4000W Ultraschall-Metallschweißmaschine für Batterielaschen | TOB-20K-4000W

TOB-20K-4000W 20 kHz Hochleistungs-Ultraschall-Metallschweißmaschine zum Schweißen von Batterielaschen und mehrschichtigen Folien

Produktübersicht und ideale Anwendungen

Eine Ultraschall-Metallschweißmaschine verbindet unterschiedliche dünne Metallwerkstücke ohne Zusatzmaterial, Flussmittel oder großflächiges Schmelzen. Die TOB-20K-4000W erzeugt hochfrequente mechanische Schwingungen mit 20 kHz und überträgt diese durch eine präzisionsgefertigte Schweißsonotrode auf den Metallstapel unter kontrolliertem pneumatischem Druck. Die oszillierende Scherkraft zerlegt Oberflächenoxide und erzeugt eine metallurgische Festkörperverbindung – sauber, schnell und ohne Wärmeeinflusszone, Spritzer oder Verbrauchselektroden, die bei Widerstands- oder Laserschweißen auftreten.

Die TOB-20K-4000W ist das Hochleistungsmitglied der TOB 20K-Serie und basiert auf einem vollständig digitalen, aus Deutschland importierten Ultraschallgenerator mit einer 4000 W-Ausgangsstufe. Der Generator verwendet IGBT-Leistungsmodule und eine fremderregte Oszillationsschaltung, um ein stabiles, präzise geformtes 20-kHz-Signal zu erzeugen. Ein automatisches Frequenzverfolgungssystem rastet in Echtzeit auf die Resonanz des Wandlers ein und kompensiert Verschiebungen durch Temperatur- und Laständerungen, sodass der Wandler stets mit maximaler Effizienz ohne manuelle Abstimmung arbeitet. Eine Konstantamplitudenfunktion hält die eingestellte Sonotrodenamplitude auch bei Schwankungen der Netzspannung im Bereich von 215–238 V konstant, sodass die hundertste Schweißung einer Schicht identisch mit der ersten ist.

Die Schweißkopfeinheit kombiniert einen deutschen Wafer-Wandler (X20), einen Booster (Y20) und eine aus importiertem Schnellarbeitsstahl gefertigte Schweißsonotrode mit zwei nutzbaren Seiten. Der Kopf ist auf einem Präzisions-Pneumatikzylinder (Bohrung 63 mm, Hub 20 mm) mit einstellbaren Auf- und Abwärtsgeschwindigkeiten montiert, sodass der Bediener eine schnelle Annäherung gefolgt von einem sanften, kontrollierten Kontakt programmieren kann. Schweißparameter – Energie, Zeit oder intelligenter Zeitmodus; Amplitude von 1 % bis 100 %; segmentierte Leistungsprofile – werden über die hochauflösende Touchscreen-Schnittstelle eingestellt und gespeichert, die außerdem über 100 Schweißprotokolle aufzeichnet und intelligente Fehleralarme bereitstellt.

Ideal für:

1. Hochvolumige Batteriepakt-Montagelinien zum Schweißen dicker Kupferlaschen (bis zu C1100, 0,25 mm) und Aluminiumlaschen an zylindrische, Pouch- oder prismatische Zellen in EV- und Energiespeichermodulen.
2. Mehrschichtige Pouch-Zell-Stapelungsanwendungen, bei denen 20–45 Folienlagen ohne Durchbrennen oder Schwärzung mit einer einzelnen Lasche verschweißt werden müssen.
3. Kupferrohrabdichtung, Montage von Fahrzeug-Kabelbäumen, Verbindung von Solarmodulen und jede Produktionsumgebung, die eine 4000 W-Ultraschallleistungsreserve für dickere oder leitfähigere Materialstapel benötigt.
4. Hersteller, die von pneumatischen Widerstandsschweißgeräten auf einen sauberen, kalten Festkörperprozess umsteigen, der Elektrodenverbrauch beseitigt und Energiekosten reduziert.

Einsatzbereich des Hochleistungs-Ultraschallschweißens in der Batteriepaktmontage

Bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batteriemodulen und -paketen ist Ultraschallschweißen die Standardmethode zum Verbinden von Laschen mit Zellanschlüssen und zum Erzeugen der Reihen-Parallel-Elektroverbindungen zwischen Zellen. Die Prozesskette ist:

• Sortierung und Positionierung der Zellen – Die Zellen werden nach Kapazität und Innenwiderstand gruppiert und anschließend in eine Vorrichtung eingesetzt, die das Modullayout festlegt.
• Schweißen von Laschen an Anschlüsse – Nickel-, nickelbeschichtete Kupfer- oder reine Kupferlaschen werden mit den positiven und negativen Anschlüssen jeder Zelle verbunden.
• Verbindungsschweißen – Laschen mehrerer Zellen werden gesammelt und miteinander oder mit einer Stromschiene verschweißt, um das Reihen-Parallel-Netzwerk zu bilden.
• Befestigung von BMS- und Spannungserfassungsleitungen– Wird häufig ebenfalls durch Ultraschall- oder Widerstandsschweißen durchgeführt.

Die TOB-20K-4000W übernimmt die Schritte 2 und 3 mit besonderer Stärke bei dickeren, höher leitfähigen Materialien, wie sie in Hochkapazitäts-EV- und Energiespeicherzellen vorkommen. Während Ultraschallschweißgeräte mit geringerer Leistung möglicherweise Schwierigkeiten haben, eine vollständige Durchdringungsverbindung an 0,25 mm C1100-Kupferlaschen ohne Überschreiten der empfohlenen Schweißzeit zu erreichen, bietet die 4000 W-Ausgangsleistung der TOB-20K-4000W die Energiereserve, um die Verbindung in einem einzigen kurzen Impuls – typischerweise unter einer Sekunde – herzustellen. Das Ergebnis ist eine Schweißung, die den vom Hersteller angegebenen Qualitätsstandard „Schicht-für-Schicht-Durchdringung, keine Schwärzung“ erfüllt, mit einer Schweißfestigkeit nahe der des Grundmaterials.

Wichtiger Verarbeitungsvorteil von Ultraschall gegenüber Widerstandsschweißen bei dicken Laschen:

Das Widerstandsschweißen dicker Kupferlaschen erfordert sehr hohe Ströme und kann übermäßige Wärme erzeugen, die den internen Separator oder Elektrolyten der Zelle beschädigt. Ultraschallschweißen als Festkörperprozess begrenzt die Erwärmung auf die unmittelbare Grenzfläche zwischen den Materialien. Der größte Teil der Lasche und der Zelle bleibt kühl, wodurch die elektrischen Eigenschaften und die Sicherheitsreserve der Zelle erhalten bleiben.

Funktionsweise des Ultraschall-Metallschweißsystems

Die TOB-20K-4000W wandelt elektrische Energie durch eine Reihe präzise gesteuerter Umwandlungen in eine metallische Festkörperverbindung um:

1. Ultraschallerzeugung:Der vollständig digitale, aus Deutschland importierte Generator wandelt die Wechselstromversorgung (220 V, 50/60 Hz) mithilfe von IGBT-Leistungsmodulen und einer fremderregten Oszillationsschaltung in ein präzise gesteuertes 20-kHz-Elektrosignal um. Diese Architektur bietet eine inhärent stabile, rauscharme Energieumwandlung, die unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen durch nahegelegene Motorantriebe und Wechselrichter ist.
2. Wandlung und Verstärkung:Das elektrische Signal treibt einen piezoelektrischen Wandler (X20, deutsche Wafer-Technologie) im Schweißkopf an. Der Wandler wandelt die elektrischen Schwingungen in mechanische Vibrationen derselben Frequenz um. Diese Schwingungen laufen durch einen Booster (Y20), der die Auslenkung auf eine nutzbare Halbzyklusamplitude von 20–40 µm verstärkt, stufenlos einstellbar.
3. Energieübertragung auf das Werkstück:Die verstärkte Bewegung erreicht die Schweißsonotrode, die aus importiertem Schnellarbeitsstahl mit zwei unabhängigen nutzbaren Seiten gefertigt ist. Das Muster der Sonotrodenfläche – wählbar als gerade Linie oder Kreuzraster („Reis“) für die obere Sonotrode, Netzstruktur für den unteren Amboss – greift den Metallstapel und überträgt die oszillierende Scherkraft hindurch. Die Sonotrode senkt sich unter pneumatischem Druck (Zylinderdurchmesser 63 mm, Hub 20 mm) mit einstellbarer Geschwindigkeit ab; Auf- und Abwärtsgeschwindigkeiten werden unabhängig gesteuert, sodass der endgültige Kontakt sanft erfolgt und Stoßschäden an dünnen Folien verhindert werden.
4. Der Schweißvorgang:Unter dem voreingestellten Druck (einstellbar über den Pneumatikregler bis zu 6 kg/cm²) reibt die Spitze der Sonotrode seitlich mit 20.000 Zyklen pro Sekunde gegen die obere Metallschicht, während die unteren Schichten gegen den Amboss fixiert bleiben. Diese Relativbewegung erzeugt lokale Reibungswärme und starke plastische Verformung gezielt an den Grenzflächen. Oxidschichten werden aufgebrochen und verteilt, wodurch reines Metall freigelegt wird. Unter dem kombinierten Einfluss von Atomdiffusion und plastischem Fließen entsteht innerhalb von Millisekunden eine metallurgische Festkörperverbindung – gemäß Spezifikation typischerweise deutlich unter einer Sekunde. Die Vorpresszeit vor dem Ultraschallimpuls ist separat von 0,02 s bis 10 s einstellbar, um verschiedene Stapelgeometrien anzupassen.
5. Intelligente Steuerung und Überwachung:Der DSP-basierte Controller bietet drei Schweißmodi: Energiemodus (Beendigung bei einem eingestellten Joule-Ziel), Zeitmodus (feste Impulsdauer) und intelligenter Zeitmodus (automatische Erkennung des Abschlusses der Verbindung und Beendigung des Impulses). Die Amplitude kann innerhalb eines 0–100-ms-Fensters in 1 %–100 %-Schritten profiliert werden, wodurch ein sanftes anfängliches Ansetzen gefolgt von einer Verbindung mit voller Energie ermöglicht wird. Während des gesamten Zyklus verfolgt der Controller die Resonanzfrequenz des Wandlers (Suchbereich 19,0000–21,0000 Hz, automatische Nachführreichweite ±20 Hz) und passt die Antriebsfrequenz in Echtzeit an. Außerdem überwacht er die interne Temperatur der Leistungselektronik und aktiviert bei 60 °C automatisch den Schutz, während das Spannungsschutzsystem Netzschwankungen zwischen 215 V und 238 V ausgleicht.
6. Nachschweißhaltezeit und Rückzug:Nachdem die Ultraschallenergie stoppt, wird der pneumatische Druck für einige Sekunden aufrechterhalten, damit die Verbindung unter Kompression aushärten kann und eine robuste Verbindung auf Molekülebene entsteht. Das schnell reagierende Magnetventil fährt anschließend den Zylinder zurück, und der Kopf kehrt in die Ausgangsposition zurück.

Vollständige technische Spezifikationen

Geräteparameter

Technischer Parameter

Abmessungen

Warum TOB-20K-4000W gegenüber dem 1500-W-Modell oder einem herkömmlichen Ultraschallschweißgerät wählen

Wann das 4000 W-Modell auswählen:

Wenn Ihre Produktion Kupferlaschen mit einer Dicke von 0,20 mm oder mehr umfasst oder mehrschichtige Pouch-Stapel mit über 20 Lagen verarbeitet werden, reduziert die zusätzliche Leistung des TOB-20K-4000W die Schweißzeit, erweitert das Prozessfenster und verlängert die Lebensdauer des Horns, da die Amplitude für die gleiche Energieübertragung auf einen niedrigeren Prozentsatz eingestellt werden kann. Die auswählbare 2000 W-Einstellung ermöglicht es außerdem, dass dieselbe Maschine bei Bedarf leichtere Arbeiten ausführt und so Flexibilität über eine Produktionslinie mit gemischten Produkten bietet.

Technische FAQ

F1: Kann der TOB-20K-4000W reines Kupfer (C1100) direkt mit Aluminium verschweißen, oder muss das Kupfer vernickelt sein?

Ultraschallschweißen kann Kupfer direkt mit Aluminium verbinden, und die mechanische Verbindungsfestigkeit ist gut. In einer Batterieumgebung, in der Elektrolytdämpfe und Feuchtigkeit vorhanden sein können, kann jedoch ein galvanisches Paar zwischen Kupfer und Aluminium mit der Zeit zu Korrosion führen. Bei Batterielaschen ist die Verwendung von vernickeltem Kupfer gängige Praxis, um dies zu verhindern. Der TOB-20K-4000W verschweißt sowohl blankes Kupfer als auch vernickeltes Kupfer gleichermaßen gut; die Wahl hängt von der erwarteten Betriebsumgebung und der Auslegungslebensdauer der Zelle ab.

F2: Wie oft sollte das Schweißhorn überprüft und nachgeschliffen werden?

Das Muster auf der Hornfläche (gerade Linien oder Kreuzschraffur) ist unter normalen Bedingungen für eine Lebensdauer von ≥ 100.000 Schweißungen pro Seite ausgelegt. Mit zwei nutzbaren Seiten beträgt das gesamte Wartungsintervall ≥ 200.000 Schweißungen, bevor ein Nachschleifen erforderlich ist. Prüfen Sie die Mustertiefe alle 10.000–20.000 Schweißungen mit einem Tiefenmessgerät. Wenn die Mustertiefe unter etwa 0,5 mm fällt, drehen Sie auf die zweite Seite. Durch Nachschleifen wird die ursprüngliche Textur wiederhergestellt und kann mehrmals durchgeführt werden, bevor das Horn ersetzt werden muss. Das automatische Frequenznachführungssystem stellt sicher, dass ein nachgeschliffenes Horn sofort auf Resonanz einrastet; eine manuelle Abstimmung ist nicht erforderlich.

F3: Macht die Funktion mit konstanter Amplitude einen Spannungsstabilisator für die Netzversorgung überflüssig?

Ja, innerhalb des angegebenen Eingangsspannungsbereichs von 215–238 V. Wenn die Netzversorgung Ihrer Fabrik gelegentlich außerhalb dieses Bereichs liegt, wird weiterhin ein Spannungsstabilisator empfohlen. Für die überwiegende Mehrheit industrieller Umgebungen bietet die Funktion mit konstanter Amplitude jedoch eine ausreichende Kompensation, um eine gleichbleibende Schweißqualität ohne zusätzliche Stromaufbereitungsausrüstung zu gewährleisten.

F4: Welche Wartung benötigt das Pneumatiksystem?

Die Druckluftversorgung muss sauber, trocken und frei von Ölnebel sein – ein Standard-Filterregler mit Öler (FRL) in der Versorgungsleitung wird empfohlen, eingestellt auf eine Abgabe von 7–8 kg/cm², wobei der Öler ausgeschaltet oder mit einem lebensmittelechten, nicht verunreinigenden Schmiermittel gefüllt sein sollte. Der Zylinder (Bohrung 63 mm, Hub 20 mm) und der Schnellverbinder (8 mm) sollten wöchentlich auf Leckagen geprüft werden. Der Arbeitsdruckbereich beträgt 0,3–6 kg/cm²; die Werksempfehlung lautet, in der Mitte dieses Bereichs zu beginnen und den Druck für höhere Schweißströme nach oben anzupassen.

F5: Ist der TOB-20K-4000W mit den Werkzeugen und Hörnern des TOB-20K-1500W kompatibel?

Die Wandler und Booster der beiden Modelle arbeiten mit derselben Frequenz (20 kHz) und verfügen über passende Schnittstellenabmessungen. Der 4000 W-Hornaufsatz ist jedoch für die Verarbeitung der höheren Leistung ausgelegt, und die Verwendung eines 1500 W-Hornaufsatzes an der 4000 W-Maschine kann zu vorzeitigem Reißen des Horns führen, wenn die volle Leistung angewendet wird. Es wird empfohlen, den mit jeder Maschine gelieferten Hornaufsatz zu verwenden. TOB kann bei der Kreuzkompatibilität für bestimmte Horngeometrien beraten.

Bereit zum Schweißen dicker Kupferlaschen und mehrschichtiger Pouch-Stapel mit der Leistung und Steuerung eines digitalen 4000 W-Ultraschallsystems? Fordern Sie ein Angebot für den TOB-20K-4000W an, der für Ihr spezifisches Laschenmaterial und Ihre Dicke konfiguriert ist. Unsere Ingenieure für Fügeverfahren können basierend auf Ihren Produktionsanforderungen ein Startblatt für die Schweißparameter bereitstellen.

tob.amy@tobmachine.com | +86 181 2071 5609

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1. Automatische Maschine zur Herstellung von Kathodenelektroden— Eine vollständig integrierte Beschichtungs-, Kalander- und Schneidanlage, die präzise Elektrodenfolien herstellt, deren Laschen später von der TOB-20K-4000W in der Packmontagelinie verschweißt werden.
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