CN105364290B - 用于具有轴向导线的电气部件的坚固集成的熔锡连结 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于具有轴向导线的电气部件的坚固集成的熔锡连结。将第一镀锡电气部件连结到第二镀锡电气部件的方法以及被连结以在连结位置呈现减小的应力水平的部件。所述方法包括：在第二部件中限定凹口，该凹口成形为接纳第一部件的一部分；将所述第一部件的一部分基本放置在所述凹口内以限定界面区域；以及使用电阻焊机沿所述界面区域的至少一部分形成固态扩散结合部，且使用来自第一部件和第二部件中的一者或二者的熔化锡镀层填充界面区域的基本剩余部分。

Description

用于具有轴向导线的电气部件的坚固集成的熔锡连结

技术领域

本发明总体上涉及在电路的两个匹配部件之间形成接头，并且更具体地涉及在包括轴向导线的一个电路部件与另一部件的成形区域之间使用电阻焊，以便减小导致裂纹的应力梯级。

背景技术

电阻焊（也被称为电阻焊接）结合大电流和大压力（两者均通过一对相对电极输送）使用连结材料的电阻，以将材料保持在一起直到形成聚结接头。点焊和缝焊是电阻焊的两种公知示例。小型电阻焊机（尤其是点焊类型）尤其适用于连结薄的部件，并且因此传统上用于将电气部件的线形轴向导线连结到平坦基板（其示例包括母线、迹线或引线）。

电阻焊的一个常见问题在于，由电阻焊机的电极施加到轴向导线的大程度的力倾向于在导线变形时在导线中产生显著的应力梯级。事实上，导线的这种变形可能是显著的，通常将电线的直径减小大于50%。减小的截面会在界面区域中留下较少量的材料来承载相同的负载，从而使得在制造工艺期间以及组件所处的系统的使用寿命期间易于经受过度负载且因此断裂。在导线暴露于振动力和相关的基于疲劳的动力学（例如在汽车和相关机动环境中所遇到的那些）的情况下，这种过度应力以及伴随的断裂和过早失效的可能性增加。

构成汽车电池组的单个电池输送直流（DC）电至各车辆系统，包括马达、电牵引系统（ETS）等。许多这样的电池（其合并成较大的模块、组等）可以串联或并联电连结，以实现对这些汽车系统提供动力所需的期望水平的相应电压或电流。这样的连结经由高导电母线或电缆组件进行，并且可以包含在这些和其他系统部件之间形成的许多界面区域。

许多连结通过可能暴露于与汽车环境相关联的严酷的机械和热负载的小导线的电阻焊来进行；伴随汽车行驶的长期振动环境对于小导线的完整性是特别艰巨的挑战，小导线对于用作电连结部件之间的机械和电链路是不够坚固的。这样不能经受长期使用（例如，几年或者甚至几十年）意味着在连结区域处非常可能过早失效。

其他的连结方法（例如基于柔性电路的方法以及使用刚性电路板）往往使用大量接头（在柔性电路的情况下）或庞大的刚性部件（在电路板的情况下）；在任一情况下，其均包含复杂的制造技术，这使得它们超级昂贵，特别是在面向大量生产的应用中，例如在汽车电池组中。

这样，需要一种制造工艺，其为连结的电部件提供更强的坚固性，特别是与其抗疲劳有关的情况下。还需要在更广范围的焊机施加力上连结这样的部件以允许制造工艺中的更大公差。

发明内容

这些需要由本发明满足，其中熔锡工艺将焊接接头中产生的应力最小化，而不会损害接头的电气完整性。显著地，形成到冲压的导线接收部件中的凹口允许连结工艺，同时限制轴向导线的变形，而在界面的与聚结固态扩散结合部无关的部分处形成的残余锡填充冲压凹口中的空隙，以提供接头可以支撑机械（包括振动）负载的更加扩展面积。因此，通过将第一电气部件的圆形轴向导线放置到在冲压的匹配第二部件内形成的凹口中，使得第一部件的至少一部分能够位于第二部件的基准表面以下并且提供更大的接触面积。而且，当经历电阻焊过程时，由穿过焊机的电极的电脉冲产生的焦耳热不仅熔化在发生扩散结合的两个部件之间的界面处的锡镀层，但是借助于其基本容纳在第二部件的凹口内而实现减小量的非圆度变形。这继而减小了由于电阻焊机施加的力所产生的应力梯级的量。这样，凹口的深度至少是控制应力梯级程度的重要因素。熔化锡的存在帮助在开始电脉冲时将部件熔合在一起；而且，因为熔化锡是可溶解在铜中的，所以为了在被连结部件的铜芯之间形成良好的扩散结合部，仅需要少量时间（例如几毫秒）。

根据本发明的教导，公开了一种将第一电气部件的镀锡轴向导线连结到镀锡第二部件的方法。该方法包括在第二部件中限定凹口形状，以有利于在其中接收第一部件的一部分。之后，将第一部件部分基本放置在凹口内以限定在这两个部件之间的界面区域。然后，沿着界面区域的至少一部分形成固态扩散结合部，以便第一部件和第二部件二者的至少一些锡镀层熔化来基本填充至少一些界面区域。显著地，所述形成发生以便第一电气部件部分的截面尺寸的减小小于如果在凹口中没有发生这样的形成的情况。在本上下文中，第一电气部件和第二电气部件可以是相同或不同的部件。在优选形式中，至少一个电气部件起到电有源功能（例如电阻器、熔丝、电容器、电感器、电压源等等），而至少一个电气部件起到电无源功能（例如导体或者电流流过的相关导管，其中母线、迹线、引线或相关金属基板是示例）。

根据本发明的另一方面，公开了一种将第一镀锡电气部件连结到第二镀锡电气部件的方法。该方法包括：在第二部件中限定凹口，该凹口成形为接纳第一部件的一部分；将所述第一部件的一部分基本放置在凹口内以限定界面区域；以及使用电阻焊机沿所述界面区域的至少一部分形成固态扩散结合部，且使用来自第一部件和第二部件中的一者或二者的熔化锡镀层填充界面区域的基本剩余部分。

根据本发明的又一方面，公开了一种将第一镀锡电气部件电阻焊接到第二镀锡电气部件的方法。该方法包括：将从第一部件延伸的电导线基本放置到形成在第二部件中的凹口内以便限定界面区域；以及使用电阻焊机沿所述界面区域的至少一部分形成固态扩散结合部，且使用来自第一部件和第二部件中的至少一者的熔化锡镀层填充界面区域的基本剩余部分。

1. 一种将第一镀锡电气部件连结到第二镀锡电气部件的方法，所述方法包括：

在所述第二部件中限定凹口，该凹口成形为在其中接纳所述第一部件的一部分；

将所述第一部件的所述一部分基本放置在所述凹口内以由此限定界面区域；以及

沿着所述界面区域的至少一部分形成固态扩散结合部，以便所述第一部件和第二部件二者的锡镀层的至少一部分熔化，从而基本填充所述界面区域的至少另一部分，所述形成发生以便所述第一电气部件的所述一部分的截面尺寸的减小小于如果在所述凹口中没有发生所述形成的情况。

2. 根据方案1所述的方法，其中所述第一部件的所述一部分包括电导线。

3. 根据方案2所述的方法，其中所述电导线限定基本圆柱形轴向轮廓。

4. 根据方案3所述的方法，其中形成在所述第二部件中的所述凹口通过冲压生产以限定基本半圆柱形轮廓。

5. 根据方案1所述的方法，其中形成在所述第二部件中的所述凹口通过冲压生产。

6. 根据方案5所述的方法，其中冲压的所述第二部件从由母线、迹线和引线脚构成的组中选择。

7. 根据方案1所述的方法，其中所述形成包括使用电阻焊机。

8. 根据方案1所述的方法，其中所述截面尺寸的减小包括将所述导线的直径减小不多于50%。

9. 根据方案1所述的方法，其中所述界面区域的所述至少另一部分包括在所述导线和所述导线接纳凹口之间的空隙。

10. 根据方案1所述的方法，其中所述第一部件的所述导线和所述第二部件的所述凹口包括在所述锡镀层下面的铜芯。

11. 根据方案1所述的方法，其中所述第一部件包括熔丝，并且所述部分包括从所述熔丝延伸的电导线。

12. 一种将第一镀锡电气部件连结到第二镀锡电气部件的方法，所述方法包括：

在所述第二部件中限定凹口，该凹口成形为在其中接纳所述第一部件的一部分；

将所述第一部件的所述一部分基本放置在所述凹口内以由此限定界面区域；以及

使用电阻焊机，以（a）沿所述界面区域的至少一部分形成固态扩散结合部，以及（b）使用来自所述第一部件和第二部件中的至少一者的熔化锡镀层填充所述界面区域的基本剩余部分。

13. 根据方案12所述的方法，其中所述第一部件的所述一部分和所述第二部件的所述凹口包括在所述锡镀层下面的铜芯。

14. 根据方案13所述的方法，其中所述连结发生以便所述第一电气部件的所述一部分的截面尺寸的减小小于如果在所述凹口中没有发生所述形成的情况。

15. 根据方案14所述的方法，其中所述电导线限定基本圆柱形轴向轮廓。

16. 根据方案15所述的方法，其中所述截面尺寸的减小包括将所述导线的直径减小不多于50%。

17. 一种将第一镀锡电气部件电阻焊接到第二镀锡电气部件的方法，所述方法包括：

将从所述第一部件延伸的电导线基本放置到在所述第二部件中形成的凹口内以便由此限定界面区域；以及

使用电阻焊机，以（a）沿所述界面区域的至少一部分形成固态扩散结合部，以及（b）使用来自所述第一部件和第二部件中的至少一者的熔化锡镀层填充所述界面区域的基本剩余部分。

18. 根据方案17所述的方法，其中所述电导线限定基本圆柱形轴向轮廓。

19. 根据方案18所述的方法，其中所述第二部件从由母线、迹线和引线脚构成的组中选择。

附图说明

当结合附图阅读时，能够最佳地理解具体实施例的下述详细描述，在附图中使用相同的附图标记指示相同的结构并且其中：

图1是构造成具有混合动力源的示例性车辆的示意图，其示出了电池组与车辆的各种其他子部件的集成；

图2A示出根据现有技术的将来自熔丝的导线放置到大体平坦的引线脚上；

图2B示出图2A的熔丝与引线脚连结之前和之后的侧视图图示以及所产生的焊接部的边缘截面的所引起的减小；

图3A示出根据本发明方面的熔丝被放置到凹口形引线脚中，其中引线脚安装到模制外壳中，以便熔丝能够通过迹线、母线或相关载流导管电连结到另一电气部件的引线脚；

图3B示出沿着图3A的剖面线A-A的视图，强调了凹口和导线之间的配合；

图4A示出了使用电阻焊探针在图3A和图3B的熔丝导线和凹口之间形成焊接部的立体图；

图4B示出了图4A的熔丝与引线脚连结之前和之后的视图图示以及所产生的焊接部的边缘截面的保留；以及

图5示出了根据本发明方面生产的样品焊接部的剖视放大图，其示出了具有较小变形的导线以及在导线-外壳界面处形成的坚固的固态扩散结合部。

具体实施方式

首先参考图1，示出了根据本发明的混合动力车辆1的示意图。在本上下文内将意识到，术语“车辆”可以应用于汽车、卡车、货车、多功能越野车（SUV）等。车辆1包括内燃发动机（ICE）5、电池10（在本文中也称为电池组、模块或相关的以强调其内多个电池单元的组装属性）和与ICE 5和电池10机电配合的一个或更多个电动马达15（以及其他部件）。虽然电池10（如上文中讨论的那样电池可以放置在框架中作为较大组件的一部分）示出在车辆1的中部，但是其可以位于任意适当的位置以便有利于适当的车辆集成。同样，取决于功率需求，电池10内的组或模块的大小和数量可以更大或更小。在一种实施例中，电池10由大量的锂离子（锂-离子）电池单元（未单独示出）构成。本领域技术人员将意识到，虽然车辆1目前示出为混合动力车辆，但是认为纯电动车辆（即，不需要ICE 5的车辆）也在本发明的范围内。

接下来参考图2A和图2B，示出了描绘概念上现有技术的将具有轴向导线110的熔丝100与引线脚120连结的一部分的细节。特别参考图2B，当使用电阻焊将这些部件连结在一起时，由顶部和底部电极探针（总体被称为140，分别为140A、140B）大电流所施加的力与对导线110的变形运动的有限约束的结合倾向于在导线上产生与塑性变形的量相当的增加的应力。在具体方式中，承受探针140的压缩力的部分相对于不承受探针140的压缩力的部分的导线110厚度（和所导致的塑性变形）的显著差异倾向于在导线110的边缘处产生极小半径角部115；这样的极小半径角部115倾向于呈现显著的应力梯级，这会增加断裂的风险，特别是在焊接接头暴露于振动和相关的产生疲劳的环境中的情况下。

接下来参考图3A-图5，示出了描绘根据本发明实施例的具有轴向导线210（在本文中也称为电导线以便强调其在与熔丝200或其他部件之间承载电流的能力）的第一电气部件（具体地，熔丝200）和第二电气部件（引线脚220的形式）的概念连结的一部分的细节。在一种形式中，通过焊接连结在一起的各部件构成电压感测电路（未示出），例如在本发明受让人共同所有的名称为INTEGRATION OF A VOLTAGE SENSE TRACE FUSE INTO A BATTERYINTERCONNECT BOARD的美国专利申请14/461,566中讨论的电压感测电路，并且其全部内容由此通过参考并入。

具体参考图3A和图3B，熔丝200安装成使得其大体圆形轴向导线210落位在凹口225中，凹口225形成在引线脚220或能够放置在外壳230内的相关匹配部件（例如母线、迹线等）中。在一种优选形式中，熔丝导线210和至少凹口220二者都由具有锡镀层的铜制成；锡镀层有助于电阻焊接工艺。因为锡在较低温度下熔化，所以其与可比较的连结技术（例如将裸铜丝连结在一起的焊接）相比需要更少的能量。较少的能量水平帮助延长焊机电极的使用寿命，并且另外将焊接工艺故障最小化，例如飞溅。在另一优选形式中，当轴向观察时，导线210（其用作电线状连接器，从而形成熔丝200的电气功能）具有圆筒形截面面积。凹口220允许熔丝导线210的中心线212位于匹配部分的基准表面之下（例如以凹口深度D，如图3B所示）。在一种示例性形式中，外壳230是不导电的互连板（ICB）的形式，其大小和形状确定为可靠地接纳沿公共轴线堆叠或对齐的各个棱柱形管式电池单元（未示出），并且可以放置在对齐的电池单元上方或下方，以便提供电连接性和沿边安装电池单元这两种功能。在一种更具体的形式中，外壳230是模块化组件，并且可以包括成形凹部来经由包覆成型、卡扣放置等接纳熔丝200、轴向导线210、引线脚220（及其凹口225）中的一个或更多个。

如在本发明中其他部分提及的那样，在导线210与其对应凹口220之间形成的焊接接头可以通过电阻焊实现。在与大体平面的匹配表面配合放置的大体圆柱形导线之间的伴随电阻焊操作所产生的大的压缩负载能够使得导线产生显著变形，包括导线直径减小50%或更多的变形。如果不被校正的话，这会不期望地导致在焊接区域内应力裂纹事件的增加。通过本发明，凹口220的存在用作变形屏障来防止在没有任何加固结构的情况下会发生的导线的相对自由形式的变形。这样，凹口220的深度控制由于焊接过程的结合的热和压缩负载所导致的轴向导线210的偏转幅度。因此，例如在退化凹口构造（即，其中供导线放置的表面是完全平面的）中，本发明人已经注意到导线截面（直径形式）具有50%的减小R。反之，如果凹口深度D是平坦界面减小R的量的一半，则将存在25%的截面减小。

具体参考图4A、图4B和图5，在本发明的熔锡过程期间，电阻焊机（未示出）的探针240（仅示出其中一个，上面的一个）向接头施加压缩力，同时施加大电流脉冲。由于大量电流流过探针240所导致的焦耳（即，电阻性的或者欧姆的）熔化在导线210和凹口220之间的界面区域处的锡镀层。此外，与导线210关联的增加的温度使得更容易将熔丝导线210变形成其不再是圆形的。因为熔丝导线210落位在凹口220中（且因此至少部分地由凹口220支撑或加强），所以限制了能够导致应力梯级的图2B的大范围变形情况。在导线210和凹口220之间的界面处的熔化锡250将这些部件熔合在一起，并且在熔丝导线210的铜芯和凹口220的铜芯之间产生扩散结合部260。熔化锡250进一步填充在焊接接头处的凹口220的剩余部分，从而提供锡焊应用中通常期望的半径，具体如图5所示。

应该注意的是，如“优选地”、“通常地”和“典型地”的术语在此不被用于限制所要求保护的发明的范围，或暗示某些特征对于所要求保护的发明的结构或功能是关键的、必要的或甚至重要的。这些术语而仅试图强调在本发明的具体实施例中可以或可以不使用的替代或附加特征。同样，为了描述和限定本发明的目的注意的是，术语“基本”在此被用于表示可以归因于任何定量比较、值、测量或其他表示的固有不确定程度。术语在此还被用于表示定量表示可以从所陈述的参考值变化而不导致所讨论的主题的基本功能变化的程度。

为了描述和限定本发明的目的注意的是，术语“电池”、“电池组”等在此被用于表示用于提供电流（优选地用于车辆的、推进的或相关目的）的单个电池单元的组合。此外，术语“汽车”、“汽车的”、“车辆的”等的变型意味着以通用意义解释，除非上下文另外指示。这样，提到汽车将被理解为涵盖小汽车、卡车、公共汽车、摩托车和其他类似的运输模式，除非在上下文中更具体地记载。

已经详细地且参考其特定实施例地描述了本发明，将显然的是，在不脱离所附权利要求中限定的本发明范围的情况下可以进行修改和变型。更具体而言，虽然本发明的一些方面在此被确定为优选的或特别有利的，但是应该想到本发明不必被限制于本发明的这些优选方面。

Claims (18)

1.一种将第一镀锡电气部件连结到第二镀锡电气部件的方法，所述方法包括：

在所述第二镀锡电气部件中限定凹口，该凹口成形为在其中接纳所述第一镀锡电气部件的一部分；

将所述第一镀锡电气部件的所述一部分基本放置在所述凹口内以由此限定界面区域；以及

沿着所述界面区域的至少一部分形成固态扩散结合部，以便所述第一镀锡电气部件和第二镀锡电气部件二者的锡镀层的至少一部分熔化，从而基本填充所述界面区域的至少另一部分，所述形成发生以便所述第一镀锡电气部件的所述一部分的截面尺寸的减小小于如果在所述凹口中没有发生所述形成的情况，其中所述第一镀锡电气部件的所述一部分的截面尺寸的减小导致截头圆圈，其具有与大体修圆表面相反的大体平坦表面，所述大体修圆表面在凹口中，并且所述大体平坦表面平行于凹口的开口。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一镀锡电气部件的所述一部分包括电导线。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述电导线限定基本圆柱形轴向轮廓。

4.根据权利要求3所述的方法，其中形成在所述第二镀锡电气部件中的所述凹口通过冲压生产以限定基本半圆柱形轮廓。

5.根据权利要求1所述的方法，其中形成在所述第二镀锡电气部件中的所述凹口通过冲压生产。

6.根据权利要求5所述的方法，其中冲压的所述第二镀锡电气部件从由母线、迹线和引线脚构成的组中选择。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述形成包括使用电阻焊机。

8.根据权利要求2所述的方法，其中所述截面尺寸的减小包括将所述电导线的直径减小不多于50%。

9.根据权利要求2所述的方法，其中所述界面区域的所述至少另一部分包括在所述电导线和所述凹口之间的空隙。

10.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一镀锡电气部件的所述电导线和所述第二镀锡电气部件的所述凹口包括在所述锡镀层下面的铜芯。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一镀锡电气部件包括熔丝，并且所述第一镀锡电气部件的所述一部分包括从所述熔丝延伸的电导线。

12.一种将第一镀锡电气部件连结到第二镀锡电气部件的方法，所述方法包括：

在所述第二镀锡电气部件中限定凹口，该凹口成形为在其中接纳所述第一镀锡电气部件的一部分；

将所述第一镀锡电气部件的所述一部分基本放置在所述凹口内以由此限定界面区域；以及

使用电阻焊机，以（a）沿所述界面区域的至少一部分形成固态扩散结合部，以及（b）使用来自所述第一镀锡电气部件和第二镀锡电气部件中的至少一者的熔化锡镀层填充所述界面区域的基本剩余部分；

其中所述连结发生以便所述第一镀锡电气部件的所述一部分的截面尺寸的减小小于如果在所述凹口中没有发生所述形成的情况，其中所述第一镀锡电气部件的所述一部分的截面尺寸的减小导致截头圆圈，其具有与大体修圆表面相反的大体平坦表面，所述大体修圆表面在凹口中，并且所述大体平坦表面平行于凹口的开口。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一镀锡电气部件的所述一部分和所述第二镀锡电气部件的所述凹口包括在所述锡镀层下面的铜芯。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一镀锡电气部件的所述一部分包括电导线，所述电导线限定基本圆柱形轴向轮廓。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述截面尺寸的减小包括将所述电导线的直径减小不多于50%。

16.一种将第一镀锡电气部件电阻焊接到第二镀锡电气部件的方法，所述方法包括：

将从所述第一镀锡电气部件延伸的电导线基本放置到在所述第二镀锡电气部件中形成的凹口内以便由此限定界面区域；以及

使用电阻焊机，以（a）沿所述界面区域的至少一部分形成固态扩散结合部，以及（b）使用来自所述第一镀锡电气部件和第二镀锡电气部件中的至少一者的熔化锡镀层填充所述界面区域的基本剩余部分；

其中形成固态扩散结合部提供所述第一镀锡电气部件的所述一部分的截面尺寸的减小，其小于如果在所述凹口中没有发生所述形成的情况，其中所述第一镀锡电气部件的所述一部分的截面尺寸的减小导致截头圆圈，其具有与大体修圆表面相反的大体平坦表面，所述大体修圆表面在凹口中，并且所述大体平坦表面平行于凹口的开口。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述电导线限定基本圆柱形轴向轮廓。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述第二镀锡电气部件从由母线、迹线和引线脚构成的组中选择。