CN103418906B - 具有薄膜传感器的振动焊接系统 - Google Patents

Abstract

振动焊接系统包括砧、焊接触针、薄膜传感器以及过程控制器。砧和触针包括在焊接过程期间接触工件的工作表面。传感器测量工作表面处的控制值。测得的控制值被传送至控制器，所述控制器部分地使用测得的控制值控制该系统。薄膜传感器可包括多个热电堆和热电偶，其共同测量工件表面处的温度和热流。一种方法包括提供具有邻近该焊接装置工作表面的槽的焊接装置、将薄膜传感器插入到该槽中，和使用传感器测量工作表面处的控制值。过程控制器继而部分地使用测得的控制值控制振动焊接系统。

Description

具有薄膜传感器的振动焊接系统

技术领域

本发明涉及具有一个或多个薄膜传感器的振动焊接系统。

背景技术

在振动焊接过程中，使用高频率振动能量使被夹持的工件的邻近表面被联接。振动能量传播通过被夹持工件材料，产生沿相接工件表面的摩擦和热。热使相接表面软化，所述相接表面最终在冷却时联接在一起，以形成焊接接合部。

振动焊接系统包括各种相互相连接的焊接装置。在相互相连接的焊接装置中最重要的是振动超声发生器/焊接触针和砧组件。砧组件可包括砧和背板，其中砧经由背板栓接或者附接至刚性支撑构件。工件被夹持在触针和砧的工作表面之间。进而响应于来自焊接控制器/电源的高频率输入而使得触针以经校准的频率和振幅振动。

发明内容

这里公开了一种振动焊接系统，其在振动焊接过程中使用至少一个薄膜传感器。该系统包括砧、焊接触针、薄膜传感器或多个这样的传感器，以及过程控制器。砧和焊接触针具有各自的第一和第二工作表面，即在振动焊接过程中接触被夹持的工件的表面。每个薄膜传感器相对于系统中的一个工作表面定位。传感器测量工作表面处的控制值，例如温度/热流值。传感器将测得的控制值传送至过程控制器。控制器配置为部分地使用测得的控制值控制振动焊接系统。

另外，用于振动焊接系统中的组件包括焊接装置，所述焊接装置具有：在振动焊接过程期间接触工件的工作表面；至少一个薄膜传感器，其相对于工作表面定位；和过程控制器，其与传感器（一个或多个）通信。每个薄膜传感器测量工作表面处的控制值，并将测得的控制值传送至过程控制器。过程控制器则部分地使用测得的控制值控制振动焊接系统。

还公开了一种振动焊接方法，其包括提供具有槽（一个或多个）的焊接装置，每个槽装置为邻近焊接装置的工作表面。该方法进一步包括将薄膜传感器插入相应的其中一个槽中，进而使用被插入的薄膜传感器来测量工作表面处的控制值。该方法进一步包括将测得的控制值传送至过程控制器，随后部分地使用该测得的控制值控制振动焊接系统。

本发明的上述特征和优势及其他特征和优势将从用于实施本发明的最佳模式的以下详细描述连同附图时显而易见。

附图说明

图1是使用一个或多个如这里所述的薄膜传感器的振动焊接系统的示意图；

图2是可用于图1的振动焊接系统的示例焊接砧（anvil）的示意性图示；

图3是图2中示出的焊接砧的另一个示意性图示；

图4是可用于图1的振动焊接系统内的薄膜传感器的示例传感器布置的示意图。

具体实施方式

参考附图，其中相同的附图标记代表相同的部件，图1中显示了示例振动焊接系统10。系统10配置为使用所应用的、处于超声或其他适当频率范围内的振动能量在工件22内形成焊接接合部。系统10包括各种互相连接的焊接装置，包括至少一个砧组件12和振动超声发生器/焊接触针14。下面参考图2和3的详细叙述，用在系统10中的一个或多个焊接装置可配置为接收薄膜传感器20，所述薄膜传感器在图1中示意性地示出。系统10的总体控制可至少部分地通过控制值（箭头34）而被通知，所述控制值由薄膜传感器20或由多个这样的传感器20测量。

例如，每个薄膜传感器20可实施为温度/热流传感器。当以此方式配置时，薄膜传感器20可包括多个热电偶和/或热电堆，在焊接接合部在工件22中被形成时所述热电偶和/或热电堆共同地测量焊接接合部附近的焊接温度和相关的热流。可以结合总体过程监控、控制和预防维护来进行和使用这种测量。下面参考图2和3描述用于插入和/或附接薄膜传感器20的各种选项，同时参考图4描述用于薄膜传感器20的示例性传感器布置。

通常，这里使用的薄膜传感器20可配置为微电子机械系统（MEMS）传感器。如本领域所知，MEMS传感器可制成在导电基底的薄片上，使用例如低压化学汽相沉积、光刻法、掩模法或其他构造步骤。薄膜传感器20可以是市场上可获得的任意MEMS传感器，例如形为微型环或纳米光子晶体谐振器的光子器件。

图1中所示的砧组件12可包括砧16和背板18。砧16可被连接至背板18和支撑构件21。总体地，在振动焊接过程期间，砧组件12提供相对坚硬的金属块，所述金属块与焊接触针14相反地定位。

焊接触针14可以包括焊接片23。焊接片23可形成具有滚花图案的工作表面，例如形为凸起的块、脊部、或任何其他纹理的图案，其提供用于抓持工件22的足够的牵引力。砧16可包括带纹理工作表面25，所述带纹理工作表面具有类似的滚花图案。焊接片23和带纹理工作表面25一起促进振动焊接过程期间的工件22的牢固抓持。

在图1的系统10中可使用附加的焊接装置。例如，为了适当地驱动和控制超声焊接过程，焊接电源28可用于将可得到的电源功率转化为更有益于振动焊接的形式。电源28可被电连接至任何适当的能量源，例如50-60Hz的交流壁面插座。在这种情况中，电源28可包括所需的高频率电压整流器和转换器，用于产生适用于振动焊接的高频率波形。图1的电源28最终将电源功率转化为适当的功率控制信号，所述信号具有预先确定的、适于用在振动焊接过程中的波形特征，其根据特定用途例如为几赫兹（Hz）至大约40KHz的频率，或更高的频率。

附加的焊接装置可包括转换器24和增幅器26。转换器24可以是压电堆栈或任何其他结构性元件，所述结构性元件具有所要求的机械结构，该机械结构用于响应于来自电源28的输入信号（箭头31）而产生机械振动。增幅器26放大输入信号（箭头31）的振动振幅，和/或改变被施加在焊接触针14和砧16之间的夹持力的方向。

仍参考图1，振动焊接系统10可包括过程控制器32，其与薄膜传感器20（一个或多个）通信。控制器32从被用作系统10的一部分的每个薄膜传感器20接收经测量的控制值（箭头34），且继而处理接收的控制值（箭头34）用于振动焊接过程的整体控制。来自控制器32的输出信号（箭头11）可用于该目的。

示例方法可包括从薄膜传感器20或从多个这样的传感器20接收作为控制值（箭头34）的温度和热流测量值，且随后使用过程控制器32对比接收的控制值（箭头34）与经校准的值或范围。过程控制器32则可基于这种对比的结果而实时地（即在焊接接合部正被形成或离线时（offline））确定焊接质量。

在一个实施例中可对比测得的控制值（箭头34）与经校准的阈值，而热流和/或温度峰值的图案识别可使用神经网络或其他人工智能算法来进行，以确定在另一个可能的实施例中的焊接质量。类似地，测得的控制值（箭头34）可被记录和随时间与工具磨损（例如带纹理工作表面25上的滚花图案或焊接片23的任何磨损）关联，以发信号表示（可能实时地）对于可能的工具维修/替换的需要。输出信号（箭头11）可被用于例如记录诊断代码、信号通知指示器装置（未示出）或改变电源28的控制变量。

参考图2，示出了一种可行配置的砧16。薄膜传感器20可在直接邻近带纹理工作表面25处（也见图3）插入到砧16中。同时本领域技术人员将理解，薄膜传感器20（一个或多个）可插入在其他焊接装置中，例如图1的邻近焊接片23的焊接触针14内，下面将描述薄膜传感器20相对于砧16的插入，用于说明上的一致性。

砧16的远端30包括带纹理工作表面25，其可以由砧16的纵向侧壁44和一对横向侧壁46界定，如所示。当工件22被夹持在砧16和焊接触针14之间时，砧16的下表面42是背对图1的工件22的特定主表面。紧固件（未示出）可插入在一套螺栓孔36中，以将砧16牢固地固定到图1中示出的背板18。

在图1中示出的示例配置中，槽40可设置在砧14的下表面42上，其中薄膜传感器20关于纵向侧壁44正交地布置。图1的砧16或相同视图中所示的系统10的任何其他焊接装置可经由激光或其他方式切割，以形成槽40，薄膜传感器20随后被插入到槽40内。可替换地，砧16可被切割成两个分开的部分，在这之后，薄膜传感器20可被插入到这些部分之间。其后，砧16可被结合或紧固回到一起，使得薄膜传感器20被保持在所述部分之间。槽40应被设置大小为略大于薄膜传感器20的厚度，典型地为大约小于2mm的量级，从而在插入后，砧16和薄膜传感器20之间存在足够的过盈配合。

图2中所示的槽40的取向可以根据应用而改变。例如，虚线中所示的可选的槽140可设置在纵向侧壁44中，其平行于侧壁44的纵向轴线。另一槽240可类似地沿任何方向形成在横向侧壁46中，以在该位置处接收薄膜传感器20，而不脱离预期的发明保护范围。

参考图3，从工作表面25的侧面显示图2的砧16。当薄膜传感器20完全插入到槽40或槽40的任意不同的可行实施例中时，薄膜传感器20的端部29可定位为直接邻近带纹理工作表面25。因为工作表面25包括直接接触图1的工件22的滚花，所以沿工作表面25的平面38存在大量的振动能量。因此薄膜传感器20应定位在平面38以下适当的距离处，例如约1mm或更小。即，薄膜传感器20应定位为尽可能接近工作表面25，或其温度和热流作为控制值被测量的任何其他表面（但不要太近以至于在焊接过程期间被损坏）。

在替换实施例中，薄膜传感器20可粘附至砧16，而不是插入其中。这种粘附的一个可能的位置是如图虚线中示出的纵向侧壁44，或替换地是横向侧壁46。因为在工作表面25处的加速力可以很大，所以用在这种方式中的任何结合强度都是重要的。例如银膏可足以作为典型的超声焊接应用中的粘附材料。

参考图4，提供了用于薄膜传感器的部分的示例布置。在很多可行的使用中，图1的振动焊接系统10可被用于在车辆电池中形成焊接接合部。这种焊接接合部形成在导电的电池凸片上，且在给定的侧面上为大约3mm至4mm。

因而，在这样的应用中，薄膜传感器20可包括多个热电堆50和多个热电偶54。热电堆50和热电偶54可如图所示地布置，以在焊接区域的位点处测量温度和热流，其中位点由区域52大致指示。在该示例实施例中，热电堆50和热电偶54可定位为彼此大约分开1mm至2mm，用于约3mm的大致方形焊接区域。四个热电堆50的使用仅是说明性的。可以使用更少或更多的热电堆50，且这些热电堆可以以与图中所示方式不同的方式取向。

使用以上描述的振动焊接系统10，可容易地预期使用一个或多个图1-4中所示的薄膜传感器20的振动焊接过程，所述薄膜传感器处于具有图1中所示过程控制器32的反馈环路中。来自每个插入的薄膜传感器20的测得的控制值（图1的箭头34）则可以由过程控制器32使用，以（例如在焊接接合部的形成期间实时地）确定焊接的质量。通过过程控制器32可进行各种控制动作，例如改变到图1的电源28的输入变量，例如振动频率、振幅、夹持力等。可替换地，图1的过程控制器32可响应于测得的控制值（箭头34）实时地指明焊接接合部是好或坏。在导电的电池凸片中和在其他焊接产品的超声焊接中，这种方式可以是有优势的。本领域技术人员将容易地理解这些和其他可能的控制动作。

尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。

关于联邦资助的研究或开发的声明

本发明通过美国政府的支持，在能源部2009能源回收和再投资法案，电池组制造B511协议/项目DE-EE0002217下进行。美国政府对本发明具有一定的权利。

Claims (8)

1.一种用于振动焊接系统的组件，该组件包括：

焊接装置，其具有带纹理工作表面，该工作表面在振动焊接过程期间接触工件，其中该焊接装置限定直接邻近所述带纹理工作表面的槽；

薄膜传感器，其配置为热流传感器，且定位在直接邻近所述带纹理工作表面的槽中；和

过程控制器，其与所述薄膜传感器通信；

其中所述薄膜传感器配置为至少测量热流值作为直接邻近所述带纹理工作表面处的控制值，并将测得的控制值传送至过程控制器，且其中所述过程控制器配置为：

在焊点正被形成时，经由薄膜传感器确定带纹理工作表面的热流值；

识别被确定的热流值中的图案；和

使用所识别的图案，发信号表示对于维修或替换所述焊接装置的需要。

2.如权利要求1所述的组件，其中所述焊接装置是焊接砧。

3.如权利要求2所述的组件，其中所述薄膜传感器包括多个热电偶对，其共同地配置为测量焊接温度和所述热流值。

4.如权利要求1所述的组件，其中所述槽平行于所述焊接装置的侧壁的纵向轴线。

5.如权利要求1所述的组件，其中所述槽关于所述焊接装置的侧壁的纵向轴线是正交的。

6.一种振动焊接方法，其包括：

提供具有邻近焊接装置的带纹理工作表面的槽的焊接装置，其中所述带纹理工作表面是在振动焊接过程期间接触工件的表面；

将薄膜传感器插入到所述槽内，所述薄膜传感器配置为热流传感器；

在焊点正被形成时，使用所述薄膜传感器测量所述工作表面处的控制值，包括带纹理工作表面的热流值；

将测得的控制值传送至过程控制器；

经由过程控制器，识别热流值中的匹配校准图案的图案；和

使用所述过程控制器利用该测得的控制值部分地控制所述振动焊接系统，包括确定焊接装置是否磨损和要求维修或替换，以及记录要求维修或替换的诊断代码。

7.如权利要求6所述的方法，其中提供具有邻近焊接装置的带纹理工作表面的槽的焊接装置包括提供具有槽的砧，所述槽平行于所述砧的侧壁的纵向轴线。

8.如权利要求7所述的方法，其中使用所述薄膜传感器测量所述工作表面处的控制值包括使用具有多个热电堆和多个热电偶的薄膜传感器测量所述砧的所述工作表面处的温度和所述热流。