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超聲波焊接在動(dòng)力電池、線束、 IGBT等領(lǐng)域應(yīng)用
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 驕成超聲    2024-05-20

超聲波焊接根據(jù)焊接對(duì)象的不同，主要可分為金屬焊接、塑料焊接等。

1、超聲波焊接同其他焊接技術(shù)的對(duì)比

超聲波焊接相比其他焊接技術(shù)有其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在金屬焊接方面，具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：其一，焊接材料不熔融，近冷態(tài)焊接；其二，焊接后導(dǎo)電性好，電阻系數(shù)極低；其三，對(duì)焊接金屬表面要求低，氧化或電鍍均可焊接；其四，焊接時(shí)間短，不需任何助焊劑、氣體、焊料；其五，焊接無火花，環(huán)保安全等優(yōu)點(diǎn)。

在塑料焊接方面，具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：其一，焊接速度快，焊接強(qiáng)度高、密封性好；其二，取代傳統(tǒng)的焊接、粘接工藝，成本低廉，清潔無污染且不會(huì)損傷工件；其三，焊接過程穩(wěn)定，所有焊接參數(shù)均可通過軟件系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤監(jiān)控，一 旦發(fā)現(xiàn)故障很容易進(jìn)行排除和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

2、超聲波金屬焊接在動(dòng)力電池生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用

超聲波金屬焊接是將焊件置于焊座上，焊頭在壓力作用下在焊件表面來回高 頻振動(dòng)摩擦，焊件界面間氧化物或污染被破壞擠走，從而形成純凈金屬之間的接 觸，在高頻超聲摩擦的作用下，接觸的金屬發(fā)生塑性變形及流動(dòng)，形成局部連接 區(qū)域；隨著超聲能量的持續(xù)增加，金屬塑性流動(dòng)進(jìn)一步增強(qiáng)，局部連接區(qū)域不斷 擴(kuò)展融合，進(jìn)而形成焊接接頭。

一套典型的超聲波金屬焊接系統(tǒng)包括：發(fā)生器（將工頻交流電轉(zhuǎn)換為超聲頻 電信號(hào)）、換能器（將超聲頻電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)）、調(diào)幅器（將換能器端輸出 的振幅進(jìn)行調(diào)整）、焊頭（將調(diào)幅器端的振幅進(jìn)一步放大，傳遞到焊件表面）、底 模（即焊座，支撐焊件）。超聲波金屬焊接時(shí)，焊接溫度遠(yuǎn)低于材料的熔點(diǎn)，是 一種固相連接的方法，其既可以焊接同種材料，也可以焊接異種材料，特別適合 焊接一些較軟的和高導(dǎo)熱性的材料，如鋁、銅、鎳等。

由于動(dòng)力電池生產(chǎn)過程的工序復(fù)雜性、材料特殊性與多元性、工藝參數(shù)敏感性與高標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)制造設(shè)備的技術(shù)先進(jìn)性成為動(dòng)力電池設(shè)備的關(guān)鍵因素。以鋰電池為例，其生產(chǎn)工藝流程分為電芯制造、電芯裝配、電芯檢測(cè)和電池組裝 4個(gè)環(huán)節(jié)。其中電芯制造屬于前段工藝，包括制作電池正負(fù)極片；中段工藝為電芯裝配，包括電芯卷繞/疊片、極耳焊接，入殼封裝和電芯注液；電芯檢測(cè)和組裝后段工藝，包括化成分容、檢測(cè)、成組、PACK 工序。發(fā)行人深耕鋰電中段設(shè)備領(lǐng)域，其自主研發(fā)的超聲波金屬焊接設(shè)備，主要應(yīng)用在電芯中段的極耳焊接環(huán)節(jié)。

目前，動(dòng)力電池焊接最常見的技術(shù)路線為激光焊接和超聲波焊接，兩者的焊接原理、技術(shù)特點(diǎn)、優(yōu)劣勢(shì)有所不同，分別應(yīng)用在電池生產(chǎn)的不同環(huán)節(jié)，其中激光焊接主要用于電池軟連接焊接、頂蓋焊接、密封釘焊接、模組及 PACK 焊接，超聲波焊接主要用于極耳焊接環(huán)節(jié)，在部分 PACK 焊接工序中也存在應(yīng)用?？傮w而言，在動(dòng)力電池生產(chǎn)工序中，超聲波焊接的應(yīng)用場(chǎng)景與激光焊接存在較大差異，例如在中段工序中，超聲波焊接用于多層極耳焊接，而激光焊接用于軟連接焊接（連接片和極柱焊接）和頂蓋焊接（方殼電池鋁殼和頂蓋焊接）。

3、超聲波焊接在鋰電池極耳焊接環(huán)節(jié)具有不可替代性

在動(dòng)力電池裝配制造過程中有大量的焊接接頭，當(dāng)焊接接頭強(qiáng)度不足時(shí)，將造成電池組內(nèi)部電阻增大，不能有效供電；當(dāng)焊接過度時(shí)，焊接熱量過大，電池芯和電極蓋將被焊穿，容易造成電解液泄漏和電池組電路短路，造成電池報(bào)廢。因此，接頭焊接質(zhì)量對(duì)電池組的性能可靠性起著決定性的作用。

超聲波金屬焊接在動(dòng)力電池裝配過程中的典型運(yùn)用是在極耳焊接環(huán)節(jié)。動(dòng)力電池極耳是從動(dòng)力電池電芯中將正負(fù)極引出來的金屬導(dǎo)電體，動(dòng)力電池的電芯一般通過卷繞或疊片工藝而成，每層電芯箔片伸出一層極耳箔片，卷繞或疊片完成后多層極耳箔材會(huì)貼合對(duì)齊在一起，一般正極為多層鋁箔片，負(fù)極為多層銅箔片。極耳焊接是指將多層極耳箔片和連接片焊接在一起，其中，正極連接片材料一般為鋁，而負(fù)極連接片材料，方形電池通常為銅，軟包電池通常為鎳或銅鍍鎳。

動(dòng)力電池需要有良好的導(dǎo)流能力，如果內(nèi)阻過大，電池使用過程中發(fā)熱增加，會(huì)存在安全隱患。超聲波金屬焊接是固相連接，焊接過程中發(fā)熱量小，焊后內(nèi)阻小，是動(dòng)力電池電芯生產(chǎn)裝配流程中的必要設(shè)備，尤其適用于多層極耳焊接。

在動(dòng)力電池行業(yè)，激光焊接技術(shù)是除超聲波焊接以外的其它焊接技術(shù)中存在最大應(yīng)用潛力的技術(shù)，在鋰電池電芯極耳和極柱連接在一起的過程中，有兩種實(shí)現(xiàn)方式：一種是多層極耳和連接片超聲波焊接，隨后連接片再與極柱激光焊接；另一種是多層極耳超聲波焊接，隨后焊接在一起的多層極耳再和極柱激光焊接。

行業(yè)內(nèi)通常所說的極耳激光焊接是指連接片和極柱焊接，或經(jīng)超聲波焊在一起的多層極耳和極柱的焊接。連接片或極耳和極柱之間的焊接因?yàn)槌暡ê附拥膽?yīng)用受限（超聲焊導(dǎo)電性更好，但是超聲焊為接觸式焊接方式，同時(shí)需要壓緊焊件，焊接時(shí)會(huì)在極柱背面形成劃痕，同時(shí)壓力可能對(duì)頂蓋造成損傷），目前以激光焊為主；而多層極耳焊接以及多層極耳和連接片的焊接環(huán)節(jié)，超聲波金屬焊接相比激光焊工藝有明顯優(yōu)勢(shì)，具體如下：

①?gòu)暮附蛹夹g(shù)原理上，超聲波金屬焊為固相焊接，可以顯著減少熔化焊中常見的冶金缺陷（如脆性的金屬間化合物以及氣孔），同時(shí)其焊后內(nèi)阻在所有焊接技術(shù)中幾乎是最低的，而激光焊為熔化焊，存在一定的焊后內(nèi)阻，因此超聲波焊接的電流通過能力優(yōu)于激光焊接；

②激光焊接對(duì)焊接材料層間空氣層有嚴(yán)格要求，若采用激光焊接多層極耳，需要復(fù)雜的夾具壓緊壓實(shí)極耳，如層間有間隙出現(xiàn)空氣層時(shí)，容易出現(xiàn)焊接缺陷，而超聲波焊接則不受此限制，可直接進(jìn)行焊接；

③激光焊接一般需要保護(hù)氣體，同時(shí)焊接時(shí)會(huì)受材料反射率影響；大功率的激光一般以為紅外光為主，銅對(duì)紅外光的吸收率很低，所以焊接時(shí)能量利用率較低，容易造成飛濺，如果用來焊接多層極耳，會(huì)給電池的性能和安全帶來隱患，而超聲波焊接則不受此影響；

④從成本角度而言，大功率的激光焊接設(shè)備的投入明顯大于超聲波焊接設(shè)備，激光焊雖然速度很快，但無法一次性大面積焊接，需要走軌跡焊接保證焊接面積，而超聲波焊接是一次性焊出所需的焊接面積，效率上激光焊接并無優(yōu)勢(shì)；

⑤超聲波焊接多層極耳時(shí)，瞬間最高溫度遠(yuǎn)達(dá)不到極耳材料的熔點(diǎn)，產(chǎn)熱量低，對(duì)電芯的潛在風(fēng)險(xiǎn)相較激光焊接更低。

因此，在多層極耳焊接工藝上，如果采用激光焊接，其在對(duì)電芯的潛在風(fēng)險(xiǎn)和焊后內(nèi)阻等電池性能參數(shù)上，以及對(duì)極耳狀態(tài)要求、焊接成本、焊接效率上，相較超聲焊接均存在劣勢(shì)。成本和效率隨著激光技術(shù)的發(fā)展可能會(huì)得以改善，但是其他方面的劣勢(shì)難以解決，因此，超聲波焊接在多層極耳焊接的環(huán)節(jié)中具有難以被取代的地位。

綜上所述，在鋰電池極耳焊接環(huán)節(jié)對(duì)于超聲波焊接設(shè)備和激光焊接設(shè)備均存在需求，但兩者的應(yīng)用領(lǐng)域不存在重疊，在多層極耳焊接環(huán)節(jié)中，超聲波焊接擁有難以替代的優(yōu)勢(shì)。

4、激光焊接技術(shù)在動(dòng)力電池產(chǎn)線上的應(yīng)用

動(dòng)力電池焊接材質(zhì)包括純銅、鋁和不銹鋼等，根據(jù)材料組合和焊接要求的不同，各環(huán)節(jié)適用的焊接工藝各異。但整體上來講，激光焊接憑借著穩(wěn)定性強(qiáng)、一致性好和自動(dòng)化程度高等工藝優(yōu)勢(shì)，在動(dòng)力電池產(chǎn)線中滲透程度較高。激光焊接主要用于電池軟連接焊接、頂蓋焊接、密封釘焊接、模組及 PACK 焊接，激光焊接技術(shù)相較于超聲波焊接的優(yōu)勢(shì)如下：

①超聲波焊接是接觸式焊接，激光焊接是非接觸式的焊接，由于動(dòng)力電池的內(nèi)部構(gòu)造使得部分焊接無法以接觸式焊接方式進(jìn)行。例如在連接片和極柱焊接中，超聲焊需要接觸，會(huì)在極柱表面留下劃痕，而激光焊不存在劃傷極柱表面的情況；在密封釘焊接中，焊接位置底部無法支撐，超聲焊不易準(zhǔn)確施加壓力，而激光焊非接觸式焊接，無需施加壓力；在頂蓋焊接中，殼體很薄，無法壓緊支撐，因此超聲焊難以實(shí)現(xiàn)，且需要按固定軌跡焊接，因此激光焊更合適。

②相比于超聲焊，激光焊可以達(dá)到更大的功率，可焊接的材料厚度更厚。

③由于激光焊在焊接時(shí)無需接觸和底座支撐，因此相較于超聲焊更易于自動(dòng)化集成。

綜上，激光焊接相較于超聲波焊接，具有無需接觸、施加壓力和底部支撐，且易于實(shí)現(xiàn)按固定軌跡焊接的優(yōu)勢(shì)，廣泛運(yùn)用在動(dòng)力電池的生產(chǎn)工序中。

5、多層極耳焊接的技術(shù)路線演變及未來發(fā)展趨勢(shì)

在電池行業(yè)發(fā)展早期，電阻焊因?yàn)樵O(shè)備簡(jiǎn)單、成本較低，得到了一定的應(yīng)用，但電阻焊存在一些缺點(diǎn)，如電極壽命短、難以獲得大的焊接面積、可焊厚度受限（2 層以上焊接即存在困難）、熔化焊內(nèi)阻較大、耗電量大、效率低。隨著動(dòng)力電池的發(fā)展，電池層數(shù)增加，多層極耳焊接工藝中，電阻焊工藝早已被超聲焊所取代。而在電池成模組的環(huán)節(jié)，電阻焊也基本被激光焊逐漸替代。

超聲波金屬焊接特別適合于高導(dǎo)熱性材料的焊接，特別是在多層薄板焊接時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯。激光焊是一種非接觸式焊接技術(shù)，技術(shù)發(fā)展快速，具備焊接速度快、精度高、易于自動(dòng)化集成等優(yōu)點(diǎn)，在鋰電池生產(chǎn)環(huán)節(jié)中得到了廣泛的應(yīng)用，但是在多層極耳焊接時(shí)，相較超聲焊，激光焊不僅內(nèi)阻更大，而且初始成本高、需要保護(hù)氣體、焊接時(shí)受材料層間空氣層和材料反射率影響較大。多年以來，動(dòng)力電池多層極耳焊接（多層極耳之間或多層極耳和連接片之間）幾乎均采用超聲焊工藝，目前未見其他工藝替代超聲波焊接的可能性。

從鋰電技術(shù)發(fā)展來看，鋰電池發(fā)展的重點(diǎn)方向包括安全性和續(xù)航能力，而多功能復(fù)合集流體在這兩點(diǎn)均能帶來提升，寧德時(shí)代在 2021 年世界新能源汽車大會(huì)上憑借多功能復(fù)合集流體技術(shù)獲“全球新能源汽車前沿及創(chuàng)新技術(shù)”獎(jiǎng)，顯示出該技術(shù)擁有廣闊的應(yīng)用前景，并有多家材料企業(yè)布局該材料及相關(guān)技術(shù)。以復(fù)合集流體替代傳統(tǒng)的銅箔和鋁箔，鋰電池在前段工序?qū)⒍喑鲆坏啦捎贸暡ǜ咚贊L焊技術(shù)的極耳轉(zhuǎn)印焊工序，同時(shí)中段工序的多層極耳超聲波焊接工序依舊保持不變，這將進(jìn)一步拓寬超聲波技術(shù)在鋰電行業(yè)的應(yīng)用范圍。

綜上所述，在鋰電池生產(chǎn)工序中，多層極耳的超聲波焊接不存在迭代風(fēng)險(xiǎn)，且隨著鋰電池技術(shù)的發(fā)展，超聲波焊接技術(shù)的應(yīng)用范圍還將進(jìn)一步擴(kuò)大。

6、超聲波焊接技術(shù)在線束領(lǐng)域應(yīng)用廣泛

線束是指電路中連接各電器設(shè)備的接線部件，多用在各種精密電子設(shè)備，如汽車電路，電腦主板電路，家用電器電路等，其中汽車線束是線束的重要應(yīng)用領(lǐng)域。超聲波焊接利用高頻振動(dòng)波傳遞到兩個(gè)需焊接的線束工件表面，在加壓的情況下，使兩個(gè)線束工件表面相互摩擦固相連接在一起，具有快速、節(jié)能、熔合強(qiáng)度高、導(dǎo)電性好、無火花、接近冷態(tài)加工等特點(diǎn)。

汽車線束焊接目前生產(chǎn)工藝主要有壓接和超聲波焊接兩類。其中壓接技術(shù)利用端子將多股電線壓在一起形成接頭，由于壓接工藝存在金屬?zèng)_壓反彈風(fēng)險(xiǎn)且易在線束內(nèi)部形成空洞，惡劣工況下還存在氧化和生銹風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致壓接位置的電阻系數(shù)提升、導(dǎo)電性降低，使線路中信號(hào)與電流的傳輸受到影響，從而使電子設(shè)備以及汽車中其他電器無法正常運(yùn)行。

超聲波焊接是利用超聲波振動(dòng)所產(chǎn)生的物理效應(yīng)將線頭結(jié)合起來，提升了焊接位置的密實(shí)度，有利于防止截面空洞問題，保證線束的導(dǎo)電性，使整個(gè)電器系統(tǒng)的運(yùn)行更順暢、更穩(wěn)定。其次，超聲波焊接電阻系數(shù)接近于零，具有非常強(qiáng)的導(dǎo)電性的同時(shí)還能減少與電阻接觸過程中導(dǎo)致的熱量堆積，從而防止線束局部位置溫度過高引起線束燒毀。

汽車線束分為低壓和高壓線束。低壓線束焊接功率較小，國(guó)內(nèi)外均有企業(yè)參與競(jìng)爭(zhēng)。高壓線束由于線徑很大，對(duì)功率的需求甚至超過鋰電池極耳焊接的需求，超聲波發(fā)生器和換能器的開發(fā)難度也因此更大。

7、超聲波焊接在 IGBT 領(lǐng)域的應(yīng)用不斷加深

IGBT 即絕緣柵雙極型晶體管，是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，在軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動(dòng)汽車與新能源裝備等領(lǐng)域應(yīng)用極廣。IGBT 模塊的功率導(dǎo)電端子需要承載數(shù)百安培的大電流，對(duì)電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率有較高的要求，而汽車中的 IGBT 還要承受一定的振動(dòng)和沖擊力，對(duì)機(jī)械強(qiáng)度要求高，故 IGBT 導(dǎo)電端子的焊接技術(shù)工藝要求十分高。

一個(gè) IGBT 模塊通常需要經(jīng)過貼片、焊接、等離子清洗、X 光檢測(cè)、鍵合、灌膠固化、成型、測(cè)試、打標(biāo)共 9 道工藝后才能投放到市場(chǎng)。其中焊接工藝中焊接質(zhì)量直接影響功率模塊的可靠性及使用壽命。傳統(tǒng)的錫焊工藝雖然工藝簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，但存在易氧化，且焊接過程中釋放有毒氣體，環(huán)保性差等缺點(diǎn)。超聲波焊接是一種很適合 IGBT 導(dǎo)電端子焊接的工藝，由于超聲波焊接采用高頻超聲能量使金屬原子在兩種材料界面間相互擴(kuò)散，最終形成一種高強(qiáng)度鍵合界，工藝簡(jiǎn)單快捷、接觸電阻低、鍵合強(qiáng)度較高，更好的滿足了 IGBT 導(dǎo)電端子對(duì)低電阻、高強(qiáng)度的要求。隨著超聲波焊接技術(shù)的不斷發(fā)展，IGBT 領(lǐng)域的應(yīng)用不斷加深。

超聲波焊接運(yùn)用在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域時(shí)，主要用于多個(gè)銅端子和 DBC 基板覆銅層之間的焊接，對(duì)焊接模式的控制和自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)都有很高要求，屬于多技術(shù)融合的焊接站。由于功率半導(dǎo)體焊接端子小、基板易碎，其對(duì)焊接要求更加精細(xì)，焊接需嚴(yán)格控制焊接力、振幅、變形量、能量等參數(shù)以保證焊接的一致性，精確控制力和位移，需要集成有較多的傳感器用于檢測(cè)和模式控制。此外，焊接設(shè)備上還需要運(yùn)動(dòng)控制，通過視覺定位、伺服控制等模塊來完成同一塊功率半導(dǎo)體上多個(gè)點(diǎn)位的焊接需求，因此對(duì)自動(dòng)化設(shè)計(jì)能力也存在較高要求。

8、超聲波焊接在非金屬領(lǐng)域的應(yīng)用

非金屬超聲波塑料焊接是一種快捷、干凈、可靠的焊接工藝。目前典型的非金屬焊接以塑料焊接和無紡布焊接為主。

當(dāng)代社會(huì)，各種塑料制品已滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域，然而由于注塑工藝的限制，相當(dāng)一部分形狀復(fù)雜的塑料制品不能一次注塑成型，因此需要粘接，而沿用多年的塑料粘接和熱合工藝較為落后，不僅效率低，而且粘接劑還有一定的毒性，引起環(huán)境污染和勞動(dòng)保護(hù)等問題。傳統(tǒng)的粘接工藝已不能適應(yīng)現(xiàn)代塑料工業(yè)的發(fā)展需要，于是超聲波塑料焊接以其高效、優(yōu)質(zhì)、美觀、節(jié)能、安全等優(yōu)越性被廣泛應(yīng)用。超聲波在焊接塑料制品時(shí)，既不要添加任何粘接劑、填料或溶劑，也不消耗大量熱源，具有操作簡(jiǎn)便、焊接速度快、焊接強(qiáng)度高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。

隨著熱塑性塑料及其復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，超聲波焊接技術(shù)進(jìn)一步拓寬應(yīng)用范圍，已充分應(yīng)用在口罩、紙尿褲等無紡布市場(chǎng)。無紡布是一種不需要經(jīng)過紡紗和織布工序就能形成的織物。無紡布具有防潮、透氣、柔韌、質(zhì)輕、阻燃、無毒無味、價(jià)格低廉、可循環(huán)再用等特點(diǎn)。超聲波焊接在無紡布市場(chǎng)的應(yīng)用是利用超聲波技術(shù)完成對(duì)口罩、紙尿褲等產(chǎn)品的打片成型、封口、封邊、耳帶焊接等工序。超聲波焊接技術(shù)相比其他傳統(tǒng)工藝（如膠粘、電燙合或熱融合等），具有生產(chǎn)效率高、焊接質(zhì)量好、環(huán)保節(jié)能等顯著優(yōu)點(diǎn)，目前在無紡布領(lǐng)域有著廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用。

當(dāng)超聲波作用于熱塑性材料的接觸面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生每秒幾萬次的高頻振動(dòng)，通過焊件把超聲能量傳送到焊接區(qū)。焊接區(qū)由于聲阻大會(huì)產(chǎn)生局部高溫，塑料由于導(dǎo)熱性差，熱量散發(fā)慢，聚集在焊區(qū)的熱量致使兩工件的接觸面迅速熔化，在施壓一定壓力后，即可使其融合成一體。繼續(xù)施加壓力能夠使其凝固定型，形成堅(jiān)固的分子鏈，實(shí)現(xiàn)的焊接強(qiáng)度能接近于原材料的強(qiáng)度。

超聲波塑料焊接、無紡布焊接屬于非金屬焊接，與金屬焊接具有不同的焊接原理。超聲波塑料焊接和無紡布焊接屬于熔化焊，利用超聲波高頻振動(dòng)產(chǎn)生的熱量熔化焊接材料并施加壓力從而實(shí)現(xiàn)焊接；而超聲波金屬焊接是固相焊接，焊接時(shí)發(fā)熱量低，引起的工件溫度升高不足以使金屬發(fā)生熔化。

另一方面，聲學(xué)工具頭的振動(dòng)方向也有差異，超聲波塑料焊接和無紡布焊接的焊頭振動(dòng)方向垂直于焊接材料表面，而超聲波金屬焊接焊頭振動(dòng)方向平行于焊接材料表面。此外，非金屬焊接和金屬焊接對(duì)超聲系統(tǒng)的要求不一樣，導(dǎo)致超聲波發(fā)生器和換能器等配件也存在較大差異。整體而言，超聲波非金屬焊接的技術(shù)難度低于超聲波金屬焊接。