Soldagem ultrassônica de folhas de cobre para montagem de bateria EV

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O soldador ultrassônico forneceu uma potência máxima de saída de 3 quilowatts e uma frequência operacional de 20 quilohertz. Ilustração cortesia da Monisys Co.

A soldagem foi realizada colocando uma tira de cobre niquelada no lado da bigorna e 40 camadas de folha de cobre no lado do chifre. Ilustração cortesia da Monisys Co.

Os pesquisadores usaram o teste T-peel para medir a resistência das articulações. As amostras soldadas foram dobradas 90 graus em ambas as direções, separando a aba e as folhas para formar um formato de T. As folhas foram seguradas pela alça superior e a aba pela alça inferior. O teste foi realizado à temperatura ambiente com velocidade de cruzeta de 50 milímetros por minuto. Ilustração cortesia da Monisys Co.

No caso de desalinhamento (topo), é gerada menos energia de soldagem na área a ser soldada. Por outro lado, se o ferramental estiver alinhado (parte inferior), a energia de soldagem será grande, pois a área com a qual o chifre está em contato é relativamente maior. Ilustração cortesia da Monisys Co.

Este gráfico compara os sinais de potência de desalinhamento e alinhamento sob as mesmas condições de soldagem. Verifica que quando o ferramental está devidamente alinhado, a energia de soldagem aplicada à junta é maior e portanto a solda ficará mais resistente. Ilustração cortesia da Monisys Co.

A análise de Pareto dos dados indica que o tempo de soldagem e a força de soldagem são mais importantes que a amplitude para criar uma boa junta. Ilustração cortesia da Monisys Co.

As melhores soldas foram produzidas com uma força de soldagem de 3 bar ou superior e um tempo de soldagem de 0,5 segundos ou menos. Ilustração cortesia da Monisys Co.

Estas imagens microscópicas mostram as diferenças entre juntas boas, juntas sobresoldadas e juntas mal soldadas. Foto cortesia da Monisys Co.

As baterias para veículos elétricos são fabricadas conectando várias células e um barramento para formar um único módulo. Dezenas de módulos são então montados em uma bateria.

As células da bateria são conectadas a folhas e abas multicamadas. Materiais como cobre e alumínio são usados ​​como materiais principais.

Soldagem por ponto de resistência, soldagem a laser e soldagem ultrassônica de metal (UMW) têm sido usadas para unir folhas às abas. Embora a soldagem por resistência seja vantajosa devido à sua rapidez e simplicidade de automação, ela é inadequada para folhas de cobre, devido à sua alta condutividade térmica e elétrica. A soldagem a laser é um processo de alta velocidade, mas o custo inicial do equipamento é alto e é difícil garantir soldas de qualidade devido à alta condutividade térmica, alta refletividade e baixa taxa de absorção do cobre. Além disso, um grande número de compostos intermetálicos é formado durante a soldagem por fusão, o que é difícil de controlar.

Por outro lado, o processo UMW oferece inúmeras vantagens. É simples. Pode juntar uma ampla gama de materiais. Produz soldas largas em um curto período de tempo. E há formação mínima de compostos intermetálicos e perda mínima de energia na parte de contato.

Numerosos estudos examinaram o uso de energia ultrassônica para soldagem de metais em componentes de veículos elétricos. A maioria se concentrou na soldagem de aba a aba ou de aba a barramento. Poucos analisaram o processo de soldagem de folhas multicamadas em abas.

Nosso estudo examinou o uso de UMW para unir múltiplas camadas de folha de cobre a uma tira fina de folha de cobre niquelada, um conjunto comum para baterias de íons de lítio de alta densidade. Nosso estudo focou na soldabilidade dos materiais; o efeito do alinhamento do chifre e da bigorna na produção e na qualidade; e os efeitos de vários parâmetros do processo, como força, amplitude e tempo.

As amostras de teste para nosso estudo consistiam em uma folha de cobre multicamadas (99,99% de cobre puro), com 8 mícrons de espessura, e uma tira de cobre niquelada, com 0,2 milímetros de espessura. Tanto a folha quanto a tira tinham 20 milímetros de largura e 50 milímetros de comprimento.

O soldador ultrassônico forneceu uma potência máxima de saída de 3 quilowatts e uma frequência operacional de 20 quilohertz. A soldagem foi realizada colocando uma tira de cobre niquelada no lado da bigorna e 40 camadas de folha de cobre no lado do chifre.