特斯拉在其電池系統(tǒng)中應(yīng)用了超聲波焊接技術(shù)中的一個(gè)具體應(yīng)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(yīng)用被越來越多的討論。超聲波焊接在動(dòng)力電池上的應(yīng)用,可以看到應(yīng)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)
? 可焊接的材料類型廣泛,可用于同種金屬材料、特別是高導(dǎo)電、高導(dǎo)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(dǎo)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(xiàn)微觀的氣孔等缺陷,不生成脆性金屬間化合物,不發(fā)生像電阻焊時(shí)易呈現(xiàn)的熔融金屬的噴濺等疑問;
? 焊縫金屬的物理和力學(xué)性能不發(fā)生微觀改變,其焊接接頭的靜載強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度都比電阻焊接頭的強(qiáng)度高,且穩(wěn)定性好;
? 被焊金屬外表氧化膜或涂層對(duì)焊接質(zhì)量影響較小,焊前對(duì)焊件外表準(zhǔn)備工作比較簡(jiǎn)單;
? 焊接所需電能少;焊件變形小;
? 不需要增加任何粘結(jié)劑、填料或溶劑,具有操作簡(jiǎn)潔、焊接速度快、接頭強(qiáng)度高、出產(chǎn)功率高級(jí)長(zhǎng)處;
? 缺點(diǎn),超聲波焊接的主要缺陷是受現(xiàn)有設(shè)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(duì)接接頭還無法使用。
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聲學(xué)系統(tǒng)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(xiàn)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(zhuǎn)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(kuò)散,從而達(dá)到摩擦焊接。原理如下圖所示。
超聲焊接流程和原理
目前對(duì)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(jié)構(gòu)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(dāng)前重要的研究方向之一。
超聲焊機(jī)系統(tǒng)通常由 5部分構(gòu)成:
1)超聲電源(Power supply)。工頻單相或三相交流電通過超聲電源轉(zhuǎn)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(hào)通過壓電換能器轉(zhuǎn)換為同頻的振動(dòng)信號(hào);
3)變幅桿(Booster)。使換能器輸出的高頻振動(dòng)信號(hào)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(qū)域;
5)氣動(dòng)加壓部分,為焊接過程提供壓力。
超聲波焊接的分類
超聲波焊接分類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型分為兩類:一類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(duì)移動(dòng),這種方式適用于金屬材料的焊接;另一類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(jù)設(shè)備特點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)方式分類,分成線性振蕩和非線性振蕩兩類,如下圖所示:
非線性振動(dòng)焊接設(shè)備,其又包括扭矩超聲焊接設(shè)備和復(fù)合振動(dòng)焊接設(shè)備。
線性振動(dòng)焊接設(shè)備,根據(jù)加壓的位置不同分為楔–桿超聲焊接設(shè)備和側(cè)向驅(qū)動(dòng)焊接設(shè)備。其中楔–桿超聲焊接設(shè)備根據(jù)換能器的個(gè)數(shù)可分為單換能器和雙換能器焊接設(shè)備;側(cè)向驅(qū)動(dòng)焊接設(shè)備根據(jù)工具頭的波長(zhǎng)可分為半波和全波焊接設(shè)備。
按照焊點(diǎn)形狀,常見的金屬超聲波焊接可分為點(diǎn)焊、環(huán)焊、縫焊、線焊、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(jù)振蕩能量的傳遞方式,分為單側(cè)式、平行兩邊式和垂直兩邊式。振蕩體系依據(jù)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(jī)多選用輕型構(gòu)造的縱向振蕩;千瓦以上的大功率焊機(jī)多選用重型構(gòu)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(jī),它兼有上述兩種振蕩體系的長(zhǎng)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(duì)于聲極軸線呈對(duì)稱散布,軸心區(qū)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(qū)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(gòu)成一條連續(xù)焊縫??p焊機(jī)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。其間最多見的是縱向振蕩方式??p焊能夠獲得密封的連續(xù)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。
線焊
它是點(diǎn)焊方式的一種延伸,使用線狀上聲極,在一個(gè)焊接循環(huán)內(nèi)構(gòu)成一條狹長(zhǎng)的直線狀焊縫,聲極長(zhǎng)度即是焊縫的長(zhǎng)度,如今能夠到達(dá)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(dāng)上下振蕩體系的電源各為3kW時(shí),可焊鋁件的厚度達(dá)10mm,焊點(diǎn)強(qiáng)度到達(dá)材料自身的強(qiáng)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(shè)備復(fù)雜,要求設(shè)備的操控精度高。
重要工藝參數(shù)
焊接工藝參數(shù)影響的主次順序?yàn)椋狠斎腚姽β视绊懽畲?,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(shù)可調(diào),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(duì)焊件輸入振動(dòng)能量,使焊件貼合面發(fā)生固相熔合,對(duì)焊接質(zhì)量影響較大。如果一次焊接延遲時(shí)間過長(zhǎng),焊機(jī)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(qū)動(dòng)工件跟隨焊頭振動(dòng),焊件之間的摩擦阻力過大導(dǎo)致焊件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度小,摩擦產(chǎn)生的熱量也少,焊件有效的焊合區(qū)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(cuò)位。
二次焊接主要是有利于焊件與聲極脫模,對(duì)焊接質(zhì)量影響程度較輕。焊接氣壓的變化會(huì)導(dǎo)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法產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng),焊件之間仍然無法焊合。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(duì)焊件輸入的能量也越多。有研究表明,在一定振幅范圍內(nèi),界面焊合百分比隨超聲振幅增加而增。
大功率超聲焊接對(duì)接頭力學(xué)性能的影響
Cu-Cu焊接,焊接壓力對(duì)接頭拉伸強(qiáng)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,由圖可知壓力對(duì)超聲焊接接頭強(qiáng)度有較大影響。材料為C1100 純銅板材。
從圖中曲線可以看出焊接接頭拉伸載荷隨焊接壓力的變化曲線分為 3 個(gè)階段:
1)氣缸壓強(qiáng)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?。?)氣缸壓強(qiáng)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(dá)到最大值 4330 N;3)氣缸壓強(qiáng)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(duì)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(nèi)輸入焊接區(qū)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(qiáng)度較小。隨著壓力的增大,一方面焊接區(qū)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(qiáng),微連接區(qū)域加速形成,使界面迅速?gòu)恼敞C滑狀態(tài)進(jìn)入粘滯狀態(tài),輸入能量主要消耗于焊接區(qū)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(qiáng)度得到迅速增加,并在壓力達(dá)到 0.3 MPa 時(shí),焊接接頭強(qiáng)度達(dá)到最大值。
焊接接頭拉伸載荷曲線表明:焊接壓力對(duì)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(dāng)焊接壓力低于該臨界值時(shí),焊接接頭強(qiáng)度隨焊接壓力增大而增大,但強(qiáng)度較低;當(dāng)焊接壓力高于該臨界值時(shí),焊接接頭強(qiáng)度達(dá)到最大值,焊接壓力的變化對(duì)接頭強(qiáng)度影響較小,即焊接壓力值存在最佳工藝區(qū)間,在該區(qū)間內(nèi)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(duì)接頭拉伸強(qiáng)度的影響
在最佳焊接壓力工藝區(qū)間內(nèi),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。從圖中可以看出,焊接能量對(duì)焊接接頭的強(qiáng)度影響較大,拉伸載荷整體上呈現(xiàn)隨焊接能量的增加而增大的趨勢(shì),該過程又分為 4 個(gè)階段:
1)焊接起始階段,局部微連接區(qū)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)生于界面的微觀接觸部分;在壓力和摩擦力的作用下微觀接觸部分產(chǎn)生劇烈的塑性變形,其周圍氧化膜等被破碎排除,形成局部純凈金屬之間的接觸;隨著能量輸入的增加,這些區(qū)域在摩擦力和塑性變形作用下首先形成微觀冶金連接區(qū)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(qū)域生長(zhǎng)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(zhǎng)階段。隨著能量輸入的增加,界面局部冶金連接“孤島”在界面間粘–滑運(yùn)動(dòng)作用下,沿著振動(dòng)方向快速生長(zhǎng),一方面在摩擦力作用下,斷續(xù)的“孤島”區(qū)通過塑性變形不斷融合形成連續(xù)的線狀連接區(qū)域,另一方面隨著冶金連接區(qū)域的增大,界面間的粘–滑運(yùn)動(dòng),變?yōu)檎硿\(yùn)動(dòng),冶金連接區(qū)域沿振動(dòng)方向的生長(zhǎng)趨于穩(wěn)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(duì)應(yīng)的能量區(qū)間比較大。隨著界面由粘–滑運(yùn)動(dòng)變?yōu)檎硿\(yùn)動(dòng),輸入焊接區(qū)域的超聲能量主要轉(zhuǎn)化為金屬材料的塑性變形能。隨著能量輸入的增加,焊接區(qū)域的溫度不斷升高,致使焊接區(qū)域金屬的塑性變形抗力減小,塑性流動(dòng)性增強(qiáng),連續(xù)的帶狀冶金連接區(qū)域沿著垂直于振動(dòng)方向生長(zhǎng)。隨著能量的進(jìn)一步增加,冶金連接融合區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)展,逐漸形成片狀連接區(qū)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^(qū)域斷裂;
4)焊接接頭的拉伸載荷平穩(wěn)階段,即隨著能量輸入的增加,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(qū)域邊緣,并且從載荷–能量曲線中可以看出在 1600–2400 J 能量區(qū)間,焊接接頭拉伸載荷強(qiáng)度處于一平臺(tái)區(qū)間,在該能量區(qū)間,能量的增加對(duì)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–能量曲線及斷裂特征分析表明:純銅超聲焊接界面冶金連接區(qū)域的演變過程直接影響焊接接頭強(qiáng)度;隨著焊接能量的增加,焊接界面連接行為呈現(xiàn)點(diǎn)–線–面的演變過程,該演變過程主要與超聲能轉(zhuǎn)化過程有關(guān);焊接接頭的斷裂特征由界面斷裂演變?yōu)楹附訁^(qū)域斷裂。
Cu–Al 焊接—焊接時(shí)間對(duì)力學(xué)性能的影響
數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)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。從圖中可以看出焊接接頭拉伸強(qiáng)度隨焊接時(shí)間的增加而增加,當(dāng)焊接時(shí)間 t=0.5 s 時(shí),焊接接頭強(qiáng)度達(dá)到最大,其最大拉伸載荷為 3250 N,隨著焊接時(shí)間的繼續(xù)增加,焊接接頭強(qiáng)度隨之降低。Cu–Al 的拉伸載荷曲線變化特征較為簡(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(zhǎng)階段。同 Cu–Cu 超聲焊接類似,焊接起始階段,在高頻超聲振動(dòng)作用下,摩擦首先發(fā)生于界面的微觀接觸部分;在摩擦力的作用下微觀接觸部分產(chǎn)生劇烈的塑性變形,其周圍 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冶金連接區(qū)域。隨著焊接時(shí)間的增加,界面局部冶金連接區(qū)域在界面間粘–滑運(yùn)動(dòng)作用下,沿著振動(dòng)方向快速生長(zhǎng),不斷融合形成連續(xù)的線狀連接區(qū)域。
盡管在該階段界面間的連接面積不斷增大,但從界面的微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)分析,并沒有界面間擴(kuò)散層出現(xiàn)。因此,在這一階段,界面的演變過程在焊接接頭的拉伸載荷變化表現(xiàn)為:拉伸載荷值比較低,隨著焊接時(shí)間增加拉伸載荷快速生長(zhǎng),即焊接接頭的拉伸強(qiáng)度主要由 Cu–Al純凈金屬接觸面積所決定。盡管 6061Al 的拉伸強(qiáng)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(qiáng)度明顯較低,可能與 Al 的氧化膜較厚,破碎后在界面連接區(qū)域的分布有關(guān)。
2)界面出現(xiàn)擴(kuò)散行為階段。擴(kuò)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)間曲線上呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)。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(zhǎng)為接近工具頭面積區(qū)域,隨著焊接時(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(kuò)散行為,致使界面出現(xiàn)了擴(kuò)散形成金屬間化合物 IMC, IMC層與 6061Al 結(jié)合比與 Cu 的結(jié)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(xù)的 IMC 是形成優(yōu)良接頭的必要條件,但是如果 IMC 層過厚將會(huì)使焊接接頭強(qiáng)度降低。因此,可知在該階段 Cu–Al 焊接接頭的強(qiáng)度主要受界面間 IMC 的生長(zhǎng)行為所制約。另外根據(jù)文獻(xiàn)顯示,當(dāng)銅–鋁界面間 IMC層厚度低于 2 μm 時(shí),焊接界面強(qiáng)度達(dá)到最佳。
與 Cu–Cu 超聲焊接對(duì)比可知,同種金屬超聲焊接接頭強(qiáng)度主要由焊接冶金連接面積及界面塑性變形區(qū)域的厚度所決定,而在異種金屬超聲焊接過程中,優(yōu)良的焊接接頭主要由 IMC 層的生長(zhǎng)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(yīng)用超聲焊接技術(shù),具體來說是指電芯與整個(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,壓下后作為第一個(gè)焊點(diǎn),然后從第一個(gè)焊點(diǎn)抽出彎曲的線再以新月形狀將線(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,但也可用金線,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,在這種制程中沒有球形成。鋁線焊接制程被歸為超聲波線焊,形成焊點(diǎn)只用到超聲波能、壓力以及時(shí)間等參數(shù)。市場(chǎng)上主要有四種材料用作Bonding Wire,分別為金、銀、銅和鋁。
超聲波焊接特點(diǎn)
? 可焊接的材料類型廣泛,可用于同種金屬材料、特別是高導(dǎo)電、高導(dǎo)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(dǎo)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(xiàn)微觀的氣孔等缺陷,不生成脆性金屬間化合物,不發(fā)生像電阻焊時(shí)易呈現(xiàn)的熔融金屬的噴濺等疑問;
? 焊縫金屬的物理和力學(xué)性能不發(fā)生微觀改變,其焊接接頭的靜載強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度都比電阻焊接頭的強(qiáng)度高,且穩(wěn)定性好;
? 被焊金屬外表氧化膜或涂層對(duì)焊接質(zhì)量影響較小,焊前對(duì)焊件外表準(zhǔn)備工作比較簡(jiǎn)單;
? 焊接所需電能少;焊件變形小;
? 不需要增加任何粘結(jié)劑、填料或溶劑,具有操作簡(jiǎn)潔、焊接速度快、接頭強(qiáng)度高、出產(chǎn)功率高級(jí)長(zhǎng)處;
? 缺點(diǎn),超聲波焊接的主要缺陷是受現(xiàn)有設(shè)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(duì)接接頭還無法使用。
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聲學(xué)系統(tǒng)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(xiàn)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(zhuǎn)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(kuò)散,從而達(dá)到摩擦焊接。原理如下圖所示。
超聲焊接流程和原理
目前對(duì)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(jié)構(gòu)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(dāng)前重要的研究方向之一。
超聲焊機(jī)系統(tǒng)通常由 5部分構(gòu)成:
1)超聲電源(Power supply)。工頻單相或三相交流電通過超聲電源轉(zhuǎn)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(hào)通過壓電換能器轉(zhuǎn)換為同頻的振動(dòng)信號(hào);
3)變幅桿(Booster)。使換能器輸出的高頻振動(dòng)信號(hào)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(qū)域;
5)氣動(dòng)加壓部分,為焊接過程提供壓力。
超聲波焊接的分類
超聲波焊接分類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型分為兩類:一類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(duì)移動(dòng),這種方式適用于金屬材料的焊接;另一類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(jù)設(shè)備特點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)方式分類,分成線性振蕩和非線性振蕩兩類,如下圖所示:
非線性振動(dòng)焊接設(shè)備,其又包括扭矩超聲焊接設(shè)備和復(fù)合振動(dòng)焊接設(shè)備。
線性振動(dòng)焊接設(shè)備,根據(jù)加壓的位置不同分為楔–桿超聲焊接設(shè)備和側(cè)向驅(qū)動(dòng)焊接設(shè)備。其中楔–桿超聲焊接設(shè)備根據(jù)換能器的個(gè)數(shù)可分為單換能器和雙換能器焊接設(shè)備;側(cè)向驅(qū)動(dòng)焊接設(shè)備根據(jù)工具頭的波長(zhǎng)可分為半波和全波焊接設(shè)備。
按照焊點(diǎn)形狀,常見的金屬超聲波焊接可分為點(diǎn)焊、環(huán)焊、縫焊、線焊、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(jù)振蕩能量的傳遞方式,分為單側(cè)式、平行兩邊式和垂直兩邊式。振蕩體系依據(jù)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(jī)多選用輕型構(gòu)造的縱向振蕩;千瓦以上的大功率焊機(jī)多選用重型構(gòu)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(jī),它兼有上述兩種振蕩體系的長(zhǎng)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(duì)于聲極軸線呈對(duì)稱散布,軸心區(qū)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(qū)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(gòu)成一條連續(xù)焊縫??p焊機(jī)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。其間最多見的是縱向振蕩方式??p焊能夠獲得密封的連續(xù)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。
線焊
它是點(diǎn)焊方式的一種延伸,使用線狀上聲極,在一個(gè)焊接循環(huán)內(nèi)構(gòu)成一條狹長(zhǎng)的直線狀焊縫,聲極長(zhǎng)度即是焊縫的長(zhǎng)度,如今能夠到達(dá)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(dāng)上下振蕩體系的電源各為3kW時(shí),可焊鋁件的厚度達(dá)10mm,焊點(diǎn)強(qiáng)度到達(dá)材料自身的強(qiáng)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(shè)備復(fù)雜,要求設(shè)備的操控精度高。
重要工藝參數(shù)
焊接工藝參數(shù)影響的主次順序?yàn)椋狠斎腚姽β视绊懽畲?,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(shù)可調(diào),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(duì)焊件輸入振動(dòng)能量,使焊件貼合面發(fā)生固相熔合,對(duì)焊接質(zhì)量影響較大。如果一次焊接延遲時(shí)間過長(zhǎng),焊機(jī)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(qū)動(dòng)工件跟隨焊頭振動(dòng),焊件之間的摩擦阻力過大導(dǎo)致焊件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度小,摩擦產(chǎn)生的熱量也少,焊件有效的焊合區(qū)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(cuò)位。
二次焊接主要是有利于焊件與聲極脫模,對(duì)焊接質(zhì)量影響程度較輕。焊接氣壓的變化會(huì)導(dǎo)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法產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng),焊件之間仍然無法焊合。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(duì)焊件輸入的能量也越多。有研究表明,在一定振幅范圍內(nèi),界面焊合百分比隨超聲振幅增加而增。
大功率超聲焊接對(duì)接頭力學(xué)性能的影響
Cu-Cu焊接,焊接壓力對(duì)接頭拉伸強(qiáng)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,由圖可知壓力對(duì)超聲焊接接頭強(qiáng)度有較大影響。材料為C1100 純銅板材。
從圖中曲線可以看出焊接接頭拉伸載荷隨焊接壓力的變化曲線分為 3 個(gè)階段:
1)氣缸壓強(qiáng)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?。?)氣缸壓強(qiáng)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(dá)到最大值 4330 N;3)氣缸壓強(qiáng)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(duì)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(nèi)輸入焊接區(qū)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(qiáng)度較小。隨著壓力的增大,一方面焊接區(qū)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(qiáng),微連接區(qū)域加速形成,使界面迅速?gòu)恼敞C滑狀態(tài)進(jìn)入粘滯狀態(tài),輸入能量主要消耗于焊接區(qū)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(qiáng)度得到迅速增加,并在壓力達(dá)到 0.3 MPa 時(shí),焊接接頭強(qiáng)度達(dá)到最大值。
焊接接頭拉伸載荷曲線表明:焊接壓力對(duì)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(dāng)焊接壓力低于該臨界值時(shí),焊接接頭強(qiáng)度隨焊接壓力增大而增大,但強(qiáng)度較低;當(dāng)焊接壓力高于該臨界值時(shí),焊接接頭強(qiáng)度達(dá)到最大值,焊接壓力的變化對(duì)接頭強(qiáng)度影響較小,即焊接壓力值存在最佳工藝區(qū)間,在該區(qū)間內(nèi)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(duì)接頭拉伸強(qiáng)度的影響
在最佳焊接壓力工藝區(qū)間內(nèi),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。從圖中可以看出,焊接能量對(duì)焊接接頭的強(qiáng)度影響較大,拉伸載荷整體上呈現(xiàn)隨焊接能量的增加而增大的趨勢(shì),該過程又分為 4 個(gè)階段:
1)焊接起始階段,局部微連接區(qū)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)生于界面的微觀接觸部分;在壓力和摩擦力的作用下微觀接觸部分產(chǎn)生劇烈的塑性變形,其周圍氧化膜等被破碎排除,形成局部純凈金屬之間的接觸;隨著能量輸入的增加,這些區(qū)域在摩擦力和塑性變形作用下首先形成微觀冶金連接區(qū)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(qū)域生長(zhǎng)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(zhǎng)階段。隨著能量輸入的增加,界面局部冶金連接“孤島”在界面間粘–滑運(yùn)動(dòng)作用下,沿著振動(dòng)方向快速生長(zhǎng),一方面在摩擦力作用下,斷續(xù)的“孤島”區(qū)通過塑性變形不斷融合形成連續(xù)的線狀連接區(qū)域,另一方面隨著冶金連接區(qū)域的增大,界面間的粘–滑運(yùn)動(dòng),變?yōu)檎硿\(yùn)動(dòng),冶金連接區(qū)域沿振動(dòng)方向的生長(zhǎng)趨于穩(wěn)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(duì)應(yīng)的能量區(qū)間比較大。隨著界面由粘–滑運(yùn)動(dòng)變?yōu)檎硿\(yùn)動(dòng),輸入焊接區(qū)域的超聲能量主要轉(zhuǎn)化為金屬材料的塑性變形能。隨著能量輸入的增加,焊接區(qū)域的溫度不斷升高,致使焊接區(qū)域金屬的塑性變形抗力減小,塑性流動(dòng)性增強(qiáng),連續(xù)的帶狀冶金連接區(qū)域沿著垂直于振動(dòng)方向生長(zhǎng)。隨著能量的進(jìn)一步增加,冶金連接融合區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)展,逐漸形成片狀連接區(qū)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^(qū)域斷裂;
4)焊接接頭的拉伸載荷平穩(wěn)階段,即隨著能量輸入的增加,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(qū)域邊緣,并且從載荷–能量曲線中可以看出在 1600–2400 J 能量區(qū)間,焊接接頭拉伸載荷強(qiáng)度處于一平臺(tái)區(qū)間,在該能量區(qū)間,能量的增加對(duì)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–能量曲線及斷裂特征分析表明:純銅超聲焊接界面冶金連接區(qū)域的演變過程直接影響焊接接頭強(qiáng)度;隨著焊接能量的增加,焊接界面連接行為呈現(xiàn)點(diǎn)–線–面的演變過程,該演變過程主要與超聲能轉(zhuǎn)化過程有關(guān);焊接接頭的斷裂特征由界面斷裂演變?yōu)楹附訁^(qū)域斷裂。
Cu–Al 焊接—焊接時(shí)間對(duì)力學(xué)性能的影響
數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)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。從圖中可以看出焊接接頭拉伸強(qiáng)度隨焊接時(shí)間的增加而增加,當(dāng)焊接時(shí)間 t=0.5 s 時(shí),焊接接頭強(qiáng)度達(dá)到最大,其最大拉伸載荷為 3250 N,隨著焊接時(shí)間的繼續(xù)增加,焊接接頭強(qiáng)度隨之降低。Cu–Al 的拉伸載荷曲線變化特征較為簡(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(zhǎng)階段。同 Cu–Cu 超聲焊接類似,焊接起始階段,在高頻超聲振動(dòng)作用下,摩擦首先發(fā)生于界面的微觀接觸部分;在摩擦力的作用下微觀接觸部分產(chǎn)生劇烈的塑性變形,其周圍 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冶金連接區(qū)域。隨著焊接時(shí)間的增加,界面局部冶金連接區(qū)域在界面間粘–滑運(yùn)動(dòng)作用下,沿著振動(dòng)方向快速生長(zhǎng),不斷融合形成連續(xù)的線狀連接區(qū)域。
盡管在該階段界面間的連接面積不斷增大,但從界面的微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)分析,并沒有界面間擴(kuò)散層出現(xiàn)。因此,在這一階段,界面的演變過程在焊接接頭的拉伸載荷變化表現(xiàn)為:拉伸載荷值比較低,隨著焊接時(shí)間增加拉伸載荷快速生長(zhǎng),即焊接接頭的拉伸強(qiáng)度主要由 Cu–Al純凈金屬接觸面積所決定。盡管 6061Al 的拉伸強(qiáng)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(qiáng)度明顯較低,可能與 Al 的氧化膜較厚,破碎后在界面連接區(qū)域的分布有關(guān)。
2)界面出現(xiàn)擴(kuò)散行為階段。擴(kuò)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)間曲線上呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)。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(zhǎng)為接近工具頭面積區(qū)域,隨著焊接時(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(kuò)散行為,致使界面出現(xiàn)了擴(kuò)散形成金屬間化合物 IMC, IMC層與 6061Al 結(jié)合比與 Cu 的結(jié)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(xù)的 IMC 是形成優(yōu)良接頭的必要條件,但是如果 IMC 層過厚將會(huì)使焊接接頭強(qiáng)度降低。因此,可知在該階段 Cu–Al 焊接接頭的強(qiáng)度主要受界面間 IMC 的生長(zhǎng)行為所制約。另外根據(jù)文獻(xiàn)顯示,當(dāng)銅–鋁界面間 IMC層厚度低于 2 μm 時(shí),焊接界面強(qiáng)度達(dá)到最佳。
與 Cu–Cu 超聲焊接對(duì)比可知,同種金屬超聲焊接接頭強(qiáng)度主要由焊接冶金連接面積及界面塑性變形區(qū)域的厚度所決定,而在異種金屬超聲焊接過程中,優(yōu)良的焊接接頭主要由 IMC 層的生長(zhǎng)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(yīng)用超聲焊接技術(shù),具體來說是指電芯與整個(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,壓下后作為第一個(gè)焊點(diǎn),然后從第一個(gè)焊點(diǎn)抽出彎曲的線再以新月形狀將線(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,但也可用金線,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,在這種制程中沒有球形成。鋁線焊接制程被歸為超聲波線焊,形成焊點(diǎn)只用到超聲波能、壓力以及時(shí)間等參數(shù)。市場(chǎng)上主要有四種材料用作Bonding Wire,分別為金、銀、銅和鋁。