CN113454856B - 至少一个焊接套筒与连接件的焊接方法、包含至少一个焊接套筒和连接件的系统以及超声波焊接设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将至少一个焊接套筒与电连接件焊接的方法。本发明同样涉及一种系统，其包括焊接套筒和电连接件，并涉及一种具有超声波焊接工具、尤其具有超声焊极的超声波焊接设备。

Description

至少一个焊接套筒与连接件的焊接方法、包含至少一个焊接 套筒和连接件的系统以及超声波焊接设备

技术领域

本发明涉及一种用于将至少一个焊接套筒与连接件焊接的方法、一种包括至少一个焊接套筒和连接件的系统以及一种超声波焊接设备。在焊接套筒和连接件之间的上述连接特别是在汽车应用中使用，优选在焊接套筒与连接件(如母线或扁平导体)的连接中使用。

背景技术

在汽车工业中，近来越来越多的扁平导体被代替圆形导线使用，因为这些扁平导体在其电流承载能力方面并且出于结构工程的原因优于传统的圆形导线。然而，为了与用电器接触，迄今为止仍然使用圆形导体，其借助于材料配合与扁平导体连接。然而，鉴于电池单元的模块连接器和单元连接器，扁平导体相互的连接也是必要的。在此，在将扁平导体用作主支路或用作用于电池导线的母线(Bus-Bar)或用作模块连接器或单元连接器时，希望在扁平导体和用电器之间进行接触。这种接触例如可以通过连接螺栓和连接孔实现。在此，连接螺栓大多直接布置在用电器上或待连接的构件上。

然而，已经发现，在许多情况下将连接螺栓附接到扁平导体是有问题的。这种连接必须是电稳定的并且被保护免受环境影响。此外，在使用铝或软铜材料作为扁平带导体的导体材料时，必须确保该扁平带导体在连接螺栓连接时不变形。尤其在将连接螺栓拧紧在扁平导体上时可能导致螺栓压入扁平导体材料中，因为在要求的拧紧力矩下，螺栓头或螺栓上的凸缘相对于扁平导体材料的相对高的粘性而言引起过高的表面压力。这导致要么不能遵守所要求的拧紧力矩，要么扁平导体的材料在拧紧时易于流动。此外可能出现螺纹连接在机械负荷下松脱，因为扁平带导体的所述材料在螺纹连接下可能变形。此外，大多要求和希望接合配对件的接触面具有涂层。这种大多由镍和/或锡构成的涂层保证了防腐并且保证了长寿命的电连接。

此外已知的是，焊接套筒、基本上旋转对称的焊接套筒借助于摩擦焊接与扁平导体材料配合地连接。然而，为此，焊接套筒必须设计成使得焊接套筒能够以形状配合的方式被摩擦工具接纳，以便焊接套筒能够通过摩擦焊接可靠地焊接至连接件。这尤其限制了制造类型并且还导致了提高的成本。上述方法的另一个缺点是处理时间长。

还已知的是，焊接套筒借助于扭转的超声波焊接与扁平导体材料配合地连接。其中超声波焊接工具为了能量引入而接触焊接套筒的凸缘的与连接件相对置的面并且因此在焊接套筒的凸缘上留下呈超声电极轮廓形式的压痕。这尤其在连接件或焊接套筒的稍后的接触方面是大的缺点，因为不能再进行完好的面接触。此外，焊接套筒的涂层在凸缘侧被损坏，这不利于腐蚀保护和长寿命的电连接。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种连接件和焊接套筒的接合方案，该方案是过程可靠的并且仅具有短的过程时间。

该目的通过根据权利要求1所述的方法、根据权利要求8所述的系统和根据权利要求13所述的超声波焊接设备来实现。

超声波焊缝优选地在焊接套筒的外周面的一部分和连接件的缺口的内表面的一部分之间、和/或在焊接套筒的凸缘表面的至少部分和连接件的面向凸缘的表面的至少部分之间产生。所使用的焊接方法尤其是扭转的超声波焊接。

连接件的缺口尤其是基本上圆形的孔，进一步优选是基本上圆形的通孔。优选的是，连接件构成为母线或导体。在连接件设计为导体时，进一步优选的是，导体设计为扁平导体，其具有两个窄侧和两个纵向侧。在扁平导体中优选的是，至少一个缺口引入到两个纵向侧中的一个中。

通过上述方法，可以有利地实现在焊接至少一个焊接套筒和连接件时的较短的过程时间。

根据一个实施例，焊接套筒具有开口，其被设计为沿着焊接套筒的纵轴线延伸的通孔。

焊接套筒的内周面在焊接套筒的开口的区域中具有端侧的环绕的棱边。开口的内棱边可以被倒角，从而焊接套筒的开口的直径沿焊接套筒的纵向方向逐渐变细，尤其是圆锥形地或弧形地逐渐变细。因此，开口从焊接套筒的端面出发在焊接套筒的纵向方向上逐渐变细。该渐缩部可截锥形或弧形地伸延。该渐缩部优选具有10°至80°之间、优选25°至55°之间的倾斜角(Steigungswinkel)。因此,开口在焊接套筒的纵向方向上以所述倾斜角打开。开口的渐缩部用作焊接套筒和焊接工具之间的接触面，从而焊接工具能够引入足够的能量用于材料配合的连接。

通过使焊接套筒的内周面与超声波焊接工具接触，可避免焊接套筒的随后的接触面具有超声波焊接工具的压痕。这种压痕在接触方面是不利的。因为优选的是，超声波焊接工具仅在焊接套筒的内周面上接触焊接套筒并且相应地也仅在焊接套筒的内周面上留下轮廓压痕。根据一个优选的设计方案，焊接套筒基本上设计为管状。

根据一个实施例，焊接套筒由至少两个区段形成，其中，第一区段具有第一外直径，并且第二区段具有比第一外直径更大的第二外直径，并且其中，焊接套筒被插入缺口中，直至焊接套筒的第二区段至少部分地贴靠在连接件上。优选地，连接件中的缺口的内直径与焊接套筒的第一区段的外直径基本一致。第二区段优选地构造为法兰状的凸缘，由此实现了焊接套筒在连接件上的良好固定。焊接套筒的两个区段的内直径优选基本上相同。凸缘的一侧在插入位置中面向连接件。同样可能的是，第一区段的外直径沿着焊接套筒的纵轴线不变，而第二区段的外直径朝向焊接套筒的端侧末端逐渐变细。也可以设想外直径与内直径不同的几何结构，以便加大焊接套筒的接触面。

根据另一实施例，焊接套筒借助超声波焊接工具被置于围绕焊接套筒的纵轴线的高频振动中。所述高频振动优选具有在15至40kHz范围内的频率，尤其具有在20至35kHz范围内的频率。由此可以以可靠的方式在较短的过程时间内将焊接套筒与连接件焊接。

此外优选的是，焊接套筒基本上同时被引入缺口中并且被置于振动中。这尤其有利于打破位于连接件和/或焊接套筒上的氧化层并且由此实现有利的材料配合的连接。

根据一个实施例，建议焊接工具具有端部区域，其可以被引入到焊接套筒中的开口中。因此，端部区域可以荆棘状地，特别是截锥状地插入开口中。通过超声波焊接工具的端部区域的荆棘状的、尤其是截锥形的构型能够实现，利用同一超声波焊接工具将不同直径、尤其是不同内直径的焊接套筒与连接件焊接。

根据另一实施例建议，超声波焊接工具具有用于接纳焊接套筒的至少一部分的端部区域，并且端部区域构造为荆棘形的、尤其是截锥形的。荆棘形状的几何形状应该有利地在几何形状上类似于在渐缩部的区域中的焊接套筒中的开口的几何形状，特别是与其一致。荆棘状的端部区域可以朝向端侧逐渐变细。倾斜角可以在10°与80°之间，优选在25°与55°之间。

本发明建议，用于实施该方法的过程时间在2.0秒以下、特别是在1.5秒以下。短的过程时间对于本发明的焊接方法的经济性和生产率特别有利。焊接周期，即焊接套筒与连接件的焊接，被视为过程时间。

另一方面是一种系统，其包括至少一个焊接套筒和电连接件。

通过超声波焊接工具优选仅接触焊接套筒的内周面，超声波焊接工具仅在焊接套筒的内周面上留下轮廓压痕。相应地，焊接套筒的凸缘可具有小于2.0mm的高度，特别是小于1.5mm的高度，特别优选小于1.0mm的高度，因为仅需要由凸缘吸收小的力。由此，焊接套筒仅略微突出于连接件，这在结构空间的减小方面是有利的。

优选地，第一区段和第二区段都构造成中空管状，使得焊接套筒的第一区段和第二区段都具有带有内周面的通孔。

此外优选的是，连接件是母线或导体，尤其是扁平导体。尤其是机动车母线或机动车扁平导体。

按照一种设计方案，焊接套筒借助超声波焊缝，尤其是借助扭转的超声波焊缝与连接件连接。尤其地，第一区段的外周面的至少一部分与缺口的内表面的至少一部分借助于超声波焊接、尤其借助于扭转超声波焊接彼此焊接。

凸缘的一部分也可以以其朝向连接件的凸缘表面借助超声波焊接，尤其借助扭转超声波焊接与连接件焊接。

根据另一实施例，建议通孔在第一区段中延伸，并且通孔的内直径沿着焊接套筒的纵轴线基本上保持不变。由此，焊接套筒也可以在第二区段的高度较小时以可靠的方式插到超声波焊接工具上并且借助超声波焊缝与连接件焊接。

此外，在焊接套筒的凸缘的后续电接触方面有利的是，超声波焊接工具的轮廓压痕仅位于焊接套筒的内周面上。因此，凸缘表面不具有超声波焊接工具的轮廓压痕。在这方面进一步优选的是，超声波焊接工具仅在焊接套筒的内周面上接触焊接套筒。

另一方面是一种超声波焊接设备，尤其是一种用于实施前面所描述的方法的超声波焊接设备。关于方法描述的优点同样适用于本发明的超声波焊接设备。

端部区域优选地应理解为超声波焊接工具的这样的区域，该区域构造用于与待接合的工件、尤其与待接合的焊接套筒接触。

通过端部区域的荆棘状的、尤其截锥形的构造，以结构上有利的方式使得不同的待接合的工件、尤其不同的待接合的焊接套筒能够与同一超声波焊接工具接合。通过超声波焊接工具的端部区域的荆棘状的、尤其是截锥形的轮廓，不仅可以可靠地接收焊接件、而且可以将其置于围绕焊接件的纵轴线进行的高频振动。

优选地，端部区域设计用于接纳具有不同内直径的待接合的工件，特别是待接合的焊接套筒，并且与连接件焊接。由此可以以有效的方式利用同一超声波焊接工具接合不同的焊接套筒。

附图说明

下面借助示出实施例的附图进一步阐述本发明。附图示出：

图1示出了焊接套筒的横截面，

图2示出了具有缺口的连接件，和

图3示出了在焊接过程期间带有焊接套筒和连接件的超声波焊接工具的一种构造。

具体实施方式

图1示出了焊接套筒2。焊接套筒2由两个区段2a和2b构成。区段2a和2b在焊接套筒2的纵轴线X的方向上并排地布置。

两个区段2a、2b可以由焊接套筒2的实心材料一体地形成。

可以看出，区段2a具有比区段2b更小的直径d，所述区段2b具有直径D。通过更大的直径D，区段2b凸缘状地布置在区段2a上，由此形成指向区段2a的方向的支承面4。

区段2a优选具有高度h，该高度相应于待与焊接套筒2连接的连接件的材料厚度。形成为凸缘的区段2b具有高度H，该高度优选小于2.5mm、尤其小于1.5mm并且特别优选小于1.0mm。

焊接套筒2设计成管状并且具有带有内周面的通孔6。通孔6贯通第一区段2a和第二区段2b。

可以看出，通孔6的直径从端侧末端开始在区段2b中沿焊接套筒2的纵向方向沿轴线X减小。通孔的该渐缩部可以是如图所示的截锥形或者是弧形的。该渐缩部尤其具有在25°和55°之间的倾斜角(Steigungswinkel)。

图2示出了具有缺口10的连接件8，该缺口设置为圆形通孔的形式。连接件8在此被构造为母线(Bus-Bar)。缺口10具有优选地基本上与第一区段2a的外直径一致的轮廓。连接件8的厚度a优选对应于第一区段2a的高度h。连接件8优选由铝材构成，而焊接套筒2优选由铜材、钢或类似材料构成。

图3示出在焊接过程期间带有焊接套筒2和连接件8的超声波焊接工具12的一种构造。超声波焊接工具优选地构造为超声焊极12，其中，超声焊极12具有圆柱形的基体14和端部区域16，其中，端部区域16向其端侧末端的方向逐渐变细，尤其是基本上截锥形地或弧形地逐渐变细。渐缩部的倾斜角优选在25°和55°之间。端部区域16的外直径优选在几何形状上与区段2b中的开口6的逐渐变细的内直径类似或一致。端部区域16的外周面优选在几何形状上与开口6在渐缩部的区域中的内周面相似或一致。由于截锥形的端部区域16，具有不同通孔6的焊接套筒2可以套装到同一超声焊极12上。

焊接套筒2首先套装到超声焊极12上。通过锥形的端部区域16，超声焊极12仅与缺口10的内周面接触，从而焊接套筒2在其外表面上在焊接过程之后基本上不具有超声焊极12的轮廓压痕。

在焊接套筒2套到超声焊极12上之后，优选的是，焊接套筒2基本上同时沿箭头Y的方向导入缺口10中并且被置于沿箭头Z的方向围绕焊接套筒2的纵轴线X的高频振动中。焊接套筒2被插入到缺口10中，直到支承面4贴靠在连接件8上。

在焊接套筒2与连接件8之间产生超声波焊缝之后，将超声焊极12移除，并且焊接套管2与连接件8的焊接方法结束。优选地，这种方法具有小于2.0秒、尤其小于1.5秒的过程持续时间。

Claims (11)

1.用于将至少一个焊接套筒与电的连接件焊接的方法，

其中，所述连接件具有至少一个缺口；

其中，焊接套筒具有带有内周面的开口，

其中，焊接套筒插到超声波焊接工具上，

其中，焊接套筒插入到所述缺口中，并且

其中，借助超声波焊接工具将焊接套筒的至少一部分与连接件焊接，

其特征在于，

所述焊接套筒的内周面由所述超声波焊接工具接触，所述开口从所述焊接套筒的端面出发沿所述焊接套筒的纵向方向逐渐变细，焊接套筒的至少一部分由超声波焊接工具的端部区域接纳，并且端部区域朝向端侧逐渐变细。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

所述开口是通孔。

3.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

所述开口从所述焊接套筒的端面出发沿所述焊接套筒的纵向方向锥形地或弧形地逐渐变细。

4.根据权利要求3所述的方法，

其特征在于，

所述开口以10°至80°之间的倾斜角逐渐变细。

5.根据权利要求4所述的方法，

其特征在于，

所述开口以25°至55°之间的倾斜角逐渐变细。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

端部区域被构造成截锥状。

7.根据权利要求1或2所述的方法，

其特征在于，

焊接套筒由至少两个区段构成，

第一区段具有第一外直径，并且第二区段具有比第一外直径大的第二外直径，并且

将焊接套筒插入到所述缺口中，直至焊接套筒的第二区段至少部分地贴靠在连接件上。

8.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

借助超声波焊接工具将焊接套筒置于围绕焊接套筒的纵轴线的高频振动中。

9.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

焊接套筒同时被引入缺口中并且被置于振动中。

10.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

用于实施所述方法的过程时间小于2.0秒。

11.根据权利要求10所述的方法，

其特征在于，

用于实施所述方法的过程时间小于1.5秒。

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