锂电池极片超声波金属焊接机的设计步骤

锂离子电池电极焊接是指锂离子电池正负极的铜 箔与镍片焊接、铝箔与铝片焊接、铝片与镍片焊接。 铜箔厚度为0.08 mm左右.铝箔厚度为0.01 inm 左 右,镍、铝片为0.1 mm左右。常用的焊接设备有电 阻点焊机、激光点焊机、超声波焊接机。现有超声波金属 焊接机存在加工精度不高,振幅、能量无法数字控 制,焊头更换调整困难,匹配不好容易使焊头发热与 震裂等缺陷,难以满足锂电池铜箔或铝箔这类极薄工 件的焊接。本文设计了一种全数字化控制的超声波锂电池电极焊接设备,其具有自动频率跟踪、焊头频率 自动搜索与存储、数字化振幅控制、多组参数存储、 焊接输出功率图形显示、焊接质量上下限控制设定、 故障保护等功能。

1超声波金属焊接机的结构设计

超声波金属焊接机是利用高频振动波传递到2个需焊接的金属表面,在加压的情况下,使2个金属表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。图1为电池正极铝箔与铝片,负极铜箔与镍片焊接后的效果图超声波金属焊机结构包括超生换能器、变幅杆、焊接模具、组装法兰、支架以及气压装置,结构示意图如图2所示。

现有超声波金属焊接机换能器中心频率以20,30.40 kHz为主,本设计选用了一个40 kHz的换能器 超声波金属焊接中心谐振频率最终由换能器、变幅杆和焊头及负载的机械共振频率所决定,因此要求发生器的工作频率能够跟随负载温度等环境的变化,实现频率自动跟踪。焊头、变幅杆均被设计为一个工作频率的半波长谐振体,在工作状态下,两个端面的振幅最大,应力最小,而相当于中间位置的节点振幅为零,应力最大,设计为纵向振动。在焊接位表面,底座表面设计有菱形网纹,用于防止金属件的滑动。尽可能将能量传递到焊接位。

2 超声波金属焊接机电源电路结构

本超声波金属焊接电源系统采用ARM嵌入式微处理器作为控制芯片,基于WINCE操作系统,由触摸屏彩色液晶完成加工参数的设置、过程参数的显示。由交流整流滤波电路、全桥逆变电路、高频变压器及匹配电路构成控制主电路。输出电流经过带通滤波及电流有效值偏差检测电路,送入到压控振荡器组成频率跟踪电路。输出电压电流信号送人到乘法器,进行功率计算.微处理器对功率进行实时采样和能量计算。输出两路相位可变的频率信号,加到逆变驱动电路.实现输出功率的调节。系统采集电源电压信号、输出电压电流信号以及频率偏移信号,实现电压补偿、故障报警及保护。系统同时集成换能器及工具头的气压系统的控制电路、以太网/RS485/R$232通信接口电路。主电路原理图如图3所示,系统电路结构框图如图4所示。

3 振幅控制及振幅阶梯输出实现

移相PWM控制
为了达到振幅输出的精细控制.本系统设计了基于移相控制技术的功率驱动电路。ARM控制器根据设定的能量值或幅度,输出两路相位可变的超声频率信号PWMA和PWMB,改变两路信号的相位差就可以实现输出能量的调节,控制精度可以达到O.1J控制波形如图5所示。

振幅阶梯输出
锂电池电极在焊接过程中所需能量较小,要求焊接振幅均衡,能量变化不能太大,否则容易使极片震裂,同时为了提高加工效率及质量,焊接完成后,极片与焊头要充分分离。根据其焊接工艺的要求,本电源设计了可编程缓启动以及振幅阶梯输出程序。图6为缓启动及振幅阶梯输出过程图。缓启动电路可以避免系统在启动时焊头与工件接触不好,系统失谐的情况下造成极片开裂.损坏换能器及功率电路。缓启动时间乃可以由程序设定,较小工件时设置较短的缓启动时间,提高效率;较大工件时,设置较长的缓启动时间,达到保护电路的目的。焊接结束前施加较小的二次超声能量,可以使极片与焊头充分分离,施加二次超声能量的时间 也可以根据实际加工情况通过参数设定。

4焊头频率搜索及频率自动跟踪电路

 焊头谐振频率自动搜索与存储
焊接模具和焊接工件的改变。往往需要进行手动调整系统的工作频率.这个过程需要熟练的技术人员经过多次调整才能完成。本系统设计了一套自动谐振频率搜索与存储电路,系统每次冷启动时,ARM 控制器以一个很小的功率对系统进行扫频,同时检测输出功率和输出电流有效值偏差,能自动将输出功率较大, 电流偏差较小的频率点存储下来,作为谐振中心频率。同时系统的幅频特性曲线以图形的方式在液晶上显示出来。当检测谐振频率偏差较大时 发出频率偏移报警。
4.2 频率自动跟踪
在超声波焊接过程中,温度、焊接压力、负载等因素的变化.引起固有谐振频率变化使系统的振动失谐、振幅降低,影响加工质量,同时换能器工作在失谐状态会因过热而损坏。因此超声波电源输出频率自动跟踪系统固有频率变化是解决超声焊接振幅稳定的关键。
频率跟踪目前有以下几种典型系统: (1)采用电流信号将换能器设定在电流最大的工作状态; (2)采集输出电流信号和电压信号,将两者相乘得到换能器的电功率信号将换能器设定在电功率最大的工作状态; (3)采集电流信号和电压信号,通过鉴相器得到两者的相位差信号,使换能器工作于电流和电压同相的状态。上述方法在实际工作中由于电路失谐时,电流波形畸变,无功电流的产生以及存在多个谐振点等因素。往往难以达到理想效果。本系统采用一种新型的频率跟踪方法。即通过检测输出电流的有效值偏差来控制频率的发生。在一个电压周期内,如果电压、电流不同相,那么在这个电压周期的正负半周的电流的有效值也是不同的,通过检测电流有效值偏差来控制频率发生器,从而达到自动频率跟踪的目的,避免了采用电压、电流相位差检测中电流波形畸变的影响。电路结构图如图7所示。 频率自动跟踪测试本系统设计为一个40 kHz。800 W 的超声波金属焊接电源。换能器频率特性如图8所示,系统设计工作在并联谐振频率( ),频率为39.665 kHz。换能器工作于并联谐振频率时 ,其输出功率会随负载的变化而自动调节,这样可以保证换能器在有载时得到足够的功率。而在空载时避免了因承受过大功率而损坏。系统在空载情况下电压电流波形如图9所示。该空载电流很小,输出功率也很小,避免换能器在空载时发热。而负载时,输出功率增大,电源系统能够很好地跟踪频率的变化,负载情况下的电压电流波形如图10所示。电流波形在空载情况下不是一个理想的正弦波,如果采用传统的电压电流锁相(PLL)方法将无法得到一个正确的相位差,也就无法正确地跟踪系统频率的变化。而本文设计的电流有效值偏差频率自动跟踪方法可以有效地避免电流畸变引起的跟踪错误。

结语
本电源系统具有时间控制、能量控制等模式,数据采集速率能达到2000次/s,时间控制精度可达到1 ms,能量控制精度为0.1 J。系统具有电源过欠压报警、过流报警、过热报警、频率漂移报警及焊接过程中超出能量上下限的产品质量缺陷报警,同时系统提供以太网、RS485/RS232通信接口、MODBUS协议,可直接与PLC通信。本系统已用于生产,效果良好。
【 浏览次数: 】 【 加入时间:2012-12-13 9:35:34 】
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