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      3. 一秒解鎖大平方線束焊接:超聲波扭轉焊接技術,探索無限潛能!

        2024-05-15 08:36:23·  來源:線束中國
         

        眾所周知,電池充電時間長是限制電動汽車市場增長的關鍵因素之一。


        為了縮短電動汽車電池的充電時間,電動汽車制造商需要提高充電系統中電路承載高壓大電流的能力,這就依賴于大載流能力的電纜來實現。因此大橫截面積的線束被廣泛應用,用以流通更高的電流,同時還具有良好的散熱能力,是提高電動汽車電池充電效率的有效方法。


        未來電動車用高壓線束載流能力將是現有普通電動汽車電纜的四到五倍。以線束尺寸來說,如果選擇銅作為導體材料,所用線束的橫截面積就將從50mm2提高到200mm2,甚至更高。


        作為一家專注超聲波技術與解決方案的瑞士公司泰索迡克。專注工業超聲波解決方案五十多年,其推出的扭轉焊接的核心技術,讓大平方焊接線徑達200mm2,變得簡單又輕松。


        了解用于電動汽車電纜端接的 PowerWheel®



        超聲波焊接技術是一項成熟的焊接工藝在過去的幾十年中一直被用于有色金屬焊接上。從 20 世紀 80 年代初以來,超聲波金屬焊接技術一直在汽車工業占據主導地位,汽車線束制造商是此項技術的主要用戶。由于超聲波焊接工藝無可匹敵的焊接質量及生產效率,迅速取代了絕大部分汽車品牌制造商原有的的機械壓接和電阻焊接工藝。伴隨著電動汽車 (EV) 的不斷普及,超聲波焊接在汽車線束中的應用在過去十年出現了更迅猛的增長。Telsonic創新性的扭矩焊接技術在很大程度上促進了這種迅猛增長,因為它具有優良能力來應對各種挑戰,例如焊接尺寸、較小區域焊接、幾何形狀、接觸焊接區域、焊接方向和外圍組件的振動效應。


        線性焊接技術在大面積線束焊接中的挑戰


        在焊接大型電纜時,需要克服若干技術障礙:


        1、理論上焊接寬度越大,線束和端子的焊接效果越好。但,無論是端子的尺寸還是焊頭的尺寸大小都會存在限制的。此外,焊接寬度越大,在焊縫的過渡區域就會出現越多的斷線或線表面的壓痕。且端子焊接區域的面積、幾何形狀需要進一步增加或改變。


        2、線束截面積越大,超聲波系統的電箱功率和焊接力就越大。例如 150 mm2 的線束,理論焊接功率超過 10 kW,焊接壓力接近 8000 N。對于如此大的焊接壓力及功率, 如果焊接壓力不是從焊接面積上方直接施加的話, 焊接系統是無法實現穩定焊接的。在如此高的焊接力下焊頭會存在顯著的彎曲, 會導致超聲波系統的能量無法高效的傳遞到線束和端子之間,從而達到穩定的焊接質量。


        3、傳統焊接機只有一個取放料口,因此會對不同設計的連接器和焊接方向造成限制。由于特殊震動模態及焊頭設計,Telsonic 的 PowerWheel® 可以允許端子的設計上有更大的自由度,可以解決傳統的線性系統無法解決的端子避位及線束取放方向的問題。


        4、除開上述技術挑戰以外,焊縫的過渡區域的斷線率及線損傷也是一個很難克服的技術難點。焊接過程中焊頭在會在節點處產生收縮和膨脹的, 收縮和膨脹的位移量及為振幅,焊接過程中線束會和焊頭一起運動,從而在線束和端子交接面之間產生擦動/ 摩擦的方式。傳統的焊接振幅峰值是在焊頭的外端, 即在和焊頭接觸的焊縫過渡區域。為避免或減少斷線率和對線束的損傷, 通常焊頭會在焊縫過渡區域設計R 角。所以焊頭和焊縫過渡區域是以R 角的形式接觸的, 焊接過程中線性系統會在R 角處擠壓和推動線束, 從而導致更大的斷線及線束擠壓損傷的可能。但是PowerWheel® 矩焊接技術的震動模態是鐘擺式的,得益于此特殊震動模態焊頭的R 角度和焊縫過渡區域的線束是以鐘擺式弧形的振幅和擠壓和推動線束,所以對線束的損傷會更小, 斷線率更低,焊接品質更好。


        Telsonic 的扭矩焊接技術克服了線性焊接技術中的諸多限制,創造了在過去十年之前被認為無法實現或達不到質量標準的突破性應用場景。扭矩焊接技術越來越多地被汽車制造商指定用于電動汽車的減重、電池封裝、電纜到端子連接、母線、電池制造和電力電子系統。電動汽車電池的更高功率和更快充電需要更大的電池電纜,有時需要非常規的連接器。Telsonic 的PowerWheel®  扭矩焊接技術,為汽車行業的高質量及高可靠性裝配要求提供了可靠的技術解決方案。


        圖片

        圖:破損或截斷的股線



        線性和扭矩焊接的工作原理


        如圖展示了線性焊接的基本工作原理,對于了解傳統線性焊接與 Telsonic 的創新PowerWheel® 焊接技術之間的差異至關重要。


        ● 術語“振幅”描述了焊頭運動的程度——膨脹和收縮。


        ● 振幅與焊縫交接面的摩擦效果相關。這種運動與壓力結合,完成焊接工藝。


        線性和扭矩焊接之間的主要區別(表1)



        線束和端子焊接PowerWheel® 技術


        PowerWheel® 焊接技術使用創新理念振動焊頭,其采用扭轉方式激發??蓪崿F高達 7.2 kW 與 14.4 kW 焊接功率,不同的應用可以選擇不同的功率系統。借助扭矩焊技術可焊接更大尺寸的焊縫、母線、3D 端子、更多幾何形狀、大避位空間以及需要低振影響的應用。這大大擴展了超聲波的應用范圍??梢詫崿F以前傳統線性焊接無法實現的超聲波焊接應用。


        PowerWheel® 焊接技術的優勢


        相比線性系統,焊接寬度可收窄30%, 允許更大的焊后線高。這樣一來,可明顯節省定位組件所需的材料與空間。另一優勢在于能焊接更厚的端子并達到非常的好的結合力。焊接過程中焊頭以鐘擺式的往復運動模態來產生焊接。因此,振幅始終位于焊接區域中心,能量傳導聚焦于焊接區。由于直接對焊接交接面施力且焊縫的過渡區域的振幅相對較小,所以焊接機可以實現更大面積線束的焊接,且又能減少對絞線的損壞(即使有)。由于焊頭的扭轉運動,焊接區域周圍幾乎沒有由于超聲波而產生的負載。因此,扭轉工藝特別適用于焊接區域外的振動可能造成損壞的敏感應用。振動沿電纜軸傳播的速度緩慢,使得 PowerWheel®  更適合較短的電纜兩頭超聲波焊接的應用。通常情況下,在短線束首尾兩頭的端子焊接過程中,因第二次焊接振動可能會削弱第一次焊接。2011 年,利用 PowerWheel® 焊接技術對直徑 50 mm2 長度180mm 線束進行了研究測試。結果表明,在線束兩端的焊接強度方面沒有發現差異。此外,機械強度比采用傳統線性工藝達到的強度高出約 30 %。


        Telsonic 的 PowerWheel® 標準焊頭專門針對銅線和鋁線優化,滿足 OEM 和線纜制造商的要求,并符合 USCAR 38 標準(超聲波焊接電纜端子的性能規范)。與傳統超聲波焊接一樣,PowerWheel® 系統還可以用于焊接有色金屬。


        PowerWheel® 焊接優勢一覽


        ●     創新性的鐘擺式振動模態;

        更少的斷線率, 焊縫的過渡區域更小的線損傷;

        焊接面振幅無衰減,更好的焊接面外觀品質,減少因過焊導致的發黑及色差現象;

        特殊振動模態,附帶損傷小,振動更柔和;


        ●     超強焊接能力中間施力, 效率高

        確保線束品質及外觀前提下, 可實現更大的接強度, 實現更好的CPK

        最大14.4Kw 及8000N 焊接力,可實現最大 160 mm2 的銅線/ 最大200 mm2 的鋁線

        可實現更大焊線高度, 從而實現更小焊接寬度,約30 %


        ●     超大避位空間三面可操作及上下料;

        可焊接特殊避位空間產品

        方便維護


        ●     高效率

        水冷系統, 短焊接時間

        高OEE



        必要設備


        與傳統超聲波焊接一樣,超聲波扭轉焊接機具有電箱、換能器和焊頭。然而,與傳統系統相比,焊頭不會縱向擺動而是扭轉擺動,這就是減少部件應力的方式。同時,高達 14.4 kW 的超聲波輸出功率可以通過焊頭傳遞。因此,電箱在扭轉過程中形成的電振動會傳遞到 PZT 振動變壓器中,通過壓電效應轉換為機械振動。通過在 SONIQTWIST® 振動頭中以特定順序裝配聲學組件, 可以將線性產生的振動轉換為扭轉運動。


        全新 PowerWheel® Telso®Terminal TT7 超聲波金屬焊接系統用途廣泛,適用于多種應用,包括電纜裝配和電池生產。其應用包括采用多樣化設計焊接的高壓線、電池端子、3D 端子、母線和電池接頭。


        圖片

        圖:PowerWheel® TT7 焊接區域


        憑借緊湊現代的設計,這款模塊化系統帶來一系列優勢,包括使用數字化技術實現精準流程控制、標準接口可供數字聯網和輕松集成至自動化系統。這款新型系統也標配整合新一代 Telsonic 成熟的 PowerWheel® 焊接技術,針對橫截面高達 200 mm2 金屬線纜焊接,可確保優良可靠性和精準的流程控制。 


        PowerWheel® 焊接技術 – 實際應用案例


        1、焊縫寬度小,不損傷細小的電纜股線


        在圖所示的應用中,高質量的 35 mm2 ProEVTM 電纜焊接到Rosenberger 連接器上,它為這種尺寸的線纜提供了有限的空間。由于高度的靈活性,ProEVTM 電纜是這種應用的理想之選。然而,10 mm 而非11 mm 的可用焊縫寬度和柔性細線帶來了一些挑戰。這需要一種能夠在較小空間上提供焊縫的解決方案,在這樣的空間內可以實現所需的焊縫壓實,而不會損傷焊縫過渡區的細線。


        圖:ProEVTM 電纜由隸屬于 ECI 公司的 Promark Electronics 生產,焊接到 Rosenberger 公頭鍍銀連接器上


        解決方案:


        利用扭轉 PowerWheel® 焊接技術系統,在柔性 ProEVTM 35 mm2 電纜和10 mm 寬的連接器之間實現優質焊接。工具的設計和配置必須確保補償因延續使用的連接器半徑而導致的有限夾緊力。這種工具設計和配置解決方案可提供足夠的焊接能量,從而實現優質焊接。


        2、大避位空間要求的應用


        90° SQ4 端子由 C15100 銅合金制成,焊接區域無電鍍。此應用需要焊接 35 mm2 和 50 mm2 的電纜。用于 50 mm2 的端子片寬度從 13 mm 改為18mm,以適應 15 mm 的焊接寬度。當使用 15 mm 焊頭時,這也可以在端子每一頭實現 1.5 mm 的夾持寬度。但是,約 17 mm 的連接器高度對傳統縱向超聲波焊接工藝的焊頭間隙提出了挑戰。在物理上無法設計出能夠留空17 mm 高度且仍高效提供所需 20 kHz 頻率的線性焊頭。


        圖:90° SQ4 端子焊接到 50 mm2 電纜


        解決方案:


        利用扭轉 PowerWheel® 系統留空連接器高度,并通過 SQ4 端子為 35 mm2 及 50 mm2 電纜實現優質焊接。通過焊頭定向可以實現與 90° 端子保持間隙,并提供充足的焊接能量來實現優質焊接,而且得益于溫和的振動,并不會影響過渡區域內的細線或連接器本身。


        3、更多具有挑戰性的應用示例


        以下是 Telsonic PowerWheel®系統可以解決的有關在絞合線上超聲波焊接端子的一些額外應用和挑戰:



        ① 含管狀電纜接線片的高壓電纜套件 –焊接被證明可以與 PowerWheel®配合。


        ② 屏蔽電纜 – 當連接器的表面積受到限制時,可以在較小的焊接區域內焊接可達200 mm2 的大型電纜。


        ③ 短電纜兩端焊接 – 通過線性焊接焊接短電纜的兩端可能使第二次焊接振動破壞第一次焊接。扭轉焊接的振動效應小得多,因此,它可以焊接短至4 英寸的電纜。


        ④ 3D 端子 – PowerWheel® 提供更便于接近焊接區域的優勢。


        ⑤ 配備 Al 電纜的大功率鎖盒端子– Royal Power Solutions 端子 SQ4,在這種情況下約 17 mm 高。PowerWheel® 是接近焊接區域的方法。


        ⑥ 端子兩股編織線 – 編織線具有非常細的股線,如果不用更溫和的扭轉振動,可能會有更多的斷線。


        創新和迅猛增長的電動汽車市場需要全新、正在開發的解決方案來應對未來的挑戰。扭矩焊接已成為業界重要的接合工藝。除了用于電池電纜端接各種連接器的解決方案外,這項技術還提供用于電動汽車重量控制、電池封裝、母線、電池制造和電力電子系統的焊接解決方案。應用能力的擴展已經超出了之前的想象。隨著產品設計師和工藝工程師不斷熟悉扭轉焊接工藝及其能力,這項技術將助推電動汽車行業達到更高的高度。



         *以上文字內容及配圖均由泰索迡克提供

         
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