铜铝排专题：超声波扭矩焊

铝排与导电铜环的焊接是铝排应用的关键工艺，其核心需求是高强度接头、低电阻导电、高量产一致性。

超声波扭矩焊凭借对 “异种金属 + 环形结构” 的精准适配，成为该场景的优选技术方案。

 艾默生必能信的超声波扭矩焊视频：

一、铝排导电铜环的焊接难点

铝排（导体载体）与导电铜环（电流传导 / 换向部件）的焊接存在两大核心挑战，而超声波扭矩焊恰好针对性解决：

1、异种金属焊接难题：

铝与铜的物理性质差异极大（熔点 660℃vs1085℃、导热率 237 vs 401 W/(m・K)）；传统熔焊（如激光焊、电弧焊）易产生脆性金属间化合物（Al₂Cu、AlCu） 、热裂纹、氧化层，导致接头强度低、导电损耗大；

2、环形结构焊接痛点：

线性超声波焊接的焊头做往复直线振动，振动能量沿焊头长度方向传递；

由于振幅从焊头端头（能量输入端）向节点（能量衰减端）逐步衰减，针对环形铜环（如 φ16-φ25）焊接时，圆周不同位置振幅差异显著（如 φ20 铜环外侧振幅 100%，内侧仅 80%），导致环形接触面能量分布不均；

最终出现 “外侧能量过剩致过焊、内侧能量不足致弱焊”，直接破坏导电均匀性。

超声波扭矩焊通过焊头贴合铜环，高频旋转传递均匀振动与压力，破除铝铜氧化膜，促原子固态扩散，无高温熔化，形成高强度低阻接头。

从根源规避线性焊接的痛点，满足铜铝转换场景对 “低电阻、高稳定性” 的特殊要求。

二、超声波扭矩焊焊接原理

铝排导电铜环超声波扭矩焊的本质是机械能驱动的固态扩散连接，无需高温熔化金属，核心过程可分为 3 个阶段，关键在于“向心旋转振动” 设计：

1、能量输入与振动传递

超声波发生器将电能转化为 20-40kHz 的高频机械振动，传递至定制化环形焊头（根据铜环外径或者内径设计）；

焊头在预设压力（通常 500-1500N）作用下与铝排表面贴合，并围绕导电铜环的圆心做向心旋转运动（圆周线速度一致，无振幅衰减），确保铝排与铜环的环形接触面每一点都获得均匀的振动能量。

焊头在预设压力（通常 800-1800N）作用下，与铜环外圆表面紧密贴合，确保贴合面积≥95%；随后焊头围绕铜环圆心做向心旋转运动，带动铜环同步高频振动。

2、界面作用：

高频旋转振动使铝排与铜环的接触面产生剧烈摩擦，摩擦能量转化为局部微热（温度通常 < 300℃，远低于两者熔点）；

同时机械振动破除铝表面的致密氧化膜（Al₂O₃）和铜表面的氧化层（CuO），暴露新鲜金属基体；

压力与振动共同作用下，接触面金属发生塑性流动，填补微观间隙，实现铝、铜原子的紧密接触（间隙 < 10⁻⁹m）。

3、冶金结合：

紧密接触的铝、铜原子在微热与压力下发生固态扩散，跨越界面形成晶格连接（无熔池、无脆性相生成）；

最终形成 “铝 – 铜扩散层” 接头，该接头具备高强度（推力可达 12000-16000N）与低电阻（接头电阻 < 50μΩ，接近基材本身电阻）特性。

三、量产验证：实际应用案例与数据表现

以某新能源汽车导电组件（上工件：铜环，下工件：铝排，焊接面积≈80mm²）的量产案例为例，技术指标完全超越客户要求：

数据来源：泰索迟克。

四、关键工艺要点

在实际生产中，需重点控制以下 3 个参数，以最大化超声波扭矩焊的优势：

焊头设计：

需根据铜环内径或者外径定制 “环形贴合式焊头”，确保焊头与铝排的接触面积≥焊接面积的 95%，避免局部能量集中；

焊接参数匹配：

铜环壁厚 3mm 时，压力 1200-1500N、振幅 40-45μm；壁厚 5mm 时，压力 1500-1800N、振幅 45-50μm；（根据实际项目调整）

工件清洁度：

虽无需复杂预处理，但需确保铝排、铜环表面无油污（油污会削弱摩擦效果），建议采用酒精擦拭（清洁度≤5mg/m²），避免影响原子扩散。

无、总结：

铝排导电铜环超声波扭矩焊并非简单的 “焊接技术升级”，而是针对 “异种金属 + 环形结构 + 导电需求” 的定制化解决方案—— 其通过 “固态连接” 解决了铝铜熔焊的脆性相问题，通过 “圆周均匀振动” 解决了环形件的焊面均匀性问题，同时满足导电场景对 “低电阻、高稳定” 的核心要求，是当前该领域成功量产的技术方案之一。

图片和数据来源：TELSONIC泰索迟克、必能信

本篇文章来源于: 新能源安全技术