汽車線束的傳統超聲波焊接應用

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。根據應用的不同，投資將根據連接設計、焊接材料、幾何形狀、尺寸和尺寸、環境影響以及給定產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，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，但低于激光焊接設備。那么，為什么這項技術主導了線束制造，并成為電動汽車、混合動力汽車電池和配電系統的必需品呢？有色金屬超聲波焊接幾十年來一直是一項經過驗證的技術。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占據主導地位，汽車線束制造商是該技術的最大用戶（圖 1）。由于其效率和無與倫比的質量，超聲波焊接幾乎一出現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用在過去十年中出現了更加快速的增長。

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。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。但是線束行業行業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用。一般來說，超聲波焊接對于鍍錫零件或鋼等硬質材料不可行。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，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，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生的機械應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、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。有些從壓接轉向超聲波焊接，有些在轉向超聲波焊接之前使用電阻焊。超聲波焊接設備比其他連接方法具有優勢，這些優勢至今仍然存在。

縱觀過去 30 年焊接技術的發展，質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）中的大多數功能都適用于其他金屬焊接應用，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，但質量是最優先考慮的。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%

·額外的基礎設施，例如水冷卻、通風和額外的電力安裝

·設備所需占地面積

·隨著時間的推移而變化

·每個應用程序的設置時間

·模具壽命及其對質量的影響（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

·環保工藝

·一致的焊接質量、機械和電氣性能

·快速的循環時間

·人機界面友好

·無煙霧或鉛等化學物質，確保操作員安全

·過程

超聲波焊接方法有金屬和塑料兩種。線性焊接是設備制造商更常用的技術，也是電線拼接的標準（圖 3）。扭轉焊接技術可用于線性焊接的大多數常見應用。然而，由于其獨特的功能，它在應用的幾何形狀和溫和的工藝方面具有一定的優勢，從而在市場上獲得更廣泛的應用。事實上，有該技術有時被發現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）。扭轉超聲波焊接被證明是更優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

當前超聲波焊接電動汽車應用示例

圖 5 – 汽車超聲波焊接應用示例

工作原理：

電線堆疊在振動/振蕩工具（超聲波發生器）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。隨著振蕩的發生，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）。其結果是形成具有細晶結構的連續焊縫，類似于冷加工金屬的結構。整個過程非常快，焊接通常在不到一秒的時間內完成。

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域中的線束變脆的線材硬化。這是相對于電阻焊的眾多優點之一，電阻焊經常熔化材料以形成熔核。