CN101898275A - 最佳振动焊接的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种在形成组件中的振动焊接接头期间使所述组件中的机械共振最小化的方法，包括放置工件以使其彼此直接相邻，以及产生引起一个或多个超声焊极焊头振动的控制信号。改变(多个)超声焊极和(多个)焊头的机械振荡的波形特性以使例如车辆的多电池电池组的组件中发生的机械共振最小化。一种用于形成焊接接头的装置包括至少一个超声焊极和焊接控制器，该超声焊极具有与其一体成形的一个或多个焊头。控制器连接到转换器、(多个)超声焊极和(多个)焊头，其中机械振荡发生在(多个)超声焊极和(多个)焊头中。在焊接接头形成期间控制信号的变化使机械振荡的波形特性改变，从而使机械共振最小化。

Description

最佳振动焊接的方法和系统

技术领域

本发明总体涉及一种振动焊接工艺，并且更具体地涉及一种产生具有最佳焊接质量的振动焊接接头的方法和系统。

背景技术

振动焊接工艺利用在特定频率范围的振荡或振动以使邻近的塑料或金属工件结合。振动焊接可包括在压力下移动工件同时使振荡或振动传过该工件，从而经表面摩擦产生热而最终结合或熔合工件。焊接工具，或被称为焊接角状部或超声焊极(sonotrode)，直接连接到焊头或与焊头一体形成。焊头可包括一个或多个焊接扣。塑料振动焊接工艺和金属振动焊接工艺在工业上例如在制造车辆过程中在熔合或结合车载元件方面非常有用。

可用常规振动焊接技术制造的示范性的车辆设备为多电池电池组模块或电池包。这种设备可用作各种应用的能量存储系统，包括但不限于为各种车载电子设备供应动力和/或用于混合动力车辆(HEV)、电动车辆(EV)、插入式混合动力车辆(PHEV)等的车辆推进。虽然在上个世纪，无数家庭应用和工业应用中使用了传统的电池设计，如碱性电池、伏打电堆电池和铅酸电池，但是诸如镍镉(NiCd)电池、镍氢(Ni-MH)电池、锂离子电池和锂离子聚合物电池等的改进电池类型已显示了在新兴的车辆推进应用中特殊用途，这很大程度上由于其更高的能量密度。根据车辆的特定构造，这些电池通常可选择地作为插入型电池再充电或者在再生制动事件期间车内充电。

多电池电池组的长期效率、可靠性和耐久性很大程度上依赖于各个电池之间和形成多电池电池组的各种部件之间的焊接连接部或焊接接头的强度。如上所述，常规振动焊接技术可用于形成这种电池和各种其他车辆和非车辆部件中的所需的焊接接头。然而，部分地由于诸如机械共振这样的因素，这些方法在某些方面将受到限制。

发明内容

因此，在此提供一种振动焊接工艺或方法，具体地所述方法将预定变化引入到机械振荡或振动中，该机械振荡或振动被传递或传导到一个或多个超声焊极的(多个)焊头。该变化有助于最小化或以其它方式改变被焊接的部件或组件中的机械共振的水平或量。例如，在改变振荡的振幅和/或频率和波长的情况下，和/或在将相移引入到机械振荡的波形的情况下，单个焊头可用于形成焊接接头。或者，当多个焊头在基本相同和相反的方向同步振动从而平衡各自的力和力矩时，它们可用于形成焊接接头。即使没有这种同步，也可如上所述改变机械振荡的振幅和/或频率和波长。在这些实例的任何一个中，在振动焊接过程中组件中的机械共振得到最小化。

此方法可用于许多振动焊接工艺，包括但不限于超声波焊接，其中在所述振动焊接工艺中，一个或多个工件的表面通过使用被施加的压力和机械振动或振荡联结或焊接在一起。示范性的振动焊接产品或组件为多电池电池组模块或电池包，其适于用作HEV、PHEV、PEV或其他车辆上的车内推进动力源，但是，本领域普通技术人员会认识到受益于本发明的产品的范围和类型不限于此。

相对于传统振动焊接方法，通过更改用于形成焊接接头的焊头的机械振荡的波形特性，可以使机械共振基本得到最小化。由焊接控制器产生的控制信号起初实际上为电信号，所述焊接控制器可与焊接电源整合在一起或者是与焊接电源独立的设备。转换器继而将来自控制器的信号转换为机械振荡，也就是，一个或多个超声焊极的一个或多个焊头的动作/运动。控制器可通过改变相对于工件平面的方向和/或通过改变上述振荡的频率、振幅和/或波长中的一个或多个来改变机械振荡的波形特性，包括在示范性实施例中引入相移来改变机械振荡的波形特性。

例如，使用数个焊头，其中每个焊头连接有或一体形成有角状部垫或焊接扣，可以使所述焊头以预定的相同的频率和振幅振动，而同时振荡方向相对于工件平面例如在圆周和/或前后/上下方向上改变。示范性实施例中可以同步化对相等数量的焊头的控制以最佳地平衡振动焊接过程中产生的共振力。只要不脱离本发明所指的范围，焊头可并排放置或者为了更加紧凑而叠放成一体。

由于被焊部件中的机械共振不随振动到焊头的引入立即发生，而是随着时间增加到可容许阈值，因此通过引入到机械振荡的波形中的相移可以提供控制信号的进一步改变。在预计到机械共振增加到可容许阈值以上时的时间点之前可引入相移，这样有助于预先制止或消除被焊接的组件中的机械共振的产生。机械振荡可以被周期性地中断开重新开始到相同或相似的消除共振效果。同样，可以改变振荡的振幅和/或频率/波长，和/或周期性地衰减机械振荡的波形，使衰减的波形在紧跟有增大振幅的相移中终止，或者这些波形效果的任意组合。

特别地，提供一种在元件或组件中形成振动焊接接头的方法，其包括将来自焊接控制器的控制信号传递到机械地连接到至少一个焊头的转换器。预定的机械振动或振荡发生在焊头中，这在与上述的作用力一起使用时有助于形成振动焊接接头。该方法包括改变控制信号以更改机械振荡在振动焊接接头的形成过程中的特性，从而最小化或改变焊接接头和焊接组件中的机械共振。

还提供一种用于在组件中的工件之间形成振动焊接接头的装置，其包括响应于控制信号组最终振动或振荡的一个或多个焊头。固定设备或砧可支撑工件同时另一个工件放置在所述固定设备或砧上。可改变机械振荡在振动焊接接头的形成过程中的特性以最小化或防止组件中的机械共振。

根据本发明的一个方面，本发明提供一种在形成组件中的振动焊接接头期间使所述组件中机械共振最小化的方法，所述方法包括：

使用焊接控制器产生控制信号的组；

使用转换器将所述控制信号转换成大体周期性的机械振荡，所述机械振荡具有包括方向、振幅、频率和波长在内的数个波形特性；

将所述机械振荡从所述转换器传递到至少一个焊头，以使所述机械振荡发生在焊头中；和

在振动焊接接头形成期间，改变所述控制信号从而改变所述数个波形特性中的至少一个，进而改变所述组件中的机械共振的量；

其中，所述机械振荡与外加压力一起应用，从而形成所述振动焊接接头。

根据本发明的另一方面，改变所述控制信号包括改变所述机械振荡相对于工件的平面的方向。

根据本发明的另一方面，所述机械振荡为大体周期波，并且其中改变所述控制信号包括改变所述周期波的振幅、频率和波长中的至少一个。

根据本发明的另一方面，改变所述周期波的振幅、频率和波长中的至少一个包括以下各项中的至少一个：将相移引入到所述周期波、衰减所述周期波和中断所述周期波。

根据本发明的另一方面，传递所述机械振荡包括：将第一机械振荡传递到第一焊头，同时将第二机械振荡传递到与所述第一焊头相邻放置的第二焊头。

根据本发明的另一方面，所述第一和第二焊头可以以独立方式或相互依赖方式中的一个方式控制，从而基本平衡或抵消由所述第一和第二焊头中的每一个产生的共振力。

根据本发明的另一方面，所述方法包括第一、第二和第三焊头，所述方法还包括：将所述第一焊头叠放在由所述第二和第三焊头限定出的槽道中。

本发明还提供一种在形成多电池电池组单元中的振动焊接接头期间使所述电池组单元中机械共振最小化的方法，所述方法包括：

将所述电池组单元的数个导电突舌彼此相邻放置；

使用焊接控制器产生控制信号的组；

使用转换器将所述控制信号转换成大体周期性的机械振荡，所述机械振荡具有包括方向、振幅、频率和波长在内的数个波形特性；

将所述机械振荡传递到具有至少一个焊头的超声焊极，从而在所述超声焊极和在所述焊头中产生预定振荡；以及

在振动焊接接头的形成期间，改变所述波形特性中的至少一个，从而改变所述多电池电池组单元中发生的机械共振的量。

根据本发明的又一方面，所述方法包括第一、第二和第三焊头，所述方法还包括：将所述第一焊头叠放在由所述第二和第三焊头限定出的槽道中。

根据本发明的又一方面，所述第二和第三焊头彼此直接连接。

根据本发明的又一方面，所述方法包括数个焊头，其中，所述焊头中的每一个可相对于其他焊头独立控制。

根据本发明的又一方面，改变所述机械振荡的所述波形特性中的至少一个包括改变振荡相对于突舌的平面的转动方向。

根据本发明的又一方面，所述机械振荡为正弦波。

根据本发明的又一方面，改变所述波形特性中的至少一个包括将相移、振幅变化、振幅衰减和频率变化中的至少一个引入到所述机械振荡。

本发明还提供一种用于在焊接组件中的至少一个工件的相邻表面之间形成振动焊接接头的系统，所述装置包括：

至少一个超声焊极，所述超声焊极具有与其直接连接的至少一个焊头，其中所述超声焊极和焊头配置成响应机械振荡而振荡；以及

焊接控制器，其适于产生控制信号的组以产生所述机械振荡；

其中，在振动焊接接头形成过程中能选择性地改变控制信号，以改变所述机械振荡的至少一个波形特性，从而通过所述超声焊极和焊头的振荡改变在所述焊接组件中发生的机械共振的量，并且其中所述至少一个波形特性包括所述机械振荡的方向、振幅、频率和波长中的一个。

根据本发明的再一方面，所述机械振荡为周期波，并且其中通过将相移引入到所述周期波、中断所述周期波和衰减所述周期波中的至少一个能选择性地改变所述控制信号的组。

根据本发明的再一方面，所述至少一个焊头包括偶数个基本相同的焊头，其中包括与第二焊头相邻放置的第一焊头，以使所述第一和第二焊头的振荡大体平衡在振动焊接接头形成期间传达到所述部件的力和力矩。

根据本发明的再一方面，所述工件包括多电池车辆电池组单元的导电突舌。

结合附图，从下面对实施本发明的最佳方式的具体描述中容易明白本发明的上述特征和优点及其他特征和优点。

附图说明

图1为图示根据本发明的可用的振动焊接系统的示意侧视图；

图2为具有数个焊接扣的示范性焊头的示意性立体图；

图3为根据另一个示范性实施例的用于焊接多电池电池组单元的焊头组的示意性立体图；

图4为另一示范性焊头组的示意性立体图；

图5A为与图1系统的焊头一起使用的示范性机械振荡波形；

图5B为图5A的机械振荡波形的替代实施例；以及

图5C为图5A和5B的机械振荡波形的又一替代实施例。

具体实施方式

参考附图，其中相同的附图标记表示相同的部件，从图1开始，振动焊接装置或系统10适于最小化或改变发生在通过使用系统10进行振动焊接的组件中的机械共振。系统10包括焊接电源(PS)12，该焊接电源(PS)12可操作以将源动力转化为振动焊接可使用的形式。如本领域普通技术人员所理解的，用于振动焊接的电源例如图1的电源12可以电连接到任何合适的能量源例如50-60Hz的壁插座。

电源12可包括焊接控制器(C)12A，焊接控制器(C)12A通常被整合在电源12内，但并非一定如此。电源12可操作以将源动力转化为输出信号，即电控制信号(箭头i_C)，所述输出信号具有非常适于振动焊接使用的预定波形特性，这些输出信号具有例如从若干赫兹(Hz)到约40KHz的频率，或根据特定的应用具有更高的频率。

电控制信号(箭头i_C)从电源12或更准确地说从焊接控制器12A传送到转换器(CONV)13，该转换器13具有用于产生焊头18A的机械振动或振荡(箭头i_o)所需的机械结构，该焊头18A与焊接角状部或超声焊极(S)18一体形成，其中所述机械振荡(箭头i_o)响应于控制信号(箭头i_C)产生。在本发明的范围内，机械振荡(箭头i_o)由其在振荡方向、振幅和频率/波长方面的各种波形特性来描述。机械振荡(箭头i_o)可定义或描述大体周期性的波形，例如正弦波、方波、三角波等。

系统10还可包括增强器(B)16，其适于放大振动的振幅，和/或改变力(箭头F)的方向，如下所述。即，机械振荡(箭头i_o)最初可具有相对小的振幅，例如，几分之一微米到几毫米，然后该振幅可通过增强器16放大以产生机械振荡(箭头i_o)。由于超声焊极18和焊头18A直接连结或连接到增强器16，机械振荡(箭头i_o)继而传递到焊头18A。

可操作地连接到超声焊极18或与超声焊极18一体地形成的焊头18A为使用在系统10中的实际振动或振荡的设备，以结合作用力(箭头F)一起形成振动焊接接头，该作用力示出为图1中的示范性垂直力。作用力(箭头F)可以是由外部装置(未示出)所施加的力，和/或可由增强器16施加。焊接接头形成在接近于各工件22之间的交界面17，或单个工件的邻接表面或可焊接表面之间的交界面17。

各焊头18A直接附接到一个或多个焊接扣20或与一个或多个焊接扣20一体形成，在交界面17处或沿着交界面17形成振动焊接接头的过程中，焊接扣20与接触工件22的实际表面接触。焊接扣20的工作表面25可包括滚花或齿以提供在工件22上足够的抓紧(力)。为了利于振动焊接工艺，工件22中的一个或多个可放置在固定表面或砧21上。

参照图2，示范性的工件22组可通过使用振动焊接粘合、熔合或联结。图2的示范性实施例中，可使超声焊极18的单个焊头18A(参见图1)振荡或振动，同时焊接控制器12A可改变振幅和/或频率和波长形式的波形特性，以使被焊接的任何部件中的机械共振最小化。即，如下参照图5A-C解释的波形特性的改变可以用来使焊接组件中的机械共振最小化。工件22可为邻近表面组，例如在制造车门和板件组件中所使用的金属板，或者工件22可为适于通过振动焊接粘合的任何其它金属或塑料表面组，无论是车用的或是其它(用途的)。焊头18A如上所述设置有数个扣20。虽然示出了具有三个扣20的单个焊头18A，但在此特定实施例中，只要不脱离本发明的意在范围，扣20的数量可以改变。

如本领域普通技术人员所理解的，可在相对于工件22的平面的预定线性方向使焊头18A振荡或振动，如分别由水平箭头D和垂直箭头E所示。同样，可以使焊头18A的振动方向发生在顺时针或逆时针方向，例如，在分别如箭头BB和B所示的任一转动方向的部分或全部角度运动。为了以最佳的方式形成焊接接头26，可按如下所述的方式控制图2的焊头18A。

参照图3和4，图1和2的工件22还可实施为具有多电池电池组单元30的突舌(tab)38A、38B组的工件122，如上总体所述。作为示例，根据所需的应用，可使电池组单元30的尺寸设计成足够为驱动电动车辆或混合汽油/电动车辆提供必需的电压，例如，约300至400伏特或其他电压范围。细长的互连构件32可由适当的导电材料构成。互连构件32可成形为、尺寸设计为和/或以其他方式构造为以形成细长轨道或母线，并且可安装到电池组单元30的互连板(未示出)。为了简化，在图3、4中仅示出电池组单元30在虚平面36上延伸的部分。

电池组单元30可包括数个电池(未示出)，这些电池可根据目标应用实施为许多不同设计中的任一个，例如，锂离子、锂离子聚合体、镍氢电池、镍镉电池等。电池组单元30的各电池包括正极充电端子或突舌38A和负极充电端子或突舌38B。只要不脱离本发明所意在的范围，具体的正极充电突舌38A和负极充电38B可与图3和图4所示的配置颠倒，也就是，突舌38A为负极充电而突舌38B为正极充电。如本领域普通技术人员所理解的，无论突舌38A、38B的极性为哪一种，突舌38A、38B为电池(未示出)的电极延伸部，每一个都内在地焊接到组成电池的各个阳极和阴极。

如图3和图4所示，正极充电突舌38A可放置成彼此紧邻，并且放置成与互连构件32或具有其它适当构型的其他互连构件的侧壁37紧邻。然后将突舌38A以及将突舌38A与互连构件32振动焊接、熔合或其它方式联结在一起以形成一个或多个焊接接头26(参见图2)。同样，负极充电突舌38B可放置成彼此紧邻，并且放置成与互连构件32或其他适当的互连构件紧邻。然后将突舌38B以及将突舌38B与互连构件32振动焊接在一起以形成另一焊接接头26(参见图2)，该另一焊接接头从图3和图4的立体图不可见，但是其与接近于突舌38A的焊接接头26基本相同。

如图3所示的示范性实施例中，偶数个焊头118A中每一个可包括相等数量的扣20，以大体平衡在振动焊接接头形成过程中所传达的力和力矩。为了提供在机械振荡(图1的箭头i_o)中所需的变化，焊头118A的振动的运动方向可以被同步，也就是，在基本相同和相反方向上施加。虽然在图3中示出一对焊头118A，但是，在每一焊头118A所产生的力被相对应的焊头118A基本抵消或平衡的情况下，根据本特定实施例可以使用不同的独立可控或互相依赖可控的超声焊极的任意偶数个焊头118A。各焊头118A的振动方向可如上所述在如箭头D和E所示的线性往复方向上和在如箭头B和BB所示的旋转或圆形方向上受到独立地控制或受到互相依赖地控制。

图4的示范性实施例中，为了更加紧凑，焊头318A可定位在或叠放在焊头218A组之内或内侧。可根据需要独立或相互依赖地控制和改变焊头218A、318A的振动。如构想地所示，焊头218A可被连接在一起以形成整体结构以限定如大体由箭头E所示的槽道34，其中焊头318A可安装到所述通道34内。

参照图5A并参考图1-4的结构，传递到以上参照图1-4所描述的焊头18A、118A、218A和318A的机械振荡(图1的箭头i_o)可产生周期波形，以下示例为具有如所示的频率、振幅和波长的正弦曲线波形或正弦波50。然而，只要不脱离本发明的意在范围，也可使用其他的方波、三角波或其他周期波形。振幅(A)表示扣20相对于工件22的平面的位移量。例如，在图5A的实施例中，由图1的增强器16所传递的振幅可被设置为约20微米或其他所希望的水平，并保持恒定。

机械振荡(箭头i_o)中的改变至少部分地可通过将相移在点54处引入到正弦波50、和/或如52处的虚线所示通过临时中断或停止传递正弦波50一段标定时间并然后在点54处再进行相移来实现。图5A所示的实施例具有固定的峰值振幅(A)，然而，如图5B所示，也可改变振幅(A)以进一步改变或最小化工件22中的机械共振。

参见图5B，另一个正弦波150具有变化的振幅。正弦波150可以包括具有固定的振幅和波长的周期58，之后跟随衰减部分60，衰减部分60可以在如参照图5A所示的相移中终止在点54处。点54可跟随周期62，周期62具有相对于周期58和60的振幅增大的振幅，周期62跟随振幅和波长再一次稳定的周期64。只要不脱离本发明所指的范围，周期58、60、62和64的次序可以改变，并且假定在正弦波150中可获得机械振荡(箭头i_o)中的充分振动，那么不必包括每一个周期58、60、62、64来获得期望振动量。

参见图5C，另一个正弦波250可以包括稳定的或相同的振幅，但具有变化的波长。例如，正弦波250可传递具有在第一周期66上的固定振幅(A)和第一波长λ1，第一周期66跟随有周期68，其中周期68保持相同振幅(A)但具有与第一波长(λ1)不同的第二波长(λ2)。虽然在图5C中第一波长(λ1)示出为比第二波长λ2短，但是为了产生消除机械共振所希望的变化，第二波长(λ2)可比第一波长(λ1)短，或者波长(λ1、λ2)可随着时间改变。同样，可以使用如上参照图5A和5B所述的任意改变，也就是相移、振幅变化、信号或波形衰减和/或中断等，修改正弦波250。

使用如上所述的方法和装置，可以最小化由超声波焊接和其他振动焊接工艺所产生的机械共振，以使振动焊接接头具有最佳质量，特别是关于焊接效率和强度、以及系统的长期耐久性。可以改变作为振动最终输入到焊头或多个焊头的控制信号，而独立或互相依赖地可控的焊头可用于抵消或平衡在工件中发生的共振力。不同的波形和/或焊接安排也可用于不同的焊头以例如通过最小化诸如多电池车辆电池组的电池突舌中的邻近突舌之间或其他振动焊接结构之类的工件之间的脱粘或弱化情况来进一步最优化焊接质量。

虽然具体描述了实现本发明的最佳方式，但与本发明相关的本领域技术人员将会明白所附权利要求的范围内的为实施本发明的各种替代设计和实施例。

Claims (10)

1.一种在形成组件中的振动焊接接头期间使所述组件中机械共振最小化的方法，所述方法包括：

使用焊接控制器产生控制信号的组；

使用转换器将所述控制信号转换成大体周期性的机械振荡，所述机械振荡具有包括方向、振幅、频率和波长在内的数个波形特性；

将所述机械振荡从所述转换器传递到至少一个焊头，以使所述机械振荡发生在焊头中；和

在振动焊接接头形成期间，改变所述控制信号从而改变所述数个波形特性中的至少一个，进而改变所述组件中的机械共振的量；

其中，所述机械振荡与外加压力一起应用，从而形成所述振动焊接接头。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，改变所述控制信号包括改变所述机械振荡相对于工件的平面的方向。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述机械振荡为大体周期波，并且其中改变所述控制信号包括改变所述周期波的振幅、频率和波长中的至少一个。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，改变所述周期波的振幅、频率和波长中的至少一个包括以下各项中的至少一个：将相移引入到所述周期波、衰减所述周期波和中断所述周期波。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，传递所述机械振荡包括：将第一机械振荡传递到第一焊头，同时将第二机械振荡传递到与所述第一焊头相邻放置的第二焊头。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第一和第二焊头可以以独立方式或相互依赖方式中的一个方式控制，从而基本平衡或抵消由所述第一和第二焊头中的每一个产生的共振力。

7.根据权利要求1所述的方法，包括第一、第二和第三焊头，所述方法还包括：将所述第一焊头叠放在由所述第二和第三焊头限定出的槽道中。

8.一种在形成多电池电池组单元中的振动焊接接头期间使所述电池组单元中机械共振最小化的方法，所述方法包括：

将所述电池组单元的数个导电突舌彼此相邻放置；

使用焊接控制器产生控制信号的组；

使用转换器将所述控制信号转换成大体周期性的机械振荡，所述机械振荡具有包括方向、振幅、频率和波长在内的数个波形特性；

将所述机械振荡传递到具有至少一个焊头的超声焊极，从而在所述超声焊极和在所述焊头中产生预定振荡；以及

在振动焊接接头的形成期间，改变所述波形特性中的至少一个，从而改变所述多电池电池组单元中发生的机械共振的量。

9.根据权利要求8所述的方法，包括第一、第二和第三焊头，所述方法还包括：将所述第一焊头叠放在由所述第二和第三焊头限定出的槽道中。

10.一种用于在焊接组件中的至少一个工件的相邻表面之间形成振动焊接接头的系统，所述装置包括：

至少一个超声焊极，所述超声焊极具有与其直接连接的至少一个焊头，其中所述超声焊极和焊头配置成响应机械振荡而振荡；以及

焊接控制器，其适于产生控制信号的组以产生所述机械振荡；

其中，在振动焊接接头形成过程中能选择性地改变控制信号，以改变所述机械振荡的至少一个波形特性，从而通过所述超声焊极和焊头的振荡改变在所述焊接组件中发生的机械共振的量，并且其中所述至少一个波形特性包括所述机械振荡的方向、振幅、频率和波长中的一个。

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