Soldadura ultrasónica de láminas de cobre para ensamblaje de baterías de vehículos eléctricos

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La soldadora ultrasónica proporcionó una potencia de salida máxima de 3 kilovatios y una frecuencia de funcionamiento de 20 kilohercios. Ilustración cortesía de Monisys Co. Ltd.

La soldadura se realizó colocando una tira de cobre niquelado en el lado del yunque y 40 capas de lámina de cobre en el lado del cuerno. Ilustración cortesía de Monisys Co. Ltd.

Los investigadores utilizaron la prueba de pelado en T para medir la fuerza de las articulaciones. Las muestras soldadas se doblaron 90 grados en ambas direcciones separando la pestaña y las láminas para formar una T. Las láminas se sujetaban por la empuñadura superior y la pestaña por la empuñadura inferior. La prueba se llevó a cabo a temperatura ambiente con una velocidad de cruceta de 50 milímetros por minuto. Ilustración cortesía de Monisys Co. Ltd.

En caso de desalineación (arriba), se genera menos energía de soldadura en la zona a soldar. Por el contrario, si las herramientas están alineadas (abajo), la energía de soldadura es grande ya que el área con la que la bocina está en contacto es relativamente mayor. Ilustración cortesía de Monisys Co. Ltd.

Este gráfico compara las señales de potencia de desalineación y alineación bajo las mismas condiciones de soldadura. Verifica que cuando el utillaje está correctamente alineado, la energía de soldadura aplicada a la unión es mayor y por tanto la soldadura será más fuerte. Ilustración cortesía de Monisys Co. Ltd.

El análisis de Pareto de los datos indica que el tiempo y la fuerza de soldadura son más importantes que la amplitud para crear una buena unión. Ilustración cortesía de Monisys Co. Ltd.

Las mejores soldaduras se produjeron con una fuerza de soldadura de 3 bar o más y un tiempo de soldadura de 0,5 segundos o menos. Ilustración cortesía de Monisys Co. Ltd.

Estas imágenes microscópicas muestran las diferencias entre uniones buenas, uniones sobresoldadas y uniones poco soldadas. Foto cortesía de Monisys Co. Ltd.

Las baterías para vehículos eléctricos se fabrican conectando varias celdas y una barra colectora para formar un único módulo. Luego se ensamblan decenas de módulos en una batería.

Las celdas de la batería están conectadas a láminas y pestañas de varias capas. Se utilizan materiales como el cobre y el aluminio como materiales principales.

Se han utilizado soldadura por puntos por resistencia, soldadura por láser y soldadura de metales ultrasónica (UMW) para unir láminas a pestañas. Aunque la soldadura por resistencia es ventajosa debido a su velocidad y simple automatización, no es adecuada para láminas de cobre debido a su alta conductividad térmica y eléctrica. La soldadura láser es un proceso de alta velocidad, pero el costo inicial del equipo es alto y es difícil garantizar soldaduras de calidad debido a la alta conductividad térmica, la alta reflectividad y la baja tasa de absorción del cobre. Además, durante la soldadura por fusión se forma una gran cantidad de compuestos intermetálicos, lo que es difícil de controlar.

Por el contrario, el proceso UMW ofrece numerosas ventajas. Es sencillo. Puede unir una amplia gama de materiales. Produce soldaduras amplias en un corto período de tiempo. Y hay una formación mínima de compuestos intermetálicos y una pérdida de energía mínima en la parte de contacto.

Numerosos estudios han examinado el uso de energía ultrasónica para la soldadura de metales en componentes de vehículos eléctricos. La mayoría se ha centrado en la soldadura de una sola pestaña a pestaña o de pestaña a barra colectora. Pocos han analizado el proceso de soldar láminas multicapa a pestañas.

Nuestro estudio examinó el uso de UMW para unir múltiples capas de lámina de cobre a una tira delgada de lámina de cobre niquelada, un ensamblaje común para baterías de iones de litio de alta densidad. Nuestro estudio se centró en la soldabilidad de los materiales; el efecto de la alineación del cuerno y el yunque sobre la producción y la calidad; y los efectos de diversos parámetros del proceso, como la fuerza, la amplitud y el tiempo.

Las probetas de nuestro estudio estaban compuestas por una lámina de cobre multicapa (99,99 por ciento de cobre puro) de 8 micras de espesor y una tira de cobre niquelada de 0,2 milímetros de espesor. Tanto la lámina como la tira tenían 20 milímetros de ancho y 50 milímetros de largo.

La soldadora ultrasónica proporcionó una potencia de salida máxima de 3 kilovatios y una frecuencia de funcionamiento de 20 kilohercios. La soldadura se realizó colocando una tira de cobre niquelado en el lado del yunque y 40 capas de lámina de cobre en el lado del cuerno.

Las variables del proceso UMW incluyeron tiempo, amplitud y fuerza. El tiempo se fijó en 0,3, 0,5, 0,7 o 0,9 segundos. La amplitud de pico a pico fue de 40, 45 o 50 micrones. La fuerza se fijó en 3, 4, 5 o 6 bares.

No existe un estándar internacional para evaluar las uniones multicapa producidas con soldadura ultrasónica. Utilizamos la prueba de pelado en T para medir la resistencia de las articulaciones. La resistencia de la soldadura se determinó como la carga máxima hasta la falla en la curva carga-desplazamiento. Las muestras soldadas se doblaron 90 grados en ambas direcciones separando la pestaña y las láminas para formar una T. Las láminas se sujetaban por la empuñadura superior y la pestaña por la empuñadura inferior. La prueba se llevó a cabo a temperatura ambiente con una velocidad de cruceta de 50 milímetros por minuto.

Para el análisis de la sección transversal, se observó el centro de la línea horizontal de la marca de hendidura producida por el cuerno mediante microscopía óptica y un microscopio electrónico de barrido de emisión de campo.

Para los propósitos de nuestro estudio, las uniones se clasificaron como poco soldadas, buenas o excesivamente soldadas. Una unión poco soldada produjo una carga máxima de pelado en T de menos de 40 newtons y mostró fracturas interfaciales. En el caso de buenas soldaduras y uniones excesivamente soldadas, no se observaron fracturas interfaciales. Tanto las uniones buenas como las demasiado soldadas demostraron una carga de pelado en T de 40 newtons o más. Sin embargo, los resultados para las uniones demasiado soldadas fueron inconsistentes y se cambió el color de la lámina. Esto último podría ser una indicación de que las propiedades de la lámina, como la conductividad eléctrica, se han visto afectadas negativamente.

Si el cuerno y el yunque estaban desalineados, se observaban arrugas en la superficie de la soldadura y las formas de la sección transversal de la soldadura mostraban asimetría de izquierda a derecha. Se observaron pocas arrugas si el cuerno y el yunque estaban alineados y se formaba una soldadura simétrica de izquierda a derecha. El área soldada era más estrecha con herramientas desalineadas que con herramientas alineadas.

Cuando las herramientas están desalineadas, la soldadura tiende a fracturarse entre la tira de cobre niquelado y la lámina de cobre. Cuando el utillaje está alineado, la fractura se observa sólo en la lámina de cobre y no en la soldadura. Por lo tanto, inferimos que la fractura es en la lámina de cobre y no en la soldadura, porque la resistencia de la soldadura es mayor que la de la lámina de cobre.

En caso de desalineación, debido a que la bocina está colocada asimétricamente, se genera menos energía de soldadura en el área a soldar. Por el contrario, cuando las herramientas están alineadas, la energía de soldadura es grande ya que el área con la que la bocina está en contacto es relativamente mayor.

La evaluación de la soldabilidad se realizó sin desalineación del cuerno y el yunque. Las condiciones experimentales se repitieron dos veces con un diseño factorial completo con fuerza de soldadura en cuatro niveles, amplitud en tres niveles y tiempo de soldadura en cuatro niveles.

Nuestros resultados indicaron que la resistencia promedio de la soldadura aumenta con el aumento de la fuerza de soldadura, pero la resistencia de la soldadura no se ve afectada significativamente por la amplitud. Además, la resistencia de soldadura promedio más alta se obtuvo con un tiempo de soldadura de 0,7 segundos.

Las uniones poco soldadas se observaron principalmente con una fuerza de soldadura de 3 bar. Se obtuvieron soldaduras de alta resistencia con un tiempo de soldadura de 0,9 segundos, pero se clasificaron como uniones sobresoldadas debido a la decoloración de las láminas debido a la alta energía de soldadura. Se produjeron buenas soldaduras con fuerzas de soldadura de 4 a 6 bar y con tiempos de soldadura de 0,3 y 0,5 segundos. Además, se observaron uniones sobresoldadas en todos los niveles de fuerza de soldadura y en tiempos de soldadura de 0,7 y 0,9 segundos. Por lo tanto, llegamos a la conclusión de que se puede garantizar la soldabilidad con una fuerza de soldadura de 3 bar o más y un tiempo de soldadura de 0,5 segundos o menos.

El análisis de secciones transversales verificó nuestras determinaciones de uniones poco soldadas, demasiado soldadas y buenas.

En el caso de uniones poco soldadas, las secciones transversales muestran una región no unida en la soldadura donde el moleteado del cuerno se acopla con el yunque. Esto se observa con fuerzas de soldadura bajas y tiempos de soldadura cortos.

Con uniones demasiado soldadas, se observa adelgazamiento en la soldadura donde el moleteado del cuerno se acopla con el yunque, y existen grietas en la pendiente de las láminas exteriores. Estos dos fenómenos reducen la resistencia de la soldadura. Además, inferimos que el adelgazamiento y agrietamiento son causados ​​por la excesiva energía aplicada a la articulación. Estos defectos no se observan en buenas soldaduras.

El análisis FE-SEM reveló que el revestimiento de níquel de la tira tiene una interfaz claramente continua en las uniones poco soldadas, lo que indica que no hay unión metalúrgica entre las capas de lámina y la tira. En la capa de níquel, el recubrimiento se observa hasta la parte superior de la soldadura en uniones sobresoldadas, lo que se considera como una fuerza impulsora para la aparición de adelgazamiento debido a una deformación plástica excesiva. La capa de níquel existe de forma discontinua al empujar y moverse hacia la parte inferior de la soldadura en una buena soldadura, lo que indica que existe una unión metalúrgica entre la lámina y la tira.

El objetivo principal del niquelado es prevenir la corrosión y mejorar la soldabilidad de materiales altamente conductores. Esto se debe a que el níquel tiene una mayor resistencia térmica y eléctrica que el cobre. Para aplicaciones de baterías, las juntas requieren una alta conductividad. Por lo tanto, cuando la capa de níquel es discontinua en la interfaz, se podría reducir la pérdida de energía eléctrica en la unión.

Basándonos en nuestros experimentos, sacamos las siguientes conclusiones:

Nota del editor:

Este artículo es un resumen de un trabajo de investigación en coautoría de Sangwoo Nam, Jiyoung Yu y Dongcheol Kim del Instituto Coreano de Tecnología Industrial en Incheon, Corea del Sur; y el Parque Jiyong de la Universidad de Ciencia y Tecnología en Daejeon, Corea del Sur.

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Seungmin Shin // Ingeniero // Monisys Co. Ltd. // Seúl, Corea del Sur