銅、鋁等有色金屬的超聲波焊接是一種成熟的連接工藝，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)和消費(fèi)電子等領(lǐng)域。由于新能源電動(dòng)汽車(chē)的快速發(fā)展，鋰離子電池需求也不斷增加，對(duì)銅箔和鋁箔的超聲波焊接應(yīng)用顯著增加。

超聲波振動(dòng)如何產(chǎn)生

超聲波發(fā)生器將工業(yè)用電轉(zhuǎn)換為20kHz的高頻電壓。該電信號(hào)通過(guò)高頻線傳遞到換能器上。換能器內(nèi)部有壓電陶瓷片，利用逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)。產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)通過(guò)調(diào)幅器（變幅桿）和焊頭兩次放大，在焊接壓力下作用在有色金屬材料上。振動(dòng)方向平行于材料，垂直于焊接壓力，如下圖。

底座和焊頭成對(duì)使用，提供焊接時(shí)所需的剛性支撐。待焊接件被固定在底座上不移動(dòng)。底座表面必須有滾花（織物紋理）咬住下層材料，這樣上下層之間才能產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)。在壓力、振動(dòng)作用下，分子活化在界面處重新組合共享電子形成金屬鍵連接。

焊接機(jī)理：低于熔點(diǎn)的再結(jié)晶過(guò)程

上焊頭和下底座表面都帶有滾花，因此焊接時(shí)上層材料橫向移動(dòng)，而下層材料固定不動(dòng)，這樣上下層之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在壓力作用下，連接表面上粗糙的凸起不斷相互摩擦和塑性變形。

超聲金屬焊接形成分子鍵的三個(gè)主要階段是：

• 相對(duì)移動(dòng)導(dǎo)致連接面上的粗糙凸起特征產(chǎn)生剪切和塑性變形——初始塑性變形；
• 超聲振動(dòng)導(dǎo)致連接面上氧化層（或污染物）分散，以及凸起特征的進(jìn)一步塑性變形。這導(dǎo)致金屬和金屬之間接觸面積增加和焊接區(qū)域形成，該特征也叫做微焊縫。
• 進(jìn)一步的超聲波振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致接觸面繼續(xù)增大，從而增加焊接區(qū)域。

超聲波焊接決定性的優(yōu)點(diǎn)是“冷”焊接，即在遠(yuǎn)低于金屬熔點(diǎn)的溫度下形成連接。該溫度大約只有金屬熔點(diǎn)的1/3-1/2（退火時(shí)的再結(jié)晶溫度），是一種固態(tài)和固態(tài)的壓焊過(guò)程。

下圖是不同有色金屬材料之間的焊接相容性。

超聲焊接應(yīng)用類(lèi)別

3.1 金屬箔材焊接

銅箔和鋁箔的超聲波焊接是電池生產(chǎn)中的典型應(yīng)用。箔材厚度從6um到0.3mm不等。同時(shí)焊接的箔材層數(shù)從兩層到160層之間。典型案例有方殼電芯、軟包和圓柱電芯的極耳焊接。

3.2 端子和端子焊接

端子超聲焊接中，相互焊接的金屬板厚度可達(dá)3mm。該應(yīng)用的焊接強(qiáng)度要求要高得多。端子和端子焊接用于傳輸大負(fù)載電流的連接。典型案例有電池系統(tǒng)高壓連接段子焊接，如輸出極。

3.3 電纜和端子焊接

在現(xiàn)代車(chē)輛中，用超聲波焊接組裝的電纜和端子連接器已經(jīng)成為必不可少的零件。電纜橫截面大小范圍從6-85mm2。材料是銅和鋁。典型案例有電池系統(tǒng)低壓線束焊接，如采樣線束與鋁巴之間焊接。

焊接工藝參數(shù)

超聲金屬焊接工藝的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)，有大量的焊接數(shù)據(jù)，可對(duì)焊接過(guò)程精細(xì)調(diào)整，以及焊接質(zhì)量控制。對(duì)于不同應(yīng)用，需要調(diào)整到最佳參數(shù)，實(shí)現(xiàn)以下目的：

• 在無(wú)外觀缺陷情況下，焊接強(qiáng)度達(dá)最大；
• 容易重復(fù)性和一致的焊接結(jié)果。

超聲金屬焊接的主要參數(shù)有：工作頻率、振幅、焊接壓力、焊接時(shí)間、焊接功率、焊接能量和焊接深度等。焊接數(shù)據(jù)可圖形化顯示（如下圖），還可以通過(guò)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)圖顯示數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)和偏差變化。

1）壓力的影響

焊接壓力對(duì)焊接接頭質(zhì)量的影響顯著，焊接接頭強(qiáng)度隨壓力的增大先增加后減小。焊接壓力會(huì)改變焊接界面的滑動(dòng)阻力，焊接壓力較小會(huì)導(dǎo)致界面的滑動(dòng)阻力較小，使摩擦產(chǎn)生的能量不足以讓界面形成有效連接；焊接壓力過(guò)大導(dǎo)致工具頭下壓過(guò)深，焊接界面金屬產(chǎn)生相互咬合而影響了界面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，阻礙界面金屬進(jìn)一步連接，導(dǎo)致焊接接頭的力學(xué)性能變差。因此，合適的焊接壓力參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量有決定性。

2）焊接能量/時(shí)間的影響

超聲波焊接提供三種不同的焊接模式來(lái)提供能量控制：時(shí)間、高度和能量。時(shí)間模式要求每次焊接的周期時(shí)間保持一致。高度模式要求焊接到預(yù)設(shè)的焊接高度。能量模式對(duì)每個(gè)焊接周期應(yīng)用相同的能量。

能量模式是首選模式，因?yàn)樗?/span>允許焊機(jī)自動(dòng)補(bǔ)償被接合材料表面狀況的任何差異。例如，一些需要接合表面可能有不同程度的污染，當(dāng)振動(dòng)開(kāi)始時(shí)，這將需要更多的“摩擦”，以建立完全的金屬對(duì)金屬的表面連接合。能量模式能夠補(bǔ)償這些差異，而高度和時(shí)間模式則不能。

焊接時(shí)間直接影響了焊接過(guò)程中能量的輸入，對(duì)焊接效果有著直接的影響。焊接時(shí)間過(guò)短，輸入能量不足，由于沒(méi)有充分的摩擦，難以形成有效的焊點(diǎn)；隨著焊接時(shí)間的增加，相互摩擦引起溫度升高，工件材料開(kāi)始軟化，焊接區(qū)域界面氧化膜破損及塑性變形，能形成較好的連接；當(dāng)焊接時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)，焊頭容易在工件表面形成較深的痕跡，對(duì)焊接效果產(chǎn)生不利的影響，此外，過(guò)長(zhǎng)的焊接時(shí)間易導(dǎo)致焊頭與被焊工件的粘結(jié)；

3）振幅的影響

在下壓力的作用下，焊頭壓緊被焊工件到焊座上，焊頭帶動(dòng)上工件在焊接區(qū)域的振動(dòng)距離被稱(chēng)做焊接振幅。對(duì)振動(dòng)幅度的要求通常是根據(jù)被焊接材料的類(lèi)型和狀況確定的，并且通過(guò)焊接設(shè)備的發(fā)生器、換能器和上焊頭協(xié)同工作對(duì)每個(gè)焊接周期實(shí)施精確控制。超聲波焊接過(guò)程中工件與工件形成的振動(dòng)系統(tǒng)，振幅直接影響工件界面振動(dòng)的瞬時(shí)速度，最終影響摩擦生熱及塑性變形，對(duì)焊接質(zhì)量造成影響。

焊頭齒形

超聲焊頭和底座結(jié)構(gòu)對(duì)焊接結(jié)果質(zhì)量和工藝穩(wěn)定性有重大影響。影響焊縫結(jié)果的因素有：

• 齒形結(jié)構(gòu)：金字塔、半球和線條；
• 齒形排列方式；
• 待焊接材料厚度---厚的材料需要較粗較高的齒形

超聲波焊頭能夠抓住上部金屬工件至關(guān)重要，這樣它才能提供準(zhǔn)確的振動(dòng)橫向力，從而實(shí)現(xiàn)與下部金屬工件的結(jié)合。

焊頭是超聲波金屬焊接的關(guān)鍵組成部分，焊接過(guò)程中，焊頭在壓力作用下要抓緊被焊工件，這樣，超聲波焊機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)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(huì)導(dǎo)致焊接過(guò)程中焊接壓力的分布不同，即連接界面的具有不同的應(yīng)力，使焊接過(guò)程中摩擦力不同，從而使焊接過(guò)程中摩擦產(chǎn)熱量不同，導(dǎo)致焊接過(guò)程中工件溫度不同，最終影響接頭質(zhì)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(guò)程中工件溫度，對(duì)接頭質(zhì)量造成影響。因此，焊頭形貌及尺寸對(duì)接頭質(zhì)量有非常關(guān)鍵的作用。

焊頭面積相同時(shí)，矩形焊頭比圓形焊頭產(chǎn)生的塑性變形程度強(qiáng)烈；焊頭形狀相同時(shí)，面積大的焊頭能使焊接區(qū)塑性變形程度更強(qiáng)烈。

焊頭面積相同時(shí)，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(shí)， 面積小的焊頭使工件表面接觸區(qū)域壓強(qiáng)較大，從而形成更深的壓痕。