Saldatura ad ultrasuoni di lamine di rame per l'assemblaggio di batterie per veicoli elettrici

Foto per gentile concessione di Genkur, iStock/Getty Images Plus

La saldatrice ad ultrasuoni forniva una potenza di uscita massima di 3 kilowatt e una frequenza operativa di 20 kilohertz. Illustrazione gentilmente concessa da Monisys Co. Ltd.

La saldatura è stata eseguita posizionando una striscia di rame nichelato sul lato dell'incudine e 40 strati di lamina di rame sul lato del corno. Illustrazione gentilmente concessa da Monisys Co. Ltd.

I ricercatori hanno utilizzato il test T-peel per misurare la resistenza delle articolazioni. I campioni saldati sono stati piegati di 90 gradi in entrambe le direzioni separando la linguetta e le lamine per formare una forma a T. Le lamine erano trattenute dall'impugnatura superiore e la linguetta da quella inferiore. Il test è stato effettuato a temperatura ambiente con una velocità della traversa di 50 millimetri al minuto. Illustrazione gentilmente concessa da Monisys Co. Ltd.

In caso di disallineamento (in alto) viene generata meno energia di saldatura nella zona da saldare. Al contrario, se l'utensile è allineato (in basso), l'energia di saldatura è elevata poiché l'area con cui il corno entra in contatto è relativamente più grande. Illustrazione gentilmente concessa da Monisys Co. Ltd.

Questo grafico confronta i segnali di potenza di disallineamento e allineamento nelle stesse condizioni di saldatura. Verifica che quando l'attrezzatura è correttamente allineata, l'energia di saldatura applicata al giunto è maggiore e quindi la saldatura sarà più forte. Illustrazione gentilmente concessa da Monisys Co. Ltd.

L'analisi paretiana dei dati indica che il tempo e la forza di saldatura sono più importanti dell'ampiezza per creare un buon giunto. Illustrazione gentilmente concessa da Monisys Co. Ltd.

Le saldature migliori sono state realizzate con una forza di saldatura pari o superiore a 3 bar e un tempo di saldatura pari o inferiore a 0,5 secondi. Illustrazione gentilmente concessa da Monisys Co. Ltd.

Queste immagini microscopiche mostrano le differenze tra giunti buoni, giunti sovrasaldati e giunti sottosaldati. Foto per gentile concessione di Monisys Co. Ltd.

Le batterie per veicoli elettrici sono realizzate collegando più celle e una barra collettrice per formare un unico modulo. Decine di moduli vengono quindi assemblati in un pacco batteria.

Le celle della batteria sono collegate a lamine e linguette multistrato. Materiali come rame e alluminio sono utilizzati come materiali principali.

La saldatura a punti a resistenza, la saldatura laser e la saldatura dei metalli a ultrasuoni (UMW) sono state utilizzate per unire le lamine alle linguette. Sebbene la saldatura a resistenza sia vantaggiosa per la sua velocità e la semplice automazione, non è adatta per i fogli di rame, a causa della loro elevata conduttività termica ed elettrica. La saldatura laser è un processo ad alta velocità, ma il costo iniziale dell'attrezzatura è elevato ed è difficile garantire saldature di qualità a causa dell'elevata conduttività termica del rame, dell'elevata riflettività e del basso tasso di assorbimento. Inoltre, durante la saldatura per fusione si forma un gran numero di composti intermetallici, che sono difficili da controllare.

Al contrario, il processo UMW offre numerosi vantaggi. È semplice. Può unire una vasta gamma di materiali. Produce saldature ampie in un breve periodo di tempo. Inoltre, la formazione di composti intermetallici e la perdita di energia nella parte di contatto sono minime.

Numerosi studi hanno esaminato l'uso dell'energia ultrasonica per la saldatura dei metalli per i componenti dei veicoli elettrici. La maggior parte si è concentrata sulla saldatura singola da linguetta a linguetta o da linguetta a barra collettrice. Pochi hanno esaminato il processo di saldatura delle lamine multistrato sulle linguette.

Il nostro studio ha esaminato l’uso dell’UMW per unire più strati di lamina di rame a una sottile striscia di lamina di rame nichelata, un assemblaggio comune per le batterie agli ioni di litio ad alta densità. Il nostro studio si è concentrato sulla saldabilità dei materiali; l'effetto dell'allineamento del corno e dell'incudine sulla produzione e sulla qualità; e gli effetti di vari parametri di processo, come forza, ampiezza e tempo.

I campioni di prova per il nostro studio erano costituiti da un foglio di rame multistrato (rame puro al 99,99%), spesso 8 micron, e da una striscia di rame nichelato, spessa 0,2 millimetri. Sia il foglio che la striscia erano larghi 20 millimetri e lunghi 50 millimetri.

La saldatrice ad ultrasuoni forniva una potenza di uscita massima di 3 kilowatt e una frequenza operativa di 20 kilohertz. La saldatura è stata eseguita posizionando una striscia di rame nichelato sul lato dell'incudine e 40 strati di lamina di rame sul lato del corno.