层叠式锂电池制造中金属极片的超声波焊接工艺优化方法

摘要

层叠式锂电池作为新能源汽车的动力来源,其关键材料及制造工艺的研发是当前的热点问题。锂电池制造主要包括制浆、涂布、焊接、装配、化成等工序,而焊接工序作为锂电池制造工艺中的关键一环,被应用于锂电池铝/铜正负集流体、极片以及电池封装等多个位置的连接,任何焊接接头缺陷都将显著影响锂电池性能的一致性。因此,如何保证锂电池金属极片的焊接接头质量是目前锂电池制造中亟待解决的关键问题之一。
　　超声波金属焊接作为一种优质、高效、低耗、清洁的固相连接技术,适用于铝/铜等高导电、导热材料的连接,已得到国内外汽车制造商和锂电池制造企业的关注。然而,由于受材料属性(铝/铜/镍等)、材料厚度(10μm-1mm)变化的影响,焊接过程中摩擦产热、塑性变形的影响机制尚不明确,引起超声波焊接接头质量一致性差,工艺参数选择范围小等问题。
　　针对上述问题,本文首先建立了铝/铜金属极片超声波焊接实验系统,研究了焊头面积、焊头齿深、压力、振幅、时间等工艺参数对接头强度的影响规律。其次,采用红外热成像方法研究焊接过程中焊头-工件接触区温度的变化规律,揭示焊接过程的摩擦产热行为及其对接头形成的影响。再次,研究焊接过程中工件与工件接触界面间塑性变形规律,揭示塑性变形对接头形成的作用机制。最后,建立基于响应面法的焊接工艺参数优化模型,获得最优焊接工艺参数,以提高接头质量。本文的主要研究内容及结论如下:
　　(1)焊头-工件接触区温度试验研究
　　针对极片超声波焊接过程中的摩擦生热,研究了工艺参数对焊头-工件接触区温度的影响规律,根据焊头-工件接触区温度的变化监测超声波焊接接头强度的变化,以实现接头质量的在线检测。结果表明:焊接过程中被焊材料未达到熔点,极片超声波焊接为固相连接,而不是熔化连接。当接触区温度等于临界值时,接头强度最高;接触区温度低于和高于临界值,都会降低接头强度。0.2mm铜/铜、铝/铝、铝/铜超声波焊接过程中的临界温度分别为179.5℃、77.4℃、79.1℃。
　　(2)工件与工件结合区塑性变形试验研究
　　采用金相检验、SEM、EDS等方法,实验研究了工艺参数对极片超声波焊接接头工件与工件结合区塑性变形的影响规律。结果表明:铜/铜、铝/铝同种金属焊接时,工件与工件接合区受塑性变形的作用,形成机械嵌合连接。铝/铜异种金属焊接时,接合区未形成稳定的金属间化合物,但存在元素扩散现象。提出采用有效厚度和有效连接长度表征结合区塑性变形的方法,增大焊接压力、焊接振幅、焊接时间都能够提高接头有效连接长度。最后,建立塑性变形与接头强度的定量关系模型,确定临界有效连接尺寸。
　　(3)基于响应面法的超声波焊接工艺参数优化方法
　　以铝/铜材料超声波焊接为例,采用响应面和均匀试验设计方法,建立焊头面积、焊头齿深、焊接压力、焊接振幅、焊接时间等参数与接触区温度的响应面模型,得出焊头齿深、焊接时间是影响工件温度的主要因素。考虑工件的临界温度,获得铝/铜连接的最优参数,焊头形貌为面积33.65mm2,齿深0.31mm;采用中等焊接压力、大焊接振幅、短焊接时间能够得到高质量连接接头,最优参数为1.52kN,24.4μm,0.067s。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 超声波金属焊接研究现状

1.3 研究内容

第二章 超声波金属焊接试验系统及质量评价

2.1 引言

2.2 超声波金属焊接过程分析

2.3 试验系统搭建

2.4 工艺参数对接头拉剪强度的影响

2.5 小结

第三章 超声波焊头-工件接触区温度变化规律研究

3.1 引言

3.2 焊接过程摩擦生热及温度测量方法

3.3 摩擦生热过程中接触区的温度变化

3.4 工艺参数对接触区最高温度的影响

3.5 接触区临界温度的确定

3.6 小结

第四章 焊接过程工件与工件结合区塑性变形规律研究

4.1 引言

4.2 焊接过程中结合区的塑性变形

4.3 工艺参数对结合区微观形貌的影响

4.4 结合区的临界有效连接尺寸

4.5 小结

第五章 基于响应面法的超声波金属焊接工艺参数优化模型

5.1 引言

5.2 响应面模型的建立

5.3 响应面模型分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 主要研究内容及结论

6.2 本文的不足之处与研究展望

参 考 文 献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文