バッテリータブ用4000W超音波金属溶接機 | TOB-20K-4000W

TOB-20K-4000W 20kHz高出力超音波金属溶接機（バッテリータブおよび多層箔溶接用）

製品概要と理想的な用途

超音波金属溶接機は、異種の薄い金属ワークピースを、充填材、フラックス、または大規模な溶融を必要とせずに接合します。TOB-20K-4000Wは20 kHzの高周波機械振動を発生させ、精密加工された溶接ホーンを通じて、制御された空気圧で金属積層体へ伝達します。振動せん断力によって表面酸化物が破壊・除去され、固相冶金結合が形成されます。これは、抵抗溶接やレーザー溶接で発生する熱影響部、スパッタ、消耗電極を伴わない、クリーンで高速な接合方法です。

TOB-20K-4000WはTOB 20Kシリーズの高出力モデルで、4000 W出力段を駆動する完全デジタル式ドイツ輸入超音波発生器を中心に構成されています。発生器はIGBTパワーモジュールと他励振発振回路を使用して、安定した高精度な20 kHz信号を生成します。自動周波数追跡システムはリアルタイムでトランスデューサの共振点に同期し、温度や負荷変化による変動を補正するため、手動調整なしで常に最高効率で動作します。一定振幅機能は、商用電源電圧が215～238 Vの範囲で変動しても設定したホーン振幅を維持し、シフト中の100回目の溶接でも最初の溶接と同一品質を実現します。

溶接ヘッドアセンブリは、ドイツ製ウェハ型トランスデューサ（X20）、ブースター（Y20）、および輸入高速度鋼から加工された2つの使用可能面を持つ溶接ホーンで構成されています。ヘッドは精密空圧シリンダー（ボア径63 mm、ストローク20 mm）に取り付けられ、上昇・下降速度を調整可能です。これにより、作業者は高速接近後に穏やかで制御された接触を行うよう設定できます。溶接パラメータ（エネルギー、時間、またはインテリジェント時間モード、1％～100％の振幅、分割電力プロファイル）は、高解像度タッチスクリーンインターフェース上で設定・保存されます。この画面には100件以上の溶接記録が保存され、インテリジェント故障アラームも提供されます。

適用対象:

1. EVおよびエネルギー貯蔵モジュールにおいて、円筒形、パウチ型、角型セルへ厚い銅タブ（最大C1100、0.25 mm）およびアルミニウムタブを溶接する大量生産バッテリーパック組立ライン。
2. 20～45層の箔を単一タブへ焼損や黒変なしで溶接するパウチセル多層積層用途。
3. 銅管封止、自動車ワイヤーハーネス組立、太陽光パネル相互接続、および厚いまたは高導電性材料積層体向けに4000 Wの超音波出力余裕を必要とするあらゆる生産環境。
4. 電極消耗をなくし、エネルギーコストを削減できるクリーンで低温の固相プロセスへ、空圧抵抗溶接機からアップグレードするメーカー。

バッテリーパック組立における高出力超音波溶接の位置付け

リチウムイオンバッテリーモジュールおよびパックの製造では、超音波溶接はタブをセル端子へ接合し、セル間の直列・並列電気接続を形成する標準的な方法です。工程フローは以下の通りです:

• セルの選別と配置– セルは容量と内部抵抗によって分類され、その後モジュールレイアウトを定義する治具へ配置されます。
• タブと端子の溶接– ニッケル、ニッケルめっき銅、または純銅タブが各セルの正極および負極端子へ接合されます。
• 相互接続溶接– 複数セルのタブを集約して互いに溶接するか、バスバーへ溶接して直列・並列ネットワークを形成します。
• BMSおよび電圧検出ワイヤーの取り付け– 多くの場合、これも超音波溶接または抵抗溶接によって実施されます。

TOB-20K-4000Wは工程2および3を処理し、高容量EVおよびエネルギー貯蔵セルに使用される、より厚く高導電性の材料で特に優れた性能を発揮します。低出力超音波溶接機では、推奨溶接時間を超えずに0.25 mm C1100銅タブへ完全な浸透結合を形成することが困難な場合がありますが、TOB-20K-4000Wの4000 W出力は、単一の短いパルスで結合を完了するためのエネルギー余裕を提供します。通常1秒未満で完了します。その結果、メーカーが指定する「層ごとの浸透、黒変なし」品質基準を満たす溶接が得られ、溶接強度は母材に近いレベルに達します。

厚いタブ向けの抵抗溶接に対する超音波溶接の主な加工上の利点:

厚い銅タブの抵抗溶接では非常に大きな電流が必要となり、セル内部のセパレーターや電解液を損傷する過剰な熱が発生する可能性があります。超音波溶接は固相プロセスであるため、発熱を材料間の接合界面に限定します。タブの大部分とセルは低温状態を維持し、セルの電気特性と安全余裕を保護します。

超音波金属溶接システムの動作原理

TOB-20K-4000Wは、正確に制御された一連の変換を通じて電気エネルギーを固相金属結合へ変換します:

1. 超音波発生:ドイツ輸入の完全デジタル発生器は、IGBTパワーモジュールと他励振発振回路を使用して、AC商用電源（220 V、50/60 Hz）を高精度に制御された20 kHz電気信号へ変換します。この構成により、近隣のモータードライブやインバーターからの電磁干渉に耐性を持つ、安定した低ノイズ電力変換を実現します。
2. 変換と増幅:電気信号は溶接ヘッド内に搭載された圧電トランスデューサ（X20、ドイツ製ウェハ技術）を駆動します。トランスデューサは電気振動を同じ周波数の機械振動へ変換します。この振動はブースター（Y20）を通過し、変位を20～40 µmの使用可能な半サイクル振幅まで増幅します。振幅は無段階調整可能です。
3. ワークピースへのエネルギー伝達:増幅された動きは、輸入高速度鋼から加工された2つの独立した使用可能面を持つ溶接ホーンへ到達します。ホーン面のパターンは、上側ホーンでは直線またはクロスハッチ（「米粒状」）を選択でき、下側アンビルではメッシュ状となります。これが金属積層体を把持し、振動せん断力を伝達します。ホーンは空気圧（シリンダー径63 mm、ストローク20 mm）によって下降し、速度調整が可能です。上昇・下降速度は個別に制御されるため、最終接触を穏やかに行い、薄い箔への衝撃損傷を防止します。
4. 溶接工程:事前設定された圧力（空気圧レギュレーターで調整可能、最大6 kg/cm²）の下で、ホーン先端は毎秒20,000サイクルで上部金属層に対して横方向に擦動し、下層はアンビルに対して固定されます。この差動運動により、材料界面に局所的な摩擦熱と強い塑性変形が発生します。酸化膜は破砕・分散され、清浄な金属面が露出します。原子拡散と塑性流動の複合作用により、数ミリ秒以内に固相冶金結合が形成されます。仕様では通常1秒未満です。超音波パルス前の予圧時間は0.02秒～10秒の範囲で個別調整でき、特定の積層構造に対応します。
5. インテリジェント制御と監視:DSPベースのコントローラーは、3種類の溶接モードを提供します。エネルギーモード（設定したジュール値で終了）、時間モード（固定パルス時間）、インテリジェント時間モード（結合完了を自動検出してパルスを終了）。振幅は0～100 msの範囲内で1％～100％単位のプロファイル設定が可能で、初期は穏やかな接触、その後に最大エネルギーで結合する制御を実現します。サイクル全体を通じて、コントローラーはトランスデューサの共振周波数（検索範囲19.0000～21.0000 Hz、自動追跡範囲±20 Hz）を追跡し、駆動周波数をリアルタイムで調整します。また、内部パワーチューブ温度を監視し、60 ℃で自動保護を作動させます。さらに、電圧保護システムは215 V～238 V間の電源変動を補正します。
6. 溶接後の保持と後退:超音波エネルギーが停止した後、空気圧は数秒間維持され、圧縮状態で接合部を固化させ、分子レベルの強固な接合を形成します。その後、高速作動ソレノイドバルブがシリンダーを後退させ、ヘッドがホーム位置に戻ります。

完全な技術仕様

装置パラメータ

技術パラメータ

寸法

TOB-20K-4000Wを1500Wモデルや一般的な超音波溶接機より選ぶ理由

4000 Wモデルを選択する場合：

生産工程で0.20 mm以上の銅タブ、または20層を超える多層パウチスタックを扱う場合、TOB-20K-4000Wの追加出力により、同じエネルギー供給でも振幅を低い割合に設定できるため、溶接時間を短縮し、プロセスウィンドウを広げ、ホーン寿命を延長できます。2000 Wの選択可能な設定により、必要に応じて同じ装置で軽量な作業にも対応でき、混合製品の生産ライン全体で柔軟性を提供します。

エンジニアリングFAQ

Q1：TOB-20K-4000Wは純銅（C1100）をアルミニウムへ直接溶接できますか、それとも銅にニッケルめっきを施す必要がありますか？

超音波溶接では銅とアルミニウムを直接接合でき、機械的結合強度も良好です。ただし、電解液蒸気や水分が存在する可能性のあるバッテリーセル環境では、銅とアルミニウム間のガルバニック対により、時間の経過とともに腐食が発生する可能性があります。バッテリータブでは、これを防止するためニッケルめっき銅の使用が一般的です。TOB-20K-4000Wは裸銅およびニッケルめっき銅の両方を同等に良好に溶接できます。選択はセルの想定使用環境と設計寿命によって決まります。

Q2：溶接ホーンはどのくらいの頻度で点検および再研磨すべきですか？

ホーン表面パターン（直線またはクロスハッチ）は、通常条件下で1面あたり10万回以上の溶接寿命を想定して設計されています。使用可能な2面を使用すると、再研磨が必要になるまでの総使用間隔は20万回以上の溶接になります。10,000～20,000回の溶接ごとに深さゲージでパターン深さを点検してください。パターン深さが約0.5 mm未満になった場合は、2面目へ回転させて使用します。再研磨により元の表面状態が復元され、ホーン交換が必要になるまで数回実施できます。自動周波数追跡システムにより、再研磨後のホーンは直ちに共振状態にロックされ、手動調整は不要です。

Q3：一定振幅機能により、商用電源側の電圧安定器は不要になりますか？

はい、指定入力電圧範囲215～238 V内では不要です。工場の商用電源が時折この範囲を外れる場合は、引き続き電圧安定器の使用を推奨します。ただし、大部分の産業環境では、一定振幅機能により十分な補償が行われ、追加の電源調整装置なしで溶接ごとの一貫性を維持できます。

Q4：空圧システムにはどのようなメンテナンスが必要ですか？

空気供給は清浄で乾燥しており、オイルミストを含まない必要があります。供給ラインには標準的なフィルタ・レギュレータ・ルブリケータ（FRL）ユニットの設置を推奨します。設定は、潤滑器を停止状態にするか、食品グレードで汚染を引き起こさない潤滑剤を充填した状態で、7～8 kg/cm²を供給できるようにしてください。シリンダ（ボア径63 mm、ストローク20 mm）およびクイックコネクタ（8 mm）は、毎週漏れを点検してください。作動圧力範囲は0.3～6 kg/cm²です。工場推奨設定では、この範囲の中間値から開始し、より高い溶接電流が必要な場合は上方向へ調整します。

Q5：TOB-20K-4000WはTOB-20K-1500Wの治具およびホーンと互換性がありますか？

2つのモデルのトランスデューサーとブースターは同じ周波数（20 kHz）で動作し、インターフェース寸法も一致しています。ただし、4000 Wホーンはより高い出力レベルに対応するよう設計されており、4000 W機で1500 Wホーンを使用して最大出力を加えると、ホーンに早期の亀裂が発生する可能性があります。各機械に付属するホーンを使用することを推奨します。TOBは、特定のホーン形状について互換性に関するアドバイスを提供できます。

4000 Wデジタル超音波システムの出力と制御性能で、厚い銅タブや多層パウチスタックの溶接に対応する準備はできていますか？お客様の特定のタブ材質と厚さに合わせて構成されたTOB-20K-4000Wの見積もりをご依頼ください。当社の接合プロセスエンジニアが、お客様の生産要件に基づいた溶接パラメータの初期設定シートを提供できます。

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