CN110520237A - 超声波焊设备和超声波焊方法 - Google Patents

Abstract

超声波焊设备，其包含超声振荡单元(20)和与该超声振荡单元(20)相对的支座2。通过将支座(2)能够平行于超声振荡单元(20)的振动平面移动地支承而改善焊接连接。

Description

超声波焊设备和超声波焊方法

技术领域

本发明涉及一种超声波焊设备以及一种超声波焊方法。

背景技术

由现有技术中已知借助超声波接合零件。尤其在与铝连接时使用超声波焊方法为有利的，因为在借助超声波进行焊接时破坏氧化铝层。随着铝绞合导线在汽车领域中越来越多的使用，超声波焊也在此越来越受欢迎。

在超声波焊中，工件、尤其绞合导线和连接件借助超声振荡单元和铁砧彼此相压。作为被动工具的铁砧尤其与压紧装置一同在此用作支座并用于固定和/或压紧第一工件。作为主动工具的超声振荡单元将第二工件压抵第一工件，并向工件内引入超声波振荡。通过由超声振荡单元引入的超声波振荡，在工件、例如绞合导体和连接件之间的连接位置处产生所需的焊接能量，从而熔化其接合对象并使工件材料配合地彼此相连。

然而，根据现有技术的方法的缺点在于，只有超声振荡单元作为主动工具将焊接能量引入待接合的材料中。铁砧通常作为被动工具而静止地支承，并且在进行超声波焊时本身不移动。这导致超声振荡单元仅在一侧将焊接能量引入待接合的材料。然而，这种仅单侧的能量引入尤其在焊接尤其较大横截面的绞合导线时可能导致绞合导线的与超声振荡单元接触的绞合线受损。在根据现有技术的方法中，绞合导线的靠外的、用作能量引入的耦合面的绞合线可能受损。这导致以下缺点，只有横截面较小的绞合导线才能借助超声波无损伤地焊接。具有例如超过16mm²的较大横截面的绞合导线有时可能受损，尤其在将较高的焊接能量引入第一个绞合线层中的情况下。因此，尤其在接合横截面较大的绞合导线时，不再能够确保材料配合的连接所需的机械强度。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供一种超声波焊设备以及一种超声波焊方法，其实现横截面较大的绞合导线与连接件的过程可靠的连接。

此目的通过一种根据权利要求1所述的超声波焊设备以及一种根据权利要求10所述的方法实现。

发明人惊讶地发现，对于尤其由铝材制成的、横截面大于16mm²、尤其大于50mm²、优选直至200mm²的绞合导线，对于超声振荡单元动态的支座有利于借助超声波的加工。已知，通过支座动态的支承实现了支座平行于超声振荡单元的振动平面的振动。通过使支座能够在平行于超声振荡单元的振动平面的平面内移动、尤其振动，相比于现有技术中已知的静态地布置支座实现了显著的优点。通过支座的动态支承，在更短的处理时间的同时实现了具有更高机械强度的连接。已经认识到，通过支座的动态支承，在借助超声振荡单元引入相等高度的能量的情况下，提高了应接合的零件之间的接合位置的机械强度。这促使每个接合位置的能量投入可以降低，从而能够降低能量消耗，同时接合质量与现有技术的保持相同。

借助可移动地支承的支座实现了使由超声振荡单元引入工件中的超声波也引入支座中。支座的受到振动的超声振荡单元的耦合声波激发的惯性质量可通过支座的动态支承而在超声振荡单元的振动平面内移动，并且其动能可引入接合区内。

由超声振荡单元引入系统中的振动能量在动态支承的支座内产生偏移。该偏移可以与超声振荡单元的偏移相应地为周期性的。此外，偏移沿着超声振荡单元的振动方向/平面进行，尤其在水平方向/平面内沿着超声振荡单元的振动方向进行。当然，上述效果仅在超声振荡单元激活的情况下出现，即在焊接过程中。通过支座的振动将动能回授到工件中，从而实现焊接能量向工件内均匀的引入。

因为支座具有机械惯性，所以支座的振动具有相位差或者说行程差地进行，从而通过合适地设置过程参数而实现支座相对于超声振荡单元的相反的偏移。

例如在将尤其由铝材制成的绞合导体与连接元件相焊接时，支座的振动导致绞合导体与连接元件之间的焊接区域内的额外的高频摩擦。焊接能量因此由在绞合线顶侧的主动振动的超声振荡单元以及由此激励的在绞合线底侧的支座通过连接元件引入工件之间的接合区中。

支座可以在支承工件的表面上具有提高摩擦的表面。这可例如通过机械地打毛、例如通过引入线型或菱形实现。

根据一种有利的实施例提出，支座为超声振荡单元或铁砧。铁砧可作为被动零件而仅通过超声振荡单元激发。也可以替代被动的支座而构造超声振荡单元形式的主动的支座。两个超声振荡单元可分别通过转换器和优选放大器驱动。两个转换器调节技术的耦合可设置得使超声振荡单元与支座的振动相反。振动尤其可以使振动具有波长的四分之一至二分之一的行程差。尤其可以具有大约为波长的二分之一的行程差。在此，相位差可以在90°至270°之间，优选在120°至240°之间，尤其在170°至190°之间，优选大约为180°。

根据一个实施例提出，在支座上设置固定装置。借助该固定装置将工件、尤其连接件机械地固定在支座上。固定装置相对于支座位置固定并因此与支座一同置于振动。

也可以使固定装置与支座无关地固定地或动态地支承。固定装置可以像支座那样动态地支承，并同样通过超声振动单元的振动置于振动。那么，固定装置则可连同压在支座上的工件振动。固定装置也可以是固定的并相对于超声振荡单元固定地支承。工件可例如由于固定装置光滑的表面而以滑动支座的方式通过固定装置固定。

根据一个实施例提出，支座在直线型导向件中引导。直线的滑座引导件在此尤其适用。这使得支座限制在其运动的一个自由度内。支座尤其以等于1的自由度平移地支承。自由度的方向或者说该平移运动的方向优选平行于超声振荡单元的移动方向。

支座的激励例如通过可调节的减震元件设置。可优选设置减震性能能够调节的、尤其弹性常数能够调节的减震元件。根据一个实施例提出，减震元件缓冲支座平行于超声振荡单元的振动平面的运动。也可以控制或调节减震元件的阻尼、尤其弹性常数。

通过减震元件促使支座减震。这防止了支座共振的可能性。建议减震元件使支座的阻尼比D为0<D≤1。

根据一个实施例提出，支座如此支承，使得在焊接时其运动方向与超声振荡单元的运动方向相反。

根据一个实施例提出，支座如此支承，使得其振动与超声振荡单元的振动具有约为波长二分之一的行程差。

也可考虑通过支座的质量优化其振动表现，方式是改变几何尺寸或附加质量，例如设置由铅制成的核芯。尤其可以使支座内的密度分布为不均匀的。尤其可以使支座的核芯由密度不同于外层的、尤其不同于构成工件表面的层的材料制成。

所述超声波焊可以是纵向超声波焊、扭转超声波焊或者超声波滚动焊。支座的放置角度在此优选与超声振荡单元的运动方向相同。在扭转超声波焊或超声波滚动焊的情况下，支座可以能够旋转地支承，从而模拟超声振荡单元的旋转。

另一方面可以是支座振动的测量。支座的振动可以光学地和/或电学地、电子地探测。因此，可例如通过激光测量装置测量支座的移动。在此，可通过激光器测量支座上固定的点(标记)的偏移。也可通过距离传感器测量移动。可以将测得的振动与引入的振动相关联。尤其可以将支座的振幅与引入的超声振荡单元的焊接能量相关联。由此可推断出针对焊接过程中支座与超声振荡单元之间的机械耦合的结论。这可用于对焊接质量的评估。该测量能够与在此所述的所有特征结合。

附图说明

下文中根据示出了实施例的附图进一步阐述本发明。在附图中示出了：

图1a振动地支承的支座的侧视图；

图1b根据图1a的支座的俯视图；

图2具有被动的支座的焊接设备的示意图；

图3具有主动的支座的焊接设备的示意图。

具体实施方式

图1a示出了构造为铁砧的支座2。该支座2设计为连接件4的支承面。连接件4借助固定装置6固定，该固定装置位置固定地布置在支座2上。固定装置6在此可例如为夹子、钩子或其他适合的工具，其能够将连接件4位置固定地固定在支座2上。

此外，在图1a中可见，支座2支承在滚动导向件8上，例如直线型导向件或轨道导向件。在滚动导向件8上的支承使得支座2的移动刚好具有沿着轴10的一个自由度。轴10在此基本平行于超声振荡单元振动的振动方向12的轴延伸。

为了防止支座2的过度振动，在支座2上设置减震元件14a,14b。减震元件14a,14b可以具有固定的、或者可变化地设置的弹性常数。也可以使减震性能、尤其减震元件14的弹性常数为可控制的或可调节的。由减震元件14和支座2以及滚动导向件8组成的系统的阻尼比在此优选大于0且小于等于1。

图1b示出了支座2的俯视图。可见，减震元件14a,14b尽可能沿着垂直于超声振荡单元的振动方向的对称平面彼此对称地沿着轴12布置。这促使支座2沿着轴10方向的偏移尽可能在其整个深度T范围内相等。

为了将连接件4与线缆18的绞合导线16焊接，将工件如在图2中所示地夹持在超声振荡单元20与支座2之间。

在图2中，支座2根据图1a和b中的实施例支承。连接件4固定在支座2、在此为铁砧的朝向超声振荡单元20的表面上。为此，借助固定装置6将其固定在朝向超声振荡单元20的表面上。

接着，将优选在线缆18的剥除绝缘皮的末端上的绞合导线16放置到连接件4上，并且超声振荡单元20将绞合导线16压在连接件4上。

这时，为了进行焊接，使超声振荡单元20振动，从而超声振荡单元20沿着轴12振动。为此，设置转换器22和放大器24。

在焊接工序期间，通过超声振荡单元20向连接件4与绞合导线16之间的接合位置引入沿着轴12的振动。

通过使支座2振动地支承，使支座3同样沿着轴10振动。这促使不仅超声振荡单元20进行直线的偏移，而且支座2也进行直线的偏移。这两个直线的偏移促使焊接能量不仅从绞合导线16的朝向超声振荡单元20的侧面、而且也从底面、从绞合导线16的朝向连接件4的侧面引入绞合导线16与连接件4之间的接合位置30。连接件4连同支座2被置于振动并因此同样促使焊接能量输入连接件4与绞合导线16之间的接合位置30。

图3示出了类似于图2的系统，其中，相同的附图标记指示相同的元件。不同于图2，该支座2并非被动的铁砧，而是主动运行的超声振荡单元。该超声振荡单元2也通过转换器26和放大器28驱动。与图2相应地，在支座2上同样位置固定地固定连接件4。线缆18的绞合导线16放置在其上。在绞合导线16与连接件4之间在超声振荡单元20与支座2之间构成接合区30。在根据图3的系统中，轴10和12也彼此平行地延伸。

超声振荡单元20和支座2沿着轴10和12的运动通过控制设备32控制。在此，控制设备32可如此控制该运动，使支座2和超声振荡单元2沿着其相应的移动轴线10，12的运动相反。尤其振动之间的行程差在波长的四分之一至二分之一之间，或者振动之间的相位差在90至270°之间，优选在120°至240°之间，尤其在170至190°之间。振动的相位差尤其为大约180°。通过该反向的振动而通过超声振荡单元20和支座2将焊接能量最优地引入接合区30内。

试验显示，在较短的焊接时间内获得了连接的较高抗拉强度。这促使针对相同的抗拉强度相比于传统的焊接设备仅需要更低的焊接时间。在焊接时间相等的情况下，抗拉强度相对于传统的焊接设备提高可达100％。

试验同样显示，通过将焊接能量从接合位置的两侧引入，即通过超声振荡单元和支座，能够降低或避免对绞合导线的绞合线的损伤。超声振荡单元能够以较低的功率运行，从而其不损伤最上方的绞合线层。

通过动态地支承支座也实现了对支座处振动的测量。该测量实现了对焊接过程的、以及因此对焊接质量的推论。

根据本发明的焊接设备通过振动在绞合导线双面上的施加，即不仅从绞合导线背离连接件的一面、而且从朝向连接件的一面，实现了焊接能量向接合位置尤其均匀的引入。由此，更少地损伤绞合导线，并且使引入的焊接能量均匀地分布到接合位置。

附图标记说明

2 支座

4 连接件

6 固定装置

8 滚动导向件

10 轴

12 轴

14 减震元件

16 绞合导线

18 线缆

20 超声振动单元

22 转换器

24 放大器

26 转换器

28 放大器

30 接合区

32 控制设备

Claims (11)

1.超声波焊设备，该超声波焊设备包含：

-超声振荡单元，

-与该超声振荡单元相对的支座，

其特征在于，

-该支座能够平行于超声振荡单元的振动方向移动地支承。

2.根据权利要求1所述的超声波焊设备，

其特征在于，

-该支座为超声振荡单元或者铁砧。

3.根据权利要求1或2所述的超声波焊设备，

其特征在于，

-在支座上固定用于工件的固定装置。

4.根据前述权利要求中任一项所述的超声波焊设备，

其特征在于，

-该支座在滑动支座或直线型导向件内引导。

5.根据前述权利要求中任一项所述的超声波焊设备，

其特征在于，

-支座以等于1的自由度平移地支承，其中，支座平移运动的方向平行于超声振荡单元的运动方向。

6.根据前述权利要求中任一项所述的超声波焊设备，

其特征在于，

-减震元件缓冲支座平行于超声震荡单元的振动平面的运动。

7.根据前述权利要求中任一项所述的超声波焊设备，

其特征在于，

-减震元件使得支座的阻尼比D为0<D≤1。

8.根据前述权利要求中任一项所述的超声波焊设备，

其特征在于，

-支座支承得使其运动方向在焊接时与超声振荡单元的运动方向相反。

9.根据前述权利要求中任一项所述的超声波焊设备，

其特征在于，

-支座支承得使其振动相比于超声振荡单元的振动具有约为波长的二分之一的行程差。

10.根据前述权利要求中任一项所述的超声波焊设备，

其特征在于，

-设置在焊接过程中用于测量支座的偏移的测量装置。

11.用于借助根据权利要求1的超声波焊设备将连接件与绞合导线焊接的方法，其中

-将连接件固定在支座上，

-将绞合导线放置到连接件上，

-将超声振荡单元压在绞合导线上，并且

超声振荡单元向绞合导线引入垂直于连接件平面法线的超声波振动，其中，支座沿着相对于超声振荡单元的振动方向平行的振动方向相对于超声振荡单元振动。