一种超声焊焊齿结构、超声焊焊头及超声焊接设备的制作方法

1.本发明涉及锂电池制造领域，具体涉及一种超声焊焊齿结构、超声焊焊头及超声焊接设备。


背景技术：

2.在锂离子电池制作中，多层铝箔和铝极耳连接，多层铜箔和铜镀镍极耳连接，主要目的是实现导流，同时兼顾一定的连接强度。特别是在动力电池领域，正负极工件总厚度接近1mm，要实现这样较高厚度的工件有较高强度的连接，同时要求满足产品过流，这对过流设计提出了较高的要求。锂离子电池中采用cu和al作为导流体，事实上采用电阻焊接或激光焊接技术具有较大的挑战，因为cu和al导电性、导热性优异，难以获得较大尺寸的焊点/核，此外cu和al的反射率也很好，采用激光焊接需要很高的功率且设备成本昂贵。
3.相比于电阻焊和激光焊，超声焊接比较适用于具有高导电、导热材料，并且对异型材料和多层材料具有很好的适应性。超声焊接作为一种固相连接技术已被广泛应用在锂离子电池中的箔材和极耳连接，其焊接效果不可避免的会影响到锂离子电池极耳过流和焊接强度，进而影响到锂离子电池安全性和可靠性。在动力电池领域，采用超声焊接需要重点关注焊接区域过流能力，因为如果焊接区域过流能力不足，会导致电芯温度较高，增加电芯热失控的风险。针对锂离子电池中的箔材和极耳超声焊接效果的改善主要集中在焊接参数优化，比如焊接时间、振幅、焊接压力等，虽然焊接参数在一定程度上影响焊接效果，但是焊接效果主要受焊头影响，比如焊齿尺寸、焊齿排列方式。


技术实现要素：

4.本发明目的在于提供了一种超声焊焊齿结构，针对超声焊头的焊齿结构进行设计，对改善焊接区域过流、提升焊接强度和改善焊接效果，具有重大的应用价值。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种超声焊焊齿结构，包括：焊台以及成型在焊台上的若干个焊齿；
7.所述焊齿呈正四棱台形状，所述正四棱台的顶面正方形边长为0.1
‑
0.5mm。
8.进一步地，所述焊台上至少有一排所述焊齿。
9.进一步地，所述焊齿在同一排上间距相等，间距不大于2mm。
10.进一步地，所述焊齿在同一列上间距相等，间距不大于2mm。
11.进一步地，所述焊齿的高度为待焊物厚度的60％
‑
80％。
12.进一步地，所述焊齿的锥形角度为90
°
。
13.本发明另一个目的在于还提供一种超声焊焊头，包括：焊接部和连接部；
14.所述焊接部至少一端设置连接部，所述焊接部至少一侧设置有上述的超声焊焊齿结构。
15.进一步地，所述超声焊焊头材质为钛合金或者铝镁合金其中的一种。
16.进一步地，所述连接部外侧设有盲孔，所述盲孔设有内螺纹。
17.本发明另一个目的在于还提供一种超声焊接设备，包括上述的超声焊焊头。
18.本发明的有益效果如下:
19.本发明的一种超声焊焊齿结构，包括焊台及成型在焊台上的若干个焊齿；焊齿呈正四棱台形状，焊齿的顶面正方形边长为0.1
‑
0.5mm。提高锂离子电池箔材与极耳焊接区域过流能力。一种超声焊焊头，包括焊接部和连接部；焊接部至少一端设置连接部，焊接部至少一侧设置有上述的焊齿结构。采用该超声焊焊头焊接可以增强极耳和箔材之间的连接强度、提升焊接区域过流能力。实现牢固且稳定的焊接效果，进而提升了锂离子电池安全性和可靠性。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为一种超声焊焊齿结构示意图；
22.图2为一种超声焊焊齿结构的焊齿角度示意图意图；
23.图3为一种超声焊焊头的结构示意图；
24.图4为一种超声焊焊头的结构的局部放大示意图；
25.图5为另一种超声焊焊头的结构示意图；
26.图6为现有技术焊接效果图；
27.图7为采用本发明技术方案的焊接效果图。
28.图中所示：1—焊接部，11—焊台，12—焊齿，2—连接部。
具体实施方式
29.下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
30.以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
31.焊头是超声波金属焊接的关键组成部分，焊接过程中，焊头在压力作用下要抓紧被焊工件，这样，超声焊接设备产生的机械振动能量才能传递给被焊工件界面以形成固相连接。焊头接触面积不同，会导致焊接过程中焊接压力的分布不同，即连接界面的具有不同的应力，使焊接过程中摩擦力不同，从而使焊接过程中摩擦产热量不同，导致焊接过程中工件温度不同，最终影响接头质量。而焊头花纹齿深则决定焊头花纹嵌入工件表面的难易程度，也直接影响极耳表面压痕深度，间接影响焊接过程中工件温度，对接头质量造成影响。因此，焊齿的形貌及尺寸设计对接头质量起着非常关键的作用。
32.如图1和2，一种超声焊焊齿结构，包括焊台以及成型在焊台上的若干个焊齿，焊齿12呈正四棱台形状，焊齿12底面和焊齿12顶面均呈正方形。焊齿的顶面正方形边长y长为0.1
‑
0.5mm。经实验得出，焊齿面积相同时，矩形焊齿比圆形焊齿产生的塑性变形程度强烈，其中，矩形边长即焊齿的顶面正方形边长范围在0.1
‑
0.5mm时焊接效果最佳。面积越小的焊齿使工件表面接触区域压强越大，从而形成更深的压痕。
33.根据正四棱台的特性，依据正四棱台的顶面边长和高度，可得到底面边长。在本实施例中，焊齿的顶面边长0.1
‑
0.5mm，焊齿的高度为待焊物厚度的60％
‑
80％。根据箔材厚度确定焊齿12的高度h为0.2
‑
0.9mm，得到焊齿的底部正方形边长x长范围在0.5mm
‑
2.3mm。
34.在本实施例中，焊台上有两排若干列焊齿，排间间隙为0.6mm，列间无间隙。可根据产品需求设置焊齿12齿数的间距与排数，其中，焊台上至少有一排所述焊齿，焊齿在同一排上间距相等，间距不大于2mm，焊齿在同一列上间距相等，间距不大于2mm。有利于实现牢固且稳定的焊接效果。在本实施例中，焊齿12的锥形角度α为90
°
。如图6
‑
7，原焊齿结构与本技术方案设计的焊齿结构焊接效果对比，采用本技术方案设计的焊齿结构焊接效果明显变好。
35.如图3和4，一种超声焊焊头，焊头为半波长焊头。包括焊接部1和连接部2，连接部2一端设置焊接部1，连接部2另一端设有盲孔，盲孔设有内螺纹，用于焊头与超声焊接设备连接。焊接部1上下分别设置有焊台11，焊台11边缘处设置有若干焊齿12。当一端焊台11上焊齿12损坏后，可以旋转焊头，使用另一端焊台11，从而延长焊头使用寿命，节约焊头成本。
36.如图5，一种超声焊焊头，焊头为全波长焊头。包括焊接部1和连接部2，连接部2设置在所述焊接部1两端。连接部2外侧设有盲孔，盲孔设有内螺纹，用于焊头与超声焊接设备连接。焊接部1呈现扁平状，以适配较小空间焊接。焊接部1上下分别设置有焊台11，焊台11边缘处设置有若干焊齿12。当一端焊台11上焊齿12损坏后，可以旋转焊头，使用另一端焊台11，从而延长焊头使用寿命，节约焊头成本。全波长的长度是半波长的2倍，利用超声波在介质中传播的特性，在波峰与波谷时产生的能量最大，很好的弥补了半波长超声焊头的使用的局限性。
37.与现有的超声波焊头相比，本发明的半波超声焊焊头或全波超声焊焊头的焊齿12呈正四棱台形状，四棱台的顶面正方形边长为0.1
‑
0.5mm，用于锂离子电池箔材和极耳焊接。采用该焊头焊接可以增强极耳和箔材之间的连接强度、提升焊接区域过流能力。实现牢固且稳定的焊接效果，进而提升了锂离子电池安全性和可靠性。
38.一种超声焊接设备，包括超声焊焊齿结构的半波超声焊焊头或全波超声焊焊头。超声波焊接设备是利用高频振动波传递能量到需焊接的极耳表面，在加压的情况下，使箔材和极耳表面相互摩擦产热而达到原子水平的熔合，并能达到焊接牢固的效果。
39.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中间”、“长度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
40.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
41.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
42.以上仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，不经过创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。