Ultraschallschweißen von Kupferfolien für die Montage von Elektrofahrzeugbatterien

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Das Ultraschallschweißgerät lieferte eine maximale Ausgangsleistung von 3 Kilowatt und eine Arbeitsfrequenz von 20 Kilohertz. Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Monisys Co. Ltd.

Zum Schweißen wurden ein vernickelter Kupferstreifen auf der Ambossseite und 40 Lagen Kupferfolie auf der Hornseite angebracht. Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Monisys Co. Ltd.

Um die Festigkeit der Gelenke zu messen, verwendeten die Forscher den T-Peel-Test. Die geschweißten Proben wurden um 90 Grad in beide Richtungen gebogen, indem die Lasche und die Folien getrennt wurden, um eine T-Form zu bilden. Die Folien wurden am oberen Griff und die Lasche am unteren Griff gehalten. Der Test wurde bei Raumtemperatur mit einer Traversengeschwindigkeit von 50 Millimetern pro Minute durchgeführt. Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Monisys Co. Ltd.

Bei einer Fehlausrichtung (oben) entsteht im zu verschweißenden Bereich weniger Schweißenergie. Wenn das Werkzeug dagegen ausgerichtet ist (unten), ist die Schweißenergie groß, da die Fläche, die das Horn berührt, relativ größer ist. Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Monisys Co. Ltd.

Dieses Diagramm vergleicht die Leistungssignale der Fehlausrichtung und Ausrichtung unter den gleichen Schweißbedingungen. Es stellt sicher, dass bei ordnungsgemäßer Ausrichtung des Werkzeugs die auf die Verbindung ausgeübte Schweißenergie höher ist und die Schweißnaht daher stärker ist. Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Monisys Co. Ltd.

Die Pareto-Analyse der Daten zeigt, dass Schweißzeit und Schweißkraft für die Herstellung einer guten Verbindung wichtiger sind als die Amplitude. Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Monisys Co. Ltd.

Die besten Schweißnähte wurden bei einer Schweißkraft von 3 bar oder mehr und einer Schweißzeit von 0,5 Sekunden oder weniger hergestellt. Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Monisys Co. Ltd.

Diese mikroskopischen Bilder zeigen die Unterschiede zwischen guten Verbindungen, überschweißten Verbindungen und untergeschweißten Verbindungen. Foto mit freundlicher Genehmigung von Monisys Co. Ltd.

Batterien für Elektrofahrzeuge werden hergestellt, indem mehrere Zellen und eine Stromschiene zu einem einzigen Modul verbunden werden. Anschließend werden Dutzende Module zu einem Batteriepaket zusammengefügt.

Batteriezellen werden mit mehrschichtigen Folien und Laschen verbunden. Als Hauptmaterialien kommen Materialien wie Kupfer und Aluminium zum Einsatz.

Widerstandspunktschweißen, Laserschweißen und Ultraschallmetallschweißen (UMW) wurden verwendet, um Folien mit Laschen zu verbinden. Während das Widerstandsschweißen aufgrund seiner Schnelligkeit und einfachen Automatisierung Vorteile bietet, ist es für Kupferfolien aufgrund ihrer hohen thermischen und elektrischen Leitfähigkeit ungeeignet. Laserschweißen ist ein Hochgeschwindigkeitsprozess, aber die Anschaffungskosten für die Ausrüstung sind hoch und es ist aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit, des hohen Reflexionsvermögens und der geringen Absorptionsrate von Kupfer schwierig, qualitativ hochwertige Schweißnähte sicherzustellen. Darüber hinaus entstehen beim Schmelzschweißen eine Vielzahl intermetallischer Verbindungen, die nur schwer zu kontrollieren sind.

Umgekehrt bietet das UMW-Verfahren zahlreiche Vorteile. Es ist einfach. Es kann ein breites Spektrum an Materialien miteinander verbunden werden. Es erzeugt in kurzer Zeit breite Schweißnähte. Außerdem kommt es zu einer minimalen Bildung intermetallischer Verbindungen und zu einem minimalen Energieverlust am Kontaktteil.

Zahlreiche Studien haben den Einsatz von Ultraschallenergie zum Metallschweißen von EV-Komponenten untersucht. Die meisten haben sich auf das Schweißen einzelner Laschen an Laschen oder Laschen an Sammelschienen konzentriert. Nur wenige haben sich mit dem Verfahren des Verschweißens mehrschichtiger Folien mit Laschen befasst.

Unsere Studie untersuchte die Verwendung von UMW zum Verbinden mehrerer Kupferfolienschichten mit einem dünnen, vernickelten Kupferfolienstreifen, einer üblichen Baugruppe für hochdichte Lithium-Ionen-Batterien. Unsere Studie konzentrierte sich auf die Schweißbarkeit der Materialien; die Auswirkung der Ausrichtung von Horn und Amboss auf Produktion und Qualität; und die Auswirkungen verschiedener Prozessparameter wie Kraft, Amplitude und Zeit.

Die Prüfkörper für unsere Studie bestanden aus einer mehrschichtigen Kupferfolie (99,99 Prozent reines Kupfer) mit einer Dicke von 8 Mikrometern und einem vernickelten Kupferstreifen mit einer Dicke von 0,2 Millimetern. Sowohl die Folie als auch der Streifen waren 20 Millimeter breit und 50 Millimeter lang.

Das Ultraschallschweißgerät lieferte eine maximale Ausgangsleistung von 3 Kilowatt und eine Arbeitsfrequenz von 20 Kilohertz. Zum Schweißen wurden ein vernickelter Kupferstreifen auf der Ambossseite und 40 Lagen Kupferfolie auf der Hornseite angebracht.

Zu den UMW-Prozessvariablen gehörten Zeit, Amplitude und Kraft. Die Zeit wurde auf 0,3, 0,5, 0,7 oder 0,9 Sekunden eingestellt. Die Amplitude von Spitze zu Spitze betrug 40, 45 oder 50 Mikrometer. Die Kraft wurde auf 3, 4, 5 oder 6 bar eingestellt.

Es gibt keinen internationalen Standard zur Bewertung mehrschichtiger Verbindungen, die durch Ultraschallschweißen hergestellt werden. Um die Festigkeit der Verbindungen zu messen, verwendeten wir den T-Peel-Test. Die Schweißnahtfestigkeit wurde als maximale Belastung bis zum Versagen auf der Last-Verschiebungs-Kurve ermittelt. Die geschweißten Proben wurden um 90 Grad in beide Richtungen gebogen, indem die Lasche und die Folien getrennt wurden, um eine T-Form zu bilden. Die Folien wurden am oberen Griff und die Lasche am unteren Griff gehalten. Der Test wurde bei Raumtemperatur mit einer Traversengeschwindigkeit von 50 Millimetern pro Minute durchgeführt.

Für die Querschnittsanalyse wurde die Mitte der horizontalen Linie der vom Horn erzeugten Eindruckmarkierung unter Verwendung optischer Mikroskopie und eines Feldemissions-Rasterelektronenmikroskops beobachtet.

Für die Zwecke unserer Studie wurden die Verbindungen als unzureichend, gut oder übermäßig verschweißt eingestuft. Eine unterschweißte Verbindung erzeugte eine maximale T-Schälbelastung von weniger als 40 Newton und zeigte Grenzflächenbrüche. Bei guten Schweißnähten und Überschweißverbindungen traten keine Grenzflächenbrüche auf. Sowohl gute als auch überschweißte Verbindungen zeigten eine T-Schälbelastung von 40 Newton oder mehr. Allerdings waren die Ergebnisse für überschweißte Verbindungen inkonsistent und die Folienfarbe wurde geändert. Letzteres könnte ein Hinweis darauf sein, dass die Eigenschaften der Folie, beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit, beeinträchtigt wurden.

Wenn Horn und Amboss falsch ausgerichtet waren, wurden Falten auf der Schweißoberfläche beobachtet und die Querschnittsformen der Schweißnaht zeigten eine Asymmetrie von links nach rechts. Wenn Horn und Amboss ausgerichtet waren, traten nur wenige Falten auf und es entstand eine von links nach rechts symmetrische Schweißnaht. Der Schweißbereich war bei falsch ausgerichteten Werkzeugen schmaler als bei ausgerichteten Werkzeugen.

Wenn das Werkzeug falsch ausgerichtet ist, neigt die Schweißnaht zwischen dem vernickelten Kupferstreifen und der Kupferfolie zum Bruch. Beim Ausrichten des Werkzeugs ist der Bruch nur in der Kupferfolie und nicht in der Schweißnaht zu beobachten. Daraus schließen wir, dass der Bruch in der Kupferfolie und nicht in der Schweißnaht liegt, da die Festigkeit der Schweißnaht größer ist als die der Kupferfolie.

Da die Sonotrode asymmetrisch aufgebaut ist, entsteht im Falle einer Fehlausrichtung weniger Schweißenergie im zu verschweißenden Bereich. Wenn das Werkzeug hingegen ausgerichtet ist, ist die Schweißenergie groß, da die Fläche, die das Horn berührt, relativ größer ist.

Die Schweißbarkeitsbewertung wurde ohne Fehlausrichtung von Horn und Amboss durchgeführt. Die Versuchsbedingungen wurden zweimal mit einem vollfaktoriellen Design mit einer Schweißkraft auf vier Ebenen, einer Amplitude auf drei Ebenen und einer Schweißzeit auf vier Ebenen wiederholt.

Unsere Ergebnisse zeigten, dass die durchschnittliche Schweißnahtfestigkeit mit zunehmender Schweißkraft zunimmt, die Schweißnahtfestigkeit jedoch nicht wesentlich von der Amplitude beeinflusst wird. Darüber hinaus wurde die höchste durchschnittliche Schweißfestigkeit bei einer Schweißzeit von 0,7 Sekunden erreicht.

Unterschweißte Verbindungen wurden meist bei einer Schweißkraft von 3 bar beobachtet. Bei einer Schweißzeit von 0,9 Sekunden wurden hochfeste Schweißnähte erzielt, die jedoch aufgrund der Verfärbung der Folien aufgrund der hohen Schweißenergie als Überschweißverbindungen eingestuft wurden. Bei Schweißkräften von 4 bis 6 bar und Schweißzeiten von 0,3 und 0,5 Sekunden wurden gute Schweißnähte erzielt. Darüber hinaus wurden überschweißte Verbindungen bei allen Schweißkraftstufen und bei Schweißzeiten von 0,7 und 0,9 Sekunden beobachtet. Daher kamen wir zu dem Schluss, dass die Schweißbarkeit bei einer Schweißkraft von 3 bar oder mehr und einer Schweißzeit von 0,5 Sekunden oder weniger gewährleistet werden kann.

Die Querschnittsanalyse bestätigte unsere Feststellungen zu unzureichend geschweißten, zu stark geschweißten und guten Verbindungen.

Bei unterschweißten Verbindungen zeigen Querschnitte einen ungebundenen Bereich in der Schweißnaht, wo die Hornrändelung mit dem Amboss in Eingriff steht. Dies wird bei geringen Schweißkräften und kurzen Schweißzeiten beobachtet.

Bei überschweißten Verbindungen wird eine Ausdünnung der Schweißnaht beobachtet, an der die Hornrändelung mit dem Amboss in Eingriff steht, und es treten Risse an der Neigung der Außenbleche auf. Diese beiden Phänomene verringern die Schweißnahtfestigkeit. Darüber hinaus gehen wir davon aus, dass die Ausdünnung und Rissbildung durch die übermäßige Energieeinwirkung auf die Verbindung verursacht wird. Diese Mängel werden bei guten Schweißnähten nicht beobachtet.

Die FE-SEM-Analyse ergab, dass die Nickelbeschichtung auf dem Band eine deutlich kontinuierliche Grenzfläche in untergeschweißten Verbindungen aufweist, was darauf hindeutet, dass keine metallurgische Verbindung zwischen den Folienschichten und dem Band besteht. In der Nickelschicht ist bei überschweißten Verbindungen die Beschichtung bis zur Oberseite der Schweißnaht zu beobachten, was als treibende Kraft für das Auftreten einer Ausdünnung aufgrund übermäßiger plastischer Verformung angesehen wird. Die Nickelschicht existiert diskontinuierlich, indem sie in einer guten Schweißnaht nach unten drückt und sich in den unteren Teil der Schweißnaht bewegt, was darauf hindeutet, dass eine metallurgische Verbindung zwischen der Folie und dem Band besteht.

Der Hauptzweck der Vernickelung besteht darin, Korrosion zu verhindern und die Schweißbarkeit hochleitfähiger Materialien zu verbessern. Dies liegt daran, dass Nickel einen höheren thermischen und elektrischen Widerstand aufweist als Kupfer. Für Batterieanwendungen benötigen die Verbindungen eine hohe Leitfähigkeit. Wenn die Nickelschicht an der Grenzfläche diskontinuierlich ist, könnte daher der elektrische Energieverlust in der Verbindung reduziert werden.

Basierend auf unseren Experimenten ziehen wir folgende Schlussfolgerungen:

Anmerkung der Redaktion:

Dieser Artikel ist eine Zusammenfassung einer Forschungsarbeit, die von Sangwoo Nam, Jiyoung Yu und Dongcheol Kim vom Korea Institute of Industrial Technology in Incheon, Südkorea, gemeinsam verfasst wurde; und Jiyong Park der Universität für Wissenschaft und Technologie in Daejeon, Südkorea.

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Weitere Informationen zum Ultraschallschweißen finden Sie unter www.assemblymag.com, wo Sie die folgenden Artikel lesen können:

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Seungmin Shin // Ingenieur // Monisys Co. Ltd. // Seoul, Südkorea