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被特斯拉應用已超過(guò)十年的動(dòng)力電池成組技術(shù)—超聲波焊接

發(fā)布日期:2018-08-09



特斯拉在其電池系統中應用了超聲波焊接技術(shù)中的一個(gè)具體應用方式,Wire Bonding,使得超聲焊接技術(shù)在動(dòng)力電池成組連接領(lǐng)域中的應用被越來(lái)越多的討論。超聲波焊接在動(dòng)力電池上的應用,可以看到應用實(shí)例的主要集中在極耳焊接,熔絲焊接方面。



超聲波焊接特點(diǎn)

? 可焊接的材料類(lèi)型廣泛,可用于同種金屬材料、特別是高導電、高導熱材料(如金、銀、銅、鋁等)和一些難熔金屬的焊接,也可用于性能相差懸殊的異種金屬材料(如導熱、硬度、熔點(diǎn)等)、金屬與非金屬、塑料等材質(zhì)的焊接,還能夠完成厚度相差懸殊材料焊接以及多層箔片的焊接;

? 焊件不通電,不需求外加熱源,接頭中不呈現微觀(guān)的氣孔等缺陷,不生成脆性金屬間化合物,不發(fā)生像電阻焊時(shí)易呈現的熔融金屬的噴濺等疑問(wèn);

? 焊縫金屬的物理和力學(xué)性能不發(fā)生微觀(guān)改變,其焊接接頭的靜載強度和疲勞強度都比電阻焊接頭的強度高,且穩定性好;

? 被焊金屬外表氧化膜或涂層對焊接質(zhì)量影響較小,焊前對焊件外表準備工作比較簡(jiǎn)單;

? 焊接所需電能少;焊件變形??;

? 不需要增加任何粘結劑、填料或溶劑,具有操作簡(jiǎn)潔、焊接速度快、接頭強度高、出產(chǎn)功率高級長(cháng)處;

? 缺點(diǎn),超聲波焊接的主要缺陷是受現有設備功率的約束,因而與上聲極觸摸的焊件厚度不能太厚;接頭只能選用搭接接頭,對接接頭還無(wú)法使用。

超聲焊接的原理

超聲波焊接是一種固相焊接方法,焊件之間的連接是通過(guò)聲學(xué)系統的高頻彈性振動(dòng)以及在工件之間靜壓力的加持作用下實(shí)現的。焊件在靜壓力及彈性振動(dòng)能量的共同作用下,將彈性振動(dòng)能量轉變成工件間的摩擦能、形變能和熱能,致使兩工件表面形成純凈金屬貼合、原子擴散,從而達到摩擦焊接。原理如下圖所示。



超聲焊接流程和原理

目前對于較厚板材(0.8–3.0 mm)大功率超聲焊接的研究主要集中在 Al、Mg 合金結構件方面。在鋰電池極片封裝等行業(yè)大功率超聲焊接 Cu、Al 是當前重要的研究方向之一。

超聲焊機系統通常由 5部分構成:

1)超聲電源(Power supply)。工頻單相或三相交流電通過(guò)超聲電源轉換為高頻(15–75 kHz)交流電,為壓電換能器(PZT)提供電能;

2)壓電換能器。電源輸出的高頻交流信號通過(guò)壓電換能器轉換為同頻的振動(dòng)信號;

3)變幅桿(Booster)。使換能器輸出的高頻振動(dòng)信號幅值放大;

4)工具頭(Horn/Sonotrode)。進(jìn)一步放大振動(dòng)幅值,并把能量傳遞到焊接區域;

5)氣動(dòng)加壓部分,為焊接過(guò)程提供壓力。

超聲波焊接的分類(lèi)

超聲波焊接分類(lèi)依照超聲波彈性振蕩能量傳入焊件的方向,超聲波焊接的基本類(lèi)型分為兩類(lèi):一類(lèi)是振蕩能量由切向傳遞到焊件外表,而使焊接界面發(fā)生相對移動(dòng),這種方式適用于金屬材料的焊接;另一類(lèi)是振蕩能量由垂直于焊件外表的方向傳入焊件,主要用于塑料的焊接。

另外一種,根據設備特點(diǎn)的驅動(dòng)信號方式分類(lèi),分成線(xiàn)性振蕩和非線(xiàn)性振蕩兩類(lèi),如下圖所示:



非線(xiàn)性振動(dòng)焊接設備,其又包括扭矩超聲焊接設備和復合振動(dòng)焊接設備。



線(xiàn)性振動(dòng)焊接設備,根據加壓的位置不同分為楔–桿超聲焊接設備和側向驅動(dòng)焊接設備。其中楔–桿超聲焊接設備根據換能器的個(gè)數可分為單換能器和雙換能器焊接設備;側向驅動(dòng)焊接設備根據工具頭的波長(cháng)可分為半波和全波焊接設備。



按照焊點(diǎn)形狀,常見(jiàn)的金屬超聲波焊接可分為點(diǎn)焊、環(huán)焊、縫焊、線(xiàn)焊、雙超聲波振蕩體系的點(diǎn)焊等。

點(diǎn)焊

點(diǎn)焊是使用最廣的一種焊接方式,依據振蕩能量的傳遞方式,分為單側式、平行兩邊式和垂直兩邊式。振蕩體系依據上聲極的振蕩方向也能夠分為縱向振蕩體系、曲折振蕩體系以及介于兩者之間的輕型曲折振蕩體系。功率500W以下的小功率焊機多選用輕型構造的縱向振蕩;千瓦以上的大功率焊機多選用重型構造的曲折振蕩體系;而輕型曲折振蕩體系適用于中小功率焊機,它兼有上述兩種振蕩體系的長(cháng)處。



環(huán)焊

環(huán)焊主要用于一次成形的封閉環(huán)形焊縫。焊接時(shí),振幅相對于聲極軸線(xiàn)呈對稱(chēng)散布,軸心區振幅為零,邊緣振幅最大。由于環(huán)焊的一次焊縫面積較大,需要較大的功率輸入,因而常常需要多個(gè)換能器驅動(dòng)。

縫焊

與電阻焊中的縫焊相似,超聲波縫焊實(shí)質(zhì)上是由部分彼此重疊的焊點(diǎn)構成一條連續焊縫??p焊機的振蕩體系按其滾輪振蕩狀況可分為縱向振蕩、曲折振蕩以及交變振蕩三種方式。其間最多見(jiàn)的是縱向振蕩方式??p焊能夠獲得密封的連續焊縫,一般焊件被夾持在上下滾輪之間,在特別狀況下可選用平板式下聲極。

線(xiàn)焊

它是點(diǎn)焊方式的一種延伸,使用線(xiàn)狀上聲極,在一個(gè)焊接循環(huán)內構成一條狹長(cháng)的直線(xiàn)狀焊縫,聲極長(cháng)度即是焊縫的長(cháng)度,如今能夠到達150mm,這種方式最適用于金屬薄箔的封口。

雙超聲波振蕩體系的點(diǎn)焊

上下兩個(gè)振蕩體系的頻率分別為27kHz和20kHz(或15kHz),上下振蕩體系的振蕩方向彼此垂直,焊接時(shí)二者作直交振蕩。當上下振蕩體系的電源各為3kW時(shí),可焊鋁件的厚度達10mm,焊點(diǎn)強度到達材料自身的強度。雙超聲波振蕩體系盡管焊接方式與點(diǎn)焊基本相同,但焊接設備復雜,要求設備的操控精度高。



重要工藝參數

焊接工藝參數影響的主次順序為:輸入電功率影響最大,一次焊接延遲時(shí)間次之,再次是一次焊接時(shí)間,影響最小的是焊接氣壓。焊接時(shí)間有4種參數可調,分別是一次焊接延遲時(shí)間、一次焊接時(shí)間、二次焊接延遲時(shí)間以及二次焊接時(shí)間。

一次焊接延遲時(shí)間指的是上聲極向下行走至發(fā)出超聲時(shí)間;一次焊接時(shí)間指的是第1次超聲波焊接時(shí)間;二次焊接延遲時(shí)間指的是上聲極離開(kāi)焊件向上行走至發(fā)出超聲時(shí)間;二次焊接時(shí)間指的是第2次超聲波焊接時(shí)間。

一次焊接主要對焊件輸入振動(dòng)能量,使焊件貼合面發(fā)生固相熔合,對焊接質(zhì)量影響較大。如果一次焊接延遲時(shí)間過(guò)長(cháng),焊機的焊頭(上聲極)完全下壓后才發(fā)出超聲,此時(shí)焊頭提供給焊件的剪切力不足以驅動(dòng)工件跟隨焊頭振動(dòng),焊件之間的摩擦阻力過(guò)大導致焊件之間相對運動(dòng)速度小,摩擦產(chǎn)生的熱量也少,焊件有效的焊合區域也更少;反之,焊頭施加在焊件上壓緊力不夠大,此時(shí)超聲發(fā)出容易使焊件之間錯位。

二次焊接主要是有利于焊件與聲極脫模,對焊接質(zhì)量影響程度較輕。焊接氣壓的變化會(huì )導致焊接靜載荷的變化,如果焊接靜載荷不足,則在超聲波焊接時(shí),焊件可能塑性變形量不足,難以形成較好的焊合面;反之,焊件之間接觸表面可能無(wú)法產(chǎn)生相對滑動(dòng),焊件之間仍然無(wú)法焊合。輸入電功率與超聲振幅相關(guān),超聲振幅指的是超聲振動(dòng)在振動(dòng)方向上的移動(dòng)距離。輸入電功率越大,則超聲振幅越大,對焊件輸入的能量也越多。有研究表明,在一定振幅范圍內,界面焊合百分比隨超聲振幅增加而增。

大功率超聲焊接對接頭力學(xué)性能的影響

Cu-Cu焊接,焊接壓力對接頭拉伸強度的影響

下圖為在焊接時(shí)間為 0.5 s 時(shí),采用不同焊接壓力獲得的焊接接頭拉伸載荷曲線(xiàn),由圖可知壓力對超聲焊接接頭強度有較大影響。材料為C1100 純銅板材。



從圖中曲線(xiàn)可以看出焊接接頭拉伸載荷隨焊接壓力的變化曲線(xiàn)分為 3 個(gè)階段:

1)氣缸壓強在 0.05–0.15 MPa 范圍,焊接接頭的拉伸載荷比較小,受焊接壓力變化影響較??;2)氣缸壓強在 0.15–0.3 MPa 范圍,焊接接頭的拉伸載荷隨焊接壓力的增大而迅速增加,且在 0.3 MPa 時(shí),拉伸載荷達到最大值 4330 N;3)氣缸壓強在 0.3–0.45 MPa 范圍,焊接接頭的拉伸載荷保持在 4200–4400 N 之間,焊接壓力的變化對拉伸載荷影響不大。這是由于一方面焊接壓力直接影響換能器的輸出功率,壓力較小時(shí)換能器輸出功率較小,在相同焊接時(shí)間內輸入焊接區域的能量較??;另一方面由于壓力較小,能量主要耗散于工具頭與上工件、工件之間及下工件與底座之間的摩擦,界面一直處于粘–滑狀態(tài),致使界面的塑性連接面積較小,因而焊接接頭的強度較小。隨著(zhù)壓力的增大,一方面焊接區域輸入能量隨換能器的輸出功率增加而迅速增大,另一方面在焊接起始階段,界面間摩擦作用增強,微連接區域加速形成,使界面迅速從粘–滑狀態(tài)進(jìn)入粘滯狀態(tài),輸入能量主要消耗于焊接區域的塑性變形,從而使界面的有效連接面積得到增加,因此焊接接頭強度得到迅速增加,并在壓力達到 0.3 MPa 時(shí),焊接接頭強度達到最大值。

焊接接頭拉伸載荷曲線(xiàn)表明:焊接壓力對純銅超聲焊接接頭力學(xué)性能有重要影響,存在一臨界值,當焊接壓力低于該臨界值時(shí),焊接接頭強度隨焊接壓力增大而增大,但強度較低;當焊接壓力高于該臨界值時(shí),焊接接頭強度達到最大值,焊接壓力的變化對接頭強度影響較小,即焊接壓力值存在最佳工藝區間,在該區間內均可以獲得牢固、性能良好的焊接接頭。

Cu-Cu焊接—焊接能量對接頭拉伸強度的影響

在最佳焊接壓力工藝區間內,焊接壓力選取 0.3 MPa。下圖為焊接接頭拉伸載荷隨焊接能量變化曲線(xiàn)。從圖中可以看出,焊接能量對焊接接頭的強度影響較大,拉伸載荷整體上呈現隨焊接能量的增加而增大的趨勢,該過(guò)程又分為 4 個(gè)階段:



1)焊接起始階段,局部微連接區域形成。在壓力作用下,工件界面發(fā)生接觸,由于平整的界面在微觀(guān)情況下存在大量的微凸點(diǎn),因此工件界面的接觸是局部微觀(guān)接觸;在高頻超聲振動(dòng)作用下,界面受到與振動(dòng)方向平行的周期性摩擦力的作用,而摩擦首先發(fā)生于界面的微觀(guān)接觸部分;在壓力和摩擦力的作用下微觀(guān)接觸部分產(chǎn)生劇烈的塑性變形,其周?chē)趸さ缺黄扑榕懦?,形成局部純凈金屬之間的接觸;隨著(zhù)能量輸入的增加,這些區域在摩擦力和塑性變形作用下首先形成微觀(guān)冶金連接區域;在該階段,焊接接頭的拉伸載荷比較低,焊接界面冶金連接區域生長(cháng)行為直接影響拉伸載荷的變化;

2)焊接接頭拉伸載荷快速增長(cháng)階段。隨著(zhù)能量輸入的增加,界面局部冶金連接“孤島”在界面間粘–滑運動(dòng)作用下,沿著(zhù)振動(dòng)方向快速生長(cháng),一方面在摩擦力作用下,斷續的“孤島”區通過(guò)塑性變形不斷融合形成連續的線(xiàn)狀連接區域,另一方面隨著(zhù)冶金連接區域的增大,界面間的粘–滑運動(dòng),變?yōu)檎硿\動(dòng),冶金連接區域沿振動(dòng)方向的生長(cháng)趨于穩定;

3)焊接接頭拉伸載荷隨輸入能量的增加而增速逐漸減小階段,并且該階段對應的能量區間比較大。隨著(zhù)界面由粘–滑運動(dòng)變?yōu)檎硿\動(dòng),輸入焊接區域的超聲能量主要轉化為金屬材料的塑性變形能。隨著(zhù)能量輸入的增加,焊接區域的溫度不斷升高,致使焊接區域金屬的塑性變形抗力減小,塑性流動(dòng)性增強,連續的帶狀冶金連接區域沿著(zhù)垂直于振動(dòng)方向生長(cháng)。隨著(zhù)能量的進(jìn)一步增加,冶金連接融合區域進(jìn)一步擴展,逐漸形成片狀連接區域,拉伸失效載荷進(jìn)一步增大,斷裂特征由界面分離變?yōu)楹附訁^域斷裂;





4)焊接接頭的拉伸載荷平穩階段,即隨著(zhù)能量輸入的增加,拉伸載荷在 4300 N 左右波動(dòng)。焊接接頭拉伸斷裂特征,斷裂位置發(fā)生于焊接區域邊緣,并且從載荷–能量曲線(xiàn)中可以看出在 1600–2400 J 能量區間,焊接接頭拉伸載荷強度處于一平臺區間,在該能量區間,能量的增加對焊接接頭拉伸載荷影響不大,均可以獲得性能優(yōu)良的焊接接頭。

焊接接頭的拉伸載荷–能量曲線(xiàn)及斷裂特征分析表明:純銅超聲焊接界面冶金連接區域的演變過(guò)程直接影響焊接接頭強度;隨著(zhù)焊接能量的增加,焊接界面連接行為呈現點(diǎn)–線(xiàn)–面的演變過(guò)程,該演變過(guò)程主要與超聲能轉化過(guò)程有關(guān);焊接接頭的斷裂特征由界面斷裂演變?yōu)楹附訁^域斷裂。

Cu–Al 焊接—焊接時(shí)間對力學(xué)性能的影響

數據采集實(shí)驗用材料,C1100 Cu 與 6061Al。下圖焊接接頭最大拉伸載荷隨焊接時(shí)間變化曲線(xiàn)。從圖中可以看出焊接接頭拉伸強度隨焊接時(shí)間的增加而增加,當焊接時(shí)間 t=0.5 s 時(shí),焊接接頭強度達到最大,其最大拉伸載荷為 3250 N,隨著(zhù)焊接時(shí)間的繼續增加,焊接接頭強度隨之降低。Cu–Al 的拉伸載荷曲線(xiàn)變化特征較為簡(jiǎn)單,Cu–Al 的拉伸載荷隨焊接時(shí)間變化曲線(xiàn)大致分為兩個(gè)階段:




1)焊接起始階段。界面微連接生成,并快速生長(cháng)階段。同 Cu–Cu 超聲焊接類(lèi)似,焊接起始階段,在高頻超聲振動(dòng)作用下,摩擦首先發(fā)生于界面的微觀(guān)接觸部分;在摩擦力的作用下微觀(guān)接觸部分產(chǎn)生劇烈的塑性變形,其周?chē)?Al、Cu 的氧化膜等被破碎排除,形成局部純凈金屬之間的接觸,在壓力作用下形成微觀(guān)冶金連接區域。隨著(zhù)焊接時(shí)間的增加,界面局部冶金連接區域在界面間粘–滑運動(dòng)作用下,沿著(zhù)振動(dòng)方向快速生長(cháng),不斷融合形成連續的線(xiàn)狀連接區域。

盡管在該階段界面間的連接面積不斷增大,但從界面的微觀(guān)結構觀(guān)測分析,并沒(méi)有界面間擴散層出現。因此,在這一階段,界面的演變過(guò)程在焊接接頭的拉伸載荷變化表現為:拉伸載荷值比較低,隨著(zhù)焊接時(shí)間增加拉伸載荷快速生長(cháng),即焊接接頭的拉伸強度主要由 Cu–Al純凈金屬接觸面積所決定。盡管 6061Al 的拉伸強度大于 C1100 Cu,但與低輸入能量的純銅超聲焊接相比,Cu–Al 的接頭強度明顯較低,可能與 Al 的氧化膜較厚,破碎后在界面連接區域的分布有關(guān)。

2)界面出現擴散行為階段。擴散層厚度隨焊接時(shí)間增加而增加,接頭的斷裂形式均為界面分離斷裂,這一階段在載荷–焊接時(shí)間曲線(xiàn)上呈現先增大后減小趨勢。焊接時(shí)間為 0.3 s 時(shí),界面連接已經(jīng)隨焊接時(shí)間增加逐漸生長(cháng)為接近工具頭面積區域,隨著(zhù)焊接時(shí)間的進(jìn)一步增加,界面的輸入能量主要用于促進(jìn)界面的升溫及塑性變形,這都會(huì )加速原子間的擴散行為,致使界面出現了擴散形成金屬間化合物 IMC, IMC層與 6061Al 結合比與 Cu 的結合差。


研究表明,在異種金屬發(fā)生連接行為時(shí),界面間生成一層薄的、連續的 IMC 是形成優(yōu)良接頭的必要條件,但是如果 IMC 層過(guò)厚將會(huì )使焊接接頭強度降低。因此,可知在該階段 Cu–Al 焊接接頭的強度主要受界面間 IMC 的生長(cháng)行為所制約。另外根據文獻顯示,當銅–鋁界面間 IMC層厚度低于 2 μm 時(shí),焊接界面強度達到最佳。

與 Cu–Cu 超聲焊接對比可知,同種金屬超聲焊接接頭強度主要由焊接冶金連接面積及界面塑性變形區域的厚度所決定,而在異種金屬超聲焊接過(guò)程中,優(yōu)良的焊接接頭主要由 IMC 層的生長(cháng)行為決定。

特斯拉電池組鋁絲壓焊Aluminum Wire Bonding

大家都知道TESLA在模組中應用超聲焊接技術(shù),具體來(lái)說(shuō)是指電芯與整個(gè)模組母排連接位置的熔絲焊接工藝。

Wire bonding有兩種形式: 球焊和楔焊。 金絲球焊是最常用的方法,在這種制程中,一個(gè)熔化的金球黏在一段在線(xiàn),壓下后作為第一個(gè)焊點(diǎn),然后從第一個(gè)焊點(diǎn)抽出彎曲的線(xiàn)再以新月形狀將線(xiàn)(第二個(gè)楔形焊點(diǎn))連上,然后又形成另一個(gè)新球用于下一個(gè)的第一個(gè)球焊點(diǎn)。金絲球焊被歸為熱聲制程,也就是說(shuō)焊點(diǎn)是在熱、超聲波、壓力以及時(shí)間的綜合作用下形成的。第二種壓焊方法是楔形制程,這種制程主要使用鋁線(xiàn),但也可用金線(xiàn),通常都在室溫下進(jìn)行。楔焊將兩個(gè)楔形焊點(diǎn)壓下形成連接,在這種制程中沒(méi)有球形成。鋁線(xiàn)焊接制程被歸為超聲波線(xiàn)焊,形成焊點(diǎn)只用到超聲波能、壓力以及時(shí)間等參數。市場(chǎng)上主要有四種材料用作Bonding Wire,分別為金、銀、銅和鋁。

動(dòng)力電池 超聲焊


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