电池电动汽车包括电动、混合动力和插电式混合动力电动汽车. 电池无疑是电池电动车中极其关键的一环. 相比于其他电池，锂电池具有高储存能量密度、高功率承受力、重量轻、高低温适应性强以及寿命长等优点. 焊接技术作为锂电池制造工艺中的关键一环[1]，任何极片如铜/铜、铝/铝和铜/铝，对应的连接接头缺陷都会造成锂离子电池内阻增大和电压降低，将极大的影响锂离子电池的品质[2].
超声波金属焊接作为一种优质、高效、低耗和清洁的固相连接技术，具有焊接周期短、焊接界面温度低、无需助焊剂以及低能耗等优点，适用于铜、铝等高导电、高导热材料的焊接[3]. Sasaki等人[4]通过高速摄像仪观测焊头、上铝板以及下铝板的动态振动过程，发现其相对运动影响着界面的连接，但是高速摄像仪的空间分辨率局限于2 μm 并且测量时间局限于600 ms. Lu等人[5]通过光子多普勒测速仪实时测量了铝合金超声波点焊过程中焊头、上铝板、下铝板以及底座之间的相对运动，将超声波焊接过程分为：滑动、滑动-粘着、粘着和过焊四个阶段. 由于焊头、底座与铝板相粘黏，使四者之间的相对运动关系更加复杂，以上研究皆是针对铝合金的超声波焊接.
文中通过激光位移传感器实时测量焊头、上铜板以及下铜板的振幅的动态变化，结合焊头的嵌入深度、界面温度变化曲线以及断面的微观演变，阐述其焊接界面的相互作用机制.
由患者的门诊和住院就医风险度可知(如表5)，门诊自付费用给低收入组和中低收入组的患者带来了很大的风险(矫正RR值大于1)，低收入组门诊就诊经济风险度是高收入组的约28倍。随着收入水平的增加，患者门诊就诊的经济风险也逐渐缓解。
试验采用瑞士Telsonic公司生产的M5000侧向驱动的超声焊接设备，最大输出功率4 kW，超声振动频率约20 kHz，所用工具头(Sonotrode)面积为5 mm×8 mm，由9条条形齿纹组成。试验中所用铜板厚0.8 mm、长70 mm、宽25 mm，搭接区域的面积为25 mm×25 mm. 焊接压强为0.25 MPa，焊接时间为0.2～0.9 s，时间间隔为0.1 s. 采用KEYE NCE LK-G5001激光位移传感器测量焊接过程中工具头的嵌入深度，焊头、上铜板以及下铜板的动态振动位移，如图1所示. 测量时，焊接区域均位于搭接区域中心. 该传感器测量频率为392 kHz，激光焦点直径为0.4 mm，测量精度0.005 μm. 为了准确获得三者之间的相对运动，运用激光位移传感器，在相同焊接条件下，分别对工具头、上铜板以及下铜板的振动过程进行多次重复测量. 采用直径为0.25 mm的K型热电偶对焊接中心区域的温度进行测量. Labview控制NI-6133数据采集卡以1 MHz的采样频率对焊头的下压位移信号、焊头和铜板的振动信号进行采集. 同时采用扫描电子显微镜(Quanta2000，FEI，USA)观察焊接断面的微观演变以及对应焊接界面显微组织. 采用型号CMT5105的电万能试验机对焊后试样以5 mm/min的拉伸速率进行测试，获得峰值载荷以及断裂模式随焊接时间的变化规律.
卓越大禹 质量为先——写在甘肃大禹节水荣获首届甘肃省政府质量奖之际…………………………………………… 许忠贤，田小红(3.66)
图1 工具头以及铜板振动位移的测量示意图
Fig.1 Schematic diagram of measurements on vibration displacement of the sonotrode and the copper sheets
焊头振幅的动态变化及其上下包络线如图2a所示，振幅的计算如式(1)所示，即
图2 振动位移及振幅变化规律
Fig.2 Vibration displacement and amplitude variation law
式中：ξ0是振幅. ξU， ξ L分别为超声振动过程中的上下包络线.
工具头、上/下铜板的振幅变化过程如图2(b)所示，上铜板的振动幅度随工具头快速增加，焊接时间为0.1 s之前，其振幅略大于工具头的振幅，这与文献[5]中焊接初期上板和工具头的相对运动的报道相符合. 由图3可知，焊接时间小于0.1 s时，工具头嵌入深度小于0.05 mm. 由于界面下压深度太小，焊头无法完全控制上铜板的运动，导致上铜板在机械惯性的作用下，其振幅甚至超过了工具头的振幅.
图3 界面温度以及界面下压位移的变化曲线
Fig.3 Variation curve of the interface temperature and the interface pressing displacement
根据图2b，上/下铜板的相对运动将焊接过程分为三个阶段：第一阶段(0～95 ms)，上/下铜板存在较大的相对运动，并且界面的相互作用产生了大量的摩擦热. 在工具头的作用下，上铜板的振幅迅速增大. 通过界面的相互摩擦，上铜板带动下铜板以相同的频率振动，当焊接时间为20 ms时，下铜板的振动幅度(3 μm)远小于上铜板的振动幅度(24 μm)，如图4a所示. 两板之间的相对运动，在焊接压力作用下，使界面产生了微动摩擦. 相互摩擦去掉了待焊界面的氧化物以及污染物，使纯净的金属在焊接压力作用下紧密贴合，在相互摩擦作用下，界面温度迅速上升，由图3可知，当焊接时间为95 ms时，焊接界面温度增至230 ℃. 在高温和摩擦力的相互作用下，焊接界面在凸起处首先形成局部连接，对应焊接断面可以观测到少量的“刮痕”. 局部微连接有利于上板带动下板的振动，下板的振幅迅速增加. 当焊接时间为95 ms时，由图4b可知，下铜板的振幅增至 11 μm. 第二阶段 (95～490 ms)，工具头与上铜板的相对运动显著增加，被焊铜板发生了显著的塑性变形. 上/下铜板形成的局部连接，增大了上铜板运动的阻力，工具头对上铜板的最大静摩擦力不足以驱动上铜板等振幅的运动，于是上铜板的振幅开始减小，当焊接时间为490 ms时，由图4c可知，上铜板的振幅减至15 μm. 工具头与上铜板的相对运动在焊接压力作用下产生了大量的摩擦，促使上铜板发生了剧烈的塑性变形，工具头的嵌入深度显著增大，如图3所示. 第三阶段(490～600 ms)，上/下铜板振幅达到一致. 焊接有效连接面积的增大，使上/下板的连接更加牢靠，工具头带动上板振动时，下铜板随上铜板以相同的振幅周期性振动.该阶段，下铜板已发生了剧烈的塑性变形，底座对铜板的摩擦阻力减小，在工具头的作用下，上下铜板的运动速度增大，所以可以观测到上/下铜板振幅在该阶段有所增加，这与文献[6]中报道的一致. 由图2b可知，该阶段，两铜板的振动幅度显然小于工具头的振动幅度. 这意味着工具头与铜板之间依然存在相互摩擦，这有利于界面温度的升高以及有效连接面积的增加.
目前我县个体农机维修网点分布在全县28个乡、镇，普遍存在占地小、维修人员少、维修设备简单且数量不足，多数维修网点是家庭式作坊、门铺式维修，维修设施、工具不全，场地简陋，环境卫生达不到维修技术的要求，致使农机不能按技术要求维修，相应地减少了收入，又给机手带来不便。维修人员虽然获取了从业资格证书，但90%以上都是初级，综合素质和技术水平普遍较低，造成此现象的主要原因：大部分维修人员文化程度低，只有初中以下文化。又不愿意参加专业化的新技术培训，知识更新能力较差，对老式农业机械还可以，对新型农机出现的故障便是无从下手，这样的技术水平已经不能适应现代农机科技的发展，一定程度上阻碍了农机维修业的发展。
图4 工具头、上铜板和下铜板在不同特征时间点的相对运动
Fig.4 Relative motion among the sonotrode， the upper and the lower copper sheet at the characteristic time
图4 焊接断面的微观演变
Fig.5 Microstructure evolution on the fracture surface of the joints
焊接断面演变过程如图5所示，超声波金属焊接初始阶段，焊接界面在微凸点处开始形核，局部形成微连接， 焊接时间为95 ms， 焊接断面可以观察到撕裂棱， 如图5a所示. 随着焊接时间的增加，连接区域迅速增大，焊接时间为200 ms时，焊接断面发生塑性变形的区域明显增大，金属平面区域显著减小，如图5b所示. 由图6可知，此时焊接界面存在连接区域与未连接区域，且连接区域的微观形貌明显不同于母材. 这是由于在高温与塑性变形的共同作用下，局部发生了动态再结晶，形成了大量新的晶粒，从而使对应区域产生有效的连接[6-7]. 拉伸测试过程中，两板在局部有效连接区域发生相互“拉扯”导致对应区域出现塑性变形，形成了“撕裂棱”. 当焊接时间为500 ms时，冶金连接区域沿超声振动方向呈连续的带状分布，粘着点几乎扩展至整个焊接界面，如图5c所示. 对其进行局部放大，由图5d可知，其焊接断面出现了大量的韧窝，焊接接头达到可靠连接.
图6 焊接时间 200 ms 时，焊接界面的微观形态
Fig.6 Micromorphology of welding interface at the welding time of 200 ms.
由图7可知，焊接时间小于0.6 s时，焊接接头的抗拉强度随焊接时间的增加而增大. 当焊接时间从95 ms增至490 ms时，由图3可知，焊头嵌入深度从0.036 mm增至0.255 mm，占整个焊接过程嵌入深度的80.22%，对应焊接有效连接面积迅速增大，同时，抗拉强度随之从15 MPa增至100 MPa. 当界面有效连接面积略微大于焊头的面积时，焊接接头抗拉强度达到饱和[6]. 此时峰值载荷约为110 MPa，之后抗拉强度不再随焊接时间的增加而增大.
在教学方法准备方面，教师应指导家长多和幼儿互动，把图片、视频以及自身动作等加入教学讲解之中，调动幼儿的积极主动性，也可以多准备几个案例故事，以备不时之需，保证活动顺利完成。
图7 不同焊接时间下的Cu-Cu焊接接头抗拉强度
Fig.7 Lap shear tensile strength of ultrasonic welded Cu-Cu joints as function of welding time.
(1)铜/铜超声波焊接过程中，工具头始终保持均匀的振动、上铜板振幅呈现增大、减小再增大的过程，下铜板振幅呈现逐渐增大的过程.
(2)上铜板振幅上升阶段 (0～95 ms)，上/下铜板的相对运动产生了高频微动摩擦，不断去除界面氧化物和污染物并且出现了局部微连接；上铜板振幅下降阶段(95～490 ms)，焊头与上铜板的相对运动显著增加，促使上铜板发生了剧烈的塑性变形，焊头嵌入深度显著增大，焊接有效连接面积迅速增加；上/下铜板振幅大小一致阶段(490～600 ms)，焊接断面出现大量韧窝，界面连接强度足以使上/下板等振幅运动.
参考文献：
[1]Shao C, Kim T H, Hu S J. Tool wear monitoring for ultrasonic metal welding of lithium-ion batteries[J]. Journal of Manufacturing Science & Engineering, 2016, 2(5): 1 - 8.
[2]Lee S S, Kim T. Characterization of joint quality in ultrasonic welding of battery tabs[J]. Journal of Manufacturing Science & Engineering, 2013, 135(2): 2186 - 2199.
[3]Kim T H, Yum J, Hu S J, et al. Process robustness of single lap ultrasonic welding of thin dissimilar materials[J]. Cirp Annals-Manufacturing Technology, 2011, 60(1): 17 - 20.
[4]Sasaki T, Watanabe T, Hosokawa Y, et al. Analysis for relative motion in ultrasonic welding of aluminium sheet[J]. Science and Technology of Welding and Joining, 2013, 18(1): 19 - 24.
[5]Lu Y, Song H, Taber G A, et al. In-situ measurement of relative motion during ultrasonic spot welding of aluminum alloy using photonic doppler velocimetry[J]. Journal of materials processing technology, 2016, 231: 431 - 440.
[6]Yang J W, Cao B A, Lu Q H. The effect of welding energy on the microstructural and mechanical properties of ultrasonic-welded copper joints[J]. Materials, 2017, 10(2): 1 - 13.
[7]Bakavos D, Prangnell P B. Mechanisms of joint and microstructure formation in high power ultrasonic spot welding 6111 aluminium automotive sheet[J]. Materials Science & Engineering A, 2010,527(23): 6320 - 6334.
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