CN109996638B - 薄片的叠层的磁脉冲钎焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于磁脉冲焊接物品的方法，该物品包括由金属材料制成的薄片的叠层。该方法包括：在所述叠层(55)的厚度上形成至少一个透孔(60)；在所述叠层的两侧放置由金属材料制成的两个板，所述两个板分别被称为第一板(51)和第二板(52)，所述两个板形成覆盖所述至少一个透孔(60)的重叠区域(53)；将板‑叠层组件与线圈(11)的有效部分(121)相对放置，使得所述重叠区域的工作区域面向所述线圈的所述有效部分设置，所述工作区域覆盖所述至少一个透孔(60)；将所述工作区域置于磁场中，直到所述板‑叠层组件连接为止。本发明的特征在于，在所述工作区域受所述磁场作用时，在所述至少一个孔(60)上施加压力于所述第一板(51)并将其压在所述第二板(52)上。

Description

薄片的叠层的磁脉冲钎焊方法

技术领域

本发明属于焊接领域，更具体地说是磁脉冲焊接领域，用于永久性地将部件组装到一起。本发明特别涉及一种用于焊接金属材料制成的薄片的叠层的方法。

背景技术

在如今的工业中，特别是在机动车领域中，由在两块金属材料板之间的数十张金属材料制成的薄片的叠层组成的物品的需求日益增长。每个薄片具有较小的厚度，通常约为0.01-0.02mm。每个板具有较大的厚度，通常约为0.2-0.5mm。这类物品特别适用于组成锂离子电池。

生产这类物品的难度在于要求确保这些不同的薄片和板之间的良好导电性。

目前，用于组装这些薄片和板的技术是超声波焊接和激光焊接。两个部件之间的焊接是通过两个部件之间的界面产生的热量完成的。

尽管这些组装技术快速且经济，但它们仍具有某些缺点。

一方面，这些技术不允许将薄片充分地压缩在一起，另一方面，可能引起薄片局部加热导致薄片上孔的产生，从而降低最终焊接的质量并因此降低组件的导电性。

发明内容

本发明旨在克服上述缺点。

本发明的目的特别是提供一种有效的解决方案，该方案能够组装薄的金属薄片，同时确保所获得的物品的导电性。

本发明的其他目的是该方法能够被简单且快速地实施。

为此目的，本发明提出一种磁脉冲焊接物品的方法，该物品包括一个由金属材料制成的薄片的叠层。

磁脉冲焊接的一般定义是在不提供外部热量的情况下，在重叠区域内将一个金属部件压在另一个金属部件上，从而产生两个金属部件之间的焊接。这种方法的原理主要在于线圈产生的电磁力对部件的高速冲击。

根据本发明的方法包括：

- 在叠层的厚度上形成至少一个透孔，

- 在叠层的两侧放置由金属材料制成的两个板，所述两个板形成覆盖至少一个透孔的重叠区域，

- 板-叠层组件与线圈的有效部分相对放置，使得重叠区域的工作区域面向线圈的所述有效部分设置，所述工作区域覆盖至少一个透孔，

- 板-叠层组件的磁脉冲焊接。

板与叠层相对放置，以便夹住所述叠层。当板位于所述叠层的任一侧时，板不包含与叠层的透孔相对的孔。

板-叠层组件的焊接是通过使工作区受到线圈磁场的作用来进行的。

来自线圈有效部分的磁场在工作区域对离线圈最近的板施加压力。

因此，压力施加在称为第一板的一个板上，并将其直接压靠在与所述板接触的薄片上。然后将该薄片压在相邻的薄片上，依此类推直到叠层最后一个薄片。至于最后一个薄片，它被压在另一块板上，该板被称为第二板。

在至少一个透孔中，该压力施加在第一板上并将该第一板压靠在第二板上，以保证两个板之间的永久焊接。压靠第二板意味着第一板撞击第二板。换句话说，在至少一个透孔处，第一板和第二板之间存在直接接触。在透孔中产生的两个板之间的焊接实际上为在所述孔的周边处具有环形的焊接形状。

因此，当工作区受到由线圈产生的磁场的作用以确保通过压力进行焊接时，两个板在至少一个透孔中通过最接近于线圈的板的加速和变形沿另一个板的方向紧密地压靠在彼此上，从而固定薄片。

也可以在两个板上同时施加压力。

这种方法允许在至少一个透孔中将两个板彼此焊接，这允许将薄片保持在适当位置并且有利地限制薄片的后续分层。

这种方法还允许一方面通过两个板之间的直接接触来改善物品的导电性，另一方面通过在透孔的周边处的薄片与第一板的接触来改善物品的导电性。

这种磁脉冲焊接方法的一个优点还在于，形成物品的部件的组装，即两个板和薄片的组装是在固态下进行的，这可以避免所有已知的传统焊接涉及材料熔化的问题。因此能量损失最小，从而形成物品的待焊接部件不会被过高地加热。由于焊接过程中部件没有熔化，因此可以组装具有不同熔点的材料。

因此，例如可以将导电性非常好的铜板与铝薄片组装在一起。

根据具体的实施例，根据本发明的方法还满足以下特征，这些特征被单独实施或以任何技术上可操作的组合实施。

在本发明的具体实施例中，为了改善板和薄片之间的接触，至少一个透孔，优选全部透孔，被制成例如正台柱形或斜台柱形。

在另一个实施例中，在两个板上同时施加压力的情况下，至少一个透孔，优选全部透孔，被制成为两个倒置的小底部相接的台柱形。

在本发明的具体实施例中，为了延长孔中板之间的焊接，所述透孔被制成具有椭圆形横截面的柱形。

在本发明的具体实施例中，透孔的制造方式使得该透孔的中轴基本上垂直于两个板之一的表面。

在另一个实施例中，透孔的制造方式使得在所述透孔处具有相对于两个板之一的表面的垂线倾斜的中轴。

本发明还涉及一种物品，该物品包括在金属材料板之间的由金属材料制成的薄片的叠层。该叠层在其厚度上包含一个透孔。该叠层包含在两个板之间，叠层和两个板具有重叠区域，透孔位于重叠区域处。板-叠层组件以不可逆的方式焊接在覆盖孔的重叠区域的一部分处。板-叠层组件是磁脉冲焊接的。两个板在透孔处彼此焊接。

优选地，根据至少一个实施例的焊接方法获得该物品。

有利地，该物品能够通过在透孔处将两个板彼此焊接而使薄片保持在板之间而没有后续分层的风险。

一方面通过两个板之间的直接接触，另一方面通过在透孔的周边处的薄片与第一板的接触，确保了物品的导电性。

根据优选实施例，本发明还满足以下特征，这些特征被单独考虑或以任何技术上可操作的组合考虑。

根据本发明的具体实施例，透孔为例如正台柱形或斜台柱形。这种实施例有利地允许改善薄片和板之间的接触。

根据本发明的具体实施例，叠层中的透孔呈具有椭圆形横截面的柱体。

根据本发明的具体实施例，叠层包括两个具有相同的横截面和相同尺寸的透孔，所述透孔彼此间隔开一个透孔的大小。

附图说明

通过阅读下列附图说明，可以更好地理解本发明：

图1示意性地示出了物品的侧视图，该物品包括位于焊接装置中的待焊接的薄片的叠层，该焊接装置适于磁脉冲焊接，

图2示出了图1的焊接装置的横截面图，

图3和图4示出了在薄片的叠层厚度中孔的形状的变形例，

图5和图6示出了薄片的俯视图，同时示出了孔的横截面的变形例，

图7示出了在磁脉冲焊接操作之后在重叠区域处的物品的照片。

具体实施方式

图1示意性地描述了适于物品50的磁脉冲焊接的焊接装置10，该物品包括至少一个含薄片56的叠层55。

形成物品50的各种部件可以具有扁平形状，或者可选地，具有管状形状。

扁平形状意味着所述部件具有至少一个表面，所述表面在其长度的全部或一部分上具有平坦或基本上平坦的形状，至少在该种部件彼此重叠的区域处为平坦的形状。

管状形状意味着部件在其全部或一部分长度上具有管的形状，至少在该种部件彼此重叠的区域处为管状形状。

这里，本发明以详细地描述了焊接具有扁平形状的薄片56的叠层55的情况。

焊接装置10以已知的方式包含一个线圈11，一个存储单元（未示出）和一个或多个开关（未示出）。

存储单元被配置并用于累积较大的能量，例如大约几十千焦耳（kJ）的能量。

在实施例的一个优选示例中，存储单元是放电电容器阵列。

对于线圈11，其被配置并且旨在产生集中在限定空间中的磁场。

线圈

线圈11包括一个主体12。该主体12由具有特定特性的材料制成，该材料一方面具有抗塑性变形的机械阻力，另一方面具有高导电性，以便在其中循环非常高强度的电流，该电流大约几十万安培。

在实施例的一个优选示例中，主体的材料由钢制成，优选地由高强度钢制成。

当开关闭合时，主体12连接到存储单元，高强度的电流在主体中循环，并产生磁场。

线圈11的设计是为了使所述线圈的区域中的电流密度满足焊接条件。该区域称为有效部分121。

作为提醒，为了进行焊接，必须考虑多个参数，特别是碰撞角度和碰撞速度。这两个参数与线圈和待焊接部件的初始相对布置，部件材料和所用电流信号有关。这些参数是本领域技术人员已知的，这里不再详细描述。

电流在有效部分中集中在由有效部分限定的层上，其厚度与趋肤深度相对应。

在由钢制成的线圈的非限制性示例中，对于几十kHz的频率，趋肤深度大约为几毫米。

对于期望的用途，即对薄片的叠层55的焊接，必须将磁场集中在非常精细的趋肤深度中，例如对于由铜制成的板而言大约为0.3mm。为了将磁场集中在这样的趋肤深度，产生的频率至少大于25kHz。

在另一个例子中，希望将磁场集中在小于0.1mm的趋肤深度，则产生的频率至少大于70kHz。

待焊接的物品

待焊接的物品50包括薄片的叠层55和两个板，这两个板分别被称为第一板51和第二板52。

叠层55包含叠置的薄片。它包括第一薄片56a，最后一个薄片56c，以及在这两个薄片之间的中间薄片56b。

叠层55夹在两个板51,52的全部或一部分之间。换句话说，第一板51的全部或部分内表面511靠着第一薄片56a，第二板52的全部或部分内表面521靠在最后的一个薄片56c上。

叠层55和两个板51,52旨在彼此叠置，以便形成共享的重叠区域，称为重叠区域53，然后通过线圈11焊接所有或部分所述重叠区域。

叠层55和两个板51,52，至少在重叠区域53处，以基本平行的方式彼此叠置。

优选地，重叠区域53位于至少一个板的端部，例如第一板51的端部513。

每个板51,52可以具有例如200至400μm的厚度。

每个板51,52优选地由金属材料制成。

在非限制性的优选示例中，板51,52由铝制成。

在另一个非限制性示例中，板51,52由铜制成。

在另一个实施例中，两个板51,52由不同的金属材料制成。

在图1至图4所示的示例中，叠层55包含九个薄片，但这并无限制本发明之意。

尽管在附图中示出了薄片并将其数量描述为9个，但是这些薄片的数量不限于所描述和示出的数量。因此，在不偏离本发明的范围的情况下，可以有包含少于十张或包含几十张薄片的叠层55。

优选地，叠层55包括至少40个薄片。

每个薄片具有例如20μm的厚度。

优选地，每个薄片由金属材料制成。

在一个非限制性的优选实例中，薄片由铝制成。

叠层55还可以由不同金属材料制成的薄片构成。

叠层55在其厚度上通过延伸每个薄片能够具有多个透孔60。在本说明书的其余部分，透孔将被称为孔。

显然，叠层55在其厚度上也可以仅包含一个孔60。这种情况也适用于接下来的描述。

孔60以这样的方式定位在叠层55中：使得当两个板51,52和叠层55被组装在一起时，孔60位于重叠区域53中。

当夹有叠层55的两个板51,52处于与所述叠层准备焊接的位置时，如图2至图4所示，所述两个板没有正对叠层的孔60的孔。

在实施例的一个示例中，孔60基本上对齐。图2至图4示出了在焊接操作之前在孔60的一条线处的物品50的横截面。

在图2至图4所示的示例中，存在六个孔60。

尽管孔60在附图中示出并被描述为六个，但是这些孔的数量不限于所描述和示出的数量。因此，在不偏离本发明的范围的情况下，可以形成具有小于或大于6的多个孔的叠层55。

孔60的数量显然取决于叠层55的尺寸。

根据重叠区域的尺寸和/或叠层的厚度来选择孔的数量，形状和尺寸。

在一个实施例中，如图2至图4所示，在叠层55中形成的一个孔60，优选所有孔，使得所述孔无论其形状如何都具有基本垂直于在所述孔处的第一板51或第二板52的内表面的中轴61。

在另一个实施例中，孔60的中轴在所述孔处基本上相对于垂直于第一或第二板的内表面的轴线倾斜。

在一个示例性的孔的实施例中，如图2所示，孔60具有圆柱形。

圆柱形是指在第一板51的内表面511朝向第二板52的内表面521之间具有恒定不变的横截面的形状。

柱形包括任何形状的横截面，例如椭圆形，圆形，正方形，矩形或多边形横截面。

在一种形式的实施例中，孔60为具有圆形横截面的圆柱形。图5示出了薄片的俯视图，例如第一薄片56a，其包括具有圆形横截面的6个孔。

在另一种形式的实施例中，孔60具有椭圆形横截面的柱形。图6示出了薄片的俯视图，例如第一薄片56a，其包括具有椭圆形横截面的6个孔。

在孔的一另个实施例中，如图3所示，孔60具有基本上为台柱形的形状，其中大底座62位于靠近第一板51的内表面511一侧，小底座63位于靠近第二板52的内表面521一侧。

基本上为台柱形实质上是指横截面单调递减或递增的形状，这里是从第一板51的内表面511减小到第二板52的内表面521。

用于描述孔形状的“台柱”一词，广义上包括所有横截面形状的台柱体，如椭圆、圆形、正方形、矩形或多边形横截面。

台柱体可以是正台柱体或斜台柱体。

在孔的另一个改进的实施例中，孔60具有两个倒置的中空台柱的形状，该两个台柱在其小底部处彼此连接，从而具有空竹的形状。第一台柱的大底座位于第一板51的内表面511上。第二台柱的大底座位于第二板52的内表面521上。优选地，两个台柱体是同轴的。

在一种形式的实施例中，两个台柱具有相同的尺寸。

在另一种形式的实施例中，两个台柱是不对称的。

本发明不限于具有相同形状的孔60的叠层55。叠层55可包含具有不同形状的孔60。本领域技术人员能够调整本发明至未描述的形状和布置。

在图2至图6的示例中，两个相邻的孔60以等于孔的横截面的最大尺寸的距离两两间隔开。

在图5的示例中，具有相同圆形横截面的孔60以约等于孔的直径的距离两两间隔开。

优选地，孔60的直径为50mm并且彼此间隔开50mm。

现在介绍一种用于焊接物品50的方法的示例。焊接方法优选使用上述焊接装置10进行。

在先前步骤中，孔60在叠层55中制成。

叠层中的孔60在物品上需要通过所述磁脉冲进行焊接的位置处制成。

孔60在叠层中的需要通过所描述的磁脉冲对物品进行焊接的位置处制成。

在一种实施方式中，将薄片56预先堆叠好，然后对所有薄片同时制孔。

在另一个实施例中，先为每个薄片制孔，然后以对齐所有孔60的中轴61的方式堆叠薄片。

在一个实施例中，孔60通过机械加工制成，例如通过穿孔或冲孔。

在后续步骤中，构成待焊接物品的部件，即叠层55和两个板51,52，被组装。

两个板51,52被设置在叠层55的两侧，形成至少覆盖先前制成的孔60的重叠区域53。

第一板51的内表面511抵靠着第一薄片设置。第二板52的内表面521抵靠着最后一个薄片设置。

该方法包括将板-叠层组件放置在焊接设备10中的步骤。

叠层55和两个板51,52有利地放置在线圈11处，使得全部或一部分重叠区域53与所述线圈的有效部分121相对。

与线圈的有效部分121相对的重叠区域53被称为工作区域。该工作区域覆盖孔60。

在图1和图2的非限制性示例中，第一板51是最靠近线圈的有效部分121的部分。第一板51的外表面512与线圈的有效部分121相对设置。第二板52的外表面522与块13相对设置。

两个板51,52和叠层55通过紧固装置（图中未示出）以至少在重叠区域53中基本上彼此平行的方式保持在线圈11的有效部分121附近。

完成这些步骤后，该物品即可开始焊接。

不限制前两个步骤的实施顺序，并且根据该方法，可以按与所述顺序相反的顺序执行或同时执行，而不会改变所述步骤的结果。

该方法包括磁脉冲焊接步骤。

当开关51闭合时，线圈11的主体12连接到存储单元，并且高强度的电流通过线圈11。电流在工作区和有效部分121之间的限定空间中产生一个来自所述有效部分的集中磁场。

然后对工作区施加磁场，使得：

- 在第一板51的外表面512上施加压力并将其紧密地压在第一薄片56a上，第一薄片56a又紧紧地压靠在第二薄片上，依此类推，直到最后的薄片56c紧贴在第二板52的内表面521上，使它们以永久方式结合，并且

- 在孔60处，该压力施加在第一板51的外表面512上并且将所述第一板紧密地压靠在第二板52的内表面521上。

在该步骤之后，将物品50焊接在工作区域。两个板51,52和叠层55通过孔60之间的焊接彼此连接，并且两个板51,52通过在孔60中的焊接而彼此连接。

图7示出了一个仅供参考的焊接后的物品。该叠层包括40个由铝制成的薄片56。两块板由铝制成。重叠区域53的长度为430mm，宽度为120mm。这些孔是圆柱形的，具有相同的圆形横截面，直径为50mm，数量为5，并且两两间隔50mm。

该方法还可以适用于管状部件。

以上描述清楚地说明了通过本发明各种特征和这些特征的优点，本发明达到了设想的目的。特别是，本发明提供了一种磁脉冲焊接方法，该方法适用于焊接包含薄片的叠层的部件。

Claims (9)

1.磁脉冲焊接物品（50）的方法，该物品包括由金属材料制成的薄片的叠层（55），该方法包括：

- 在所述叠层（55）的厚度上形成至少一个透孔（60），

- 在所述叠层的两侧放置由金属材料制成的两个板，所述两个板分别被称为第一板（51）和第二板（52），所述两个板形成覆盖所述至少一个透孔（60）的重叠区域（53），

- 将板-叠层组件与线圈（11）的有效部分（121）相对放置，使得所述重叠区域的工作区域面向所述线圈的所述有效部分设置，所述工作区域覆盖所述至少一个透孔（60），

- 将所述工作区域置于磁场中，直到所述板-叠层组件连接为止，

其特征在于，在所述工作区域受所述磁场作用时，在所述至少一个透孔（60）上施加压力于所述第一板（51）并将其压在所述第二板（52）上。

2.根据权利要求1所述的磁脉冲焊接物品的方法，其特征在于，所述透孔（60）制成台柱体。

3.根据权利要求1所述的磁脉冲焊接物品的方法，其特征在于，所述透孔（60）制成具有椭圆形横截面的柱体。

4.根据权利要求1所述的磁脉冲焊接物品的方法，其特征在于，所述透孔（60）的制造方式使得所述透孔的中轴（61）基本上垂直于所述两个板中的一个板的表面。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的磁脉冲焊接物品的方法，其特征在于，所述透孔（60）的制造方式使得在所述透孔处具有相对于所述两个板中的一个板的表面的垂线倾斜的中轴（61）。

6.物品（50），其包括在金属材料制成的两个板（51, 52）之间的由金属材料制成的薄片的叠层（55），所述叠层在其厚度上包含一个透孔（60），所述叠层包含在所述两个板之间，所述叠层和所述两个板具有一个重叠区域，所述透孔位于所述重叠区域，板-叠层组件以不可逆的方式焊接在覆盖所述透孔的所述重叠区域的一部分处，其特征在于，所述两个板在所述透孔（60）处彼此焊接。

7.根据权利要求6所述的物品，其特征在于，所述透孔（60）呈台柱体。

8.根据权利要求6所述的物品，其特征在于，所述透孔（60）具有椭圆形横截面。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的物品，包括具有相同横截面和相同尺寸的两个所述透孔（60），所述透孔彼此间隔距离为一个所述透孔的尺寸。

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