探索電動車電池電纜超聲金屬焊接技術(shù)

相較于汽油或柴油車可以迅速加油，電動車（EV）的電池充電時間較長，這是廣泛接受的一個主要障礙。為了克服這個問題，汽車制造商（OEMs）試圖推出更快速的充電系統(tǒng)，其峰值充電功率達(dá)到250千瓦或更高。雖然這些充電系統(tǒng)只需要大約20分鐘就能為車輛提供足夠的電量，行駛大約160英里的里程（具體取決于車輛型號），但它們也帶來了各種問題。

為了提高充電速度和容量，EV電池需要更高容量的線束和更厚的電源電纜。如今，典型的EV電池和充電站使用的銅電纜直徑最大可達(dá)95平方毫米，但為了滿足更快充電速度的需求，這些電纜很快可能會超過120平方毫米。實(shí)際上，直到最近，制造商一直在焊接60平方毫米、90平方毫米或120平方毫米電纜時遇到問題。這些問題是由于焊接更厚的充電電纜所需的增加的功率和振幅要求引起的。

焊接過程中電纜股的彎曲和拉伸增加，通常會導(dǎo)致股的疲勞程度增加，增加了故障風(fēng)險。

需要更大的焊接力產(chǎn)生了焊接區(qū)域的過多摩擦和熱量，不僅會擴(kuò)散到非焊接區(qū)域，還表現(xiàn)出產(chǎn)生焊接所需的電力的低效和浪費(fèi)。

電纜直徑的增加導(dǎo)致了工具失去了對電纜股的抓緊力，使電纜股能夠在工具表面滑動，而不是抓緊并保持其在原位。這導(dǎo)致了工具磨損加快，更頻繁地更換工具，能源消耗增加，并給焊接設(shè)備帶來不必要的壓力。

這些問題對于一直經(jīng)歷快速增長需求的行業(yè)來說是巨大的挑戰(zhàn)，他們需要更快、更高效的電動汽車充電系統(tǒng)。艾默生的工程師們研究了這個問題，并發(fā)現(xiàn)焊接更厚電纜所需的增加焊接力將典型超聲波焊接機(jī)上使用的懸臂式執(zhí)行臂推到了其機(jī)械極限。這導(dǎo)致了振動、夾緊穩(wěn)定性下降和效率降低。當(dāng)前的超聲波焊接技術(shù)需要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

為了解決這個問題，艾默生的工程師們開發(fā)了一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，包含在"直壓"超聲波焊接機(jī)。

GMX-20-DP焊接機(jī)采用了一種新型的垂直執(zhí)行器運(yùn)動，能夠施加比使用懸臂式執(zhí)行臂更大的夾緊力（高達(dá)6100N）。新型垂直執(zhí)行器提供了更可控的運(yùn)動和增加的向下壓力，消除了懸臂式執(zhí)行臂引起的壓力和振動。

此外，艾默生的工程師們通過兩種重要方式重新設(shè)計(jì)了GMX-20-DP超聲波焊接機(jī)上的工具。喇叭和砧都采用了專用涂層，增加了它們的硬度和耐用性，并且每個組件的焊接表面都加入了花紋，顯著提高了每個組件的夾持力。結(jié)果是比懸臂式工具更一致、更可重復(fù)的焊接大電纜。

GMX-20-DP的增加向下壓力，再加上喇叭和砧的夾持表面的重新設(shè)計(jì)，消除了懸臂式執(zhí)行臂引起的滑動。在提供更高效的焊接能量的同時，零件被牢固地保持 —— 所有這些都導(dǎo)致了成功焊接20、30、50、60、70和95平方毫米的電纜截面以及其他大件所需的穩(wěn)定性。新技術(shù)還提供了一種更溫和、更高質(zhì)量、低應(yīng)力的電纜焊接，通常比以前用于焊接EV電池電纜的超聲波技術(shù)低30%到40%的振幅。

新工具設(shè)計(jì)，再加上直壓焊接機(jī)的垂直焊接運(yùn)動，還消除了懸臂式執(zhí)行器引起的快速工具磨損。工具磨損的減少不僅確保了更一致的工具性能，而且顯著增加了更換工具的間隔。

總的來說，GMX-20-DP焊接機(jī)在大型電纜金屬焊接方面取得的顯著改進(jìn)，是由于獨(dú)特的工具設(shè)計(jì)、增強(qiáng)的直壓向下壓力以及比以前的懸臂式執(zhí)行器技術(shù)更可控的焊接過程的獨(dú)特組合。

超聲波焊接是通過將高頻振動施加到兩個金屬組件之間，這兩個組件被緊緊夾持在上部超聲波探針（或喇叭）和下部砧之間來創(chuàng)建的（見圖）。其中一個組件部件放置在下部固定砧上，并由工具表面的花紋固定在那里。焊接機(jī)的執(zhí)行器將喇叭下降以在指定的壓力下將金屬組件緊密地連接在一起。然后施加振動，當(dāng)喇叭水平振動穿過固定砧時進(jìn)行焊接，首先"擦拭"掉表面氧化物和其他潛在污染物。振蕩繼續(xù)進(jìn)行，產(chǎn)生的熱量將清潔的結(jié)合表面連接起來。

圖. 超聲波金屬焊接工藝示意圖

振蕩產(chǎn)生的熱量通常約為所使用材料的熔點(diǎn)的三分之一到一半。這使得在不融化、燒穿薄膜或產(chǎn)生不需要的金屬間化合物的情況下將材料連接成強(qiáng)固的鍵成為可能，這些化合物可能會降低組件部件之間的結(jié)合質(zhì)量。與熔化材料表面不同，超聲波焊接是通過破壞表面的凸起部分，并在振動停止時結(jié)晶成細(xì)粒結(jié)構(gòu)的原子擴(kuò)散形成連續(xù)的焊接結(jié)合。這個過程在一小部分秒的焊接周期內(nèi)發(fā)生，產(chǎn)生的結(jié)合具有類似于冷加工金屬的結(jié)構(gòu)。

超聲波焊接機(jī)還具有獨(dú)特的通用性，它們可以以足夠溫和的方式操作，以加入多層薄而脆弱的金屬箔，或者使用不同的參數(shù)，可以足夠強(qiáng)大地將大型金屬部件和導(dǎo)體之間產(chǎn)生強(qiáng)大的鍵合。

超聲波金屬焊接和接合：工藝優(yōu)勢

適用于多種類型的非鐵金屬，從薄膜到大導(dǎo)體

在不同金屬之間創(chuàng)建永久的冶金結(jié)合

無需熔化 —— 不會改變材料的化學(xué)性質(zhì)或冶金學(xué)特性

非常適合連接高導(dǎo)電合金：材料的反應(yīng)性無關(guān)緊要

不會產(chǎn)生金屬間化合物、顆粒物或?qū)е赂g的反應(yīng)

連接具有最大的傳導(dǎo)性，最小的電阻

多種控制方法使工藝定制化、可重復(fù)性和統(tǒng)計(jì)過程控制

低能耗（比熔合或電阻焊接低30倍能耗），無需消耗品

任何焊接技術(shù)中的每次焊接的總成本最低

審核編輯：黃飛

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