CN108857036A - 一种超声振动辅助的滚压摩擦连接方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种超声振动辅助的滚压摩擦连接方法和装置，其特征是所述的装置包括主轴系统（1）、滚轮（2）、XY工作台（3）、底座（4）、主控制系统（5）、Z轴电机（6）和超声振动系统（7）；所述的主轴系统（1）在Z轴电机（6）的带动下进行升降运动；所述的滚轮（2）安装在主轴系统（1）的执行末端，由主轴带动滚轮旋转；所述的主控制系统（5）控制XY工作台（3）运动、主轴系统（1）的升降、滚轮（2）的转速和超声振动系统（7）；所述的超声振动系统（7）安装在主轴系统上，能够促进塑化材料的流动，增强焊缝的可靠性；本发明采用超声振动辅助塑性材料的流动，能够增加焊接接头的可靠性，工序简单，实施容易，特别适用于电子集成器件壳体封装或者电池壳体的连接。

Description

一种超声振动辅助的滚压摩擦连接方法和装置
技术领域
本发明涉及一种壳体连接技术，尤其是一种电子集成器件壳体封装或者电池壳体焊接技术，具体地说是一种使用超声振动辅助的滚压摩擦连接的方法和装置。
背景技术
随着环境污染和能源危机的加剧，新能源技术得到了快速发展，动力电池因其绿色环保，高能量输出等特性在汽车领域中得到前所未有的广泛关注。电池的壳体焊接对电池的寿命、安全性等性能起到至关重要的作用。另外，随着电子工业和自动化产业的迅猛发展，一些功能性电子器部件朝着集成化、模块化、轻量化发展，尤其是在航空、航天、船舶、电子工业等领域，为了避免电子器件的芯片或者电子电路等受到外部环境的影响或者机械破坏，通常将这些裸露在外的器件封装在一个铝制壳体内，再将壳体顶盖封闭。
目前，针对电池壳体的焊接方法多数采用激光焊接和电子束焊接，如中国发明专利（授权公告号：CN105562930B）提供了一种动力电池外壳的激光焊接方法，通过采用半导体激光器进行焊接；中国发明专利（申请号：201711156802.1），公开了一种汽车动力电池铝合金外壳的激光焊接方法；中国发明专利（授权公告号：CN 103624392 B）提供了一种氢镍电池壳体电子束焊接方法，采用真空电子束对电池壳体进行焊接。对于电子器件壳体的焊接也多采用激光焊接，如中国发明专利（授权公告号：CN103846549B）公开了一种电子成件及电子产品壳体的激光焊接封装方法，使用激光焊接方式来封闭产品壳体，有效解决螺钉紧固方式带来的紧固失效问题；中国发明专利（申请号：201680049450 .7）公开了一种激光焊接的密封电子器件外壳和相关的系统和方法。
激光焊接和电子束焊接都属于熔焊，焊接后在焊缝处容易形成气孔、裂纹等缺陷，焊接时高热输入容易引起焊接变形。而且，焊接时的高温还容易损坏壳体内部的元器件。
发明内容
本发明的目的是针对现有电池和集成电子器件封装中采用的焊接技术存在的焊缝处容易形成气孔、裂纹等缺陷，焊接时高热输入容易引起焊接变形以及焊接时的高温还容易损坏壳体内部的元器件的问题，发明一种电子集成器件壳体封装或者电池壳体焊接的方法，同时提供相应的装置。本发明能够有效解决现有技术中带来的焊接问题，提高壳体连接的可靠性。
本发明的技术方案之一是：
一种超声振动辅助的滚压摩擦连接方法，其特征是它包括以下步骤：
1）连接前准备工作；根据待连接壳体厚度和壳体的大小，在壳体8靠近内侧加工出一个壳体凸台8-1和一个壳体阶梯槽8-2，在壳体盖板9边缘加工出一个壳体盖板凸台9-1，焊接前将壳体凸台8-1、阶梯槽8-2、壳体盖板凸台9-1以及壳体盖板9边缘进行清洁；所述的壳体盖板9与壳体阶梯槽8-2接触的棱边倒圆角，增大塑化材料的填充体积；
2）装配和装夹；将壳体盖板9装配在壳体的阶梯槽8-2内，确保壳体盖板凸台9-1边缘与阶梯槽8-2边缘留有一定间隙，将装配好后的壳体8和壳体盖板9固定装夹在XY工作台3上，调整好滚轮2的初始位置；根据焊缝的位置，设置滚轮2的运动轨迹，根据壳体8的高度，设置滚轮2的下压高度，在主控制系统5中输入滚轮2的工艺参数，并同时输入超声振动的相关参数；
3）连接；启动装置，同时启动超声振动系统7和滚轮2，高速转动的滚轮2在下降过程中接触到壳体凸台8-1和壳体盖板凸台9-1，发生剧烈摩擦，产生大量热；在大量热的作用下，与滚轮2接触的部分和周围的材料发生塑化，塑化金属材料受到滚轮2下压过程中的不断挤压和超声振动能量的双重作用，被迫流向壳体阶梯槽8-2与盖板9之间的间隙中，在流动的同时也进行了混合，直至充满整个间隙，待滚轮2离开之后，塑化金属材料冷却硬化成形，形成了接缝，从而将壳体8和壳体盖板9连接成一体；
4）完成连接；经过滚轮2的摩擦滚压后，壳体8和壳体盖板9连接在一起，完成了滚压摩擦连接。
所述的连接前准备工作，也可只将壳体盖板9加工出一个凸台9-1，壳体8靠近内侧加工出一个壳体阶梯槽8-2，进行滚压摩擦连接。
所述的滚轮2的工艺参数包括转速、下压速度和移动速度。
在连接过程中在焊缝局部施加辅助热源，促进材料的软化和流动。
本发明的技术方案之二是：
一种超声振动辅助的滚压摩擦连接装置，其特征是它包括主轴系统1、滚轮2、XY工作台3、底座4、主控制系统5、Z轴电机6和超声振动系统7；所述的主轴系统1在Z轴电机6的带动下进行升降运动；所述的滚轮2安装在主轴系统1的执行末端，由主轴带动滚轮旋转；所述的主控制系统5控制XY工作台3运动、主轴系统1的升降、滚轮2的转速和超声振动系统7；所述的超声振动系统7安装在主轴系统上，能够促进塑化材料的流动，增强焊缝的可靠性；
所述的滚轮2的圆周面上设有一个用于滚压塑化材料的凹槽，凹槽的深度和形状以能防止塑化材料溢出为准。
所述的滚轮2的端面设置有用于散热的沟槽或者孔洞。
所述的超声振动系统7的施加位置在工件焊缝上方、焊缝两侧、焊缝底部或者滚轮2上。
在与焊缝相对位置处设置有辅助热源，以促进材料的软化和流动。
所述的滚轮2上的凹槽表面还设有织构结构，用来增加滚轮2与材料的摩擦，增加热输入。
本发明的有益效果是：
本发明可以避免激光焊接或电子束焊接所产生的气孔、裂纹等缺陷，焊接过程中没有液态熔池，连接成形件残余应力与热变形小，没有电弧或激光辐射的产生，焊缝表面光滑。
本发明采用超声振动辅助塑性材料的流动，能够增加焊接接头的可靠性，工序简单，实施容易，特别适用于电子集成器件壳体封装或者电池壳体的连接。
附图说明
图1为本发明的超声振动辅助的滚压摩擦连接装置结构示意图；
图2为图1的侧视图；
图3为本发明需连接的壳体的连接状态示意图；
图4为本发明壳体连接局部结构示意图之一；
图5为本发明壳体连接局部结构示意图之二；
图中：1：主轴系统，2：滚轮，3：XY工作台，4：底座，5：主控制系统，6：Z轴电机，7：超声振动系统，8：壳体，9：壳体盖板，8-1：壳体凸台，8-2：壳体凹槽，9-1：壳体盖板凸台。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一。
如图1-5所示，
一种超声振动辅助的滚压摩擦连接方法，它包括以下具体步骤：
1、根据壳体厚度和壳体的大小，在壳体8靠近内侧加工出一个壳体凸台8-1和一个壳体阶梯槽8-2（如图4），也可仅加工出一个阶梯槽8-2（如图5），在壳体盖板9边缘加工出一个壳体盖板凸台9-1，壳体盖板装配在壳体的阶梯槽8-2内，保证壳体盖板凸台9-1边缘与阶梯槽8-2边缘留有一定间隙。所述的壳体盖板9与壳体阶梯槽8-2接触的棱边倒圆角，增大塑化材料的填充体积。
2、焊接前将壳体凸台8-1、阶梯槽8-2、壳体盖板凸台9-1以及壳体盖板9边缘进行清洁，将装配好后的壳体8和壳体盖板9固定在图1、2所示的XY工作台3上。根据焊缝的位置，通过主控制系统5设置好滚轮2的运动轨迹和加工参数，以及超声振动系统7的参数。
3、启动系统，高速转动的滚轮2在下降过程中接触到壳体凸台8-1和壳体盖板凸台9-1，发生剧烈摩擦，产生大量热，使局部材料发生塑化，塑化金属材料受到滚轮2下压过程中不断挤压和超声振动能量的双重作用，被迫流向壳体阶梯槽8-2和壳体盖板9的间隙，填充满整个间隙。工作状态中，所述的滚轮2自身保持高速旋转，先下压一定高度，后沿着接缝移动，直至完成连接。在连接过程中还可在焊缝局部施加辅助热源，促进材料的软化和流动。
4、经过滚轮2的摩擦滚压后，壳体8和壳体盖板9连接在一起，完成了滚压摩擦连接。
详述如下：
1、连接前准备工作。如图4所示，根据壳体厚度和壳体的大小，在壳体8靠近内侧加工出一个壳体凸台8-1和一个壳体阶梯槽8-2，在壳体盖板9边缘加工出一个壳体盖板凸台9-1，焊接前将壳体凸台8-1、阶梯槽8-2、壳体盖板凸台9-1以及壳体盖板9边缘进行清洁。所述的壳体盖板9与壳体阶梯槽8-2接触的棱边倒圆角，增大塑化材料的填充体积。
2、装配和装夹。将壳体盖板9装配在壳体的阶梯槽8-2内，确保壳体盖板凸台9-1边缘与阶梯槽8-2边缘留有一定间隙，如图4所示，将装配好后的壳体8和壳体盖板9固定装夹在XY工作台3上，调整好滚轮2的初始位置。根据焊缝的位置，设置滚轮2的运动轨迹，根据壳体8的高度，设置滚轮2的下压高度，在主控制系统5中输入滚轮2的转速、下压速度和移动速度等工艺参数，并同时输入超声振动的相关参数。
3、连接。启动装置，高速转动的滚轮2在下降过程中接触到壳体凸台8-1和壳体盖板凸台9-1，发生剧烈摩擦，产生大量热。在大量热的作用下，与滚轮2接触的部分和周围的材料发生塑化，塑化金属材料受到滚轮2下压过程中不断挤压和超声振动能量的双重作用，被迫流向壳体阶梯槽8-2和壳体盖板9的间隙，在流动的同时也进行了简单的混合，直至充满整个间隙，待滚轮2离开之后，塑化金属材料冷却硬化成形，形成了接缝，将壳体8和壳体盖板9连接成一体。
4、完成连接。经过滚轮2的摩擦滚压后，壳体8和壳体盖板9连接在一起，完成了滚压摩擦连接。
作为本发明的一种优选技术方案，所述的连接前准备工作，也可只将壳体盖板9加工出一个凸台9-1，壳体8靠近内侧加工出一个壳体阶梯槽8-2，如图5所示，进行滚压摩擦连接。
实施例二。
一种超声振动辅助的滚压摩擦连接装置，它包括主轴系统1、滚轮2、XY工作台3、底座4、主控制系统5、Z轴电机6和超声振动系统7。所述的主轴系统1可以在Z轴电机6的带动下进行升降运动；所述的滚轮2安装在主轴系统1的执行末端，由主轴带动滚轮的旋转；所述的主控制系统5可以控制XY工作台3运动、主轴系统1的升降、滚轮2的转速和超声振动系统7；所述的超声振动系统7安装在主轴系统上，能够促进塑化材料的流动，增强焊缝的可靠性；所述的超声振动系统7的施加位置可以在工件焊缝上方、焊缝两侧、焊缝底部或者滚轮2上。
具体实施时滚轮2的圆周面上还可设置一个用于滚压塑化材料的凹槽，凹槽的深度和形状可以根据具体需要进行设计，还能防止塑化材料溢出，滚轮2的端面可以设置一些用于散热的沟槽或者孔洞。滚轮2上的凹槽表面还可以设置一些织构，用来增加滚轮2与材料的摩擦，增加热输入。
此外，为了进一步增加材料的软化和流动性，还可在焊缝附件增加辅助热源，具体设置位置和热源方式可根据需要自行设置。
以上所述仅为本发明的优选技术方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以在不背离所示实施方式的精神或范围的情况下对前述的技术方案进行修改和变动，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种超声振动辅助的滚压摩擦连接方法，其特征是它包括以下步骤：
（1）连接前准备工作；根据待连接壳体厚度和壳体的大小，在壳体（8）靠近内侧加工出一个壳体凸台（8-1）和一个壳体阶梯槽（8-2），在壳体盖板（9）边缘加工出一个壳体盖板凸台（9-1），焊接前将壳体凸台（8-1）、阶梯槽（8-2）、壳体盖板凸台（9-1）以及壳体盖板（9）边缘进行清洁；所述的壳体盖板（9）与壳体阶梯槽（8-2）接触的棱边倒圆角，增大塑化材料的填充体积；
（2）装配和装夹；将壳体盖板（9）装配在壳体的阶梯槽（8-2）内，确保壳体盖板凸台（9-1）边缘与阶梯槽（8-2）边缘留有一定间隙，将装配好后的壳体（8）和壳体盖板（9）固定装夹在XY工作台（3）上，调整好滚轮（2）的初始位置；根据焊缝的位置，设置滚轮（2）的运动轨迹，根据壳体（8）的高度，设置滚轮（2）的下压高度，在主控制系统（5）中输入滚轮（2）的工艺参数，并同时输入超声振动的相关参数；
（3）连接；启动装置，同时启动超声振动系统（7）和滚轮（2），高速转动的滚轮（2）在下降过程中接触到壳体凸台（8-1）和壳体盖板凸台（9-1），发生剧烈摩擦，产生大量热；在大量热的作用下，与滚轮（2）接触的部分和周围的材料发生塑化，塑化金属材料受到滚轮（2）下压过程中的不断挤压和超声振动能量的双重作用，被迫流向壳体阶梯槽（8-2）与盖板（9）之间的间隙中，在流动的同时也进行了混合，直至充满整个间隙，待滚轮（2）离开之后，塑化金属材料冷却硬化成形，形成了接缝，从而将壳体（8）和壳体盖板（9）连接成一体；
（4）完成连接；经过滚轮（2）的摩擦滚压后，壳体（8）和壳体盖板（9）连接在一起，完成了滚压摩擦连接。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的连接前准备工作，也可只将壳体盖板（9）加工出一个凸台（9-1），壳体（8）靠近内侧加工出一个壳体阶梯槽（8-2），进行滚压摩擦连接。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的滚轮（2）的工艺参数包括转速、下压速度和移动速度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是在连接过程中在焊缝局部施加辅助热源，促进材料的软化和流动。
5.一种超声振动辅助的滚压摩擦连接装置，其特征是它包括主轴系统（1）、滚轮（2）、XY工作台（3）、底座（4）、主控制系统（5）、Z轴电机（6）和超声振动系统（7）；所述的主轴系统（1）在Z轴电机（6）的带动下进行升降运动；所述的滚轮（2）安装在主轴系统（1）的执行末端，由主轴带动滚轮旋转；所述的主控制系统（5）控制XY工作台（3）运动、主轴系统（1）的升降、滚轮（2）的转速和超声振动系统（7）；所述的超声振动系统（7）安装在主轴系统上，能够促进塑化材料的流动，增强焊缝的可靠性。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征是所述的滚轮（2）的圆周面上设有一个用于滚压塑化材料的凹槽，凹槽的深度和形状以能防止塑化材料溢出为准。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征是所述的滚轮（2）的端面设置有用于散热的沟槽或者孔洞。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征是所述的超声振动系统（7）的施加位置在工件焊缝上方、焊缝两侧、焊缝底部或者滚轮（2）上。
9.根据权利要求5所述的装置，其特征是在与焊缝相对位置处设置有辅助热源，以促进材料的软化和流动。
10.根据权利要求5所述的装置，其特征是所述的滚轮（2）上的凹槽表面还设有织构结构，用来增加滚轮（2）与材料的摩擦，增加热输入。
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