Ультразвуковая сварка медной фольги для сборки аккумуляторов электромобилей

Фото любезно предоставлено Генкуром, iStock/Getty Images Plus

Ультразвуковой сварочный аппарат обеспечивал максимальную выходную мощность 3 киловатта и рабочую частоту 20 килогерц. Иллюстрация предоставлена ​​Monisys Co. Ltd.

Сварка осуществлялась размещением одной никелированной медной полосы со стороны наковальни и 40 слоев медной фольги со стороны рупора. Иллюстрация предоставлена ​​Monisys Co. Ltd.

Исследователи использовали тест T-peel для измерения прочности суставов. Сваренные образцы были согнуты на 90 градусов в обоих направлениях путем разделения язычка и фольги для образования Т-образной формы. Фольги удерживались за верхний захват, а язычок за нижний захват. Испытание проводилось при комнатной температуре со скоростью траверсы 50 миллиметров в минуту. Иллюстрация предоставлена ​​Monisys Co. Ltd.

В случае несоосности (вверху) в свариваемой зоне генерируется меньше сварочной энергии. И наоборот, если инструмент выровнен (внизу), энергия сварки велика, поскольку площадь соприкосновения рупора относительно больше. Иллюстрация предоставлена ​​Monisys Co. Ltd.

На этом графике сравниваются силовые сигналы смещения и выравнивания при одних и тех же условиях сварки. Он проверяет, что при правильном выравнивании инструмента энергия сварки, приложенная к соединению, выше и, следовательно, сварной шов будет прочнее. Иллюстрация предоставлена ​​Monisys Co. Ltd.

Парето-анализ данных показывает, что время сварки и сила сварки более важны для создания хорошего соединения, чем амплитуда. Иллюстрация предоставлена ​​Monisys Co. Ltd.

Лучшие сварные швы были получены при силе сварки 3 бар или выше и времени сварки 0,5 секунды или меньше. Иллюстрация предоставлена ​​Monisys Co. Ltd.

Эти микроскопические изображения показывают разницу между хорошими соединениями, переваренными и недоваренными соединениями. Фото предоставлено Monisys Co. Ltd.

Аккумуляторы для электромобилей производятся путем соединения нескольких ячеек и шины в единый модуль. Затем десятки модулей собираются в аккумуляторный блок.

Элементы батареи соединены с многослойной фольгой и вкладками. В качестве основных материалов используются такие материалы, как медь и алюминий.

Для соединения фольги с выступами использовалась контактная точечная сварка, лазерная сварка и ультразвуковая сварка металлов (UMW). Хотя контактная сварка выгодна благодаря своей скорости и простой автоматизации, она непригодна для медной фольги из-за ее высокой тепло- и электропроводности. Лазерная сварка — высокоскоростной процесс, но первоначальная стоимость оборудования высока, а качество сварных швов обеспечить сложно из-за высокой теплопроводности меди, высокой отражательной способности и низкой скорости поглощения. Кроме того, при сварке плавлением образуется большое количество интерметаллидов, которые трудно контролировать.

И наоборот, процесс UMW предлагает множество преимуществ. Это просто. Он может соединять широкий спектр материалов. Позволяет производить широкие сварные швы за короткий промежуток времени. При этом в контактной части происходит минимальное образование интерметаллидов и минимальные потери энергии.

В многочисленных исследованиях изучалось использование ультразвуковой энергии для сварки металлов компонентов электромобилей. Большинство из них сосредоточилось на сварке отдельных выступов или выступов на шинах. Мало кто смотрел процесс приваривания многослойной фольги к вкладкам.

В нашем исследовании изучалось использование UMW для соединения нескольких слоев медной фольги с тонкой никелированной полоской медной фольги, обычной сборкой для литий-ионных батарей высокой плотности. Наше исследование было сосредоточено на свариваемости материалов; влияние выравнивания рога и наковальни на производство и качество; и влияние различных параметров процесса, таких как сила, амплитуда и время.

Образцы для нашего исследования представляли собой многослойную медную фольгу (чистота меди 99,99%) толщиной 8 микрон и никелированную медную полоску толщиной 0,2 миллиметра. И фольга, и полоска имели ширину 20 миллиметров и длину 50 миллиметров.

Ультразвуковой сварочный аппарат обеспечивал максимальную выходную мощность 3 киловатта и рабочую частоту 20 килогерц. Сварка осуществлялась размещением одной никелированной медной полосы со стороны наковальни и 40 слоев медной фольги со стороны рупора.