随着国内新能源汽车产业的不断发展，汽车行业对于焊接技术的需求也在不断升级。新能源汽车采用的材料、结构和工艺等方面都与传统汽车存在差异，因此需要更加高效、环保、经济的焊接技术来满足生产需求。在这一背景下，超声波焊接技术作为一种高效、环保、经济的焊接方法，正逐渐受到汽车行业的青睐。该技术具有高质量、高效率、低成本、无污染等特点，适用于汽车内饰板、动力电池、电机等部件的生产。
超声波焊接
超声波焊接根据焊接对象的不同，主要可分为金属焊接、塑料焊接等。超声波焊接相比其他焊接技术有其独特的技术优势。在金属焊接方面，具有以下几点优势：
其一，焊接材料不熔融，近冷态焊接；
其二，焊接后导电性好，电阻系数极低；
其三，对焊接金属表面要求低，氧化或电镀均可焊接；
其四，焊接时间短，不需任何助焊剂、气体、焊料；
其五，焊接无火花，环保安全等优点。
超声波金属焊接是固相焊接技术，焊接过程中达不到金属材料的熔点，其过程是将焊件置于焊座上，焊头在压力作用下在焊件表面来回高频振动摩擦，焊件界面间氧化物或污染被破坏挤走，从而形成纯净金属之间的接触，在高频超声摩擦的作用下，接触的金属发生塑性变形及流动，形成局部连接区域；随着超声能量的持续增加，金属塑性流动进一步增强，局部连接区域不断扩展融合，进而形成焊接接头。其既可以焊接同种材料，也可以焊接异种材料，特别适合焊接一些较软的和高导热性的材料，如铝、铜、镍等。
超声波金属焊接原理图 资料来源：浙商证券研究所
超声波非金属焊接是熔化焊技术，其利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦，局部产生高温，达到材料熔点，形成分子层之间的熔合。在汽车内饰板制造中，超声波焊接技术可以有效地将不同材质的零部件进行连接，比传统的机械连接方式更加坚固且无需使用额外的辅助材料。
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工博士超声波非金属焊接项目
超声波焊接助力新能源动力电池产业发展
由于动力电池生产过程的工序复杂性、材料特殊性与多元性、工艺参数敏感性与高标准，生产制造设备的技术先进性成为动力电池设备的关键因素。在动力电池装配制造过程中有大量的焊接接头，当焊接接头强度不足时，将造成电池组内部电阻增大，不能有效供电；当焊接过度时，焊接热量过大，电池芯和电极盖将被焊穿，容易造成电解液泄漏和电池组电路短路，造成电池报废。因此，接头焊接质量对电池组的性能可靠性起着决定性的作用。
目前，动力电池焊接最常见的技术路线为激光焊接和超声波焊接，两者的焊接原理、技术特点、优劣势有所不同，分别应用在电池生产的不同环节。
超声波焊接与激光焊接示意图 资料来源：浙商证券研究所
以锂电池为例，其生产工艺流程分为电芯制造、电芯装配、电芯检测和电池组装4个环节。其中超声波金属焊接设备，主要应用在电芯中段的极耳焊接环节。动力电池极耳是从动力电池电芯中将正负极引出来的金属导电体，动力电池的电芯一般通过卷绕或叠片工艺而成，每层电芯箔片伸出一层极耳箔片，卷绕或叠片完成后多层极耳箔材会贴合对齐在一起，一般正极为多层铝箔片，负极为多层铜箔片。极耳焊接是指将多层极耳箔片和连接片焊接在一起，其中，正极连接片材料一般为铝，而负极连接片材料，方形电池通常为铜，软包电池通常为镍或铜镀镍。
锂电池电芯装配（中段工艺）环节 资料来源：浙商证券研究所
在多层极耳焊接工艺上，如果采用激光焊接，其在对电芯的潜在风险和焊后内阻等电池性能参数上，以及对极耳状态要求、焊接成本、焊接效率上，相较超声焊接均存在劣势。成本和效率随着激光技术的发展可能会得以改善，但是其他方面的劣势难以解决，因此，超声波焊接在多层极耳焊接的环节中具有难以被取代的地位。
打破垄断，国产超声波技术崛起
超声波设备制造业是一种技术密集型行业，技术创新是该行业可持续发展的主要驱动力。在全球市场上，由于美国、德国、瑞士等发达国家企业起步早，技术研发积累深厚，因此市场对进口设备的依赖度较大。而近年来，国内企业通过持续的研发积累，不断突破超声波技术瓶颈，打破国外在此项技术的垄断地位。
工博士超声波焊接汽车内饰板
在功率超声工业领域，动力电池终焊、线束焊接、轮胎裁切、IGBT端子焊接等技术难度较高；而无纺布焊接、塑料焊接、小线径线束焊接、工业喷涂、工业清洗等技术难度相对较低。技术难度较高的领域市场主要由外国品牌占据大部分份额，而技术难度较低的领域则有更多的国内外企业参与竞争，市场份额相对分散，竞争激烈。
行业内国外的主要企业为美国必能信和美国Sonics等。必能信在锂电行业处于主导地位，在国产打破垄断前，宁德时代、比亚迪、中创新航、国轩高科、蜂巢能源、亿纬锂能、欣旺达、孚能科技等知名锂电客户均在量产线上使用必能信的超声波焊接设备。同时必能信与Sonics在国内动力电池金属焊接和裁切设备领域也拥有一定市场份额。
而国内的 超声波设备制造业主要企业为骄成、新栋力和科普等，业务涵盖动力电池金属焊接、消费类锂电池的焊接等领域。其中骄成在超声波焊接和裁切领域打破了高端动力电池极耳焊接市场和全套轮胎超声波裁切设备市场由外资企业垄断的局面。
超声波焊接 图片来源：网络
根据中国汽车动力电池产业创新联盟发布的数据显示，2021年国内动力电池装机量前十的企业均已采用国产 超声波设备。疫情的蔓延的情况下，全球产业链和供应链受到阻碍，国内企业逐渐意识到供应链安全的重要性，因此对国产设备的采购需求也在增加。这为具备国产替代能力的优秀国内企业提供了历史性机遇。国内企业在技术、服务等方面拥有优势，这将进一步提升超声波设备的国产化率。未来，随着国内企业技术的进一步提高，国产超声波设备的市场份额将持续扩大，领先企业的市场前景十分广阔。
来源：工博士微信公众号（ID:gongboshi99）
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