线束和金属的超声波焊接

来源：•作者：线束世界-Jimmy•2021-05-11 07:13

图1 用超声波焊接将线束焊接到金属件上，或者线束和线束焊接。

图2 Herrmann Ultrasonic在2019年推出的金属焊接机。

图3 2018年Blue Jean Cable使用SonoWeld 1600焊接机将连接扬声器的线束焊接到香蕉插座上。

图4 上图是汽车行业常见的应用，用超声波将铜线束焊接到接地端子上。

超声波技术很早就存在，从1960开始就用于塑料、无纺布和包装材料的焊接，以及橡胶和食品的切割。从2017年开始，随着汽车轻量化和新能源汽车的快速发展，超声波以另一种创新的应用方式——超声波金属焊接，出现在大家面前。

超声波金属焊接机可以将铜或者铝线缆可靠的焊接到金属件上，这些金属件通常较小不大于你的手掌。典型的焊接应用包括锂电池、线缆接线头、母线、电机线圈、各种接线端子和电池管理系统。

目前，市场上各家企业发展了自己的独特超声波金属焊接系统，包括横向振动型，扭矩振动型。各自有自己的优势，典型的焊接周期时间为几毫秒至2秒。

横向振动系统

图4 横向振动系统

横向振动型（也叫做横向驱动系统，见图4）最初该系统设计是为了焊接塑料——驱动系统竖直放置，待焊的塑料件水平放置，即振动方向垂直与焊接表面。对于金属焊接，将驱动系统旋转90°到横向水平位置，利用剪切运动对水平放置的金属进行焊接。

Sonics&Materials Inc公司金属焊接产品北美销售经理Dave Krysiak指出：“超声波金属焊接使用越来越多有几个原因：该技术保证连接处极低的电阻率，即电流有最高电导性能；允许用户测量和实时监控振幅、时间和焊接能量等参数，有助于过程稳定；焊接时切向振动去除金属表面氧化物，不会因为金属件长期放置表面氧化而影响焊接。”

几年前，Sonics&Materials向市场推出了三款系列的超声波金属焊机（MWB40，MWB20，MWB15）。Krysiak说，所有机型都可以焊接线束和金属件、线束和线束，并可集成自动取放件系统，以实现焊接件上料和下料。

MWB40是40KHz的金属点焊机，功率800瓦，可处理规格30AWG到16AWG电线。MWB20是20Khz点焊机，功率有1500，2500或4000W，可处理规格16AWG到6AWG电线。MWB15是15Khz点焊机，功率高达6000W，可处理规格8AWG到0000AWG电线。

在过去的几年里，横向振动型系统有了更新的发展，增加了驱动系统的安装刚度以抵消侧向载荷，提高了操作者对零件的可达性（可操作性），增加了焊接过程中能量的有效传递，同时减小对焊头的磨损。

扭矩振动系统

在超声波金属焊接出现不久，Sonobond Ultrasonic公司就于1960年开发了其专利”楔形驱动系统“（见图5）。该系统采用垂直振动簧片（Reed），由水平放置的楔形耦合器（Wedge）和换能器（Transducer）组件驱动。此时剪切振动方向是平行于焊接表面，焊接压力直接施加在要焊接的部件上。消除了焊接过程中弯曲应力和运动停滞问题。

图5 楔形驱动系统

同样重要的是，根据Sonobond Ultrasonic总裁Janet Devine的说法，该系统能够可靠焊接大多数表面氧化和镀锡的金属，不需要预先清洗。它还能有效地焊接类似或者不同的有色金属组件，包括将铜线束到铝金属件上。

该公司的SonoWeld 1600超声波金属焊机，输出功率1500或2500W，可将线规17AWG到00AWG的线束点焊到金属端子上。其微处理器控制系统能够存储和调用多达250个焊接协议，其数字显示屏可方便的选择时间、能量或距离的焊接模式。该机型还具有自动锁频、质量监控和过载保护功能。经过热处理的焊嘴使用寿命可达10万次。

几年前，Blue Jeans Cable公司购买了SonoWeld 1600机型，将连接扬声器的线束焊接到香蕉插座上，以取代原来的不可靠的螺丝连接工艺。

Blue公司工程师Devine说道，“超声波焊接工艺有明显优势，连接更坚固、更可靠，需要更少劳力，生产效率高。”操作时，操作人员将插座放置在下模具上，再将10AWG和12AWG规格的铜线束从一侧插入插座，用超声熔合到黄铜表面（如图3）。连接可靠。

图6 SONIQTWIST超声波扭矩焊接系统

瑞士Telsonic AG在2002年推出SONIQTWIST超声波扭矩焊接系统，最初该系统主要焊接和密封有色金属制成的圆形零件，例如圆柱形电池、气囊和安全带传感器。该技术现在已经用于金属焊接，例如电池极耳、线束和线束、线束和金属端子的焊接。

根据Telsonic公司前总裁兼现任顾问Saeed Mogadam的说法，MT8000扭矩焊接系统可以焊接横截面高达200平方毫米（线规000000AWG）铝线束和高达160平方毫米（线规00000AWG）的铜线束的焊接。

2011年，Telsonic推出了SONIQTWIST的分支系列PowerWheel系统，专门为更大的电池线束端子焊接设计的。

焊接开始前先将端子和线束放在下模具上，焊头尖端（Sonotrode tip）压紧线束顶部，焊接压力施加在焊接区域上方。20Khz的高频正弦波信号发送到换能器（Transducer），换能器输出线性振动，向下传递到焊头（Sonotrode）。焊接通常只需要几毫秒。

Royal Power Solution公司，需要将铜线束超声焊接在连接器上。电缆的厚度从5AWG到0000AWG，端子有多达12种不同的规格。有几个端子设计有侧壁。经过广泛研究和测试，该公司最后使用Telsonics的MPX-TC焊机对四个铜线束端子（16平方毫米）焊接，其余的采用MT8000 PowerWheel系统焊接（横截面高达120平方毫米）。

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