Anvendelse af ultralydssvejsning i ledningsnet

Anvendelse af ultralydssvejsning i ledningsnet

Vi vil dykke ned i anvendelsen af ​​ultralydssvejsning i ledningsnet lavet af tre specifikke metaller: kobber, aluminium og nikkel. Disse tre metaller er blandt de mest almindeligt anvendte ledere i kraftelektronik, men deres fysiske og kemiske egenskaber adskiller sig væsentligt, hvilket resulterer i distinkte svejseegenskaber.

Oversigt: Ultralydsmetalsvejsning, som en faststofsammenføjningsteknik, er ideel til sammenføjning af stærkt ledende bløde metaller såsom kobber, aluminium og deres legeringer. Nikkel, som en almindelig plettering eller funktionelt materiale, svejses også ofte.

punkt	Kobber,	Aluminium	Nikkel
Loddebarhed:	Fremragende,	God	Vanskelig
Hovedudfordringer	Høj hårdhed, relativt tæt oxidlag	Oxidlaget er meget hårdt og isolerende.	Høj hårdhed, høj sejhed og stabilt oxidlag
Nødvendig energi/amplitude	Høj	Medium	Meget høj
Almindelige applikationer	Batteri, motorviklinger, elektriske ledninger	Strømbatteri, aluminiumsledningsnet, solcellepanel	Batteritapper, celleblyplader, korrosionsbestandige stik

I. Ultralydsvejsning af kobbertråd

Kobber er et af de mest ideelle og udbredte materialer til ultralydssvejsning.

Svejseegenskaber:

* Fremragende ledningsevne: Den svejste samling danner en loddefri ren kobberforbindelse med lav resistivitet og overlegen ledningsevne sammenlignet med tinlodning.

* Høj styrke: Svejseforbindelsen udviser høj trækstyrke og udmattelsesstyrke.

* God plasticitet: Rent kobber gennemgår let plastisk flow under tryk og vibrationer, hvilket er gavnligt for metallurgisk binding.

Vigtige procesovervejelser:

* Højere amplitude og tryk påkrævet: Kobber har relativt høj styrke og hårdhed, hvilket kræver tilstrækkelig energi til at nedbryde dets oxidlag (CuO, Cu₂O) og inducere plastisk flow.

* Overfladebehandling: Selvom det er mindre krævende end aluminium, bør alvorlig oxidation eller olieforurening stadig undgås. Galvaniseret kobber (såsom tin- eller nikkelbelægning) kan også svejses, men parametre skal justeres.

* Formdesign: Det tandede design af svejsehovedet og den nederste form er afgørende for gribekraft og forebyggelse af glidning.

Typiske applikationer:

* Strømbatterier: Kobberskinneforbindelser mellem celler; svejsning af prøvetagningsledninger i batterimoduler.

Ledningsnet til biler: Svejsning af kobbertråde inde i sikringsbokse og relæer.

Motorer og transformere: Svejsning af blytråde fra flade kobbertrådsviklinger.

* Højfrekvente kommunikationskabler: Svejsning af afskærmningslag.

II. Ultralydssvejsning af aluminiumtråd

Aluminium bruges i stigende grad i letvægts- og højstrømsanvendelser på grund af dets lette, lave omkostninger og høje ledningsevne. Dens svejsbarhed adskiller sig dog væsentligt fra kobber.

Svejseegenskaber:

Udfordringen ligger i oxidlaget: En hård og isolerende Al₂O₃-oxidfilm dannes øjeblikkeligt på aluminiumsoverfladen med et smeltepunkt (ca. 2050℃) meget højere end aluminiumsubstratet (660℃). Den 'skrabende' effekt af ultralydssvejsning er nøglen til at bryde denne film.

Lav hårdhed: Aluminium er relativt blødt og kræver præcis kontrol af tryk og amplitude for at forhindre oversvejsning, der kan føre til knusning eller metalsprøjt.

Rumtemperaturkrybning: Aluminiumsloddesamlinger kan krybe under langvarig belastning, hvilket påvirker langsigtet pålidelighed. Dette skal overvejes i formdesign og trykindstillinger.

Vigtige procesovervejelser:

Amplitudekontrol er afgørende: For lav en amplitude vil ikke effektivt fjerne oxidlaget; for høj amplitude kan let føre til oversvejsning og skøre samlinger.

Præcis tryk er påkrævet: Utilstrækkeligt tryk vil resultere i ufuldstændig lodning; for højt tryk vil bryde tynde ledninger eller få loddesamlinger til at blive for tynde.

Overfladerenhed: Ekstremt høje krav. Olie, fugt og tykke oxidlag vil i alvorlig grad påvirke loddekvaliteten og konsistensen. Tørhed og renhed er generelt påkrævet før lodning.

Skimmeltænder: Skarpere eller mere specialiserede tænder bruges typisk til bedre greb og bryde oxidlaget.

Typiske applikationer:

Strømbatterier (kerneanvendelse): Tilslutning af aluminiumsfaner til aluminiumsskinner i lithiumjernfosfat- eller ternære lithiumbatterier. Dette er i øjeblikket det vigtigste anvendelsesområde.

Aluminum ledningsnet til biler: For at reducere vægten begynder nogle ledningsnet til biler at bruge aluminiumsledere, og deres terminalforbindelser er ofte ultralydssvejsede.

Solcelleanlæg: Svejsning af alu skinner til solceller. Elektroniske produkter: Såsom lodning af aluminiumsfolieledninger til kondensatorer.

III. Ultralyds lodning af nikkeltråd

Nikkel bruges typisk ikke som hovedkredsløbets ledningsnet, men snarere som batteritapper, ledninger eller pletteringsmaterialer.

Lodningsegenskaber:

Et af de sværeste materialer at lodde: Nikkel har høj hårdhed, høj styrke og god sejhed, og dets oxidlag (NiO) er også meget stabilt.

Høj energi påkrævet: Lodning af nikkel kræver meget højere amplitude og tryk (eller længere loddetid) end kobber og aluminium.

Skøre loddesamlinger: Ukorrekte parametre kan let føre til sprøde brud på loddeforbindelsesgrænsefladen snarere end ideel duktilt rivning.

Hurtig slid: Den høje hårdhed af nikkel fremskynder sliddet på loddehovedet og den nedre matrice.

Vigtige procesovervejelser:

Høj amplitude, højt tryk: Der skal tilføres tilstrækkelig energi til at overvinde styrken af ​​nikkel og nedbryde dets oxidlag.

Energistyringstilstand: Brug af en 'energitilstand' frem for en 'tidstilstand' sikrer en bedre loddekonsistens, da små forskelle i materialets begyndelsestilstand kan have en væsentlig indflydelse på resultatet.

Strengt parametervindue: 'procesvinduet' for svejseparametre er smalt, hvilket kræver præcis justering og streng kontrol.

Højkvalitetsstøbeforme: Højstyrke, slidbestandige materialer (såsom højkvalitets støbestål) er påkrævet til fremstilling af svejsehovedet og den nederste støbeform.

Typiske applikationer:

Batterifremstilling: Svejsning af nikkelflige eller nikkelbelagte stålstrimler til ledninger i visse typer batterier (såsom nikkel-metalhydrid-batterier og nogle lithium-polymerbatterier).

Korrosionsbestandige forbindelser: Nikkelstrimler eller nikkelbelagte ledningsnet bruges til forbindelser i applikationer, der kræver korrosionsbestandighed.

Som plettering: Mange kobber- eller aluminiumsterminaler kan stadig ultralydssvejses efter nikkelplettering, men parametrene skal re-optimeres.

IV. Svejsning af uens materialer

En væsentlig fordel ved ultralydssvejsning er dens evne til at svejse uens metaller, hvilket er særligt almindeligt i batterifremstilling.

Kobber-aluminium svejsning:

Vigtigt: I strømbatterier er den negative elektrode kobber, og den positive elektrode er aluminium, hvilket kræver, at kobberskinne og aluminiumsskinne skal forbindes sammen.

Udfordringer: Kobber og aluminium har vidt forskellige fysiske egenskaber (smeltepunkt, hårdhed, termisk ledningsevne) og danner let skøre intermetalliske forbindelser (IMC'er), såsom CuAl₂, ved grænsefladen. Disse forbindelser har en alvorlig indvirkning på fugens ydeevne og langsigtede pålidelighed ved konventionel smeltesvejsning.

Fordele ved ultralydssvejsning: Lavtemperaturprocessen undertrykker effektivt dannelsen af ​​store mængder IMC'er, hvilket resulterer i en stabil samling med lav modstand og høj styrke.

Procesovervejelser: Parameterindstillinger falder typisk mellem dem for svejsning af rent kobber og rent aluminium, hvilket kræver at finde en optimal balance. Generelt giver det bedre resultater at placere det hårdere materiale (kobber) på den øverste matriceside, ved at bruge dets vibration til at påvirke det blødere materiale (aluminium).

Nikkel-aluminium og nikkel-kobber svejsning: På samme måde udnyttes lavtemperaturfordelen ved ultralydssvejsning til at undgå dannelsen af ​​sprøde faser.

Materiale kombination	Henstilling	Nøgle proces fokus
Kobber-kobber	★★★★★	Optimer amplitude og tryk for at opnå høj styrke og lav modstand.
Aluminium-aluminium	★★★★☆	Præcis parameterkontrol sikrer effektiv fjernelse af oxidlaget og undgår samtidig overlodning.
Nikkel-Nikkel	★★☆☆☆	Højt energiinput, streng kontrol af procesvinduet og opmærksomhed på skimmelslid.
Kobber-aluminium	★★★★★	Ved at udnytte den faste fase til at undertrykke intermetalliske forbindelser er parameterbalance nøglen.
Kobber-nikkel	★★★☆☆	Parametrene er forspændt mod svejsning af kobber for at sikre, at der tilføres tilstrækkelig energi til nikkel.
Aluminium-nikkel	★★★☆☆	Parametrene er forspændte mod svejsning af nikkel; Der skal udvises forsigtighed for at forhindre oversvejsning på aluminiumssiden.