近 30 年來，超聲波金屬焊接為線束制造商提供了一種獨特可靠的解決方案，用于連接從銅、鋁和鎳到鋰、黃銅、銀和金的各種柔性的導(dǎo)電用有色金屬。該工藝特別適用于在使用電池、蓄電設(shè)備、線束和組件、電氣斷路器和開關(guān)、消費電子產(chǎn)品和手機以及可植入醫(yī)療設(shè)備的應(yīng)用中連接不同的材料組合。
與電阻焊接和激光焊接不同，超聲波金屬焊接是一種固態(tài)焊接，在不熔化金屬的情況下粘合金屬，因此該過程不會產(chǎn)生金屬間化合物或顆粒，也不會引起腐蝕。這種固態(tài)焊接工藝可以焊接不同配置的金屬--包括薄板材或busbar和絞線，產(chǎn)生具有高電導(dǎo)率的高質(zhì)量連接，以實現(xiàn)最大的電氣效率。
圖1. 超聲金屬焊接示意圖
該技術(shù)最重要的應(yīng)用之一是交通運輸，電動汽車中使用的幾乎所有電池都依賴超聲波金屬焊接來連接最小和最基本的組件，以及汽車低壓線束和高壓線束的組件。
超聲金屬焊接工作原理
在超聲波金屬焊接中，通過對工件施加超聲波振動來去除金屬表面的氧化膜，將表層中的雜質(zhì)分散，利用金屬原子之間的吸引力，形成固相結(jié)合狀態(tài)。由于焊接的溫度約為熔點的 1/3，因此對工件的熱影響很小。
a. 超聲波發(fā)生器產(chǎn)生高頻交流電，作為電能提供給振蕩器，并轉(zhuǎn)化為機械振動（超聲波能）。
b.振蕩器的超聲波能量通過喇叭傳播，喇叭的尖端在垂直于加壓方向的方向上振動（橫向振動）。
圖2. 超聲金屬焊接連接示意圖
c. 通過對工件（被接合物體）施加頭部載荷和超聲波振動，可以進行金屬接合。 d. 當(dāng)金屬材料相互接觸時，會在界面處發(fā)生局部接觸。
e. 由于超聲波振動和水頭壓力，金屬界面從局部接觸點開始相互摩擦，氧化膜和沉積物被破壞和分散，露出干凈的 金屬表面。 f. 促進表面微細凹凸的塑性變形，金屬彼此接近，金屬分子間吸引力作用，在固態(tài)（母材熔點以下）下進行焊接。
銅鋁金屬焊接
超聲波金屬焊接方法用于連接鋁線束的鋁線和銅的異種金屬，可充電電池的鋁層壓箔。
圖3. a為鋁線焊接示意圖；b顯示接頭接口處的清晰邊界是固相焊接，而不是熔焊.
多種控制方法
除了能夠在不熔化或損壞有色金屬的情況下粘合有色金屬之外，超聲波金屬焊接還提供多種控制方法，可以應(yīng)對多種生產(chǎn)挑戰(zhàn)。
這些控制模式中最重要的是：
- 焊接能量控制，允許在固定的時間長度（時間模式）、特定的完成焊接高度（高度模式）或固定的能量輸入水平（能量模式）進行焊接。在能量模式下，超聲波金屬焊接機自動補償，改變焊接持續(xù)時間以適應(yīng)被連接金屬表面條件（例如氧化和污染程度）的常見差異。
- 焊接幅度控制，可調(diào)節(jié)傳遞到每個接頭焊接區(qū)的振蕩長度（幅度），并使用焊接電源、轉(zhuǎn)換器以及超聲波發(fā)生器和焊頭組件的功能。
- 焊接下壓力控制調(diào)節(jié)施加到焊接接頭的壓力。下壓力控制自動化的進步是雙向的，能夠以極高的精度施加更大或更小的壓力。
超聲波金屬焊接： 工藝優(yōu)勢
- 適用于各種有色金屬材料
- 在不同金屬之間建立永久的冶金結(jié)合
- 無需熔化 — 材料的化學(xué)或冶金學(xué)變化為零
- 可以與鍍鎳或鍍銀材料焊接
- 不產(chǎn)生金屬間化合物、顆粒或引起腐蝕的反應(yīng)
- 提供多種控制方法，實現(xiàn)工藝定制、可重復(fù)性和過程控制
- 提供低能量輸入（比熔焊或電阻焊更節(jié)能），并且不使用耗材
- 在任何焊接技術(shù)中提供最低的單次焊接成本
