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焊接案例:锂电池超声波焊接头

浏览:247 发表时间:2020-02-26 00:00:00 来源: 大为工业科技



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    2019年07月,大为工业接到东莞一家超声波焊接机厂家的焊接订单,焊接产品是超声波焊接头。客户想达到的效果是:

1、在已经磨损的焊接头前端工作区焊接上钨钢片,然后再重新对钨钢片进行磨齿,从而实现焊接头的二次回收利用,以节省焊接头的采购成本;

2、钨钢片焊接牢固,工作时不脱落;

3、重新焊接的超声波焊接头工作寿命接近原一体式焊接头的寿命。

以下为客户提供的焊接头的实物图:


图1  焊接头实物图



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    针对客户的需求,我们提出的方案是:焊接头前端两侧各磨掉5mm,然后在磨削面焊接上厚度为5.5mm的钨钢片,最后对钨钢片进行磨齿,焊接头整体进行频率修正。焊接效果图如下:

图2  焊接效果图



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    借鉴之前高速钢+钨钢的焊接经验,我们对钨钢片进行选型,并选择合适的焊接工艺参数,焊接流程如下:

1、来料检验

测量焊接头的关键尺寸,以决定钨钢片的尺寸,钨钢片长宽高各预留0.5mm余量,用于后续加工,钨钢片的尺寸为16.5mm*13.5mm*5.5mm。

2、材料加工

钨钢片加工到要求的尺寸,并且,表面粗糙度需达到Ra1.6以上,焊接面平行度需达到0.05mm;磨掉焊接头前端工作面原有的齿形,保证两侧磨削面相互平行。

图3 钨钢片实物图

图4  加工后的焊接头

图5 焊接头与钨钢片组合

3、焊接

将钨钢片置于焊接头磨削面,并采用大为工业特有的原子扩散焊工艺,将钨钢片牢固地焊接在焊接头上。大为工业特有的原子扩散焊技术,相比于普通的扩散焊,有着以下优点:

(1)焊接效率高:焊接时间约30秒,生产效率极高;

(2)焊接强度高:焊接强度最高可以达到母材强度的80%;

(3)环保:整个焊接过程零排放,对环境无污染;

(4)对母体性能影响小:整个焊接过程仅对局部加热,对母体性能及组织结构影响小。

图6  焊接后效果图

4、满焊率测试

通过显微镜及超声波探伤仪,对焊接处进行检测,主要检验焊接处是否有裂缝、满焊率是否达到要求,从而初步判断焊接头的焊接强度,测试结果如下:

图7  测试结果

从上图可以看出,焊接面结合良好,未出现裂缝,满焊率满足要求(缺陷波幅均小于10%),初步判断,焊接强度满足要求(由于客户的要求,该产品无法进行破坏性测试)。


5、高低温冲击测试

将焊接好的超声波焊接头置于高低温冲击箱中,进行高低温冲击试验,主要是验证产品在高低温冲击后,是否脱落、是否产生裂纹、是否影响内应力及是否影响产品强度等,可判断产品的品质。

图8  高低温试验箱

试验程序如下图所示:

图9  高低温冲击试验程序

其中,(1高温TA+80;(2)低温TB:-40;(3)转换时间t2:≤3min;(4)暴露持续时间t1:30min;(5)循环次数:5次。

高低温冲击程序结束后,观察焊接头,发现焊接头尺寸没有发生变化,未出现裂缝、脱落等不良现象,测试通过。

6、驱动测试

驱动测试,就是将焊接头安装在超声波换能器上,使用超声波驱动器进行驱动,测试其超声特性以及振动情况。首先,使用阻抗分析仪测试超声波换能器的频率及阻抗,判断其工作频率是否要求、内部阻抗是否足够小,然后,使用超声波驱动器测试其空载功率以及振动情况,即测量超声波换能器的损耗功率,观察其振动情况、是否发热异常。

图10  阻抗分析仪测试效果

图11  驱动测试现场


测试数据如下:

表1 换能器的性能参数

编号

空载功率/W

阻抗/Ω

频率/kHz

是否脱落

1

270

34.56

19.51

不脱落

2

210

57.79

19.692

不脱落

3

344

44.1

19.692

不脱落

从上表可以看出:

(1)超声波焊接头的谐振频率略低于20kHz,还需进一步修频,使得超声波焊接头频率接近20kHz;

(2)超声波焊接头阻抗不大,一体式的焊接头阻抗小于50Ω就属于正常焊接后的超声波焊接头空载功率及阻抗会略高于一体式焊接头,主要是由于焊接面的存在及钨钢片较高的高声学阻抗,导致焊接后的超声波焊接头空载功率以及阻抗偏高);

(3)长时间振动测试后,钨钢片均不脱落,强度合格

从以上的测试可以看出,大为工业焊接的超声波焊接头,强度高,强度达到客户的要求,帮客户解决了问题。





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