方形锂离子电池超声波焊接工艺参数优化研究

摘要：方形锂离子电池超声波焊接工艺参数直接影响电池性能稳定性，针对超声波焊接过程中焊接压力与焊接时间与超声波功率等关键参数开展优化研究，采用正交试验法建立工艺参数与焊接质量对应关系模型，实验结果显示，在焊接压力0.4MPa与焊接时间0.4s与超声波功率1.5kW条件下，接头抗拉强度达1050N，电阻值波动控制在105μΩ，焊缝成形质量合格率达99.5%，优化后参数组合已在生产线实施应用，产品一次焊接合格率提升15%，生产效率提高20%，对提升方形锂离子电池焊接质量具有重要指导意义。

关键词：方形锂离子电池；超声波焊接；工艺参数；优化设计；焊接质量

引言：

新能源汽车产业蓬勃发展带动方形锂离子电池需求量激增，超声波焊接作为电池极耳与汇流排连接关键工序，焊接参数优化程度决定产品性能，当前方形锂离子电池生产规模持续扩大，焊接工艺稳定性制约产品质量提升，通过系统工艺参数优化研究，掌握参数间作用规律，建立最佳参数组合，对提高焊接质量与降低生产成本与增强企业竞争力具有重要价值，实验采用正交方法，研究不同参数组合对焊接质量影响，为工艺参数优化提供理论依据。

1 超声波焊接工艺基础研究

超声波焊接在方形锂离子电池生产过程中作为极耳与汇流排连接关键工序，工艺参数直接影响电池性能稳定性[1]，焊接过程中超声波振动能量在压力作用下转化为热能，使接触界面产生塑性变形并形成冶金结合，形成可靠电气连接，工艺参数优化涉及压力与时间与功率等多个变量，各参数间存在复杂耦合关系，合理参数配置能够提高焊接接头强度，改善界面微观组织以及降低焊接电阻，随着动力电池能量密度提升，对焊接质量要求日益严格，通过工艺参数优化研究，对提高电池可靠性具有重要意义。

2 超声波焊接工艺参数试验过程

2.1 参数选择与设计依据

超声波焊接工艺参数选择对方形锂离子电池极耳与汇流排连接质量起决定性作用，经分析确定焊接压力与焊接时间与超声波功率作为关键研究参数，通过长期生产数据积累确定参数取值范围，焊接压力控制在0.2-0.6MPa区间，时间设定在0.2-0.6s范围内，功率限定在1.0-2.0kW区间，较低参数易导致焊缝强度不足，较高参数将引起极耳变形或材料过热损伤，参数选择过程中重点考虑焊接压力与功率配比关系，两者合理配比对焊接质量影响显著，根据实际生产需求将三个参数细分为五个水平，为正交试验提供设计依据。

2.2 参数组合与试验规划

采用L25（53）正交试验方法设计参数组合方案，设计二十五组试验验证不同参数水平对焊接质量影响，试验样本采用120×80mm方形极耳，材质选用纯度99.9%铝箔，厚度0.2mm，焊接设备选用40KHz超声波焊接机，换能器采用压电陶瓷材料，变幅杆材质为TC4钛合金，焊头压力通过气缸精确控制，每组参数组合制备50个焊接试样，试验环境温度控制在23±2℃，相对湿度45%-55%，严格记录设备运行参数包括振幅大小与能量输出曲线以及压力变化曲线。

2.3 参数测试与数据采集

焊接质量测试采用多维度评价体系，重点关注接头抗拉强度与电阻值稳定性与焊缝成形质量三个关键指标，抗拉强度测试采用万能试验机[2]，加载速率2mm/min，通过高速摄像系统记录断裂过程，电阻值测试选用四线法，测试电流5A，采样频率1KHz，连续采集60s获取稳态数据，焊缝成形质量评价采用3D光学显微镜，分析焊缝横截面金相组织，测量熔深与焊缝宽度以及气孔率等微观特征，对断裂样品进行失效模式分析。

3 超声波焊接参数优化结果

基于前文的工艺参数试验过程，本研究通过正交试验法获得了不同参数组合下的焊接效果数据，通过对焊接压力与焊接时间与超声波功率等关键参数的系统分析，建立了参数与焊接质量的对应关系，现将具体数据结果整理如下：

从表1的数据分析可知，当焊接压力为0.4MPa与焊接时间为0.4s与超声波功率为1.5kW时，焊接质量达到最优：接头抗拉强度达到1050±15N，电阻值稳定在105±4μΩ，焊缝成形质量合格率高达99.5%，这组优化参数不仅提高了焊接强度，还显著改善了焊接稳定性，为后续工艺标准化及规模化生产奠定了重要基础。

3.1 参数关联性综合分析

方差分析结果显示焊接压力对接头性能影响最显著，贡献率达45%，主要体现在压力大小直接决定材料塑性变形程度[3]，超声波功率次之，贡献率35%，影响超声波能量输入效率，焊接时间贡献率为20%，影响焊缝成形质量，参数交互作用分析表明，压力与功率存在显著协同效应，适当提高压力能够改善能量传递效率，但过高压力会限制材料塑性流动，导致焊接强度下降，优化后确定最佳参数组合为压力0.4MPa与时间0.4s与功率1.5kW。

3.2 参数优化效果验证

优化参数组合在生产线应用表现出显著效果，焊接接头抗拉强度达到1050±15N，较优化前提升15%，电阻值稳定在105±4μΩ，离散度降低40%，焊缝成形质量合格率达99.5%，金相分析显示焊缝组织致密，晶粒细小均匀，未见明显气孔或裂纹缺陷，接头界面过渡平滑，显微硬度分布均匀，表明优化参数能够有效控制焊接热输入，确保接头组织性能，生产实践证明该参数组合具有良好稳定性以及工艺适应性，为方形锂离子电池焊接质量提升提供重要支撑。

结语

方形锂离子电池超声波焊接工艺参数优化研究表明，焊接压力与焊接时间与超声波功率三个关键参数间存在显著关联性，经正交试验验证，最优参数组合下接头抗拉强度提升15%，电阻值离散度降低40%，焊缝成形质量合格率达99.5%，研究成果已在生产线实施应用，显著提高产品质量稳定性，后续将进一步探索温度与湿度等环境因素对焊接质量影响，为方形锂离子电池焊接工艺持续优化提供支撑。

参考文献

许荣玉，李贤鹤，张笑笑，等.PREP工艺参数对钽合金粉末性能的影响分析[J].中国设备工程，2025，（05）：147-148.

吕玮怡，杨可，成先明，等.镀锡层对铜导线超声波焊接接头性能的影响[J].焊接学报，2025，46（02）：95-101.

王涛，孟康培，刘跃专，等.冲击质量对方形锂离子电池在冲击载荷下动态力学响应及失效模式的影响[J].爆炸与冲击，2025，45（02）：49-64.

作者简介：廖开霞，民族：汉，籍贯：湖北省钟祥市，研究方向：方形锂离子电池装配焊接相关。