超声波在锂电池转接头清洗中的应用

白静 何治国 徐志强

摘 要：锂离子电池的极柱结构有平面型和螺纹型，螺纹型结构极柱面积较小，充放电设备的输出端无法完全接触到电池极柱，因此需要引入转接头扩充电池极柱面积，保证设备和电池接触良好。转接头使用频率高，容易被污染，需要频繁清洗。由于数量众多，转接头的螺纹结构不易彻底清洗，所以手工清洗效率低、效果差。超声波清洗转接头效率高，清洗彻底，可大量推广。本文介绍超声波清洗转接头的原理、参数选择，并给出结构设计及清洗效果。

关键词：转接头；超声波；锂电池

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2017）03-0067-03

Abstract： Column structure of lithium-ion batteries has a thread model and plane model. Because the thread type of column area is lesser， the output of the charing and discharging equipment cannot access to the battery polo column. Connector is needed to extend battery pole column area， to ensure good contact. Connector is used in lithium-ion batteries in charing and discharging process. Because the connector use frequency is high， easy to be polluted， so we need to frequent cleaning. Manual cleaning efficiency is low and the effcct is poor， because of numerous and thread structure not to wash easily. Ultrasonic cleaning can be promoted a large number， because of high efficiency and clean thoroughly. In this paper， the principle， parameter selection， structure design and cleaning effect of ultrasonic cleaning adapter were introduced.

Keywords：adapter；ultrasonic；lithium battery

锂离子电池出厂前，要进行内部电能激活，采用专用的化成设备对单个电池反复充放电。目前多数化成设备的充放电方式是：化成设备的输出端压在电池极柱上，形成电流回路，完成电池的充放电。电池极柱结构不同，有螺纹型和平面型，螺纹型的电池极柱面积小于充放电设备的输出端，充放电设备的输出端无法完全接触到电池极柱，需要引入转接头作为中介，扩充电池极柱面积，保证充放电设备和电池接触良好。由于使用频率高、频繁接触指纹，使用环境中接触电解液，因此转接头极易被污染，需要频繁清洗。

常规的水浸泡无法溶解转接头表面的电解液和油渍，超声波作为近几年的一个新兴技术，在工业清洗中的应用日趋成熟，采用超声波清洗转接头能够有效、高速地去除转接头表面的污渍[1]。

1 超声波清洗的原理

超聲波是一种频率超出人类听觉范围20kHz以上的声波，超声波清洗原理是由超声波发生器发出高频振荡信号，通过换能器转换成机械振荡传播到介质，使清洗液随超声波频率一起振动，振动过程中产生数以万计的50～500μm的微小气泡[2]。这些气泡在超声波纵向传输的负压区形成、生长，而在正压区，当声压达到一定值时，气泡迅速增大，然后突然闭合。并在闭合时产生冲击波，在其周围产生上千个大气压，破坏不溶性污物而使他们分散于清洗液中，当固体粒子被油污裹着黏附在清洗件表面时，油被乳化，固体粒子脱落，从而达到清洗件净化的目的[3]。

2 超声波的参数选择

转接头材质是导电性良好的黄铜，由于黄铜易氧化，因此在表面镀了一层银白色的铬，铬材质较硬，容易脱落，所以不宜采用硬力擦拭。转接头结构采用螺纹结构，如图1所示，螺纹较细，缝隙处手工不易清洗。转接头材质和结构的特殊性决定了超声波的参数[4]，主要有以下几方面。

2.1 超声波功率

超声波清洗的关键在于空化作用，空化作用的强度又取决于超声波功率。通常在单位面积超过0.3W超声功率时，超声波强度越大，空化作用越明显，清洗作用越好。但随着超声功率变大，清洗液温升速度也随之增高，高温加速清洗液溶与转接头污渍的反应速度，也容易造成脱铬现象。因此，清洗转接头时，超声波功率并非越大越好，选择0.3～0.5W是非常合适的。

2.2 超声波频率

空化作用还与超声波频率有关，空化的产生存在着一个最小的临界幅度，即空化是随着频率的升高而降低的。目前超声波清洗机的工作频率根据清洗对象，大致分为3个频段：低频超声清洗（20～50kHz）、高频超声清洗（50～200kHz）和兆赫超声清洗（700～1 000kHz）[5]。低频超声清洗适用于大部件表面或者污物和清洗件表面结合强度高的场合；高频超声清洗适用于计算机、微电子元件的精细清洗；兆赫超声清洗适用于集成电路芯片、硅片及薄膜等的清洗。转接头螺纹部分污渍附着较难清洗，且并非高精密度工件，低频超声清洗即可满足使用要求，因此，选择频率20～50kHz的超声波。

2.3 清洗溶液的选择

空化也与液体的表面张力有关，张力大则不容易产生空化，但是当声强超过空化阈值时，空化泡崩溃释放的能量也大，有利于清洗。高蒸气压的液体会降低空化强度，而液体的粘滞度大也不容易产生空化，因此蒸气压高和黏度大的清洗剂都不利于超声清洗。

清洗剂的选择要从2个方面考虑，一方面要从污物的性质来选择化学作用效果好的清洗剂；另一方面要选择表面张力、蒸气压及黏度合适的清洗剂[6]。

经过综合分析试验，选择奥斯克-Ⅱ清洗剂，与纯水按照一定比例混合后作为清洗溶液对转接头进行超声波清洗。

2.4 温度

一般超声波在30～40℃时空化效果最好，如添加清洗剂则温度越高，作用越显著。但是，温度过高气泡中的蒸气压增大，空化强度会降低，所以温度的选择要考虑对空化强度的影响，也要考虑清洗液的化学清洗作用。每一种液体都有一空化活跃的温度，水较适宜的温度是60℃左右，此时空化最活跃。

3 超声波清洗设备的结构

本超声波设备核心结构由超声波发生器、换能器、清洗槽三部分组成，超声波发生器即电源，提供电磁振荡信号并提供能量；换能器即振板是超声波清洗的关键部分，把发生器产生的电磁振动转换成换能器本身的超声振动，振板将高频电能转换成机械能之后，通过不锈钢槽体的辐射，产生振幅极小的高频振动并传播到清洗槽内的溶液中。清洗槽由不锈钢制成，用来容纳清洗液及待清洗的转接头，清洗槽底部粘接超声波换能器，如图2所示。

本清洗槽采用多槽体结构，一共有3个槽体，如图2所示，分别是超声波清洗槽、漂洗槽及烘干槽。

每个转接头约重0.3kg，一般每次清洗转接头500个约15kg，依靠人力搬运工作量大，有限空间内搬运难度大，所以设计制作一个不锈钢筐，将转接头放入筐中，以每筐为单位清洗，筐采用不锈钢条焊接而成，不锈钢条间隔约10mm，既保证了转接头不掉出，又保证水能完全浸润。筐放置在清洗槽中，露出边框方便机械手抓取。由于转接头筐较重，人力搬运难度大，故需要机械手进行搬运。

当前，工业控制领域中已经广泛采用PLC，PLC以其高可靠性、强抗干扰能力、逻辑功能强、功能简单易学、安装操作维修方便、性价比高、功耗低、扩充方便及功能强大等优点越来越为工业控制界人士所认识和接受。本清洗系统选择西门子PLC S7-200作为主控制单元，流水线式的作业程序提前被设定，包含各个槽体清洗的时间、温度、机械手的动作等。

工作时，如图3所示，转接头清洗机入料口处采用滚筒移动，将转接头清洗筐沿入料口的滚轮推入清洗机内，自动触发感应开关，PLC给出指令机械手将转接头筐搬运至超声波清洗槽，喷淋系统开启，自动控制添加清洗液至指定液位，经过500s超声波清洗，30s控油后，PLC控制機械手将转接头筐搬运至漂洗槽，完成设定的涤水500s，控水30s，涤水采用反复喷淋洒水方式，接下来机械手将之搬运至烘干槽，高温烘干500s后，机械手将之搬出，转接头筐沿滚轮拉出，清洗结束。

4 超声波清洗效果的影响因素

4.1 液位

清洗槽内无清洗液时，绝对不能启动超声，否则易导致损坏换能器或超声波发生器。液位以能够淹没转接头5cm为佳。

4.2 清洗时间

转接头材质是黄铜外镀铬合金，铬材质较硬，服贴性不够强，若超声波振动时间过长，外部铬合金易脱落，经过反复试验，超声波清洗的时间以500s为宜。

5 超声波清洗效果

由于超声波的能量能够穿透细微的缝隙和小孔，故能够清洗到人工无法触及的部位。转接头由于数量多，螺纹密，故手工清洗时难以一一清洗彻底，经过车间使用验证，用超声波清洗可以保证清洗质量，效果良好。

参考文献：

[1]李雅莉.超声波清洗的原理和实际应用[J].清洗世界，2006（7）：31-35.

[2]张峰瑞.超声波清洗设备控制系统的设计与实现[D].武汉：华中科技大学，2013.

[3]Ed Lamm，梁治齐，李静.神奇的超声波清洗工艺[J].洗净技术，2003（2）：65-68.

[4]胡兴军.超声波清洗技术倍受瞩目[J].洗净技术，2004（1）：50-51.

[5]林仲茂.超声波清洗机制量和清洗效果若干问题的探讨[J].洗净技术，2003（4）：17-18.

[6]陈思忠.超声波清洗技术与进展[J].洗净技术，2004（2）：11-12.