CN101855796A - 用于减小铝的粘合的方法以及超声波焊接装置 - Google Patents

用于减小铝的粘合的方法以及超声波焊接装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于在对由铝形成的多股绞合线进行超声波焊接时减小铝的粘合和/或粘附的方法，所述多股绞合线在超声波焊接装置的能够在高度和/或宽度上调节的集束腔中得到焊接。对所述集束腔进行限界的静止的工具件具有由多晶金刚石(PKD)形成的工作面。

Description

用于减小铝的粘合的方法以及超声波焊接装置
技术领域
本发明涉及一种用于在将具有由铝或铝合金形成的导线或单股金属线的多股绞合线用超声波相互焊接成端部节点或过渡节点或者与由金属形成的支架焊接时减小铝或铝合金的粘合和/或粘附的方法，其中，将至少所述多股绞合线置入能够在高度和/或宽度上调节的集束腔中，所述集束腔在对置的第一分界面上由超声焊极和砧挡或布置在该砧挡上的支架的节段限界并在剩下的对置的第二分界面上由静止地起作用的工具件限界。本发明也涉及了超声波焊接装置的能够在高度和/或宽度上调节的集束腔的侧边界的由多晶金刚石形成或包含多晶金刚石的工作表面的用途。
另外，本发明涉及一种超声波焊接装置，该装置包括对超声波振动(Ultraschallschwingung)进行传递的超声焊极，其具有拥有焊接面的超声焊极头，还包括与所述焊接面对置的反电极以及侧向限界构件，其中，所述焊接面、所述限界构件以及间接或直接地所述反电极限定了能够在高度和/或宽度上变化的集束腔的边界。
背景技术
如果用超声波将由包括铝或铝材的单股金属线或导线形成的多股绞合线互相进行焊接或者与坚固的支架进行焊接时，那么显示出这样缺点，即，引入的焊接能量会导致铝开始流动或者过渡到一种所谓的黏稠阶段，从而在容纳所述多股绞合线的集束腔的侧边界上出现粘合或者粘附。
现已公知，为了避免这种粘合或者粘附，在超声波焊接装置的集束腔的工具与由铝形成的多股绞合线之间布置防止直接接触焊接工具的中间层(Zwischenfolie)。与此有关的措施成本很高，并因此使得不能全自动地开展焊接或者不能快节奏地进行焊接过程。
为了按照US-A-3,717,842将铝质金属线与U形支架相焊接，首先需将该支架以公知方式围绕铝质金属线卷曲，以便能够开始焊接程序。此时，所述支架的被卷曲的部分位于超声焊极与金属线之间，从而在工具与铝质金属线之间的直接接触同样得以避免。
无论是引入中间层，还是进行额外的卷曲，都显示了工艺技术上的缺点，这样的缺点在高自动的焊接过程中是尤其不希望的。
凯泽斯劳滕大学对在超声波焊接中避免或减小铝或铝合金在超声焊极上的粘附进行了实验(AIF-Vorhaben-Nr.13.285N/l)。其中，仅用磁控管喷镀方法(Magnetron-Sputter-Verfahren)对超声焊极表面加以覆层。利用TiN和TiAIN作为原料。通过这种涂覆方法，覆层厚度为几微米。能够确定的结果是：在对铝的焊接中铝的粘合得到了减小，但是仅仅在最初的焊接期间。试验指出，在经过100次焊接之后，不希望的粘合就又已出现。原因可能是由于含钛的氮化物层厚度很小，铝穿过涂层渗出，因而此后能够发生粘合。
发明内容
本发明的基本目的在于，对前述类型的方法进行改进，使得由铝形成的或者含铝的多股绞合线能够互相或者与坚固的支架相焊接而不需要中间层或者不必将坚固部分围绕所述多股绞合线弯曲。焊接的数量也应当与在那些通常的不对铝材进行焊接的焊接过程中相一致，而且不会在集束腔的分界面上出现对后续的焊接有负面影响的粘合或者粘附。
根据本发明，这一目的按照方法基本上通过如下方式得以实现：采用那些在朝向多股绞合线的工作面上具有多晶金刚石(PKD)的工具件作为静止的工具件。
当静止的工具件也就是说能够在高度和/或宽度上调节的集束腔的侧边界敷有多晶金刚石，显示出令人吃惊的结果，即铝的粘合或者粘附不再出现或者减小到对焊接过程没有负面影响的程度，更确切地说是达到了工具在焊接不是由铝形成的多股绞合线时通常能够达到的耐用度。
尽管事实上，在侧边界的区域内在金属线与相邻的边界之间存在最大限度的相对运动，但是仍避免了在焊接时开始流动或者过渡到黏稠阶段的铝粘合到或者粘附到所述侧边界的现象。
虽然已公知，对超声波焊接工具的工作面配置小膨胀系数的材料以实现高耐用度(EP-B-0 375 704，WO-A-02/43915)。作为用于降低磨损层的材料列举如下：陶瓷例如氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、二氧化锆陶瓷、氧化铝陶瓷、扩散陶瓷如氧化铝/碳化钛、硬质合金或多晶金刚石材料。其中，这些降低磨损的材料原则上应覆盖在超声焊极和砧挡的高负荷的工作面上，作为提示，侧边界也可以覆以相应的材料。
多晶金刚石材料优选构造为由硬质金属形成的支架的外层，其中，所述多晶金刚石的层厚要这样选择，即，使得铝的渗透在多次焊接的情况下也不会出现。因此，所述层厚应当尤其为至少0.1mm，优选在0.2mm与0.7mm之间，尤其是在0.4mm与0.5mm之间。要在上面覆盖或者固定PKD的硬质金属的厚度应在0.8mm与2.0mm之间优选在1.0与1.2mm之间的范围内。
多晶金刚石被敷设在支架上，所述支架本身与静止的工具件，也就是说与限定所述集束腔空间的边界的侧挡板或者研磨平板(Touchierplatte)相连接，需要加以焊接的导体被置入所述集束腔中。
优选地，金刚石层应具有至少0.1mm，尤其是在0.2mm与0.7mm之间范围内的厚度，并且/或者金刚石晶粒应具有在4μm与25μm之间的平均金刚石晶粒大小，其中，金刚石晶粒的体积优选在层的90Vol.-％与95Vol.-％之间。
由于多晶金刚石的缘故，在集束腔侧边界上的粘合与粘附得以阻止，因此，用于焊接多股绞合线或者用于将多股绞合线与坚固支架焊接起来的能量输入仅需要根据材料铝来安排。特别是，在焊接时不再必需更多的能量输入以及更高的压力，而这些本来在发生粘合或者粘附时是需要考虑到的。同时，与铜相比较，选择铝作为材料产生了重量节省及应用成本低廉的材料的优点。
当然，根据本发明的教导在应当制造混合束时，也就是说将铝和含铝的多股绞合线与其他材料的多股绞合线焊接时也是适用的。
虽然原则上存在这种可能性，即把剩余的超声电极和砧挡的分界面也以多晶金刚石覆盖。但是，由此将整体上提高工具的价格，却不会表现出明显的优势；这是因为，粘合或者粘附倾向基本上存在于静止的工具件的区域内。
本发明还涉及了超声波焊接装置的能够在高度和/或宽度上调节的集束腔的侧边界的由多晶金刚石(PKD)形成或者含有多晶金刚石的工作面的用途，其被用于在对置入所述集束腔且基本上包括由铝或铝合金形成的导线或单股金属线的多股绞合线进行焊接时避免或减小铝或铝合金的粘合或粘附。在这里尤其规定，把包括由铝或铝合金形成的导线或单股金属线的多股绞合线与另外的由不同于铝或铝合金的材料形成的多股绞合线进行焊接。所述多股绞合线也可与由金属形成并布置在所述集束腔中或用作所述集束腔的限界装置的支架相焊接。
另外，本发明涉及一种用于实施前述方法的超声波焊接装置，所述超声波焊接装置包括对超声波振动进行传递的具有拥有焊接面的超声焊极头的超声焊极、与所述焊接面对置的反电极以及侧向限界构件，其中，所述焊接面、所述限界构件以及间接或直接地所述反电极限定了能够在高度和/或宽度上调节的集束腔的边界，所述超声波焊接装置的特征在于，所述超声焊极的焊接面具有等腰扩开的梯形走向，所述梯形具有底面和从侧腰出发的侧面，所述底面和各侧面围成的角度α为100°≤α≤145°，所述限界构件在其对所述集束腔限界的表面中由多晶金刚石形成或者含有多晶金刚石。
虽然已经公知采用具有焊接面且具有等腰扩开的梯形的几何形状的超声焊极(DE-U-20 2004 010 775)。但是，所述几何形状被用于在对多股绞合线与U形几何形状的支架进行焊接时防止出现横向力以及防止所述支架的侧边彼此弯曲。同时应当给有待与所述支架进行焊接的多股绞合线提供更大的填充体积。与此相对，根据本发明，使用超声焊极的相应焊接面的目的在于，除了给所述集束腔的侧边界表面敷设PKD之外，能够附加地有助于实现在对含铝材料进行焊接时铝的粘合不再出现或者减小到对焊接没有负面影响的程度。
尤其规定，限界构件的对集束腔进行侧向限界的表面是从支架出发的厚度为d的由多晶金刚石层形成的层的外表面，其中d≥0.1mm，尤其是0.2mm≤d≤0.7mm，而所述支架与所述限界构件尤其是通过硬钎焊连接在一起的。所述层敷设在所述支架上。
通过所述工作面也就是说所述超声焊极的焊接面的特殊构造获得了下述优点：在密封和焊接多股绞合线时出现的总横向力在很大的程度上由对所述超声焊极的焊接面进行限界的侧表面所接纳，从而额外地阻止了铝在所述集束腔的侧边界表面上的粘合与粘附。
其中，作为优选的几何尺寸规定如下：所述超声焊极头具有宽度B，所述侧腰以高度T高过所述底面，且其中0.1B≤T≤0.3B。
附图说明
本发明的其他细节、优点及特征既可以出自各权利要求以及从这些权利要求中得出的特征本身和/或特征组合，而且还可以从下面对从附图中得出的优选实施例的说明中获知。
其中：
图1示出超声波焊接设备的原理图，
图2示出集束腔的原理图，以及
图3示出集束腔的另一实施例。
具体实施方式
在图1中，纯原理性地示出了一台超声波焊接设备，在该超声波焊接设备中，由铝形成或含铝的多股绞合线也就是说该多股绞合线的纤细的金属线或导线互相焊接成端部节点或过渡节点，或者与坚固的支架相焊接，所述支架例如为U形的冲压件或弯折件。
所述设备以公知的方式包括超声波焊接装置或超声波焊接机器10，所述超声波焊接装置或超声波焊接机器具有交流器12及超声焊极16，必要时还具有变压器14。所述超声焊极16即它的头部及其焊接面配有也被称作砧挡的反电极20以及侧挡板21、23，从而包围出集束腔，在图2中以放大视图的形式纯原理性地示出了所述集束腔。
如果根据图2在集束腔30中对由铝形成或含铝的包括单根细金属线或小导线32、34的多股绞合线利用超声波进行焊接，则需将所述多股绞合线放入所述集束腔30中，所述集束腔由所述超声焊极36的工作面38、与所述超声焊极对置且能够沿着双箭头42移动的反电极(砧挡44)的工作面40以及工作面46、48限定边界，其中工作面46、48从接纳所述砧挡44的支架50(也称作支柱)或者从布置在所述支架上的研磨平板51以及侧挡板52出发。在这里，实践表明所述多股绞合线也就是说其细金属线或小导线32、34在所述集束腔30的侧边界的工作面46、48即对所述集束腔30进行限界的静止的工具件上会出现粘合。在此，原因可能是由于在所述侧边界的区域中，所述多股绞合线与所述工具部件之间发生了最大限度的相对运动，因而，开始流动或者过渡到黏稠阶段的铝粘合到或者粘附到所述工作面上，这样，就不能实施正常的焊接。
因此，按照现有技术，所述多股绞合线需被薄膜包绕，以便在所述小导线32、34与所述工作面38、40、46、48之间不可能发生直接接触。
与此相反，根据本发明规定，所述工作面46、48在多股绞合线侧敷有多晶金刚石(PKD)，其中所述PKD分别形成层54、56，支架58、60的外层尤其由硬质金属形成，所述支架优选通过硬钎焊的方式焊接到实际的工具部件即侧挡板52或研磨平板51上。所述层54、56以及所述支架58、60形成一个随后被钎焊到静止的工具件21、23、51、52、68、70上的单元。
所述层54、56应具有的最小厚度为0.1mm，优选厚度在0.2mm与0.7mm之间。金刚石晶粒的体积份额应当在90Vol-％与95Vol-％之间并且/或者所述金刚石晶粒的晶粒大小在4μm与25μm之间的范围内，其中优选范围在4μm与7μm之间
由于由铝形成或含铝的金属线或小导线32、34在焊接时在所述静止的工具件的范围内仅得与多晶金刚石接触，因此在焊接时粘稠的或者流动的铝的粘合或粘附以令人吃惊的方式得到了避免，这样，与在焊接铜质的多股绞合线中一样的公知的那种高质量的可重复焊接就得以实现。
根据本发明的教导显然不限于对由铝形成或含铝的多股绞合线进行互相焊接。相反地，根据本发明的将侧边界的工作面46、48构造为PKD敷层的这种形式也能够应用于下列情形：需要制造混合束，即例如把由铝形成的多股绞合线与那些比如以铜形成的多股绞合线相焊接；或者需要在比如以铜或铝或其合金形成的支架与尤其由铝形成的多股绞合线之间制造焊接连接。
PKD层54或56的厚度应在0.2mm与0.7mm之间尤其在0.4mm与0.5mm之间的范围内。为能够实施所述支架58、60与挡板52或支柱50的焊接而不出现弯曲，所述支架58、60的厚度应在0.8mm与2.0mm的范围内，尤其大约为1.2mm至1.0mm。其中，在具有层54、56的支架58、60与研磨平板51或侧挡板52之间的连接尤其借助于硬钎焊来实施。
从图3得出的是一个超声波焊接装置的截取部分的原理示意图，利用所述超声波焊接装置来将例如由铜形成的坚固支架61与由铝或铝合金形成的多股绞合线相焊接。示出的是单根导线或金属线62、64。所述支架61在该实施例中构成了集束腔66的下方分界面66，所述集束腔在侧向由挡板68、70与超声焊极74的工作面或焊接面72以公知的方式限界。所述支架61本身定位在砧挡76上。
与根据本发明的教导相应地，侧挡板68、70在其朝向所述集束腔66的分界面上具有由多晶金刚石(PKD)形成的敷层78、80或层，所述敷层从支架82、84出发，所述支架82、84自身与所述侧挡板68或70尤其通过硬钎焊相连接。
为使所述支架61具有明确的定位，所述侧挡板68、70在砧挡侧具有缺口或切口86、88，所述支架61的纵边在所述缺口或切口86、88之中延伸。
另外从示图中能看出，超声焊极74的工作面72具有扩开的梯形的几何形状。其中，短的基边形成底面88。底面88由侧腰90、92限界，其中，侧腰88、90的内表面94、96应分别与底面88形成大小在100°与145°之间的角度。通过焊接面72的这种几何形状即扩开的梯形产生了下述优点：在焊接时出现的总横向力被工作面72的边90、92接纳，由此额外减小了铝在所述集束腔66的侧边界上的粘合或粘附。
另外，侧腰88、90的几何尺寸与所述超声焊极头彼此协调，即，边88、90的高度T与超声焊极头的宽度B之间的关系为0.1B≤T≤0.3B，其中超声焊极头的宽度B可以在1.0mm与25.0mm之间，而不会由此根据本发明的教导产生限制。T是指超出所述底面88的高度。

Claims (16)

1.一种用于在将具有由铝或铝合金形成的导线或单股金属线(32、34)的多股绞合线用超声波相互焊接成端部节点或过渡节点或者与由金属形成的支架焊接时减小铝或铝合金的粘合和/或粘附的方法，其中，将至少所述多股绞合线置入能够在高度和/或宽度上调节的集束腔(30)中，所述集束腔在对置的第一分界面上由超声焊极(16、36、74)和砧挡(20、44、76)或布置在所述砧挡上的支架(61)的节段限界并在剩下的对置的第二分界面(46、48)上由静止地起作用的工具件(21、23、51、52、68、70)限界，其特征在于，采用那些在朝向多股绞合线的工作面上具有多晶金刚石(PKD)的工具件作为静止的工具件(21、23、51、52、68、70)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，除了具有基本由铝或铝合金形成的导线或单股金属线的第一多股绞合线(32、34)之外还焊接了由另一材料形成的第二多股绞合线。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述多晶金刚石是金属支架(58、60)的上面层，所述上面层被固定例如硬钎焊到静止的工具件(51、52)上。
4.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，所述多晶金刚石在所述支架上形成厚度为d的层，其中d≥0.1mm，尤其0.2mm≤d≤0.7mm，所述支架本身优选具有厚度D，其中0.8mm≤D≤2.0mm。
5.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，由多晶金刚石形成的层采用厚度d，其中d≥0.1mm，尤其0.2mm≤d≤0.7mm。
6.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，所述层采用能够阻止铝的渗透的厚度d。
7.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，作为由多晶金刚石形成的层采用具有平均金刚石晶粒大小在4μm与25μm之间尤其在4μm与7μm之间的金刚石晶粒的层。
8.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，作为由多晶金刚石形成的层采用具有在90Vol-％与95Vol-％之间的金刚石晶粒的层。
9.超声波焊接装置(10)的能够在高度和/或宽度上调节的集束腔(30)的侧边界(51、52)的由多晶金刚石(PKD)形成或者含有多晶金刚石的工作面被应用于在对置入所述集束腔且基本上包括由铝或铝合金形成的导线或单股金属线的多股绞合线(32、34)进行焊接时避免或减小铝或铝合金的粘合或粘附。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，将包括由铝或铝合金形成的导线或单股金属线的多股绞合线(32、34)与其他由不同于铝或铝合金的材料形成的多股绞合线进行焊接。
11.根据权利要求9或10所述的应用，其特征在于，将由铝形成或含有铝的多股绞合线(32、34)与由金属形成的支架(61)焊接，所述支架被布置在所述集束腔中或者被用作所述集束腔的限界装置。
12.一种用于实施根据权利要求1所述方法的超声波焊接装置(10)，包括对超声波振动进行传递的具有拥有焊接面(72)的超声焊极头的超声焊极(16、36、74)、与所述焊接面对置的反电极(76)、以及侧向限界构件(68、70)，其中所述焊接面、所述限界构件以及间接或直接地所述反电极限定了能够在高度和/或宽度上变化的集束腔(66)的边界，其特征在于，所述超声焊极(74)的焊接面(72)具有等腰扩开的梯形走向，所述梯形具有底面(88)和从侧腰(90、92)出发的侧面，所述底面和各侧面围成的角度α为100°≤α≤145°，所述限界构件(68、70)在其对所述集束腔(66)限界的表面中由多晶金刚石形成或者含有多晶金刚石。
13.根据权利要求12所述的超声波焊接装置，其特征在于，所述限界构件(68、70)的对所述集束腔(66)进行侧向限界的表面是从支架(86、88)出发的厚度为d的由多晶金刚石形成的层的外表面，其中厚度d≥0.1mm，尤其0.2mm≤d≤0.7mm，所述支架与所述限界构件(68、70)尤其通过硬钎焊连接。
14.根据权利要求12或13所述的超声波焊接装置，其特征在于，所述超声焊极(74)在其具有焊接面(72)的区域内具有宽度B，并且对所述焊接面的底面(88)进行限界的侧腰(90、92)以高度T高过所述底面，其中0.1B≤T≤0.30B。
15.根据权利要求12至14中至少一项所述的超声波焊接装置，其特征在于，由多晶金刚石形成的层(54、56、78、80)具有金刚石晶粒，所述金刚石晶粒的平均金刚石晶粒大小在4μm与25μm之间，尤其在4μm与7μm之间。
16.根据权利要求12至15中至少一项所述的超声波焊接装置，其特征在于，所述金刚石晶粒的在由多晶金刚石形成的层(54、56、78、80)中的体积在90Vol-％与95Vol-％之间。
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