CN107685189B - 振动焊接系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于将焊丝接合到基底的振动焊接系统包含附接到超声焊极的焊垫以及砧座。焊垫包含设置在第一区域中的第一能量导向器和设置在第二区域中的第二能量导向器。当第二能量导向器与基底接触时，在基底与第一能量导向器之间形成通道。通道被配置成容纳焊丝的一部分，且具有小于焊丝的横截面直径的深度。焊丝和基底在超声焊极的操作期间夹持在焊垫与砧座之间。第一能量导向器在超声焊极的操作期间将焊丝推向基底，以实现焊丝到基底的接合。

Description

振动焊接系统和方法

技术领域

本发明涉及一种振动焊接系统。

背景技术

在振动焊接过程中，被夹持工件的相邻表面使用振动能量接合。通过工件材料的振动能量的传递沿着介接的工件表面产生表面摩擦和热量。热量使得介接表面变得可锻，这有助于它们在所得焊接接头处结合在一起。

振动焊接系统优选地包含各种互连的焊接装置，包含振动超声焊极/ 焊头和砧座组件。砧座组件可以包含砧座和背板，其中砧座用螺栓连接或以其它方式经由背板附接到刚性支撑构件。工件可以夹持在焊头与砧座之间。接着响应于来自控制器的高频输入信号而使焊头以校准的频率和幅度振动。

发明内容

公开了一种用于将焊丝接合到基底的振动焊接系统，且包含附接到超声焊极的焊垫以及砧座。所述焊垫包含设置在第一区域中的多个第一能量导向器和设置在第二区域中的多个第二能量导向器。当所述第二能量导向器与所述基底接触时，在所述基底与所述第一能量导向器之间形成通道。所述通道被配置成容纳所述焊丝的部分，且具有小于焊丝的所述部分的横截面直径的深度。焊丝的所述部分和所述基底在所述超声焊极的操作期间夹持在所述焊垫与所述砧座之间。所述第一能量导向器设置成在超声焊极的所述操作期间将焊丝的所述部分推向所述基底，以实现焊丝的所述部分到基底的接合。

从以下结合附图对用于实施本发明的最佳模式的详细描述中，本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点容易显而易见。

附图说明

图1是根据本发明的实例性振动焊接系统的示意图，该振动焊接系统被特别配置成使用超声波振动接合包含焊丝和基底的工件的元件；

图2和3示意性地示出了根据本发明的焊垫和砧座的实施例的横截面侧视图，该焊垫和砧座可以用于参考图1描述的振动焊接系统中以接合包含焊丝和基底的工件；

图4示意性地示出了根据本发明的焊垫和砧座的实施例的透视侧视图，该焊垫和砧座可以用于参考图1描述的振动焊接系统中以接合包含焊丝和基底的工件；

图5示意性地示出了根据本发明的焊垫和砧座的实施例的横截面侧视图，该焊垫和砧座可以用于参考图1描述的振动焊接系统中以接合包含焊丝和基底的工件；

图6-1和6-2分别示意性地示出了根据本发明的焊垫和砧座的另一实施例的横截面侧视图和对应横截面端视图，该焊垫和砧座可以用于参考图 1描述的振动焊接系统中以接合包含第一焊丝和第二焊丝的对接端和覆盖片的工件；和

图7示意性地示出了根据本发明的焊垫的另一实施例的横截面底视图，该焊垫包含具有通道的第一区域以及第二区域，其中所述通道是包含在焊垫侧部上的插入点和退出点的连续弧道。

具体实施方式

如本文所述和所示，所公开实施例的部件可以按各种不同配置进行布置和设计。因此，以下详细描述并不旨在限制如所要求保护的本发明的范围，而是仅表示其可能实施例。此外，虽然在以下描述中阐述了众多具体细节，以便提供对本文公开的实施例的透彻理解，但可以在没有这些细节中的一些或全部的情况下实践一些实施例。此外，为了清楚起见，没有详细描述相关技术中已知的某些技术材料，以避免不必要地混淆本发明。此外，附图是简化形式，而不是精确的尺度。仅为了方便和清楚的目的，可以关于附图使用方向术语，例如顶部、底部、左、右、上、之上、上方、下方、下部、后和前。这些和类似的方向术语不应被解释为以任何方式限制本发明的范围。

参考附图，其中相同的参考数字指代相同的部件，图1中示出了振动焊接系统10。本领域普通技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，振动焊接系统10可以按超声频率或在另一频率范围内操作。本文所述的振动焊接系统10被特别配置成使用超声波振动在工件40中形成焊接接头，所述工件包含焊丝44的一部分和基底42。焊丝44是由形状记忆合金(SMA)材料、高抗拉强度材料或其它合适材料制成的单股，且优选为圆柱形。形成在工件40中的焊接接头的一个特征是焊丝44的接合到基底 42的部分保持其横截面形状且没有刨削、刻痕或冲压标记。

振动焊接系统10包含砧座组件12和振动超声焊极或焊头24。砧座组件12优选地包含背板16，砧座14设置在所述背板上，且砧座14包含具有焊接表面19的砧座焊垫18。在焊接过程期间，砧座组件12提供用于足够对抗焊头24的相对硬的质量。砧座焊垫18的焊接表面19优选地具有例如升高的凸起、隆脊或任何其它纹理图案形式的滚花图案，以在焊接过程期间提供用于夹紧工件40的牵引力。

焊头24包含焊接电力供应器30、转换器26、升压器28和焊垫23。焊接电力供应器30可以包含作为电力供应器（如图所示）的一部分或作为单独装置的焊接控制器33。焊接电力供应器30可以有利地用于将可用源电力转换成更有利于振动焊接的形式来驱动和控制振动焊接过程。例如，电力供应器30可以电连接到任何合适的能量源，例如50 Hz到60 Hz AC壁式插座。在这种情况下，电力供应器30可以包含用于产生适于振动焊接的高频波形的电压整流器和逆变器。电力供应器30和焊接控制器33将源电力转换为具有适合于振动焊接过程中使用的预定波形特性（例如几赫兹（Hz）至约40 KHz的频率，或更高的频率，这取决于特定应用）的合适电力控制信号。转换器26可以是压电堆叠或具有响应于输入信号（箭头31）而产生机械振动所需的机械结构的另一配置的形式。升压器28以校准频率放大输入信号（箭头31）的振动幅度，和/或改变在焊头24与砧座14之间施加的任何夹持力的方向。焊垫23包含接合表面25，其结合砧座焊垫18的焊接表面19而工作，以在振动焊接过程期间牢固地夹紧工件40。

送丝器50可以被设置成向振动焊接系统10供应焊丝44的一部分用于接合到作为工件40的一部分的基底42。在一个实施例中，送丝器50可以具有使焊丝44预弯曲、切割并插入到振动焊接系统10中的能力。或者，送丝器50可以包含通过焊头24中的通道输送的焊丝44的连续线轴，以在焊接之前形成期望的形状。在一个实施例中，送丝器50可以将焊丝44插入到振动焊接系统10中而不弯曲。在一个实施例中，振动焊接系统10 的焊接控制器33包含合适的定位元件和传感器，以控制焊头24相对于工件40的位置的控制位置，从而在执行焊接过程之前提供送丝器50的焊丝导向装置。在一个实施例中，这可以是多步骤闭合顺序的形式，其允许以第一低水平的夹持压力将焊头24封闭到砧座14以进行焊丝导向，且接着以第二高水平的夹持压力将焊头24封闭到砧座14以进行振动焊接。

焊垫和接合表面的实施例在本文中参考图2等进行描述。在每个实施例中，焊垫包含可以包含从焊垫突出的多个第一能量导向器的第一区域，以及包含从焊垫突出的多个第二能量导向器的第二区域。如本文所使用，术语“能量导向器”是指从焊垫表面垂直突出的材料的一部分，且可以是如本文所述的金字塔形或其它合适的三维形状。当第二能量导向器与基底接触时，焊垫抵靠基底的放置在基底与第一能量导向器之间产生通道，其中通道被配置成容纳焊丝的长度部分。通道的深度优选地小于所述焊丝的部分的横截面直径。在超声焊极操作期间，当焊丝的一部分和基底被夹持在焊垫与砧座之间时，第一能量导向器被设置成将焊丝的所述部分推向基底，且第二能量导向器被设置成作用在基底的表面上以实现焊丝的所述部分到基底的接合。第二能量导向器的主要功能是将焊头24产生的振动能量传播并集中在基底表面的局部区域中，以软化且熔化其材料，以便于在焊丝与工件的基底之间形成焊接接头。

图2示意性地示出了可以用于参考图1描述的振动焊接系统10中的焊垫220和砧座240的第一实施例的横截面侧视图。焊垫220和砧座240 可以有利地用于将焊丝44的一部分接合到工件40的基底42，使得焊丝 44保持其横截面形状且在所得焊接接头中没有刨削、刻痕或冲压标记。焊丝44被描绘为具有直径46的圆形横截面，这是一个实施例。焊丝44的横截面形状可以是任何合适的形状，包含例如正方形横截面、椭圆形横截面、六边形横截面等。

在此实施例中，焊垫220包含包括多个第一能量导向器224的第一区域222以及包含多个第二能量导向器234的第二区域232。在一个实施例中，第一能量导向器224和第二能量导向器234是通过滚花形成，且可以是笔直图案、成角度图案或菱形图案的形式，且以粗糙、中等或精细密度布置。或者，第一能量导向器224和第二能量导向器234可以被机械加工成半球体、锥体、截头棱锥的形状或其它合适形状。

在此实施例中，第一能量导向器224与第二能量导向器234在不同高度处从焊垫220突出，使得当第二能量导向器234与基底42接触时，焊垫220抵靠基底42的放置在基底42与对置的第一能量导向器224之间产生通道228。通道228被配置成容纳焊丝44的一部分。通道228具有优选地小于焊丝44的部分的横截面直径46的深度230，在工件40被夹持到振动焊接系统10中之前插入或以其它方式将焊丝44放置在通道228中。在振动焊接期间，第二能量导向器234作用在基底42上，且第一能量导向器224作用在焊丝44上。第二能量导向器234的作用使得基底42变得可锻，且作用在焊垫220和砧座240的第一能量导向器224上的夹持力在接合表面226处将焊丝44的所述部分推动到可锻基底42中，以实现接合。

图3示意性地示出了可以用于参考图1描述的振动焊接系统10中的焊垫320和砧座340的另一实施例的横截面侧视图。焊垫320和砧座340 可以有利地用于将焊丝44接合到工件40的基底42，使得焊丝44在成品工件40中保持其横截面形状，且在所得焊接接头中没有刨削、刻痕或冲压标记。焊丝44被描绘为具有直径46的圆形横截面，这是一个实施例。焊丝44的横截面形状可以是任何合适的形状，包含例如正方形横截面、椭圆形横截面、六边形横截面等。在此实施例中，焊垫320包含包括从焊垫320突出的多个第一能量导向器324的第一区域322以及包含从焊垫320 突出的多个第二能量导向器334的第二区域332。

在此实施例中，第一能量导向器324与第二能量导向器334在相同高度处从焊垫320突出。第一能量导向器324各自包含凹侧部分325。第一能量导向器324被定位成使得在第二能量导向器334与基底42接触时，对置的凹侧部分325在基底42与第一能量导向器324之间形成通道328。通道328被配置成容纳焊丝44的一部分。通道328具有优选地小于焊丝44的部分的横截面直径46的深度330，在工件40被夹持到振动焊接系统10中之前插入或以其它方式将焊丝44放置在通道328中。在振动焊接期间，第二能量导向器334作用在基底42上，且第一能量导向器324的凹侧部分325作用在焊丝44上。第二能量导向器334的作用使得基底42变得可锻，且作用在焊垫320和砧座340的第一能量导向器324的凹侧部分325上的夹持力在接合表面326处将焊丝44的所述部分推动到可锻基底42中，以实现接合。

图4示意性地示出了可以用于参考图1描述的振动焊接系统10中的焊垫420和砧座440的另一实施例的透视侧视图。焊垫420和砧座440可以有利地用于将焊丝44的一部分接合到工件40的基底42，使得焊丝44 在成品工件40中保持其横截面形状，且在所得焊接接头中没有刨削、刻痕或冲压标记。在此实施例中，焊丝44的接合到基底42的部分可以布置成C形，或可以在其自身上对折。

在此实施例中，焊垫420包含从焊垫420的焊垫表面426突出的多个第二能量导向器434。当焊垫420在工件夹持到振动焊接系统10中时而接触工件40的基底42时，第二能量导向器434相对于所述焊垫突出到相同的突出高度。在此实施例中，焊垫420的焊垫表面426用于在振动焊接期间将焊丝44推动到基底42中。

在此实施例中，第二能量导向器434具有截头锥形状，即布置在焊垫 420上的平截头体，使得焊垫表面426暴露在焊垫420的表面上。或者，第二能量导向器434可以具有半球形形状或另一合适形状。具有C形或另一合适布置的通道428优选地形成于焊接表面426中的第二能量导向器 434之间，且焊丝44可以在焊接之前穿过其中。与第二能量导向器434相关联的深度基于焊丝44的直径来选择，且优选地小于焊丝44的直径。优选地，第二能量导向器434设置在焊垫表面426上，使得通道428经形成以容纳焊丝44。在一个实施例中，第二能量导向器434是通过机械加工而形成。在振动焊接期间，第二能量导向器434作用在基底42上，且焊丝 44插入通道428中。在一个实施例中，焊丝44被预成型；或者，焊丝44 可以通过修剪任何外部部分而被输送到通道428中。第二能量导向器434 的作用使得基底42变得可锻，且从焊垫表面426作用在焊丝44上的夹持力将焊丝44推动到可锻基底42中，以实现接合。

图5示意性地示出了可以用于参考图1描述的振动焊接系统10中的焊垫520和砧座540的另一实施例的横截面侧视图。焊垫520和砧座540 可以有利地用于将焊丝44的一部分接合到工件40的基底42，使得焊丝 44在成品工件40中保持其横截面形状，且在所得焊接接头中没有刨削、刻痕或冲压标记。在此实施例中，焊丝44的接合到基底42的部分可以布置成直线、C形或以其它方式在其自身上对折。焊丝44被描绘为具有直径 46的圆形横截面，这是一个实施例。焊丝44的横截面形状可以是任何合适的形状，包含例如正方形横截面、椭圆形横截面、六边形横截面等。在此实施例中，焊垫520包含通道522，其与焊丝44的横截面的一部分成环形，且被布置成围绕焊丝44的正在接合到基底42的部分。多个第二能量导向器534从焊垫520突出，且形成通道528，当接合表面526在工件夹持在振动焊接系统10中时而接触工件40的基底42时，所述通道相对于所述接合表面具有突出深度530。当焊垫520在工件夹持在振动焊接系统 10中时而接触工件40的基底42时，第二能量导向器534相对于焊垫520突出到共同突出高度。在此实施例中，围绕通道528的焊垫520用于在振动焊接期间将焊丝44推动到基底42中。在此实施例中，第二能量导向器 534的尖端优选地具有金字塔形状，且布置在焊垫520上，使得其尖端接触接合表面526。或者，第二能量导向器534可以具有另一合适的形状。焊丝44可以在焊接之前穿过通道528。突出深度530可以基于焊丝44的直径46来选择。优选地，第二能量导向器534设置在接合表面526上，使得通道528经形成以容纳焊丝44。在一个实施例中，第二能量导向器 534通过机械加工而形成。在振动焊接期间，第二能量导向器534作用在基底42上，且焊丝44插入通道528中。在一个实施例中，焊丝44被预成型；或者，焊丝44可以通过修剪任何外部部分而被输送到通道528中。第二能量导向器534的作用使基底42变得可锻，且作用在焊丝44上的夹持力将焊丝44推动到可锻基底42中，以实现接合。

图6-1和6-2示意性地示出了可以用于参考图1描述的振动焊接系统 10中的焊垫620和砧座640的另一实施例的横截面侧视图和对应的横截面端视图。焊垫620和砧座640可以有利地用于接合工件650，所述工件包含第一焊丝652的一部分和第二焊丝654的一部分的对接端以及呈覆盖片 656形式的基底。第一焊丝652和第二焊丝654可以是单股引线的相对端，从而形成连续环，或替代地，可以是两个不同股的端部。覆盖片656可以制成为圆柱形管，其形成具有分别可以插入第一焊丝652和第二焊丝654 的第一端和第二端的内部部分。振动焊接系统10使用覆盖片656接合第一焊丝652与第二焊丝654，使得第一焊丝652和第二焊丝654都在成品工件650中保持其相应横截面形状，且在所得焊接接头中没有刨削、刻痕或冲压标记。

在此实施例中，焊垫620包含第一通道628，所述第一通道与第一焊丝652的横截面的一部分成环形，且被布置成围绕第一焊丝652的横截面的部分。砧座640包含优选地以与第一通道628相对的方式定向的第二通道629。第一通道628和第二通道629一起围绕覆盖片656的外圆周以及第一焊丝652和第二焊丝654。

多个向内定向的第一能量导向器624周向地设置在第一通道628和第二通道629上，其中第一能量导向器624接触覆盖片656以及第一焊丝652 和第二焊丝654之一。多个向内定向的第二能量导向器634周向地设置在第一通道628和第二通道629上，其中第一能量导向器624仅接触覆盖片 656，且位于第一焊丝652与第二焊丝654的接合端之间。

当工件650被夹持到振动焊接系统10中时，第一能量导向器624相对于覆盖片656以及第一焊丝652和第二焊丝654之一突出到共同突出高度。

第一能量导向器624可以具有任何合适的形状。在振动焊接期间，第一能量导向器624作用在覆盖片656以及第一焊丝652和第二焊丝654之一上。第一能量导向器624的作用使覆盖片656以及第一焊丝652和第二焊丝654变得可锻，且夹持力促成覆盖片656与第一焊丝652和第二焊丝 654之一的接合。第二能量导向器634将覆盖片656推动到存在于第一焊丝652与第二焊丝654的对接部分之间的任何间隙中。

图7示意性地示出了焊垫720的另一实施例的横截面底视图，所述焊垫包含包括通道728的第一区域722以及第二区域732。通道728被设置成容纳焊丝44的一部分。第二区域732是滚花表面。通道728在其中形成为优选地在焊垫720的侧部上包含插入点和退出点的连续弧道。焊垫720的表面被设置成物理接触基底（未示出），以实现焊丝44的一部分到其的振动焊接。这种配置允许送丝器（例如参考图1描述的送丝器50）将焊丝44的一部分输送到通道728中，其中焊丝44的所述部分在连续弧道中弯曲且在退出点处出现。可以启动超声焊极（未示出），以实现使用第二区域732将焊丝44的所述部分振动焊接到基底，从而经由通道728利用施加到焊丝44的正向力实现振动焊接。送丝器50可以包含在振动焊接完成之后修整任何多余焊丝的装置。

尽管已经详细描述了用于实施本发明的最佳模式，但熟悉本发明所涉及的领域的技术人员将认识到在所附权利要求书的范围内的用于实践本发明的各种替代设计和实施例。

Claims (8)

1.一种用于将焊丝的一部分接合到基底的振动焊接系统，其包括：

砧座和附接到超声焊极的焊垫；

所述焊垫包含设置在第一区域中的多个第一能量导向器和设置在与第一区域相邻的第二区域中的多个第二能量导向器，其中所述第一能量导向器以第一高度从焊垫表面垂直突出，并且所述第二能量导向器以大于第一高度的第二高度从焊垫表面垂直突出；

其中当所述第二能量导向器与所述基底接触时，在所述焊垫的第一区域中在所述基底与所述第一能量导向器之间形成通道；

其中所述通道被配置成容纳所述焊丝的所述部分；

其中所述通道具有小于所述焊丝的所述部分的横截面直径的深度；

其中在所述超声焊极的操作期间所述焊垫与所述砧座合作以便夹紧所述焊丝的所述部分和所述基底；且

其中所述第一能量导向器设置成在所述超声焊极的所述操作期间与所述焊丝的所述部分接触并将所述焊丝的所述部分推向所述基底，以实现所述焊丝的所述部分到所述基底的接合。

2.根据权利要求1所述的振动焊接系统，其中所述焊丝是由形状记忆合金制成。

3.根据权利要求1所述的振动焊接系统，其中所述焊丝是由高抗拉强度合金制成。

4.根据权利要求1所述的振动焊接系统，其中所述基底邻接所述砧座，且所述焊丝邻接所述焊垫。

5.根据权利要求1所述的振动焊接系统，其中所述第二能量导向器中的每一个被配置成平截头体。

6.根据权利要求1所述的振动焊接系统，其中所述第一能量导向器和所述第二能量导向器中的每一个的尖端部分被配置成半球体。

7.根据权利要求1所述的振动焊接系统，其中所述第一能量导向器各自包含凹侧部分，其中当所述第二能量导向器与所述基底接触时，所述凹侧部分中的对置凹侧部分形成所述基底与所述第一能量导向器之间的所述通道，其中所述第一能量导向器的所述凹侧部分中的对置凹侧部分被设置成在所述超声焊极的所述操作期间将所述焊丝的所述部分推向所述基底。

8.一种使用包含设置有焊垫的超声焊极以及砧座的振动焊接系统将焊丝接合到基底的方法，所述方法包括：

将所述焊丝和所述基底夹持在所述超声焊极与所述砧座之间；和

振动激发所述超声焊极；

其中所述焊垫包含第一区域和与第一区域相邻的第二区域，其中所述第一区域包含多个第一能量导向器，且所述第二区域包含多个第二能量导向器，其中所述第一能量导向器以第一高度从焊垫表面垂直突出，并且所述第二能量导向器以大于第一高度的第二高度从焊垫表面垂直突出；

其中当所述第二能量导向器与所述基底接触时，由第一能量导向器与第二能量导向器一起在所述焊垫的第一区域中在所述基底与所述第一能量导向器之间形成通道；

其中所述通道被配置成容纳所述焊丝的一部分；

其中所述通道具有小于所述焊丝的所述部分的横截面直径的深度；

其中在所述超声焊极的操作期间所述焊垫与所述砧座合作以便夹紧所述焊丝的所述部分和所述基底；且

其中所述第一能量导向器被设置成当所述超声焊极被振动激发时与所述焊丝的所述部分接触并将所述焊丝的所述部分推向所述基底。

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