超聲波金屬焊接工藝的凈值

在決定金屬連接方法時(shí)，需要考慮許多因素，包括其有形和無(wú)形的特征。根據(jù)應(yīng)用的不同，投資將根據(jù)連接設(shè)計(jì)、要焊接的材料、幾何形狀、尺寸和尺寸、環(huán)境影響以及給定產(chǎn)品所需的機(jī)械和電氣完整性而有所不同。不可能在一篇文章中解決所有連接應(yīng)用，因此我們將重點(diǎn)介紹汽車線束行業(yè)和產(chǎn)品，以闡明壓接、焊接、超聲波、激光和電阻焊接的差異。

在某些情況下，超聲波焊接是唯一的解決方案，也可能根本不可行。然而，無(wú)論在選擇連接方法時(shí)考慮了多少變量，超聲波焊接似乎比所有其他可行的工藝都提供了更好的長(zhǎng)期投資回報(bào)。

超聲波金屬焊接設(shè)備的初始投資相對(duì)于其他焊接工藝（如電阻焊和壓接以及機(jī)械連接）更高，但低于激光焊接設(shè)備。那么，為什么這項(xiàng)技術(shù)主導(dǎo)了線束制造，并成為電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車電池和配電的必需品？

幾十年來(lái)，有色金屬的超聲波焊接一直是一項(xiàng)成熟的技術(shù)。然而，自 1980 年代初以來(lái)，超聲波金屬焊接一直主導(dǎo)著汽車行業(yè)，汽車線束制造商是該技術(shù)的最大單一用戶（圖 1）。由于其效率和無(wú)與倫比的質(zhì)量，超聲波焊接幾乎立即取代了所有汽車品牌的機(jī)械壓接和電阻焊。由于電動(dòng)汽車 （EV） 的增加，超聲波焊接在汽車線束中的應(yīng)用在過(guò)去十年中增長(zhǎng)更快。Telsonic 的創(chuàng)新和改變行業(yè)的扭轉(zhuǎn)焊接技術(shù)在很大程度上促進(jìn)了這一快速增長(zhǎng)，因?yàn)樗哂袩o(wú)與倫比的能力，可以解決焊縫尺寸、較小區(qū)域的焊接、幾何形狀、到達(dá)焊接區(qū)域、焊接方向以及對(duì)外圍組件的振動(dòng)影響等挑戰(zhàn)。

圖 1 – 汽車線束的傳統(tǒng)超聲波焊接應(yīng)用

平均一個(gè)線束包含 180 個(gè)接頭，并且這個(gè)數(shù)字隨著每個(gè)車型年份的增加而增長(zhǎng)。原始設(shè)備制造商正在為需要更多拼接的汽車添加更多電子功能。接頭和電線端接共同構(gòu)成了一個(gè)長(zhǎng)而復(fù)雜的重型線束，用于控制整個(gè)車輛的整個(gè)電氣系統(tǒng)。由于線材加工固有的勞動(dòng)強(qiáng)度，線材拼接一直是線束制造的主要焦點(diǎn)。該行業(yè)仍然將壓接或電阻焊應(yīng)用于小線壓接或錫線拼接等應(yīng)用。一般來(lái)說(shuō)，超聲波焊接對(duì)于鍍錫零件或鋼等硬質(zhì)材料是不可行的。這就是電阻焊或激光焊接選項(xiàng)變得可行的地方。超聲波焊接是將鋁焊接到另一種有色金屬上的終極選擇。由于其冷熔焊接性質(zhì)，鋁焊接牢固，不會(huì)熔化或受熱的顯著影響。超聲波焊接的優(yōu)點(diǎn)適用于導(dǎo)熱材料，如鋁、銅和鎂，電阻焊機(jī)和激光焊接可能很麻煩。超聲波對(duì)于將薄材料與厚材料連接起來(lái)也非常有用。如果要求將熱量對(duì)材料性能的干擾降到最低，則超聲波通常是最佳焊接工藝。

電線拼接是評(píng)估當(dāng)今線束制造中一些連接工藝的一個(gè)很好的例子。在焊接成為可行的選擇之前，制造商已經(jīng)使用壓接工藝多年。一些原始設(shè)備制造商只是使用夾子將電線壓接成接頭。有些增加了在焊槽中浸漬以確保電氣完整性。這樣做的缺點(diǎn)是增加了材料（許多不同尺寸的夾子）、專用壓力機(jī)所需的空間、焊接技能的要求，以及由于夾子和焊料的機(jī)械應(yīng)力和熱量而對(duì)線束的影響。因此，焊絲變得非?？扇?，從電阻焊開(kāi)始，然后是超聲波焊接的開(kāi)始。超聲波金屬焊接的冷熔特性、焊接前消除氧化的能力、異種金屬的連接、極低的能耗以及用一臺(tái)機(jī)器和相同的通用工具焊接各種接頭尺寸的能力，是使超聲波熔接成為全球可接受工藝的令人信服的因素。線束制造商花了幾年時(shí)間才熟悉該過(guò)程并采用該技術(shù)。有的從壓接轉(zhuǎn)向超聲波焊接，有的在轉(zhuǎn)向超聲波焊接之前使用電阻焊。超聲波焊接設(shè)備比其他連接方法更具優(yōu)勢(shì)，這些方法至今仍然適用。

在過(guò)去 30 年焊接技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，質(zhì)量和可靠性始終是最終的決定因素。投資回報(bào)是顯而易見(jiàn)的——超聲波焊接接頭在車輛中具有更長(zhǎng)的使用壽命。如今，下表（表 1）中的大多數(shù)功能都適用于其他金屬焊接應(yīng)用，例如線到端子、端子到端子和母線。

表 1 顯示了每個(gè)過(guò)程的優(yōu)勢(shì)以及直接和間接的運(yùn)營(yíng)成本。在許多情況下，一種連接方法顯然是更好的選擇，甚至是唯一的選擇。在多個(gè)連接選項(xiàng)中做出決定時(shí)，請(qǐng)考慮下表中的功能。

表1-比較表

每個(gè)關(guān)節(jié)的操作/維護(hù)成本必須同時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證，但質(zhì)量是重中之重。以下是選擇連接方法時(shí)要考慮的一些因素：

• 初始投資和數(shù)量
• 輸出速率
• 消耗品
• 耗電量 – 超聲波焊接需要電阻焊的 5%
• 額外的基礎(chǔ)設(shè)施，如水冷、通風(fēng)和額外的電力安裝
• 設(shè)備所需的占地面積
• 轉(zhuǎn)換時(shí)間
• 每個(gè)應(yīng)用程序的設(shè)置時(shí)間
• 模具壽命及其對(duì)質(zhì)量的影響（圖 2）

圖 2 – 超聲波線材拼接工具（通常超過(guò) 200,000 個(gè)焊縫）

超聲波金屬焊接的優(yōu)點(diǎn)

• 低溫工藝不影響材料性能
• 許多有色金屬材料的純冶金粘結(jié)劑
• 能夠焊接異種材料
• 無(wú)消耗性材料，如接頭夾或焊料
• 環(huán)保工藝
• 始終如一的焊接質(zhì)量、機(jī)械和電氣性能
• 周期時(shí)間短
• HMI友好
• 操作人員安全，無(wú)煙霧或鉛等化學(xué)品

過(guò)程

金屬和塑料的超聲波焊接方法有兩種。線性焊接是設(shè)備制造商使用的更常用的技術(shù)，也是電線拼接的標(biāo)準(zhǔn)（圖 3）。由Telsonic開(kāi)發(fā)的扭轉(zhuǎn)焊接在十多年前就出現(xiàn)了。扭轉(zhuǎn)焊接技術(shù)可用于最常見(jiàn)的線性焊接應(yīng)用。然而，由于其獨(dú)特的功能，它在應(yīng)用的幾何形狀和溫和的工藝方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，從而在市場(chǎng)上具有更廣泛的應(yīng)用范圍。事實(shí)上，該技術(shù)有時(shí)被發(fā)現(xiàn)是電動(dòng)汽車電池制造商和高壓電纜端接的唯一解決方案（圖 4）。扭轉(zhuǎn)超聲波焊接被證明是優(yōu)越方法的其他例子是母線、3D 端子和集成柵雙極晶體管 （IGBT）。

超聲波焊接技術(shù)

超聲波焊接的電動(dòng)汽車應(yīng)用實(shí)例

圖5 – 汽車超聲波焊接應(yīng)用示例

工作原理： 

電線堆疊在振動(dòng)/振蕩工具（聲波管）和砧座之間。在通過(guò)鐵砧施加靜力之前，它們被限制在預(yù)定的空間內(nèi)。隨著振蕩的發(fā)生，金屬表面升溫和塑化，鏈在分子水平上通過(guò)混合結(jié)合在一起（圖6）。其結(jié)果是具有細(xì)晶結(jié)構(gòu)的連續(xù)焊縫，類似于冷加工金屬的結(jié)構(gòu)。整個(gè)過(guò)程非?？焖伲附油ǔＴ趲追种幻雰?nèi)完成。目前最常用的拼接機(jī)在20KHz頻率的機(jī)械振動(dòng)下運(yùn)行。在力作用下的振動(dòng)會(huì)消散任何污染物并開(kāi)始冷摩擦焊接，直到拼接完成。由于焊接界面處的摩擦力，焊接材料的溫升小于30%。因此，焊絲材料沒(méi)有硬化，使焊縫過(guò)渡區(qū)域的焊絲線變脆。 這是與電阻焊相比的眾多優(yōu)勢(shì)之一，電阻焊涉及熔化材料以制造拼接塊。

圖 6 – 涉及金屬超聲波線性焊接的振動(dòng)和運(yùn)動(dòng)

基本焊接參數(shù)和變量

在實(shí)踐中，超聲波焊絲焊接也被證明是高質(zhì)量和安全的。由于焊接參數(shù)可以針對(duì)每種應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整和監(jiān)控，因此現(xiàn)在可以在工業(yè) 4.0 環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。焊接參數(shù)：除了始終預(yù)先確定的焊接工具和尺寸的狀況外，還需要設(shè)置四個(gè)焊接參數(shù)。這些參數(shù)通常由機(jī)器控制器默認(rèn)建立，以開(kāi)始對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行鑒定。

• 焊縫寬度：由機(jī)器設(shè)置
• 焊接能量：為完成焊接而交付的固定瓦秒數(shù)
• 振幅：可以調(diào)節(jié)到聲頭100%能力的振蕩
• 力-壓設(shè)置：設(shè)置焊接力

質(zhì)量變量：

為了在使用固定能量進(jìn)行焊接時(shí)控制過(guò)程以獲得最佳質(zhì)量，需要測(cè)量以下變量，并將其與機(jī)器或用戶確定的允許上限和下限進(jìn)行比較。

• 焊接時(shí)間（焊接持續(xù)時(shí)間）
• 超聲波開(kāi)始前的壓實(shí)高度
• 最終焊接高度
• 功耗

穩(wěn)定的生產(chǎn)和數(shù)據(jù)完整性

超聲波金屬焊接是線束組件各個(gè)方面的關(guān)鍵工藝，因?yàn)樗軌蛱峁┛煽康恼辰?，以滿足所有低電流和高載流特性。因此，個(gè)別公司已經(jīng)制定了某些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。用于超聲波電線拼接和端接的USCAR 45和38是一些例子，以及其他可以應(yīng)用于市場(chǎng)上大多數(shù)工業(yè)產(chǎn)品的規(guī)格。下表是超聲波焊接質(zhì)量指南的摘要。

超聲下電線接頭和電線端接應(yīng)用的質(zhì)量評(píng)估指南，包括 SAE AWG 和 ISO 公制電纜的拉力和剝離力要求以及電線規(guī)格。

表 2 – 超聲波金屬焊接質(zhì)量指南

在當(dāng)今電動(dòng)汽車電池和高壓連接系統(tǒng)的快速發(fā)展中，必須通過(guò)可靠的連接解決方案做出快速響應(yīng)。產(chǎn)品工程師必須在設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)階段選擇連接技術(shù)。這將需要焊接解決方案提供商和產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員之間的溝通，以加快流程，并為原型設(shè)計(jì)和初始產(chǎn)品測(cè)試準(zhǔn)備好所有工具。

隨著超聲波焊接知識(shí)的增長(zhǎng)，越來(lái)越多的應(yīng)用被設(shè)計(jì)為利用其當(dāng)前的能力。但是，如果您不熟悉該技術(shù)，那么希望本文能幫助您更好地了解焊接技術(shù)的一些基本原理，并闡明汽車和其他行業(yè)的潛在財(cái)務(wù)機(jī)會(huì)。在設(shè)計(jì)最終確定之前，選擇最合適的連接方法時(shí)，需要考慮許多因素。本文中的信息應(yīng)該是一個(gè)良好的開(kāi)端。