超声波焊接在动力电池、线束、 IGBT等领域应用
思瀚产业研究院 骄成超声    2024-05-20

超声波焊接根据焊接对象的不同，主要可分为金属焊接、塑料焊接等。

1、超声波焊接同其他焊接技术的对比

超声波焊接相比其他焊接技术有其独特的技术优势。在金属焊接方面，具有以下几点优势：其一，焊接材料不熔融，近冷态焊接；其二，焊接后导电性好，电阻系数极低；其三，对焊接金属表面要求低，氧化或电镀均可焊接；其四，焊接时间短，不需任何助焊剂、气体、焊料；其五，焊接无火花，环保安全等优点。

在塑料焊接方面，具有以下几点优势：其一，焊接速度快，焊接强度高、密封性好；其二，取代传统的焊接、粘接工艺，成本低廉，清洁无污染且不会损伤工件；其三，焊接过程稳定，所有焊接参数均可通过软件系统进行跟踪监控，一 旦发现故障很容易进行排除和维护等优点。

2、超声波金属焊接在动力电池生产领域的应用

超声波金属焊接是将焊件置于焊座上，焊头在压力作用下在焊件表面来回高 频振动摩擦，焊件界面间氧化物或污染被破坏挤走，从而形成纯净金属之间的接 触，在高频超声摩擦的作用下，接触的金属发生塑性变形及流动，形成局部连接 区域；随着超声能量的持续增加，金属塑性流动进一步增强，局部连接区域不断 扩展融合，进而形成焊接接头。

一套典型的超声波金属焊接系统包括：发生器（将工频交流电转换为超声频 电信号）、换能器（将超声频电信号转换为机械振动）、调幅器（将换能器端输出 的振幅进行调整）、焊头（将调幅器端的振幅进一步放大，传递到焊件表面）、底 模（即焊座，支撑焊件）。超声波金属焊接时，焊接温度远低于材料的熔点，是 一种固相连接的方法，其既可以焊接同种材料，也可以焊接异种材料，特别适合 焊接一些较软的和高导热性的材料，如铝、铜、镍等。

由于动力电池生产过程的工序复杂性、材料特殊性与多元性、工艺参数敏感性与高标准，生产制造设备的技术先进性成为动力电池设备的关键因素。以锂电池为例，其生产工艺流程分为电芯制造、电芯装配、电芯检测和电池组装 4个环节。其中电芯制造属于前段工艺，包括制作电池正负极片；中段工艺为电芯装配，包括电芯卷绕/叠片、极耳焊接，入壳封装和电芯注液；电芯检测和组装后段工艺，包括化成分容、检测、成组、PACK 工序。发行人深耕锂电中段设备领域，其自主研发的超声波金属焊接设备，主要应用在电芯中段的极耳焊接环节。

目前，动力电池焊接最常见的技术路线为激光焊接和超声波焊接，两者的焊接原理、技术特点、优劣势有所不同，分别应用在电池生产的不同环节，其中激光焊接主要用于电池软连接焊接、顶盖焊接、密封钉焊接、模组及 PACK 焊接，超声波焊接主要用于极耳焊接环节，在部分 PACK 焊接工序中也存在应用。总体而言，在动力电池生产工序中，超声波焊接的应用场景与激光焊接存在较大差异，例如在中段工序中，超声波焊接用于多层极耳焊接，而激光焊接用于软连接焊接（连接片和极柱焊接）和顶盖焊接（方壳电池铝壳和顶盖焊接）。

3、超声波焊接在锂电池极耳焊接环节具有不可替代性

在动力电池装配制造过程中有大量的焊接接头，当焊接接头强度不足时，将造成电池组内部电阻增大，不能有效供电；当焊接过度时，焊接热量过大，电池芯和电极盖将被焊穿，容易造成电解液泄漏和电池组电路短路，造成电池报废。因此，接头焊接质量对电池组的性能可靠性起着决定性的作用。

超声波金属焊接在动力电池装配过程中的典型运用是在极耳焊接环节。动力电池极耳是从动力电池电芯中将正负极引出来的金属导电体，动力电池的电芯一般通过卷绕或叠片工艺而成，每层电芯箔片伸出一层极耳箔片，卷绕或叠片完成后多层极耳箔材会贴合对齐在一起，一般正极为多层铝箔片，负极为多层铜箔片。极耳焊接是指将多层极耳箔片和连接片焊接在一起，其中，正极连接片材料一般为铝，而负极连接片材料，方形电池通常为铜，软包电池通常为镍或铜镀镍。

动力电池需要有良好的导流能力，如果内阻过大，电池使用过程中发热增加，会存在安全隐患。超声波金属焊接是固相连接，焊接过程中发热量小，焊后内阻小，是动力电池电芯生产装配流程中的必要设备，尤其适用于多层极耳焊接。

在动力电池行业，激光焊接技术是除超声波焊接以外的其它焊接技术中存在最大应用潜力的技术，在锂电池电芯极耳和极柱连接在一起的过程中，有两种实现方式：一种是多层极耳和连接片超声波焊接，随后连接片再与极柱激光焊接；另一种是多层极耳超声波焊接，随后焊接在一起的多层极耳再和极柱激光焊接。

行业内通常所说的极耳激光焊接是指连接片和极柱焊接，或经超声波焊在一起的多层极耳和极柱的焊接。连接片或极耳和极柱之间的焊接因为超声波焊接的应用受限（超声焊导电性更好，但是超声焊为接触式焊接方式，同时需要压紧焊件，焊接时会在极柱背面形成划痕，同时压力可能对顶盖造成损伤），目前以激光焊为主；而多层极耳焊接以及多层极耳和连接片的焊接环节，超声波金属焊接相比激光焊工艺有明显优势，具体如下：

①从焊接技术原理上，超声波金属焊为固相焊接，可以显著减少熔化焊中常见的冶金缺陷（如脆性的金属间化合物以及气孔），同时其焊后内阻在所有焊接技术中几乎是最低的，而激光焊为熔化焊，存在一定的焊后内阻，因此超声波焊接的电流通过能力优于激光焊接；

②激光焊接对焊接材料层间空气层有严格要求，若采用激光焊接多层极耳，需要复杂的夹具压紧压实极耳，如层间有间隙出现空气层时，容易出现焊接缺陷，而超声波焊接则不受此限制，可直接进行焊接；

③激光焊接一般需要保护气体，同时焊接时会受材料反射率影响；大功率的激光一般以为红外光为主，铜对红外光的吸收率很低，所以焊接时能量利用率较低，容易造成飞溅，如果用来焊接多层极耳，会给电池的性能和安全带来隐患，而超声波焊接则不受此影响；

④从成本角度而言，大功率的激光焊接设备的投入明显大于超声波焊接设备，激光焊虽然速度很快，但无法一次性大面积焊接，需要走轨迹焊接保证焊接面积，而超声波焊接是一次性焊出所需的焊接面积，效率上激光焊接并无优势；

⑤超声波焊接多层极耳时，瞬间最高温度远达不到极耳材料的熔点，产热量低，对电芯的潜在风险相较激光焊接更低。

因此，在多层极耳焊接工艺上，如果采用激光焊接，其在对电芯的潜在风险和焊后内阻等电池性能参数上，以及对极耳状态要求、焊接成本、焊接效率上，相较超声焊接均存在劣势。成本和效率随着激光技术的发展可能会得以改善，但是其他方面的劣势难以解决，因此，超声波焊接在多层极耳焊接的环节中具有难以被取代的地位。

综上所述，在锂电池极耳焊接环节对于超声波焊接设备和激光焊接设备均存在需求，但两者的应用领域不存在重叠，在多层极耳焊接环节中，超声波焊接拥有难以替代的优势。

4、激光焊接技术在动力电池产线上的应用

动力电池焊接材质包括纯铜、铝和不锈钢等，根据材料组合和焊接要求的不同，各环节适用的焊接工艺各异。但整体上来讲，激光焊接凭借着稳定性强、一致性好和自动化程度高等工艺优势，在动力电池产线中渗透程度较高。激光焊接主要用于电池软连接焊接、顶盖焊接、密封钉焊接、模组及 PACK 焊接，激光焊接技术相较于超声波焊接的优势如下：

①超声波焊接是接触式焊接，激光焊接是非接触式的焊接，由于动力电池的内部构造使得部分焊接无法以接触式焊接方式进行。例如在连接片和极柱焊接中，超声焊需要接触，会在极柱表面留下划痕，而激光焊不存在划伤极柱表面的情况；在密封钉焊接中，焊接位置底部无法支撑，超声焊不易准确施加压力，而激光焊非接触式焊接，无需施加压力；在顶盖焊接中，壳体很薄，无法压紧支撑，因此超声焊难以实现，且需要按固定轨迹焊接，因此激光焊更合适。

②相比于超声焊，激光焊可以达到更大的功率，可焊接的材料厚度更厚。

③由于激光焊在焊接时无需接触和底座支撑，因此相较于超声焊更易于自动化集成。

综上，激光焊接相较于超声波焊接，具有无需接触、施加压力和底部支撑，且易于实现按固定轨迹焊接的优势，广泛运用在动力电池的生产工序中。

5、多层极耳焊接的技术路线演变及未来发展趋势

在电池行业发展早期，电阻焊因为设备简单、成本较低，得到了一定的应用，但电阻焊存在一些缺点，如电极寿命短、难以获得大的焊接面积、可焊厚度受限（2 层以上焊接即存在困难）、熔化焊内阻较大、耗电量大、效率低。随着动力电池的发展，电池层数增加，多层极耳焊接工艺中，电阻焊工艺早已被超声焊所取代。而在电池成模组的环节，电阻焊也基本被激光焊逐渐替代。

超声波金属焊接特别适合于高导热性材料的焊接，特别是在多层薄板焊接时优势明显。激光焊是一种非接触式焊接技术，技术发展快速，具备焊接速度快、精度高、易于自动化集成等优点，在锂电池生产环节中得到了广泛的应用，但是在多层极耳焊接时，相较超声焊，激光焊不仅内阻更大，而且初始成本高、需要保护气体、焊接时受材料层间空气层和材料反射率影响较大。多年以来，动力电池多层极耳焊接（多层极耳之间或多层极耳和连接片之间）几乎均采用超声焊工艺，目前未见其他工艺替代超声波焊接的可能性。

从锂电技术发展来看，锂电池发展的重点方向包括安全性和续航能力，而多功能复合集流体在这两点均能带来提升，宁德时代在 2021 年世界新能源汽车大会上凭借多功能复合集流体技术获“全球新能源汽车前沿及创新技术”奖，显示出该技术拥有广阔的应用前景，并有多家材料企业布局该材料及相关技术。以复合集流体替代传统的铜箔和铝箔，锂电池在前段工序将多出一道采用超声波高速滚焊技术的极耳转印焊工序，同时中段工序的多层极耳超声波焊接工序依旧保持不变，这将进一步拓宽超声波技术在锂电行业的应用范围。

综上所述，在锂电池生产工序中，多层极耳的超声波焊接不存在迭代风险，且随着锂电池技术的发展，超声波焊接技术的应用范围还将进一步扩大。

6、超声波焊接技术在线束领域应用广泛

线束是指电路中连接各电器设备的接线部件，多用在各种精密电子设备，如汽车电路，电脑主板电路，家用电器电路等，其中汽车线束是线束的重要应用领域。超声波焊接利用高频振动波传递到两个需焊接的线束工件表面，在加压的情况下，使两个线束工件表面相互摩擦固相连接在一起，具有快速、节能、熔合强度高、导电性好、无火花、接近冷态加工等特点。

汽车线束焊接目前生产工艺主要有压接和超声波焊接两类。其中压接技术利用端子将多股电线压在一起形成接头，由于压接工艺存在金属冲压反弹风险且易在线束内部形成空洞，恶劣工况下还存在氧化和生锈风险，导致压接位置的电阻系数提升、导电性降低，使线路中信号与电流的传输受到影响，从而使电子设备以及汽车中其他电器无法正常运行。

超声波焊接是利用超声波振动所产生的物理效应将线头结合起来，提升了焊接位置的密实度，有利于防止截面空洞问题，保证线束的导电性，使整个电器系统的运行更顺畅、更稳定。其次，超声波焊接电阻系数接近于零，具有非常强的导电性的同时还能减少与电阻接触过程中导致的热量堆积，从而防止线束局部位置温度过高引起线束烧毁。

汽车线束分为低压和高压线束。低压线束焊接功率较小，国内外均有企业参与竞争。高压线束由于线径很大，对功率的需求甚至超过锂电池极耳焊接的需求，超声波发生器和换能器的开发难度也因此更大。

7、超声波焊接在 IGBT 领域的应用不断加深

IGBT 即绝缘栅双极型晶体管，是能源变换与传输的核心器件，在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广。IGBT 模块的功率导电端子需要承载数百安培的大电流，对电导率和热导率有较高的要求，而汽车中的 IGBT 还要承受一定的振动和冲击力，对机械强度要求高，故 IGBT 导电端子的焊接技术工艺要求十分高。

一个 IGBT 模块通常需要经过贴片、焊接、等离子清洗、X 光检测、键合、灌胶固化、成型、测试、打标共 9 道工艺后才能投放到市场。其中焊接工艺中焊接质量直接影响功率模块的可靠性及使用寿命。传统的锡焊工艺虽然工艺简单，操作简便，但存在易氧化，且焊接过程中释放有毒气体，环保性差等缺点。超声波焊接是一种很适合 IGBT 导电端子焊接的工艺，由于超声波焊接采用高频超声能量使金属原子在两种材料界面间相互扩散，最终形成一种高强度键合界，工艺简单快捷、接触电阻低、键合强度较高，更好的满足了 IGBT 导电端子对低电阻、高强度的要求。随着超声波焊接技术的不断发展，IGBT 领域的应用不断加深。

超声波焊接运用在功率半导体领域时，主要用于多个铜端子和 DBC 基板覆铜层之间的焊接，对焊接模式的控制和自动化系统设计都有很高要求，属于多技术融合的焊接站。由于功率半导体焊接端子小、基板易碎，其对焊接要求更加精细，焊接需严格控制焊接力、振幅、变形量、能量等参数以保证焊接的一致性，精确控制力和位移，需要集成有较多的传感器用于检测和模式控制。此外，焊接设备上还需要运动控制，通过视觉定位、伺服控制等模块来完成同一块功率半导体上多个点位的焊接需求，因此对自动化设计能力也存在较高要求。

8、超声波焊接在非金属领域的应用

非金属超声波塑料焊接是一种快捷、干净、可靠的焊接工艺。目前典型的非金属焊接以塑料焊接和无纺布焊接为主。

当代社会，各种塑料制品已渗透到人们日常生活的各个领域，然而由于注塑工艺的限制，相当一部分形状复杂的塑料制品不能一次注塑成型，因此需要粘接，而沿用多年的塑料粘接和热合工艺较为落后，不仅效率低，而且粘接剂还有一定的毒性，引起环境污染和劳动保护等问题。传统的粘接工艺已不能适应现代塑料工业的发展需要，于是超声波塑料焊接以其高效、优质、美观、节能、安全等优越性被广泛应用。超声波在焊接塑料制品时，既不要添加任何粘接剂、填料或溶剂，也不消耗大量热源，具有操作简便、焊接速度快、焊接强度高、生产效率高等优点。

随着热塑性塑料及其复合材料的广泛应用，超声波焊接技术进一步拓宽应用范围，已充分应用在口罩、纸尿裤等无纺布市场。无纺布是一种不需要经过纺纱和织布工序就能形成的织物。无纺布具有防潮、透气、柔韧、质轻、阻燃、无毒无味、价格低廉、可循环再用等特点。超声波焊接在无纺布市场的应用是利用超声波技术完成对口罩、纸尿裤等产品的打片成型、封口、封边、耳带焊接等工序。超声波焊接技术相比其他传统工艺（如胶粘、电烫合或热融合等），具有生产效率高、焊接质量好、环保节能等显著优点，目前在无纺布领域有着广泛的市场应用。

当超声波作用于热塑性材料的接触面时，会产生每秒几万次的高频振动，通过焊件把超声能量传送到焊接区。焊接区由于声阻大会产生局部高温，塑料由于导热性差，热量散发慢，聚集在焊区的热量致使两工件的接触面迅速熔化，在施压一定压力后，即可使其融合成一体。继续施加压力能够使其凝固定型，形成坚固的分子链，实现的焊接强度能接近于原材料的强度。

超声波塑料焊接、无纺布焊接属于非金属焊接，与金属焊接具有不同的焊接原理。超声波塑料焊接和无纺布焊接属于熔化焊，利用超声波高频振动产生的热量熔化焊接材料并施加压力从而实现焊接；而超声波金属焊接是固相焊接，焊接时发热量低，引起的工件温度升高不足以使金属发生熔化。

另一方面，声学工具头的振动方向也有差异，超声波塑料焊接和无纺布焊接的焊头振动方向垂直于焊接材料表面，而超声波金属焊接焊头振动方向平行于焊接材料表面。此外，非金属焊接和金属焊接对超声系统的要求不一样，导致超声波发生器和换能器等配件也存在较大差异。整体而言，超声波非金属焊接的技术难度低于超声波金属焊接。