摘要：层叠式锂电池作为新能源汽车的动力来源，其关键材料及制造工艺的研发是当前的热点不足。锂电池制造主要包括制浆、涂布、焊接、装配、化成等工序，而焊接工序作为锂电池制造工艺中的关键一环，被运用于锂电池铝/铜正负集流体、极片以及电池封装等多个位置的连接，任何焊接接头缺陷都将显著影响锂电池性能的一致性。由此，如何保证锂电池金属极片的焊接接头质量是目前锂电池制造中亟待解决的关键不足之一。超声波金属焊接作为一种优质、高效、低耗、清洁的固相连接技术，适用于铝/铜等高导电、导热材料的连接，已得到国内外汽车制造商和锂电池制造企业的关注。然而，由于受材料属性（铝/铜/镍等）、材料厚度（10μm-1mm）变化的影响，焊接历程中摩擦产热、塑性变形的影响机制尚不明确，引起超声波焊接接头质量一致性差，工艺参数选择范围小等不足。针对上面陈述的不足，本论文首先建立了铝/铜金属极片超声波焊接实验系统，探讨了焊头面积、焊头齿深、压力、振幅、时间等工艺参数对接头强度的影响规律。其次，采取红外热成像策略探讨焊接历程中焊头-工件接触区温度的变化规律，揭示焊接历程的摩擦产热行为及其对接头形成的影响。再次，探讨焊接历程中工件与工件接触界面间塑性变形规律，揭示塑性变形对接头形成的作用机制。最后，建立基于响应面法的焊接工艺参数优化模型，获得最优焊接工艺参数，以提升接头质量。本论文的主要探讨内容及结论如下：（1）焊头-工件接触区温度试验探讨针对极片超声波焊接历程中的摩擦生热，探讨了工艺参数对焊头-工件接触区温度的影响规律，根据焊头-工件接触区温度的变化监测超声波焊接接头强度的变化，以实现接头质量的在线检测。结果表明：焊接历程中被焊材料未达到熔点，极片超声波焊接为固相连接，而不是熔化连接。当接触区温度等于临界值时，接头强度最高；接触区温度低于和高于临界值，都会降低接头强度。0.2mm铜/铜、铝/铝、铝/铜超声波焊接历程中的临界温度分别为179.5℃、77.4℃、79.1℃。（2）工件与工件结合区塑性变形试验探讨采取金相检验、SEM、EDS等策略，实验探讨了工艺参数对极片超声波焊接接头工件与工件结合区塑性变形的影响规律。结果表明：铜/铜、铝/铝同种金属焊接时，工件与工件接合区受塑性变形的作用，形成机械嵌合连接。铝/铜异种金属焊接时，接合区未形成稳定的金属间化合物，但有着元素扩散现象。提出采取有效厚度和有效连接长度表征结合区塑性变形的策略，增大焊接压力、焊接振幅、焊接时间都能够提升接头有效连接长度。最后，建立塑性变形与接头强度的定量联系模型，确定临界有效连接尺寸。（3）基于响应面法的超声波焊接工艺参数优化策略以铝/铜材料超声波焊接为例，采取响应面和均匀试验设计策略，建立焊头面积、焊头齿深、焊接压力、焊接振幅、焊接时间等参数与接触区温度的响应面模型，得出焊头齿深、焊接时间是影响工件温度的主要因素。考虑工件的临界温度，获得铝/铜连接的最优参数，焊头形貌为面积33.65mm~2，齿深0.31mm；采取中等焊接压力、大焊接振幅、短焊接时间能够得到高质量连接接头，最优参数为1.52kN，24.4μm，0.067s。关键词：锂电池论文超声波焊接论文接头强度论文接触区温度论文塑性变形论文
摘要5-7
ABSTRACT7-12
第一章 绪论12-22
1.1 探讨背景及作用12-14
1.1.1 探讨背景12-13
1.1.2 探讨作用13-14
1.2 超声波金属焊接探讨近况14-19
1.2.1 锂电池连接的探讨进展14
1.2.2 超声波金属焊接机理探讨近况14-17
1.2.3 焊接工艺参数及优化的探讨近况17-19
1.2.4 小结19
1.3 探讨内容19-22
第二章 超声波金属焊接试验系统及质量评价22-30
2.1 引言22
2.2 超声波金属焊接历程浅析22-23
2.3 试验系统搭建23-25
2.3.1 超声波金属焊接系统23-24
2.3.2 焊接试样24
2.3.3 工艺参数获取24-25
2.4 工艺参数对接头拉剪强度的影响25-29
2.5 小结29-30
第三章 超声波焊头-工件接触区温度变化规律探讨30-44
3.1 引言30
3.2 焊接历程摩擦生热及温度测量策略30-33
3.2.1 摩擦生热历程30-32
3.2.2 基于红外热成像的温度测量策略32-33
3.3 摩擦生热历程中接触区的温度变化33-35
3.4 工艺参数对接触区最高温度的影响35-40
3.4.1 焊接压力35-37
3.4.2 焊接振幅37-39
3.4.3 焊接时间39-40
3.5 接触区临界温度的确定40-43
3.6 小结43-44
第四章 焊接历程工件与工件结合区塑性变形规律探讨44-64
4.1 引言44
4.2 焊接历程中结合区的塑性变形44-48
4.3 工艺参数对结合区微观形貌的影响48-55
4.3.1 焊接压力48-50
4.3.2 焊接振幅50-52
4.3.3 焊接时间52-55
4.4 结合区的临界有效连接尺寸55-62
4.5 小结62-64
第五章 基于响应面法的超声波金属焊接工艺参数优化模型64-76
5.1 引言64
5.2 响应面模型的建立64-68
5.2.1 响应面设计策略64-65
5.2.2 试验因子设计65-67
5.2.3 响应面模型的建立67-68
5.3 响应面模型浅析68-74
5.3.1 拟合精度与方差置信浅析68-69
5.3.2 参数权重浅析69-70
5.3.3 工艺参数影响度浅析70-73
5.3.4 最优工艺参数的确定73-74
5.4 本章小结74-76
第六章 总结与展望76-78
6.1 主要探讨内容及结论76-77
6.2 本论文的不足之处与探讨展望77-78
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