mian)變(bian)(bian)得平滑(hua)后摩擦作(zuo)用減弱,熱量由于產(chan)生塑(su)(su)性變(bian)(bian)形而在焊接界面(mian)(mian)聚集(ji),在此過程中的熱量是由工件的塑(su)(su)性變(bian)(bian)形過程產(chan)生,工具頭施加的壓力致使界面(mian)(mian)原子之間(jian)產(chan)生作(zuo)用力而形成(cheng)的金(jin)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(yu)塑(su)性(xing)變形(xing)

工(gong)件與工(gong)件連(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)(jie)界面僅在壓(ya)痕槽下(xia)方存(cun)在連(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)(jie),接(jie)(jie)(jie)(jie)頭(tou)連(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)(jie)界面的所有(you)槽下(xia)方的連(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)(jie)長(chang)(chang)度(du)求和得到接(jie)(jie)(jie)(jie)頭(tou)連(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)(jie)長(chang)(chang)度(du)的總和,稱(cheng)之為(wei)有(you)效連(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)(jie)長(chang)(chang)度(du),也(ye)是塑(su)性變形量的一個(ge)衡量指(zhi)標。

鋰離子電池超聲焊接原理及影響因素(圖4)

焊接區(qu)域微觀形貌

 
2、超聲金屬焊接工藝參數研究

超聲(sheng)金屬焊(han)接(jie)過程的主要工藝參數有焊(han)接(jie)壓(ya)力(li)、焊(han)接(jie)能量/時間、工具頭振幅和工具、頭齒紋與(yu)尺(chi)寸等。

(1)壓力的影響

焊(han)(han)接(jie)壓(ya)(ya)力(li)對焊(han)(han)接(jie)接(jie)頭質(zhi)量(liang)(liang)的(de)影響顯著,焊(han)(han)接(jie)接(jie)頭強度隨壓(ya)(ya)力(li)的(de)增(zeng)大先(xian)增(zeng)加(jia)后減小(xiao)。焊(han)(han)接(jie)壓(ya)(ya)力(li)會改變(bian)焊(han)(han)接(jie)界(jie)面(mian)的(de)滑動(dong)阻力(li),焊(han)(han)接(jie)壓(ya)(ya)力(li)較小(xiao)會導(dao)(dao)致(zhi)界(jie)面(mian)的(de)滑動(dong)阻力(li)較小(xiao),使摩擦產生(sheng)的(de)能(neng)(neng)量(liang)(liang)不足以讓界(jie)面(mian)形成有效連接(jie);焊(han)(han)接(jie)壓(ya)(ya)力(li)過大導(dao)(dao)致(zhi)工具頭下壓(ya)(ya)過深(shen),焊(han)(han)接(jie)界(jie)面(mian)金屬產生(sheng)相(xiang)互咬合(he)而影響了界(jie)面(mian)的(de)相(xiang)對運動(dong),阻礙界(jie)面(mian)金屬進一步連接(jie),導(dao)(dao)致(zhi)焊(han)(han)接(jie)接(jie)頭的(de)力(li)學性能(neng)(neng)變(bian)差(cha)。因此,合(he)適的(de)焊(han)(han)接(jie)壓(ya)(ya)力(li)參數(shu)對焊(han)(han)接(jie)質(zhi)量(liang)(liang)有決定性。


(2)時間的(de)影響

焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)時間直接(jie)(jie)(jie)影響了焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)過(guo)程(cheng)中能(neng)量(liang)的輸入(ru),對(dui)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)效(xiao)果有著(zhu)(zhu)直接(jie)(jie)(jie)的影響。焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)時間過(guo)短(duan),輸入(ru)能(neng)量(liang)不足,由于沒(mei)有充(chong)分的摩擦,難以形(xing)(xing)成有效(xiao)的焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)點;隨著(zhu)(zhu)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)時間的增加,相互摩擦引起溫度升高,工件(jian)(jian)材料開始軟化,焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)區域界面氧(yang)化膜(mo)破損及塑(su)性變(bian)形(xing)(xing),能(neng)形(xing)(xing)成較(jiao)好的連(lian)接(jie)(jie)(jie);當焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)時間進一(yi)步(bu)延(yan)長,焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)頭容易在工件(jian)(jian)表(biao)面形(xing)(xing)成較(jiao)深的痕跡,對(dui)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)效(xiao)果產生不利(li)的影響,此外,過(guo)長的焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)誒時間易導(dao)致(zhi)焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)頭與(yu)被焊(han)(han)(han)(han)(han)(han)(han)工件(jian)(jian)的粘(zhan)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(cheng)中工件與工件形(xing)成的(de)振(zhen)動系統,振(zhen)幅(fu)直接影響工件界面振(zhen)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(han)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(huai)性測試

超(chao)聲焊(han)(han)接(jie)的好壞,可直接(jie)通過檢測焊(han)(han)接(jie)區域(yu)的抗(kang)拉(la)情況進行判(pan)定,當虛焊(han)(han)與過焊(han)(han)時,拉(la)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(hong)外(wai)測試

焊(han)接工(gong)藝參數不(bu)同,導致(zhi)焊(han)機供給被焊(han)工(gong)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)焊(han)接總能量(liang)(liang)(liang)變化(hua),必(bi)然(ran)引起(qi)焊(han)接過程(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)摩擦作(zuo)用(yong)不(bu)同,致(zhi)使(shi)焊(han)接過程(cheng)中(zhong)產生的(de)(de)(de)(de)熱量(liang)(liang)(liang)變化(hua),那么焊(han)接過程(cheng)中(zhong)工(gong)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)溫度(du)(du)(du)也將隨之變化(hua),焊(han)頭-工(gong)件(jian)(jian)(jian)接觸(chu)區溫度(du)(du)(du)可以有(you)效(xiao)反映接頭強度(du)(du)(du),可以通過測量(liang)(liang)(liang)焊(han)接過程(cheng)中(zhong)工(gong)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)溫度(du)(du)(du)預測接頭質量(liang)(liang)(liang)。但接觸(chu)區溫度(du)(du)(du)并不(bu)是越(yue)(yue)高越(yue)(yue)好,對于每(mei)種被焊(han)材(cai)料匹(pi)配,都有(you)一個臨(lin)界(jie)溫度(du)(du)(du)值,工(gong)件(jian)(jian)(jian)溫度(du)(du)(du)小于臨(lin)界(jie)溫度(du)(du)(du)時,溫度(du)(du)(du)越(yue)(yue)高則接頭強度(du)(du)(du)越(yue)(yue)高;工(gong)件(jian)(jian)(jian)溫度(du)(du)(du)大(da)于臨(lin)界(jie)溫度(du)(du)(du)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(bu)同的(de)(de)焊(han)接(jie)參數,不(bu)同的(de)(de)焊(han)接(jie)效果所需(xu)的(de)(de)能(neng)量是(shi)不(bu)一樣的(de)(de),可以通(tong)過檢測焊(han)接(jie)過程的(de)(de)焊(han)接(jie)能(neng)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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