在決定金屬連接方法時需要考慮許多因素，包括有形和無形特征。根據(jù)應(yīng)用的不同，投資將根據(jù)連接設(shè)計、焊接材料、幾何形狀、尺寸和尺寸、環(huán)境影響以及給定產(chǎn)品所需的機械和電氣完整性而有所不同。在一篇文章中我們不可能介紹所有的連接方式，因此我們將重點介紹汽車線束行業(yè)，以闡明壓接、錫焊、超聲波焊接、激光焊和電阻焊的差異。

在某些情況下，超聲波焊接好像是唯一的解決方案，或者可能根本不可行。然而，無論在選擇連接方法時考慮多少變量，超聲波焊接似乎都比所有其他可行的工藝提供更好的長期回報。

超聲波金屬焊接設(shè)備的初始投資相對于其他焊接工藝（例如電阻焊、壓接以及機械連接）較高，但低于激光焊接設(shè)備。那么，為什么這項技術(shù)主導了線束制造，并成為電動汽車、混合動力汽車電池和配電系統(tǒng)的必需品呢？有色金屬超聲波焊接幾十年來一直是一項經(jīng)過驗證的技術(shù)。然而，自 20 世紀 80 年代初以來，超聲波金屬焊接一直在汽車行業(yè)占據(jù)主導地位，汽車線束制造商是該技術(shù)的最大用戶（圖 1）。由于其效率和無與倫比的質(zhì)量，超聲波焊接幾乎一出現(xiàn)就取代了所有汽車品牌的機械壓接和電阻焊。由于電動汽車 (EV) 的增加，超聲波焊接在汽車線束中的應(yīng)用在過去十年中出現(xiàn)了更加快速的增長。

平均一輛車的一套線束包含 180 個超聲波焊接接頭，并且該數(shù)字隨著車型年份的增加而增加。OEMs正在為汽車添加更多的電子功能，這需要更多的接頭。接頭和電線端子共同構(gòu)成了一條又長又復雜的重型線束，用于控制整個車輛的整個電氣系統(tǒng)。由于電線加工固有的勞動強度，電線拼接一直是線束制造的主要焦點。但是線束行業(yè)行業(yè)仍然采用壓接或電阻焊來進行小電線壓接或錫線拼接等應(yīng)用。一般來說，超聲波焊接對于鍍錫零件或鋼等硬質(zhì)材料不可行。這就是電阻焊或激光焊選項變得可行的地方。但是，對于最近很火的鋁材質(zhì)，并且將鋁焊接到另一種有色金屬時，超聲波焊接是最終選擇。由于其冷熔焊接性質(zhì)，鋁可以牢固地焊接而不會熔化或受到熱量的顯著影響。超聲波焊接的優(yōu)點適用于鋁、銅和鎂等導熱材料，而這些材料用電阻焊機和激光焊接起來可能很麻煩。超聲波對于連接薄材料和厚材料也非常有用。

如果要求將熱對材料性能的干擾降至最低，超聲波通常是最佳的焊接工藝

電線拼接是評估當今線束制造中一些連接工藝的絕佳示例。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OEMs只是使用夾子將電線壓接到接頭中。有些還浸入焊錫槽中以確保電氣完整性。其缺點是需要添加材料（許多不同尺寸的夾子）、專用壓力機所需的空間、焊接技能的要求以及由于夾子和焊料產(chǎn)生的機械應(yīng)力和熱量對線束的影響。

因此，從電阻焊開始，然后是超聲波焊接開始，電線的焊接變得非常需要。超聲波金屬焊接的冷熔性質(zhì)、其在焊接前消除氧化的能力、異種金屬的連接、極低的能耗以及使用一臺機器和相同的通用工具焊接各種接頭尺寸的能力，是使超聲波金屬絲接頭成為全球可接受的工藝的令人信服的因素。線束制造商花了幾年時間才熟悉該流程并采用該技術(shù)。有些從壓接轉(zhuǎn)向超聲波焊接，有些在轉(zhuǎn)向超聲波焊接之前使用電阻焊。超聲波焊接設(shè)備比其他連接方法具有優(yōu)勢，這些優(yōu)勢至今仍然存在。

縱觀過去 30 年焊接技術(shù)的發(fā)展，質(zhì)量和可靠性始終是最終的決定因素。投資回報很容易證明是合理的——超聲波焊接接頭可以延長車輛的使用壽命。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，例如電線到端子、端子到端子和母線。

表 1 顯示了每種工藝的優(yōu)點以及直接和間接的運營成本。在許多情況下，一種連接方法顯然可能是更好的選擇，甚至是唯一的選擇。在多個連接選項之間做出決定時，請考慮下表中的功能。

每個接頭的操作/維護成本必須同時進行驗證，但質(zhì)量是最優(yōu)先考慮的。以下是選擇連接方法時需要考慮的一些因素：

·初始投資及數(shù)量

·輸出率

·耗材

·耗電量——超聲波焊接需要電阻焊的5%

·額外的基礎(chǔ)設(shè)施，例如水冷卻、通風和額外的電力安裝

·設(shè)備所需占地面積

·隨著時間的推移而變化

·每個應(yīng)用程序的設(shè)置時間

·模具壽命及其對質(zhì)量的影響（圖2）

圖 2 – 用于超聲波焊絲熔接的工具（通常超過 200000 個焊縫）

超聲波金屬焊接的優(yōu)點

·低溫工藝不影響材料性能

·適用于多種有色金屬材料的純冶金結(jié)合劑

·具有焊接異種材料的能力

·沒有接頭夾或焊料等消耗材料

·環(huán)保工藝

·一致的焊接質(zhì)量、機械和電氣性能

·快速的循環(huán)時間

·人機界面友好

·無煙霧或鉛等化學物質(zhì)，確保操作員安全

·過程

超聲波焊接方法有金屬和塑料兩種。線性焊接是設(shè)備制造商更常用的技術(shù)，也是電線拼接的標準（圖 3）。扭轉(zhuǎn)焊接技術(shù)可用于線性焊接的大多數(shù)常見應(yīng)用。然而，由于其獨特的功能，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，從而在市場上獲得更廣泛的應(yīng)用。事實上，有該技術(shù)有時被發(fā)現(xiàn)是電動汽車電池制造商和高壓電纜焊接的唯一解決方案（圖 4）。扭轉(zhuǎn)超聲波焊接被證明是更優(yōu)越的方法的其他示例包括母線、3D 端子和集成柵極雙極晶體管 (IGBT)。

超聲波焊接技術(shù)

當前超聲波焊接電動汽車應(yīng)用示例

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/振蕩工具（超聲波發(fā)生器）和砧塊之間。在通過砧施加靜力之前，它們被限制在預定的空間內(nèi)。隨著振蕩的發(fā)生，金屬表面升溫并塑化，并且股絲通過分子水平的相互混合而粘合在一起（圖 6）。其結(jié)果是形成具有細晶結(jié)構(gòu)的連續(xù)焊縫，類似于冷加工金屬的結(jié)構(gòu)。整個過程非常快，焊接通常在不到一秒的時間內(nèi)完成。

當今使用的最常見的熔接機在 20KHz 頻率的機械振動下運行。力下的振動會驅(qū)散所有污染物并開始冷摩擦焊接，直至焊接完成。由于焊接界面的摩擦力，焊接材料的溫升小于30%。因此，不存在使焊縫過渡區(qū)域中的線束變脆的線材硬化。這是相對于電阻焊的眾多優(yōu)點之一，電阻焊經(jīng)常熔化材料以形成熔核。

圖 6 – 金屬超聲波線性焊接的振動和運動

基本焊接參數(shù)和變量

實踐證明，超聲波焊絲焊接具有高質(zhì)量和安全性。由于可以針對每種應(yīng)用調(diào)整和監(jiān)控焊接參數(shù)，因此現(xiàn)在可以在工業(yè) 4.0 環(huán)境中實現(xiàn)。

焊接參數(shù)：

除了始終預先確定的焊接工具和尺寸的條件外，還需要設(shè)置四個焊接參數(shù)。這些參數(shù)通常由機器控制器給出的默認值建立，以開始焊接質(zhì)量的鑒定。

·焊縫寬度：由機器設(shè)置

·焊接能量：完成焊接所需的固定瓦秒數(shù)

·振幅：可調(diào)節(jié)至超聲波發(fā)生器 100% 能力的振蕩

·力-壓力設(shè)置：設(shè)置焊接力

質(zhì)量變量：

為了在使用固定能量焊接時控制過程以獲得最佳質(zhì)量，需要測量以下變量并將其與機器或用戶確定的允許上限和下限進行比較。

·焊接時間（焊接持續(xù)時間）

·超聲波啟動前的壓實高度

·最終焊縫高度

·消耗功率

穩(wěn)定的生產(chǎn)和數(shù)據(jù)完整性

超聲波金屬焊接對于線束組件的各個方面來說都是至關(guān)重要的工藝，因為它能夠提供可靠的粘合以滿足所有低和高載流特性。因此，各個公司制定了某些標準和規(guī)范。用于超聲波電線接合和端接的 USCAR 45 和 38 是一些示例，以及可應(yīng)用于市場上大多數(shù)工業(yè)產(chǎn)品的其他規(guī)格。

在當今電動汽車電池和高壓連接系統(tǒng)的快速發(fā)展中，需要快速響應(yīng)并提供可靠的連接解決方案。產(chǎn)品工程師必須在設(shè)計和開發(fā)階段選擇連接技術(shù)。這需要焊接解決方案提供商和產(chǎn)品設(shè)計師之間進行溝通，以加快流程，并為原型設(shè)計和初始產(chǎn)品測試準備好所有工具。

隨著超聲波焊接知識的增長，越來越多的應(yīng)用程序被設(shè)計來配合其當前的功能。

編輯：‘黃飛’

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