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焊接質(zhì)量影響較小，焊前對焊件外表準(zhǔn)備工作比較簡單；

? 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，具有操作簡潔、焊接速度快、接頭強(qiáng)度高、出產(chǎn)功率高級長處；

? 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通過壓電換能器轉(zhuǎn)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(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呈對稱散布，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。縫焊機(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。縫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)成一條狹長的直線狀焊縫，聲極長度即是焊縫的長度，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视绊懽畲螅淮魏附友舆t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)間過長，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，對焊接質(zhì)量影響程度較輕。焊接氣壓的變化會導(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。

大功率超聲焊接對接頭力學(xué)性能的影響

Cu-Cu焊接，焊接壓力對接頭拉伸強(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小；2）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)域的能量較小；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(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，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，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。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)度處于一平臺區(qū)間，在該能量區(qū)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，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，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。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)。市場上主要有四種材料用作Bonding Wire，分別為金、銀、銅和鋁。