如何評價(jià)特斯拉電池鋁絲鋁帶超聲波焊接質(zhì)量

        美國特斯拉電動汽車從2008年進(jìn)入市場并得到認(rèn)可已經(jīng)10年了，該車引進(jìn)國內(nèi)后，大家對特斯拉汽車電池的結(jié)構(gòu)和電連接方式進(jìn)行了深入的拆解研究，發(fā)現(xiàn)特斯拉汽車的電池包是由7000多只當(dāng)時具有最優(yōu)性價(jià)比的18650電芯組成，用超聲波鋁絲焊接工藝進(jìn)行電連接，把這些電芯通過串并聯(lián)的方式成組為可以驅(qū)動特斯拉汽車長距離行駛的動力電池包，超聲波鋁絲焊接電連接工藝的特點(diǎn)是焊接效率高，沒有高溫，回收維修容易，成本低，適當(dāng)粗細(xì)的鋁絲還可以在大電流短路時熔斷電路以保護(hù)電池包，阻止或延緩熱失控而造成的起火。特斯拉專利開放后，這些獨(dú)特的優(yōu)良特性吸引了國內(nèi)各相關(guān)廠家進(jìn)行了仿制研發(fā)，成立于2005年的深圳市微迅超聲設(shè)備有限公司作為國內(nèi)最早涉足半導(dǎo)體內(nèi)引線超聲波焊接的廠家，參與了從手工仿制到將特斯拉鋁絲焊接工藝應(yīng)用到國內(nèi)電池模組全自動生產(chǎn)線的整個過程，在這五年的研發(fā)生產(chǎn)過程中，總結(jié)了這種焊接工藝在電池焊接中遇到的一些問題，形成了這種焊接工藝的質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在這里和國內(nèi)同行們進(jìn)行分享探討，以促進(jìn)我國電池行業(yè)的進(jìn)步。

        超聲波金屬焊接的原理為：來自超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波電信號經(jīng)換能器產(chǎn)生超聲波振動，通過變幅桿將超聲波振動傳送到焊接劈刀，當(dāng)劈刀與引線和被焊件接觸時，在壓力和振動的作用下引線與被焊件金屬表面相互摩擦，金屬表面氧化膜被破壞并發(fā)生塑性變形，使兩個純凈的金屬面緊密接觸互溶，達(dá)到原子距離的結(jié)合，最終形成牢固的機(jī)械連接和優(yōu)良的電連接。在半導(dǎo)體行業(yè)由于生產(chǎn)為凈化環(huán)境，被焊件金屬表面沒有被油、水和指紋等有機(jī)物或氧化物污染，只要機(jī)器性能穩(wěn)定，就能生產(chǎn)出漂亮一致的焊點(diǎn)，當(dāng)反撕揭掉或推掉焊點(diǎn)上的引線時，引線與被焊件之間的連接面會留下不小于百分之五十面積的引線殘留物，這些殘留物是證明引線和被焊件之間是否產(chǎn)生了原子距離的結(jié)合互溶的直接證據(jù)，引線殘留物占的面積百分比越高，焊接質(zhì)量越好；如連接面沒有引線殘留物，則引線與被焊件之間沒有產(chǎn)生互溶，只是處于搭接導(dǎo)通的狀態(tài)，有時接觸電阻盡管很小達(dá)到要求，在以后的使用中也會產(chǎn)生變化發(fā)熱或脫落。這是超聲波焊接是否為優(yōu)良狀態(tài)的基礎(chǔ)證據(jù)和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，也是抽檢必須的破壞性檢查步驟。

        作為一根電連接線，首先要保證的是引線和被焊件的電連接特性優(yōu)良，及接觸電阻要小，通過電流大小要符合要求，接觸面的發(fā)熱小，在長時間的使用環(huán)境下連接特性不發(fā)生改變。我們目前的金屬電連接狀態(tài)可以分為三類，第一類是表面接觸類導(dǎo)電連接，如螺絲壓緊、電線絞接，靠金屬表面的相互壓力來形成電導(dǎo)通，這種方式的缺點(diǎn)是連接表面易受環(huán)境影響，如氧化，壓接力變化后接觸電阻會改變增大，在過電流時會發(fā)熱或產(chǎn)生火花。第二類是引線和被焊件完全互熔連接，如激光焊接，過電流和電阻只需考慮引線的電流截面積，導(dǎo)電特性好。缺點(diǎn)是焊接時的溫度高，引線有熱應(yīng)力易斷，激光功率不好控制容易燒穿被焊件。第三類為同時具有第一類和第二類兩種特性的連接，及接觸面有一部分面積為接觸導(dǎo)電，另一部分面積則為互溶導(dǎo)電連接，如電阻焊和超聲波焊接，它們都較難實(shí)現(xiàn)連接面的全互溶連接，連接面接觸導(dǎo)電的面積越大，連接特性就越接近第一類?；ト軐?dǎo)電的面積越大，連接特性就越接近第二類。這也就是為什么超聲波焊接連接面的互溶殘留物越多導(dǎo)電特性越好的原因。電阻焊由于是靠大電流放電產(chǎn)生高溫熔化金屬產(chǎn)生互溶連接，在缺點(diǎn)上就具有第二類連接的缺點(diǎn)。超聲波焊接盡管有不產(chǎn)生高溫的優(yōu)點(diǎn)，但由于該焊接是靠潔凈的金屬表面分子互相滲透產(chǎn)生的互溶連接，對連接面的潔凈度要求特別高，這也是超聲波焊接容易產(chǎn)生不良的原因之一。

        引線焊點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度可以用于間接判斷焊接質(zhì)量的方法，好的焊點(diǎn)一定有好的機(jī)械強(qiáng)度！常用的是拉力法和推力法。

        拉力法就是用拉力計(jì)勾拉引線，檢查引線焊點(diǎn)在什么拉力時脫落，達(dá)到設(shè)定的拉力而焊點(diǎn)不脫落可間接判斷焊接是否合格。但在超聲波鋁絲焊接的大量實(shí)際生產(chǎn)檢測統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，在拉力檢測時即使用到引線的破斷力來拉斷引線，焊點(diǎn)也沒有脫落的情況下，焊點(diǎn)的接觸電阻依然偏大，揭開焊點(diǎn)分析發(fā)現(xiàn)互溶導(dǎo)電面積很小甚至沒有，即沒有殘留物，為第一類接觸式導(dǎo)電，而焊點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度則由引線和被焊件表面的微鑲嵌或有機(jī)物粘接產(chǎn)生，機(jī)械強(qiáng)度同樣可以達(dá)到拉斷引線而焊點(diǎn)不脫落的強(qiáng)度！而在無損拉力檢測時，拉力的設(shè)定一般為破斷力的30%至60%，太大則會損傷引線，由此看出用拉力檢測方法是沒有辦法全部檢測出不良的，只能檢測出一部分非常差的焊點(diǎn)，是判斷焊點(diǎn)質(zhì)量好壞的必要條件而不是充分條件！合格的焊點(diǎn)肯定應(yīng)該達(dá)到引線拉斷而焊點(diǎn)留下！即使拉力檢測合格，也不能肯定焊點(diǎn)的電連接特性一定優(yōu)良！

        推力法則是用推力計(jì)推焊點(diǎn)，測試焊點(diǎn)的剪切推力，以達(dá)到一定的推力而焊點(diǎn)不脫落來檢測焊點(diǎn)的質(zhì)量。在實(shí)際生產(chǎn)測試中比較，發(fā)現(xiàn)推力法比拉力法檢測能更多一些的發(fā)現(xiàn)不良，但檢測方法復(fù)雜一些，方法不對的話容易損傷焊點(diǎn)。推力法與拉力法一樣，只能當(dāng)作判斷焊點(diǎn)質(zhì)量好壞的必要條件而不是充分條件！

        目視法顧名思義就是觀察焊點(diǎn)的外觀。好的焊接質(zhì)量一定是由穩(wěn)定可靠一致的焊接設(shè)備焊接出來的，表現(xiàn)在焊點(diǎn)上就是焊點(diǎn)的外觀漂亮一致，引線的通電截面積沒有減少，焊點(diǎn)起弧處線頸引線沒有切損和應(yīng)力集中點(diǎn)，引線強(qiáng)度不受損。如果焊點(diǎn)忽大忽小，很爛，想達(dá)到一個穩(wěn)定優(yōu)良的焊接質(zhì)量是不可能的！焊點(diǎn)的外觀變化如果排除焊接環(huán)境的因素就只有焊接機(jī)器設(shè)備的輸出不穩(wěn)定或適應(yīng)性不夠造成的，精度穩(wěn)定一致的焊點(diǎn)外觀也是優(yōu)良焊接的基礎(chǔ)！但這也是判斷焊點(diǎn)質(zhì)量好壞的必要條件而不是充分條件！當(dāng)焊接件表面有污染時如果機(jī)器性能穩(wěn)定，也可以焊接出穩(wěn)定一致的焊點(diǎn)，這可以用來證明機(jī)器的穩(wěn)定性，但也不能證明焊點(diǎn)的電連接特性優(yōu)良。當(dāng)焊點(diǎn)很爛很扁時，由于焊點(diǎn)起弧處線頸引線有切損和應(yīng)力集中，造成引線強(qiáng)度下降，在振動測試和未來使用中很容易斷線！這種狀況的焊點(diǎn)做拉力測試很容易產(chǎn)生拉斷引線而焊點(diǎn)留下的情況，形成焊點(diǎn)很牢固的假象，這點(diǎn)大家要注意！

        電測法就是用電測儀器測量焊接面的接觸電阻，非常直觀，但由于連接面的接觸電阻大多數(shù)情況下都非常小，測量準(zhǔn)確不易。當(dāng)連接面是第二類或第三類引線和被焊件有互熔狀態(tài)連接，哪怕互溶非常少，測量的電阻是非常小的，不容易通過電阻的大小來判斷連接的好壞！當(dāng)連接面是第一類表面接觸類導(dǎo)電連接時，如果引線和連接面非常潔凈，測量的電阻也是非常小的；只有在連接面有污染，沒有互溶或很少互溶的情況下，測量的電阻超標(biāo)可以認(rèn)定為焊接不良，因此焊接面接觸電阻超標(biāo)是可以用來判斷超聲波焊接是否合格的必要而充分的條件要求！

        溫度法就是用大電流通過引線和被焊件的焊接面，如接觸不好電阻大，就會在焊點(diǎn)處產(chǎn)生溫度差異，然后用如紅外相機(jī)拍攝測量比較各焊點(diǎn)的溫度差異，從而判斷焊點(diǎn)的好壞。

        鋁帶的超聲波焊接目前則是把最大截面積為2毫米寬0.25毫米厚的鋁帶用與超聲波鋁絲焊接類似的設(shè)備焊接，焊接質(zhì)量的檢測方法與鋁絲焊接相同。

        終上所述，各種的焊接質(zhì)量檢測方法都有利弊，很難用一種方法來判定特斯拉電池工藝超聲波焊接的質(zhì)量，但檢測的方法多一些，品質(zhì)的管控就會更好。但產(chǎn)品質(zhì)量是做出來的，嚴(yán)格控制好物料的品質(zhì)一致性，杜絕焊接條件環(huán)境的波動，保證焊接設(shè)備的穩(wěn)定性，落實(shí)首檢，抽檢和終檢，是可以保證檢驗(yàn)間隔中間產(chǎn)品的質(zhì)量的，也是保證穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的必須！