CN105026095A - 超声波焊接装置 - Google Patents

Abstract

<b>本发明涉及一种具有振荡器（</b><b>100</b><b>）的超声波焊接装置，该超声波焊接装置包括超声焊极（</b><b>116</b><b>），该超声焊极能够以波长λ置于振动之中并且在该超声焊极的波腹中具有至少一个焊接区域（</b><b>120</b><b>、</b><b>168</b><b>），其中所述超声焊极在其波节中在第一支承件（</b><b>130</b><b>）中被支撑。为了利用设计上简单的措施在不需要成本过高的安装措施的情况下不仅能够实现所述超声焊极的径向的定向而且能够实现其轴向的定向，规定所述第一支承件（</b><b>130</b><b>）具有凸起（</b><b>132</b><b>），该凸起在沿着所述超声焊极的纵向方向延伸的截面中具有拥有侧臂（</b><b>136</b><b>、</b><b>138</b><b>）和将这些侧臂（</b><b>136</b><b>、</b><b>138</b><b>）连接起来的横臂（</b><b>140</b><b>）的、</b><b>U</b><b>形的几何形状，所述凸起嵌入处于所述超声焊极（</b><b>116</b><b>）中的、与</b><b>U</b><b>形的几何形状匹配的空隙（</b><b>140</b><b>、</b><b>144</b><b>）中，所述超声焊极面状地在所述凸起的横臂上被支撑，并且通过所述凸起的至少一个侧臂来进行所述超声焊极的轴向的定向。</b>

Description

超声波焊接装置

技术领域

本发明涉及一种具有振荡器（ Schwinger ）的超声波焊接装置，该振荡器包括超声焊极（ Sonotrode ），所述超声焊极能够以波长λ置于振动之中并且具有至少一个能够为配对电极（ Gegenelektrode ）分配的、用于对金属件进行焊接的焊接区域，其中所述超声焊极在其波节中在第一支承件（ Lagerung ）中被支撑。

背景技术

相应的装置可以从 DE 198 59 355 C2 中得知。支承件不仅承受径向的力，而且承受轴向的力、而且承受弯矩及扭矩。在此所述支承件包括相对于超声焊极顶端—所述焊接面处于该超声焊极顶端的区域中—以λ /4 的间距在径向上伸出的第一区段，该第一区段本身过渡到沿着所述超声焊极的纵向方向并且与所述超声焊极隔开地延伸的第二区段。

根据 DE 35 08 122 C2 ，超声波焊接装置的超声焊极通过大量垂直于超声焊极纵轴线引出的螺柱（ Schriftschraube ）而逐点地被支撑。

从 DE 10 2005 063 230 B3 中可以得知一种用于对工件进行超声波加工的装置。在此，超声焊极与两个增压器（ Booster ）相连接，包括超声焊极和增压器的振荡器通过其被支承。为此，所述增压器被管件或者套筒所包围，其借助于挤压配合或者螺纹连接与所述增压器相连接。

前面所熟知的、用于对超声波焊接装置的振荡器进行支承的装置需要成本过高的调整，以便使所述超声焊极在轴向上和在径向上定向，从而能够以可再现的方式实施高质量的焊接过程。

发明内容

本发明的任务是，如此改进前面所描述的类型的超声波焊接装置，从而利用设计上简单的措施在不需要成本过高的安装措施的情况下不仅可以使所述超声焊极在径向上定向而且可以使其在轴向上定向。

按照本发明，所述任务主要通过以下方式得到解决：所述第一支承件具有凸起，该凸起在沿着超声焊极纵轴线延伸的截面中具有拥有侧臂（ Seitenschenkel ）和将这些侧臂连接起来的横臂（ Querschenkel ）的 U 形的几何形状，所述凸起嵌入所述超声焊极中的、与 U 形的几何形状匹配的空隙中，所述超声焊极面状地在所述凸起的横臂上被支撑，并且通过所述凸起的至少一个所述侧臂来进行所述超声焊极的轴向的定向。在此，所述凸起尤其在沿着超声焊极纵轴线方向延伸的截面中具有梯形几何形状、尤其是对称梯形的梯形几何形状。

通过所述按本发明的教导，通过以下方式进行所述超声焊极的径向的定向：所述超声焊极通过为所述横臂分配的面状的区段面状地支撑在所述横臂上。与现有技术有差别的是，不进行点状支承而是进行面状的支承。

所述轴向的定向通过以下方式来进行：所述超声焊极以一个区段抵靠在所述凸起的至少一个所述侧臂上，其中尤其同样进行面状的支撑。关于余下的侧臂，所述超声焊极可以与其隔开。

此外规定，所述第一支承件包括横向于所述横臂并且沿着超声焊极纵向方向延伸的支撑件，所述超声焊极能够通过作用于其上的力朝所述支撑件挤压。

朝所述支撑件的方向作用于所述超声焊极的力可以通过压力元件、比如螺栓来引起，其中所述压力元件可以从所述超声波焊接装置的壳体或者机体上引出。

按照本发明，利用设计上简单的措施，在所述超声焊极的波节中、也就是相对于所述焊接区域或者与该焊接区域相邻地延伸的区域以λ /4 的间距来对所述超声焊极进行面状的支撑。相邻地延伸的区域关于所述焊接区域包括间距λ /4 ± 10mm 。所述超声焊极具有长度 N ·λ /2 ，其中 N= 正整数。

在所述尤其在截面中具有梯形几何形状的凸起嵌入所述超声焊极的、相应地在几何形状上相匹配的空隙中时，进行所述超声焊极的、自动的轴向的定向。通过面状的支撑，同时进行径向的定向。通过与此有关的措施，由此可以以简单的方式将所述超声焊极放入容纳部中并且加以固定，所述超声焊极而后被放入到超声波焊接装置的壳体中，并且比如通过燕尾连接与所述超声波焊接装置的壳体相连接，如其对于点焊设备所知道的那样。就此而言，参照如可以从联邦德国 Wettenberg 的公司 Schunk Sonosystems GmbH 的类型 DS20 II 的超声波焊接装置中得知的那样的构造。明确参照与此有关的构造。

尤其本发明的突出之处在于，所述超声焊极具有长度λ，所述焊接区域沿着纵向方向观察在所述超声焊极的中间区域中延伸，所述第一支承件相对于所述焊接区域的一侧并且第二支承件相对于所述焊接区域的另一侧以间距λ /4 延伸，其中所述第二支承件尤其是塑料轴承。在此，尤其所述超声焊极应该形状配合地被支撑在所述第二支承件中并且在超声焊极侧具有拥有侧臂的 U 形状，所述侧臂的内部的内边测定的间距在开口侧等于或者稍许大于所述超声焊极的在侧臂之间的横截面宽度。由此，利用设计上简单的措施可以将所述超声焊极装入到所述第二轴承中并且可以将其从所述第二轴承中移除。

但是，本发明的突出之处也在于，所述超声焊极可以与增压器相连接，该增压器沿着所述超声焊极的纵向方向以离开所述焊接区域或者与该焊接区域邻接的区域的间距¾λ在第三支承件中被支承，所述第三支承件尤其是优选为浮动轴承的形式的塑料轴承。在此，所述第三支承件可以由两个子支承元件构成，所述两个子支承元件在增压器侧分别具有用于所述增压器的半圆形的容纳部。

尤其规定，所述超声焊极的在所述凸起上的支撑面沿着超声焊极纵轴线方向具有长度 L 和 / 或宽度 B ，其中 1mm ≤ L ≤ 10mm ， 5mm ≤ B ≤ 60mm 。所述宽度垂直于所述超声焊极纵轴线延伸。每个横臂的垂直于超声焊极纵轴线的高度，也就是所述空隙的深度 T_S 应该为 1mm ≤ T_S ≤ 5mm 。在横臂与侧臂之间的角度α应该为λ 90 °≤α≤ 150 °。

附图说明

本发明的其它细节、优点和特征不仅从权利要求、从所述权利要求得知的特征（本身和 / 或组合）中得出，而且也从以下对从图中得知的优选的实施例所作的说明中得出。附图中：

图 1 示出了用于对金属进行焊接的装置的原理图；

图 2 示出了绞合线焊接设备（ Litzenschweißanlage ）的截取部分；

图 3 示出了从图 2 中得知的超声焊极的截取部分，并且以截面图示出了该从图 2 中得知的超声焊极的一个区段；

图 4 示出了点焊设备的振荡器；

图 5 示出了具有λ超声焊极的振荡器的侧视图；

图 6 示出了沿着在图 5 中的线 A-A 的截面；

图 7 示出了沿着在图 5 中的线 B-B 的截面；

图 8 以侧视图示出了具有λ超声焊极的振荡器；

图 9 示出了沿着在图 8 中的线 A-A 的截面；

图 10 示出了沿着在图 8 中的线 B-B 的截面；

图 11 示出了具有λ /2 超声焊极及 增压器的振荡器的侧视图；

图 12 示出了沿着在图 11 中的线 A-A 的截面；并且

图 13 示出了沿着在图 11 中的线 C-C 的截面。

具体实施方式

在图中（其中原则上可以为相同的元件使用相同的附图标记）示出了超声焊极的不同的实施方式，所述超声焊极按照本发明被支撑在第一支承件中。通过所述第一支承件，能够以简单的方式来布置或者定位包括所述超声焊极的振荡器，而不需要成本过高的调准措施。将所述相应的振荡器安装在超声波焊接设备中，用于对金属件进行焊接，尤其是用于对绞合线、具有触头的导线或者像 IGBT 一样的电结构元件的端部节点（ Endsknoten ）或者通过节点（ Durchgangsknoten ）进行焊接。

在图 1 中纯原理地示出了一种超声波焊接设备，利用该超声波焊接设备应该将绞合线焊接成端部节点。所述设备包括以惯常的方式具有变换器（ Konverter ） 12 的超声波焊接装置或者超声波焊接机 10 ，其与在所述实施例中由增压器 14 和超声焊极 16 构成的振荡器相连接。所述超声焊极 16 在其在所述波腹中延伸的顶端 18 中具有焊接面，为该焊接面分配了反电极 20 —也被称为砧—以及侧面滑块 21 、 23 ，所述反电极和所述侧面滑块在总体上包围着压缩室 (Verdichtungsraum) 。

所述变换器 12 通过导线 22 与发生器 24 相连接，该发生器本身通过导线 26 连接到计算机 28 上，可以将有待焊接的绞合线的材料的焊接参数或者横截面输入到所述计算机 28 中或者从所述计算机 28 中调用相应所保存的数值。但是，就此而言参照来自现有技术的足够熟知的超声波焊接设备。

为了可再现地实施焊接，需要对所述超声焊极进行精确的轴向的和径向的支承。所述支承件在此在所述超声焊极的波节中、也就是以离开所述焊接面λ /4 的间距延伸，所述焊接面被分配给所述反电极并且在所述焊接面与所述反电极之间布置了有待焊接的材料。λ是波长，所述超声焊极在超声波激励（ Ultraschallerregung ）时以所述波长进行振动。

所述间距λ /4 包括与其相邻的范围。对于具有长度λ的超声焊极来说，所述间距可以为λ /4 ± 5mm 。对于长度λ /2 的超声焊极来说，所述间距比如可以为λ /4 ± 10mm 。

在图 2 中示出了超声波焊接设备 100 的截取部分，该超声波焊接设备具有与波长λ相应的长度λ的超声焊极 116 并且被支撑地支承在所述机体 118 中，如其在下面要详细解释的那样。所述超声焊极 116 在中间区域中具有焊接面 120 ，该焊接面在下侧限定了压缩室。此外，所述压缩室通过垂直于所述焊接面 120 延伸的滑块 122 、能够平行于所述超声焊极 116 的焊接面 120 移动的并且能够朝所述滑块的方向通过所述导向件 124 来调节的砧 126 的对置的导向件 124 来限定。就此而言，参照足够熟知的构造，如其同样在 EP 566 233 A1 中所描述的那样，明确地引用其公开内容。

所述超声焊极 116 与增压器 128 相连接，该增压器根据图 1 的图示从变换器 12 引出。

借助于图 3 和 5-7 对用于由超声焊极 116 和增压器 128 及变换器 12 所构成的振荡器的支承件进行详细解释。

从图 3 中可以得知以纵截面示出的超声焊极 116 的截取部分，并且更确切地说在该超声焊极 116 的波节中延伸的第一支承件 130 的区域中的截取部分。在此，所述第一支承件 130 保证了在所述超声波焊接设备、也就是机体 118 中的所述超声焊极 116 的轴向的及径向的定向以及由此规定的相对于被所述滑块 122 、所述导向件 124 及所述砧 126 限定的压缩室的定向。

如从图 3 的图示中表明的那样，所述第一支承件 130 具有在截面中为梯形的、用作支撑件的凸起 132 ，该凸起包括平行于超声焊极 116 的纵轴线延伸的基面 134 以及从该基面上引出的、横向于所述纵轴线延伸的侧面或者侧沿（ Flanke ） 136 、 138 ，并且嵌入所述超声焊极 116 的相应的空隙 140 中。所述空隙 140 在截面中同样拥有如所述与空隙 140 在直径上对置的空隙 142 所表明的那样的梯形形状。所述相应的空隙 140 、 142 存在用于能够使超声焊极 116 围绕其纵轴线转动，从而在所期望的范围内为所述压缩室分配所述焊接面 120 、 168 中的一个，如其同样在 EP 1 566 233 A1 中已经描述的那样。

借助于所述空隙 142 对所述空隙 140 进行详细解释。如从所述截面图中得知的那样，所述空隙 142 具有基面 144 以及从该基面引出的侧面或者侧沿146、148。所述侧沿146、148的间距稍许大于所述凸起 132 的侧沿 136 、 138 的间距。如果将所述超声焊极 116 平放到所述第一支承件 130 上，那么所述凸起 132 的基面 140 就面状地平放在所述空隙 140 的基面 144 上。由此进行径向的定向。此外，所述侧沿146、148的间距稍许大于所述侧沿136、138的间距，使得至少一个所述侧沿146、148可以抵靠到所述凸起 132 的侧沿 136 、 138 中的一个上，因为在图中左边的侧沿136、146彼此平行地延伸并且相应地右边的侧沿138、148也彼此平行地延伸。由此进行所述超声焊极 116 的轴向的定向。

所述具有凸起 132 的第一支承件 130 在实施例中是 U 形的支撑件 150 的横臂，如同样从图 6 、 9 和 12 中所得出的那样。从这些附图中也可以得知，所述超声焊极 116 被朝所述侧臂中的一个挤压并且由此被固定。在图 2 的实施例中，所述超声焊极 116 被朝所述 U 形的支撑件 150 的侧臂 151 挤压。

所述压力元件比如可以是螺栓并且从机身基体 118 引出。根据图 2 ，所述压力元件是螺栓元件 152 ，该螺栓元件穿过所述 U 形的支撑件 150 的、在与所述超声焊极 116 隔开的情况下延伸的左边的侧臂 156 。

在所述焊接面 120 与所述第一支承件 130 之间的间距为λ /4 ，其中所述第一支承件 130 在所述超声焊极 116 的波节中延伸，并且所述焊接面 130 在所述波腹中延伸。

如从图 3 的放大的截取部分中所得出的那样，所述空隙 140 以及由此所述空隙 142 也优选具有以下的确定尺寸。所述基面 134 、 144 具有沿着超声焊极纵向方向的优选处于 1mm 与 10mm 之间的长度 L 。所述基面 134 、 144 的垂直于超声焊极纵轴线延伸的宽度应该在 5mm 与 60mm 之间。所述空隙 140 、 142 的垂直于超声焊极纵轴线的深度应该处于 1mm 与 5mm 之间。所述相应的侧臂或者侧沿 136 、 138 、 146 、 148 的内侧面相对于所述基面 134 、 144 应该成处于 90 °与 150 °之间的角度α。

所述第一支承件 130 的材料—如同样关于另外的下面要描述的第一支承件 230 、 330 —应该 由钢、铸铁（比如灰口铸铁，具有球形石墨、青铜、纤维增强的塑料、陶瓷、碳纤维增强的碳的铸铁）或者其它合适的材料构成，其中应该如此选择所述材料，从而在所期望的范围内获得减震。同样应该存在较高的耐磨性。

所述超声焊极 116 关于所述焊接面 120 在与所述第一支承件 130 对置的情况下在第二支承件 158 中被支撑，所述第二支承件以截面在图 7 中示出。所述第二支承件 158 是塑料轴承。支撑件 160 具有塑料衬 162 ，该塑料衬形状配合地容纳所述超声焊极 116 。该衬 162 具有带有侧臂164、166的 U 形几何形状，所述侧臂164、166的内边测定的间距等于或者稍许大于所述超声焊极 116 的横截面宽度，从而能够用简单的措施来放入或移除所述超声焊极 116 。通过箭头 F 同样能够看出，所述超声焊极 116 经受加载到所述第二支承件 158 中的力。这可以通过从所述机体 118 引出的摇杆（ Schwenkhebel ） 166 来实现。所述第二支承件 158 同样以离开所述焊接面 120 的间距λ /4 而延伸。在± 10mm 之内的偏差、尤其在± 5mm 之内的偏差是可行的。

如从图 5 中的图示可得知的那样，从所述超声焊极 116 的中间区域与所述焊接面 120 对置地引出另一个焊接面 168 。为了利用该焊接面，必须将所述超声焊极 116 转动 180 °，从而因此在图中绘出的上方的空隙 144 而后以前面所描述的方式嵌入所述第一支承件 130 的梯形的凸起 132 中。

在图 8-10 中同样示出了λ振荡器，该λ振荡器具有先前所描述的构造的超声焊极 116 及支承件。但是，该超声焊极 116 直接从所述变换器 12 引出。第一支承件 130 和第二支承件 158 以及与所述超声焊极 116 的配合根据前面进行的描述而构造。

从图 4 和 11-13 中可以得知振荡器 200 ，该振荡器具有长度λ /2 的超声焊极 216 以及增压器 228 。所述超声焊极 216 以所熟知的方式具有超声焊极顶端 218 ，该超声焊极顶端在所述实施例中具有两个均匀地围绕着周边分布的焊接面 220 、 224 。以离开所述超声焊极顶端 218 的焊接面 220 、 224 或者端面的间距λ /4 、也就是说直接与所述焊接面 220 、 224 相邻的情况下设置了支承件 230 ，该支承件 230 相应于所述支承件 130 ，从而参照与此相关的解释。所述超声焊极 216 根据所述凸起 232 的几何形状而具有空隙 140 、 144 。

此外，所述增压器 228 被支撑在下面被称为第三支承件 258 的、以截面在图 13 中示出的支承件中。所述第三支承件 258 具有两个子支承元件 260 、 262 ，所述子支承元件分别具有半圆形的空隙 264 、 266 ，所述空隙用由塑料构成的、将所述增压器 228 包围的环 268 来加衬。所述第三支承件 258 因而是浮动轴承的形式的塑料轴承。

如果根据图 11 的实施例所述有效的焊接面是在图中上方的并且设有附图标记 220 的焊接面，那么在图 4 中就示出 了点焊设备的振荡器 300 ，在所述点焊设备中所述有效的焊接面在底部侧上延伸。在与图 11-13 的图示有差别的情况下，所述振荡器 300 、也就是其超声焊极 316 在绘制的图示中在上侧面上被支撑，也就是说所述第一支承件 330 在有别于图 11-13 的实施例的情况下未在下侧面上延伸。用作第一支承件 330 的支撑件具有棒形形状，并且垂直于所述超声焊极纵轴线的纵向方向延伸。在超声焊极侧，所述支撑件在截面中具有所需的梯形几何形状，用于嵌入所述超声焊极 316 的、在几何形状方面相匹配的空隙中，如其借助于其它的实施例已经解释的那样。

根据图 11-13 的实施例，所述振荡器 300 一方面通过第一轴承 330 并且另一方面通过第二轴承 358 在所述增压器 328 的区域中被支撑。第二支承件 358 相应于按照图 13 的支承件 258 。第一支承件 330 和第二支承件 358 布置在外罩 360 中，所述振荡器 300 能够推入到所述外罩中，用于被固定在所述支承件 330 、 358 中。

所述外罩 360 具有形成燕尾的限制件 362 ，该限制件能够推入到所述点焊设备的壳体的、在几何形状方面相匹配的燕尾容纳部中。由此，利用设计上简单的措施能够将所述振荡器 300 引入到所述点焊设备中，其中不需要对所述振荡器 300 进行再调准，因为所述振荡器根据所述按本发明的教导在径向上和在轴向上被定向。

根据图 11 ，在图 4 中示出的超声焊极 316 以离开所述焊接面 320 、 324 的间距λ /4 被支承，并且具有λ /2 的长度，其中λ是所述超声焊极 316 的波长。所述增压器 328 同样具有λ /2 的长度，并且以离开所述第一支承件 330 的间距λ /2 在所述第二支承件 358 中被支撑。

Claims (10)

1. 超声波焊接装置，具有振荡器（100、200、300），所述振荡器包括超声焊极（116、216、316），所述超声焊极能够以波长λ置于振动之中并且在所述超声焊极的波腹中具有至少一个焊接区域（120、168、220、224、320、324），其中所述超声焊极在其波节中在第一支承件（130、230、330）中被支撑，

其特征在于，

所述第一支承件（130、230、330）具有凸起（132），所述凸起在沿着所述超声焊极的纵向方向延伸的截面中具有拥有侧臂（136、138）和将所述侧臂（136、138）连接起来的横臂（140）的U形的几何形状，

所述凸起嵌入处于所述超声焊极（116、216、316）中的、与所述U形的几何形状匹配的空隙（140、144）中，

所述超声焊极面状地被支撑在所述凸起的横臂上，并且

通过所述凸起的至少一个侧臂来进行所述超声焊极的轴向的定向。

2. 按权利要求1所述的超声波焊接装置，

其特征在于，

所述凸起（132）具有梯形几何形状并且尤其在截面中是对称的梯形。

3. 按权利要求1或2所述的超声波焊接装置，

其特征在于，

在超声焊极（116、216、316）被固定在所述超声波焊接装置中时，所述超声焊极面状地抵靠在所述凸起（132）的侧臂（136、138）中的一个上。

4. 按前述权利要求中至少一项所述的超声波焊接装置，

其特征在于，

所述第一支承件（130、230、330）包括横向于所述凸起（132）的横臂（140）的纵轴线并且沿着所述超声焊极（116、216、316）的纵向方向延伸的支撑件（150、152），所述超声焊极能够通过作用于其上的力（F）朝所述支撑件（150、152）挤压。

5. 按前述权利要求中至少一项所述的超声波焊接装置，

其特征在于，

所述超声焊极（116）是长度λ的超声焊极，所述至少一个焊接区域（120、168）在中间区域中延伸，并且所述第一支承件（130）相对于所述焊接区域的一侧并且第二支承件（158）相对于所述焊接区域的另一侧以间距λ/4延伸。

6. 按前述权利要求中至少一项所述的超声波焊接装置，

其特征在于，

第二支承件（158）是塑料轴承。

7. 按前述权利要求中至少一项所述的超声波焊接装置，

其特征在于，

所述超声焊极（116）形状配合地在第二支承件（158）中被支撑，所述第二支承件在超声焊极侧具有拥有侧臂（162、164）的U形，所述侧臂（162、164）的内部的内边测定的间距在开口侧等于或者稍许大于所述超声焊极的在所述侧臂之间的横截面宽度。

8. 按前述权利要求中至少一项所述的超声波焊接装置，

其特征在于，

所述超声焊极（116、216）与增压器（128、228）相连接，所述增压器沿着所述超声焊极的纵向方向以离开所述至少一个焊接区域（120、168、220、224、320、324）的间距¾λ在第三支承件（258）中被支承。

9. 按前述权利要求中至少一项所述的超声波焊接装置，

其特征在于，

第三支承件（258）尤其是优选浮动轴承的形式的塑料轴承。

10. 按前述权利要求中至少一项所述的超声波焊接装置，

其特征在于，

第三支承件（258）包括两个子支承元件（260、262），所述子支承元件在增压器侧分别具有半圆形的容纳部（260、266），所述容纳部用塑料加衬。