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超聲波焊接原理及影響因素和超聲效應

時間:2020-09-20 瀏覽:
超聲焊接原理及影響因素和超聲效應
 
 
焊接工序作為鋰電池制造工藝中的關鍵一環,被應用于鋰電池鋁/銅正負集流體、極片以及電池封裝等多個位置的連接,任何焊接接頭缺陷都將顯著影響鋰電池性能的一致性。因此,理解超聲焊接過程十分必要。
 超聲波焊接
1、超聲波焊接原理
在超聲焊接過程中,換能器把高頻電信號轉化為超聲振動信號,高頻振動通過焊接工具頭傳遞到待焊金屬表面,界面金屬氧化膜在一定的壓力和超聲振動的劇烈摩擦作用下破碎,界面潔凈金屬接觸并在摩擦和超聲軟化的共同作用下,進一步產生塑性流動和擴散使連接面積逐漸增大最終形成可靠的連接。
 
 
焊接接頭的形成需經過兩個階段:過渡階段和穩定階段。
過渡階段為清除焊件表面膜和氧化物的短暫過程,穩定階段為界面產生相互擴散并使相互擴散穩定的過程。在過渡階段,焊件表面氧化物膜由于強烈磨擦作用破碎,此時磨擦為主要熱源,工件溫度升高使工件材料屈服強度降低,有利于工件表面氧化膜破碎及發生塑性變形,對接頭形成有重要作用。
 
 
穩定階段,金屬接觸表面變得平滑后摩擦作用減弱,熱量由于產生塑性變形而在焊接界面聚集,在此過程中的熱量是由工件的塑性變形過程產生,工具頭施加的壓力致使界面原子之間產生作用力而形成的金屬連接過程。
 
 超聲波焊接
 
焊接區域塑性變形
工件與工件連接界面僅在壓痕槽下方存在連接,接頭連接界面的所有槽下方的連接長度求和得到接頭連接長度的總和,稱之為有效連接長度,也是塑性變形量的一個衡量指標。
 
 
焊接區域微觀形貌
 
 
2、超聲金屬焊接工藝參數研究
超聲金屬焊接過程的主要工藝參數有焊接壓力、焊接能量/時間、工具頭振幅和工具、頭齒紋與尺寸等。
(1)壓力的影響
焊接壓力對焊接接頭質量的影響顯著,焊接接頭強度隨壓力的增大先增加后減小。焊接壓力會改變焊接界面的滑動阻力,焊接壓力較小會導致界面的滑動阻力較小,使摩擦產生的能量不足以讓界面形成有效連接;焊接壓力過大導致工具頭下壓過深,焊接界面金屬產生相互咬合而影響了界面的相對運動,阻礙界面金屬進一步連接,導致焊接接頭的力學性能變差。因此,合適的焊接壓力參數對焊接質量有決定性。
 
(2)時間的影響
焊接時間直接影響了焊接過程中能量的輸入,對焊接效果有著直接的影響。焊接時間過短,輸入能量不足,由于沒有充分的摩擦,難以形成有效的焊點;隨著焊接時間的增加,相互摩擦引起溫度升高,工件材料開始軟化,焊接區域界面氧化膜破損及塑性變形,能形成較好的連接;當焊接時間進一步延長,焊頭容易在工件表面形成較深的痕跡,對焊接效果產生不利的影響,此外,過長的焊接誒時間易導致焊頭與被焊工件的粘結;
 
(3)振幅的影響
超聲波焊接過程中工件與工件形成的振動系統,振幅直接影響工件界面振動的瞬時速度,最終影響摩擦生熱及塑性變形,對焊接質量造成影響。
 超聲波焊接
(4)焊頭的影響
焊頭是超聲波金屬焊接的關鍵組成部分,焊接過程中,焊頭在壓力作用下要抓緊被焊工件,這樣,超聲波焊機產生的機械振動才能傳遞給被焊工件界面以形成固相連接。焊頭面積不同,會導致焊接過程中焊接壓力的分布不同,即連接界面的具有不同的應力,使焊接過程中摩擦力不同,從而使焊接過程中摩擦產熱量不同,導致焊接過程中工件溫度不同,最終影響接頭質量。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,間接影響焊接過程中工件溫度,對接頭質量造成影響。因此,焊頭形貌及尺寸對接頭質量有非常關鍵的作用。
焊頭面積相同時,矩形焊頭比圓形焊頭產生的塑性變形程度強烈;焊頭形狀相同時,面積大的焊頭能使焊接區塑性變形程度更強烈。
 
 
焊頭面積相同時,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, 面積小的焊頭使工件表面接觸區域壓強較大,從而形成更深的壓痕。
 
 
 
 
3、焊接質量監視
(1)破壞性測試
超聲焊接的好壞,可直接通過檢測焊接區域的抗拉情況進行判定,當虛焊與過焊時,拉力值均會很低。
 
 
(2)紅外測試
焊接工藝參數不同,導致焊機供給被焊工件的焊接總能量變化,必然引起焊接過程中的摩擦作用不同,致使焊接過程中產生的熱量變化,那么焊接過程中工件的溫度也將隨之變化,焊頭-工件接觸區溫度可以有效反映接頭強度,可以通過測量焊接過程中工件的溫度預測接頭質量。但接觸區溫度并不是越高越好,對于每種被焊材料匹配,都有一個臨界溫度值,工件溫度小于臨界溫度時,溫度越高則接頭強度越高;工件溫度大于臨界溫度時,接頭強度則會減弱。
 
超聲波焊接
 
(3)能量反饋
不同的焊接參數,不同的焊接效果所需的能量是不一樣的,可以通過檢測焊接過程的焊接能量進行判斷。
 
超聲波焊接機的超聲效應
 
 
超聲效應
當超聲波在介質中傳播時,由于超聲波與介質的相互作用,使介質發生物理的和化學的變化,從而產生一系列力學的、熱的、電磁的和化學的超聲效應,包括以下4種效應:
機械效應
超聲波的機械作用可促成液體的乳化、凝膠的液化和固體的分散。當超聲波流體介質中形成駐波時 ,懸浮在流體中的微小顆粒因受機械力的作用而凝聚在波節處,在空間形成周期性的堆積。超聲波在壓電材料和磁致伸縮材料中傳播時,由于超聲波的機械作用而引起的感生電極化和感生磁化(見電介質物理學和磁致伸縮)。
 
 
空化作用
超聲波作用于液體時可產生大量小氣泡 。一個原因是液體內局部出現拉應力而形成負壓,壓強的降低使原來溶于液體的氣體過飽和,而從液體逸出,成為小氣泡。另一原因是強大的拉應力把液體“撕開”成一空洞,稱為空化??斩磧葹橐后w蒸氣或溶于液體的另一種氣體,甚至可能是真空。因空化作用形成的小氣泡會隨周圍介質的振動而不斷運動、長大或突然破滅。破滅時周圍液體突然沖入氣泡而產生高溫、高壓,同時產生激波。與空化作用相伴隨的內摩擦可形成電荷,并在氣泡內因放電而產生發光現象。在液體中進行超聲處理的技術大多與空化作用有關。
熱效應
由于超聲波頻率高,能量大,被介質吸收時能產生顯著的熱效應。
化學效應
超聲波的作用可促使發生或加速某些化學反應。例如純的蒸餾水經超聲處理后產生過氧化氫;溶有氮氣的水經超聲處理后產生亞硝酸;染料的水溶液經超聲處理后會變色或退色。這些現象的發生總與空化作用相伴隨。超聲波還可加速許多化學物質的水解、分解和聚合過程。超聲波對光化學和電化學過程也有明顯影響。各種氨基酸和其他有機物質的水溶液經超聲處理后,特征吸收光譜帶消失而呈均勻的一般吸收,這表明空化作用使分子結構發生了改變 。
 
超聲波金屬焊接機應用范圍及特點?
 
 超聲波焊接
超聲波金屬焊接機應用范圍為:于鋰電池極片鎳、鋁、銅、鋁鎳復合帶等材料的不同工藝的超聲波焊接。那么有哪些特點呢?如下:                               
(1)兩被焊接物體重疊,經超聲振動加壓接合成固態形式,接合時間短,且接合部分不產生鑄造組織(粗糙面)缺陷。     
(2)超聲焊與電阻焊方法比較,模具壽命長,模具整修與替換時間少,而且易于實現自動化。  
 
 
(3)同種金屬不同種金屬之間均可以進行超聲焊接,與電氣焊相比耗費能量少得多
(4)超聲焊與其他壓焊相比,要求壓力較小,且變型量在10%以下,而冷壓焊其工件變形量達40%-90%。     
(5)超聲焊接不像其他焊接那樣要求進行被焊表面的預處理及焊后的后處理。    
(6)處理超聲焊接無需助焊劑、金屬填料、外部加熱等外部因素。      
(7)超聲焊接可以使材料的溫度效應降到低(焊區的溫度不超過被焊金屬絕對熔化溫度的50%),從而不使金屬結構變化,因此很適合電子領域中的焊接應用。

 
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