超声波焊接技术可靠焊接大平方高压线束端子压接

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作者：杜辉，艾默生必能信亚洲金属焊应用中心专家

众所周知，电池充电时间长是限制电动汽车市场增长的关键因素之一。通常情况下，电动汽车需要几个小时的充电时间来获得续航里程，而传统燃油汽车或卡车可以在很短时间内加满汽油或柴油来保证续航里程。

为了缩短电动汽车电池的充电时间，电动汽车制造商需要提高充电系统中电路承载高压大电流的能力，这就依赖于大载流能力的电缆来实现。因此大横截面积的线束被广泛应用，用以流通更高的电流，同时还具有良好的散热能力，是提高电动汽车电池充电效率的有效方法。

未来电动车用高压线束载流能力将是现有普通电动汽车电缆的四到五倍。以线束尺寸来说，如果选择铜作为导体材料，所用线束的横截面积就将从50mm2提高到200mm2，甚至更高。



图1：95mm2高压线束与镀银铜端子的焊接。焊接外观良好，焊缝表面无氧化，无线芯损伤及断裂现象。图片由艾默生必能信提供。

然而如何可靠地连接这些更大截面积的电缆，是汽车制造商需要面对的重大技术挑战。同时电动汽车的快速更新迭代，也带来了汽车内部如何布置、容纳这些电缆、电缆长度以及低内阻的连接工艺等技术点的探索。理想情况下，电缆长度越短越好，来获得低内阻低温升的性能。但是实际电动车内部通常无法缩短电缆长度，这样电缆直径也需要相应增加以此保证低内阻和良好散热。

随着越来越多的电池模组排列在车辆下方位置，更大截面积线束或导体需要安装和排布在乘客舱周围和下方。因此，车身结构不仅必须与电缆和导体绝缘，还要安全地散去快速充电时线束产生的温升。

回到连接工艺的技术挑战上，超声波金属焊接工艺作为一种高效的固相连接工艺，具备焊接时间短，接头内阻低，机械强度高等多方面的优点，尤其适用于高压连接器系统内关键线束与线束或者线束与端子的焊接。然而使用超声波焊接大横截面积（≥50mm2）的高压线束，需要使用到非常高功率的设备，同时要保证焊后线束与连接件在使用过程中的机械强度。对于横截面积超过50mm2的线束，常规的超声波金属焊接设备较难达到理想的焊接效果。当焊接高压线束时，需要施加很大的焊接压力，由于常规焊接设备多为悬臂式结构设计，会出现执行机构的弯曲现象，进而造成焊接能量转化效率低。为了补偿能量的损失，通常会增加焊接振幅，然而这不仅无法改善此问题，反而造成更加严重的问题点，如大振幅会带来内部线芯应力的提高，并可能会损伤线束，从而无法达到汽车厂家所需的焊接质量要求。



图2：2mm汇流母排及接地终端的焊接。即使很高的焊接能量，直压式的焊齿也能牢牢“抓住”工件，产品无打滑现象。图片由艾默生必能信提供。

这里重点阐述下面对此应用时，单纯提高焊接振幅和设备功率，带来的以下几个问题：

1）线束内部线芯所产生的变形和应力随之升高，这会带来线束的疲劳寿命下降以及潜在的机械失效。

2）焊头与线束之间的相对运动距离提高，带来的摩擦热能将超过焊接线束所需的合理能量范围，进而造成过量的热量无法及时扩散到其他区域，从而造成超声焊接能量的利用率低，焊接效率下降。

3）焊头的可靠性及效率降低，过量的振幅和功率会造成线束的软化，而焊接过程中的软化容易引起焊头在线束上异常打滑，加剧焊头磨损，增加了焊头的寿命成本。

对于上述单纯提高焊接振幅以及设备功率的所带来的问题，还可以通过提高焊接压力的方式来改善焊接稳定性及能量转换效率。然而，测试结果表明，焊接超过50mm2的线束时，传统悬臂式超声波金属焊接机的压力超出了其机械设计极限。

为了应对高压线束焊接的技术挑战，需要一种全新的焊接结构，以此达到更高的能量转换效率。这里给大家重点介绍必能信直压式超声波焊接技术及设备。


图3：艾默生必能信 GMX-20DP“直压式”超声波金属焊接设备。照片由艾默生必能信提供。

为了解决悬臂式焊接机架的缺点，艾默生必能信开发了新一代“直压式”超声波焊接设备，代表产品是必能信GMX-20DP。通过焊点位置直接加压的方式，有利于将焊接压力全部作用于焊头与工件之间，提高了超声波振动能量转化为作用于工件上摩擦热能的效率，有利于发挥大功率设备应用于高压线焊接时的能力。该设备具有两大特点：其一更高的焊接压力，可达到6100N，垂直作用于待焊线束上；其二更低的焊接振幅，可以高能量改善焊接的打滑现象，以及大振幅对线束表面的损伤。相比于常规悬臂式焊接设备，必能信GMX-20DP可轻松应对高压线束连接器的焊接应用，实现优异的焊接质量。

与此同时，GMX-20DP配备了更高精度的压力传感器和位移传感器，可以更精确的检测以及控制焊接过程。对于焊接质量的监控，设备可与客户MES系统连通，做到全过程参数可记录和追溯。高压线束端子焊接工作站，配备特殊设计焊接的端子夹持工装，可以待焊工件牢牢固定住，保证焊接过程对稳定性，最终给客户提供高效、质量可靠的高压线束焊接方案。