CN114502315A - 用于焊接至少两个部件的焊接设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种焊接设备(1)以及一种用于焊接至少两个部件(7)的方法。该焊接设备(1)具有超声波焊接装置(3)和激光焊接装置(5)且配置为借助于超声波焊接装置(3)通过超声波焊接将至少两个部件(7)在第一区域(21)中相互焊接，并在超声波焊接期间借助于激光焊接装置(5)通过激光焊接将两个部件(7)在第二区域(23)中相互焊接，第二区域(23)小于第一区域(21)且布置在第一区域(21)的外边界之内和/或邻近第一区域的外边界。为此，超声波焊接装置(3)可以具有超声波变幅杆(9)和/或砧座(11)，其在第一区域(21)之内具有通孔(19)，并且激光焊接装置(5)可以配置为引导激光束(17)穿过通孔(19)到达两个部件(7)的第二区域(23)上，从而通过激光焊接将两个部件(7)相互补焊。

Description

用于焊接至少两个部件的焊接设备及方法

技术领域

本发明涉及一种用于焊接至少两个部件的焊接设备及方法。

背景技术

对于各种技术应用，可能需要两个部件牢固地相互连接。例如，鉴于电池单元生产方面，多个薄金属箔通常必须相互连接和/或连接到具有良好导电性和机械可靠性的金属片。

例如，为了在两个部件之间形成牢固且可承受高机械负载的耦合，它们可以采取材料配合方式相互连接。尤其是可以通过将两个部件相互焊接来建立材料配合连接。

可以采用多种技术将由相同材料制成或由不同材料制成的部件相互焊接。这类技术均可能需要某些边界条件和/或具备某些优缺点。

例如，众所周知，部件可以通过所谓的摩擦焊接相互连接。在此情形下，用作接合偶的部件在这两个部件之间的界面处相互摩擦。根据边界条件，例如摩擦期间施加的压力和/或两个部件在摩擦期间相对于彼此位移的程度或速度，在部件之间建立材料配合连接。

所谓的超声波焊接是指一种特殊类型的摩擦焊接。待焊接的部件(又称焊缝金属)作为接合偶经表面相互抵接并在低压和高频机械振动下相对移动。可以借助于超声波变幅杆产生振动，其中超声波振动在通常20kHz至50kHz的频率下产生并传递到接合偶中的至少一个。超声波焊接既可用于焊接金属的接合偶，又可用于焊接由其他材料、特别是塑料制成的接合偶。当用超声波焊接金属时，振动通常水平引入到接合偶，即平行于待相互焊接的表面，使得接合偶相互摩擦。例如，在粗糙度峰值剪切粗糙度峰值和/或氧化层破裂之后，基本上通过接合偶靠近表面的互锁和/或互卡来创建连接。这一般是通过塑性流动塑性流动来完成，而无需材料熔融。这尤其有利于焊接金属箔、薄金属片和/或金属丝。除了点焊之外，还可以利用滚动式超声波变幅杆来进行缝焊。超声波焊接的特点还在于，通常焊接时间很短，经济效益很经济效益高。不同的材料可以相互连接。待焊接的部件通常仅在焊接区域略微加热，从而多数情况下不会损伤周围的材料。

另一种公知的焊接技术为激光焊接，有时又称激光束焊接。类似于摩擦焊接，激光焊接一般是在不添加焊接填料的情况下实施。激光器发出的激光辐射通过光学器件进行聚焦。工件表面的对接边、即待焊接的部件的接合处紧邻光学器件的焦点，即位于焦斑中。焦点相对于部件表面的位置(即上方或下方)在多数情况下作为重要的焊接参数，也规定了焊接深度。焦斑的典型直径为十分之几毫米，如果所用的激光器具有典型的几千瓦激光功率，则会发生极高的能量集中。激光功率的吸收导致部件表面上的温度急剧升高到超过例如部件用金属的熔融温度，从而形成熔体。由于快速冷却，这样产生的焊缝视材料而变得非常坚硬，通常会失去韧性。

目前已经针对不同的用途目的开发了公知焊接方法的各种组合。

例如，提出了通过例如超声波焊接等第一种焊接方法产生焊接，事后或事先局部地通过例如激光焊接等另一种焊接方法产生焊接加以补充。以此方式，各种这些焊接方法可实现的优点可以至少部分地相结合。

目前还已针对不同的用途目的开发了公知焊接方法的各种修改。

例如，专利文献CN 107570872 A描述了一种超声波振动支持的激光焊接方法。专利文献CN 108381039 A和CN 108326429 A描述了类似的方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于焊接两个部件的焊接设备及焊接方法，其能够以有利的方式结合常规焊接技术的特性。本发明的目的尤其是提出一种焊接设备及焊接方法，能够以相对较少的器械开支和/或成本开支实现焊接，既能连接两个具有有利电气特性、特别是低电阻的部件，又能允许两个部件可靠地实现机械耦合。本发明的目的尤其是提出一种焊接设备及焊接方法，能够有利地适用于将薄金属箔相互焊接和/或焊接到金属片，因而能够有利地适用于例如电池单元生产。

本发明达成上述目的的解决方案请参阅任一项独立权利要求的主题。本发明的有利实施方案请参阅从属权利要求及下述内容。

根据本发明第一方面，描述了一种焊接设备，其具有超声波焊接装置和激光焊接装置。所述焊接设备配置为借助于超声波焊接装置通过超声波将至少两个部件在第一区域中相互焊接，并在超声波焊接期间借助于激光焊接装置通过激光焊接将两个部件在第二区域中相互焊接，第二区域小于第一区域且至少部分地布置在第一区域的外边界之内和/或邻近第一区域的外边界。

根据本发明第二方面，任选地也可以根据上述第一方面设计为本发明的具体实施方式，提出了一种焊接设备，其具有超声波焊接装置和激光焊接装置。超声波焊接装置具有超声波变幅杆和砧座。超声波变幅杆和砧座彼此相对相隔布置且在其之间围出工作空间，在超声波焊接期间，该工作空间中布置有至少两个待焊接的部件。激光焊接装置具有激光器，用于发射激光束。超声波变幅杆和/或砧座具有邻近第一区域或位于第一区域之内的通孔。超声波变幅杆和砧座配置为在超声波焊接期间在第一区域中从接触面的相对两侧接触两个部件并通过超声波焊接将两个部件相互焊接。激光焊接装置配置为引导激光束穿过通孔到达两个部件的第二区域上，从而通过激光焊接将两个部件相互补焊。

根据本发明第三方面，描述了一种用于焊接至少两个部件的方法，其中通过超声波焊接将两个部件在第一区域中相互焊接，并在超声波焊接期间通过激光焊接将两个部件在第二区域中相互焊接，第二区域小于第一区域且布置在第一区域的外边界之内。

在不采取任何方式限制本发明范围的前提下，本发明实施方案的构思和可能特征可以视为基于下述考虑和认知。本发明实施方案的可能特征和优点主要结合电池单元生产应用来描述。然而，这并不意在排除本发明实施方案也可用于其他应用。

在电池单元生产期间，大量薄金属箔必须规则地相互连接和/或连接到用作基材的金属片。金属箔通往电池单元之内的电极，其厚度通常极薄，介于5μm至30μm。金属箔通常由铝制成且其表面上具有一层薄氧化铝层。金属片可以是电池单元的可自外接触的电触点的一部分或者可以连接到这样的电触点。金属片通常远比金属箔更厚且其厚度为几百微米，例如介于300μm至2mm。金属片通常由铜或含铜合金制成，以实现低串联电阻。

迄今为止，金属箔通常通过激光焊接相互连接和/或连接到金属片。在此情形下，将高功率激光束引导到金属箔和/或金属片上，以使此处的金属可以短暂熔融，并在随后凝固时在部件之间建立牢固的形状配合连接。通过金属的短暂熔融能够实现高连接强度。此外，可以在激光焊接处范围内达成层间连接。然而，在激光焊接期间，必须确保金属箔彼此间隔极小的间隙，否则存在激光束不会按照预期将金属箔相互焊接而是“击穿”各层金属箔的风险。还观察到，在激光焊接期间，熔融的金属在随后凝固之后比周围的金属更硬。这样或相关的脆化可能导致激光焊接处附近范围内出现断裂、裂纹等，进而导致两个部件之间的电气和/或机械连接失效。

作为采用激光焊接技术的替代，可以通过超声波焊接将金属箔和/或金属片相互连接。通过超声波焊接能够实现大面积且在电气特性方面超高品质的连接区，从而能够通过焊接处进行高电流传输。然而，与激光焊接相比，超声波焊接可达的机械连接强度通常较低。

已认识到，一方面通过激光焊接而另一方面通过超声波焊接可获得的优点可以相结合，或者首先通过超声波焊接产生大面积的焊接处，随后通过激光焊接在一个或多个较小面积的点上加以补强，从而可以减少相应焊接技术的相关缺陷。

现已证实，对于本发明而言，如果激光焊接和超声波焊接这两种焊接技术并非依先后顺序进行，而是基本上同时或时间上重合进行，则它们可以更有利地相互组合。

为了能够这样同时进行超声波焊接和激光焊接，根据本发明的焊接设备中所用的超声波焊接装置可以设计为通过超声波焊接在第一区域之内、即在两个相邻部件之间界面处的第一表面区域之内连接这两个待焊接的部件。超声波焊接装置的超声波变幅杆和砧座可以设计为使得它们在超声波焊接过程中在第一区域范围内至少轻微地抵压超声波变幅杆与砧座之间的工作空间中所容纳的两个部件，并相对于彼此地置身于振动之中。可以优选地在平行于相邻部件之间的界面或平行于超声波变幅杆所贴靠的部件表面的平面中引发振动。

超声波变幅杆在其外部尺寸、振动发生构件和其他机能和/或功能特性方面可以采取与常规的超声波变幅杆相同或相似的方式设计。砧座在其外部尺寸和其他结构和/或功能特性方面也可以采取与常规的砧座相同或相似的方式设计。

然而，本文描述的焊接设备中所用的超声波焊接装置与常规的超声波焊接装置的区别应当优选地至少在于，超声波变幅杆中和/或砧座中设置有通孔。换而言之，超声波变幅杆和/或砧座不会是全表面的实心构件，而是例如在中间具有贯通孔。

通孔的横截面积可以远小于超声波变幅杆贴靠待焊接的部件的面积。例如，通孔的横截面积可以小于10mm²，优选地小于2mm²，但大于0.1mm²。通孔的横截面可以呈圆形或多角形或任何其他几何形状。通孔尤其是可以呈圆柱形。

通孔延伸穿过超声波变幅杆或砧座。通孔在超声波变幅杆或砧座的第一表面与超声波变幅杆或砧座的相反第二表面之间形成线性通道。

通孔在横向于超声波变幅杆或砧座邻接工作空间中所容纳的待焊接的部件的表面的方向上延伸。通孔在此通入待由超声波焊接装置焊接的第一区域的外边界之内。超声波变幅杆或砧座接触待焊接的部件之一的接触面即非连续面，而是具有邻近通孔的部分区域，在此区域处，超声波变幅杆或砧座不接触相应部件的表面。换而言之，接触面可以呈环形，即覆盖环绕的闭合面，由此围绕变幅杆未接触的部分区域。接触面的外轮廓和/或通孔的横截面可以具有任意几何形状，即，例如圆形、多角形、尤其是四角形或矩形。

本文提出的焊接设备的激光焊接装置即可配置为引导其激光器所发射的激光束穿过所述通孔到达两个待焊接的部件的第二区域上。尤其是可以借助于所谓的激光点焊(英文：laser spot welding)来进行激光焊接。第二区域位于不与超声波变幅杆或砧座直接接触的部分面之内，即位于变幅杆所接触的接触面中的上述凹口之内。借助于高能激光束，即可将两个部件在第二区域中进行局部激光焊接。尤其是可以在第二区域中完成这种激光焊接，同时超声波焊接装置在围绕第二区域的更大第一区域中进行超声波焊接。

根据特定应用配置的普遍边界条件和/或要在两个或更多个部件之间建立焊接的要求，可能有利的是，在超声波变幅杆中设置通孔，并且引导激光焊接装置的激光束穿过通孔到达面向超声波变幅杆的部件表面上。而在其他应用配置中可能有利的是，在砧座中设置通孔，进而引导激光焊接装置的激光束穿过砧座到达背离超声波变幅杆的部件表面上。在其他配置中又有利的是，在超声波变幅杆中和砧座中都设置通孔，并且借助于激光束在部件的两个相反表面上建立激光焊接。

原则上还可设想一种实施方式，其中激光焊接装置未引导激光束穿过超声波变幅杆或砧座中的通孔，而是将激光束从侧面引导到待焊接的部件上。激光束可以在待焊接的部件的平面内或指向与该平面平行或仅略微倾斜的方向。

而在上述第一种构型中，其中引导激光束穿过超声波变幅杆或砧座中的通孔，第二区域优选地完全布置在第一区域的外边界之内，在上述第二种构型中，其中将激光束从侧面引导到待焊接的部件上，第二区域也可以至少部分地布置在第一区域之外，但与之相邻。换而言之，在上述第二种构型中，第二区域和第一区域可以至少部分地重合，并且这两个区域至少相互毗邻，即，这两个区域之间的侧向距离应当最小，尤其是例如小于2mm。

根据本发明一实施方案，所述焊接设备还可以具有控制装置，用于控制超声波焊接装置和激光焊接装置的同步操作。

换而言之，所述焊接设备可以具有控制装置，借助于该控制装置，可以使其超声波焊接装置的操作和其激光焊接装置的操作适当地在时间上相互协调。为此，控制装置通常必须能够与超声波焊接装置和激光焊接装置进行通信。例如，控制装置可以控制对超声波焊接装置的供电以及对激光焊接装置的供电。

根据本发明另一具体实施方案，控制装置可以配置为通过驱控激光焊接装置来进行激光焊接而通过驱控超声波焊接装置来进行超声波焊接。

换而言之，控制装置可以驱控超声波焊接装置以在第一时间段内使超声波变幅杆进行振动，从而通过超声波在第一区域中将两个部件焊接。此外，控制装置可以驱控激光焊接装置以在第二时间段内通过发射激光束在第二区域中局部地将两个部件相互焊接。第一时间段和第二时间段应为同时或至少在时间上重合，从而在进行超声波焊接的同时也进行激光焊接。完成激光焊接的第二时间段通常比完成超声波焊接的第一时间段更短或至多等长。借此，超声波焊接例如可以在引起激光焊接之前业已开始，和/或超声波焊接可以在激光焊接结束之后短暂持续。原则上，第一时间段可以在第二时间段之前开始，并且第一时间段可以在第二时间段之前、同时或之后结束。替代地，两个时间段可以同时开始，并且第一时间段可以在第二时间段之前、同时或之后结束。作为进一步替代，第二时段可以在第一时段之前开始，并且第一时段可以在第二时段之前、同时或之后结束。第一时间段和/或第二时间段的典型持续时间在几十毫秒至几秒的范围内，例如0.05秒至1秒的范围内，优选地0.1秒至0.5秒的范围内。

借助于本文提出的焊接设备，可以通过超声波焊接和激光焊接在紧邻的第一区域和第二区域中同时进行焊接两个部件，从而能够实现下述一个或多个优点。

另外，可以在第一区域中生成如超声波焊接中典型的大面积连接区。在这个连接区之内，可以实现低内阻，这样能够达成通过超声波焊接建立的焊接连接的高质量水平，进而所获的电阻能够比仅通过激光焊接建立的焊接连接出现的电阻更低。

此外，至少在第二区域中能够实现如激光焊接中典型可达成的连接强度，该连接强度通常大于通过超声波焊接可生成的连接强度。

整个焊接过程可以在单次工序中完成。此外，整个焊接过程可以借助于单个焊接设备进行。

还可假设，超声波焊接也与激光焊接同时进行，从而可以为激光焊接创造有利的边界条件。尤可假设，在激光焊接期间通过从激光器输入到待焊接的部件中的能量短暂产生的熔体可以因超声波焊接期间同时发生的振动而匀质化。通过这种均质化，例如熔体内的局部温度梯度可以降低和/或熔体内的局部主要物理特性之间的其他差异可以减小。在随后凝固之后，这种匀质化可以对通过激光焊接生成的焊接处产生有利的影响。

还观察到，由于激光焊接与超声波焊接同时进行，许多应用情况下用于激光焊接的激光功率相比仅通过激光焊接将部件相互连接的应用情况显著降低。同时的超声波焊接似乎保证了一定量的能量输入到激光焊接处或与之相邻的材料中，从而支持激光焊接。

与之相应地，根据一实施方案，激光焊接装置可以配置为发射功率小于3kW、优选地小于1.5kW的激光来进行激光焊接。

这种相对低的激光功率尤其是与同时的超声波焊接相结合时也可足以能够焊接相当大质量的部件，即例如金属片形式的部件，而不仅仅是薄箔。常规上，为此必须使用具有例如4kW或更高激光功率的激光器。通过采用较低功率的激光器，可以降低激光器的成本及其能量消耗的成本。

同时或在时间上重合进行的超声波焊接也可以优选地以相对低的功率进行，例如以小于12kW或小于8kW的功率，优选地小于6kW或甚至小于4kW的功率。借此，这两种焊接技术(即超声波焊接和激光焊接)若以时间上重合的方式进行，则与它们在时间上分开进行的情况相比，能够以显著更低的功率运行。

根据本发明一实施方案，激光焊接装置可以配置为引导激光束倾斜于接触面到达第二区域上。

换而言之，激光焊接装置的激光可以布置且取向为使得其发射到第二区域上的激光束非垂直，而是相对于第二区域或包围第二区域的接触面以例如1°至89°、优选地30°至85°、更优选地50°至80°的倾斜角入射。

这种激光束的倾斜入射可能有利的原因在于，在激光焊接期间建立的焊接处不一定垂直于待焊接的部件的外表面而是倾斜于其外表面地延伸进入部件中，或者例如在多个待焊接薄箔的情况下延伸贯穿部件。与垂直取向的焊接处相比，这种倾斜取向的焊接处可以在作用于某些方向上的机械载荷的情况下使焊接部件具有更高的强度或更高的内聚力。尤其是，与激光束垂直入射相比，激光束倾斜入射时待焊接的部件之间的对接面可以更大。

根据本发明一实施方案，延伸穿过超声波变幅杆和/或砧座的通孔可以倾斜于接触面定向。

原则上，也可以使激光束倾斜于接触面穿过垂直于接触面延伸的通孔，前提是通孔具有足够大的横向尺寸，即例如足够大的直径。然而可能有利的是，通孔设计为具有尽量最小的横向尺寸，以便例如不会机械上过度削弱超声波变幅杆。尤其可能有利的是，通孔设计为具有大致等于待穿过的激光束的直径或仅略大于该直径的横向尺寸。为了允许激光束相对于接触面倾斜射到待焊接的部件上，因此可能有利的是，还允许通孔倾斜穿过超声波变幅杆或砧座。通孔相对于与待焊接的部件的接触面取向的角度可以大致等于上述要将激光束引导到第二区域上的角度。

替代地，通孔可以呈圆锥形或双圆锥形设计，使得倾斜于接触面的激光束可以贯穿通孔，但具有通孔的超声波变幅杆或砧座的机械稳定性却不会过度降低。

根据本发明一实施方案，超声波变幅杆和/或砧座可以在第一区域之内具有多个通孔。在此情况下，激光焊接装置可以配置为引导激光束穿过每个通孔到达两个部件的多个第二区域上，以通过激光焊接将两个部件相互补焊。

换而言之，所述焊接设备可以配置为除了通过超声波焊接对部件进行焊接之外，不仅可以额外地通过激光焊接在单个部位处连接部件，而且可以通过将激光束引导到部件的第二区域上而生成多个激光焊接处。

通过生成多个激光焊接处，可以增高所建立的焊接连接的机械强度。尤其是可以在多个彼此相邻和/或彼此间隔的第二区域上产生两个、三个、四个或更多个激光焊接处。

为此，由激光器发射的单道激光束可以先后引导到每个第二区域上，以便在此产生激光焊接处。例如，激光束可以借助于合适的光学器件逐步偏转。替代地，可以借助于合适的光学器件将单道激光束分成多道分激光束，然后可以将这些分激光束中的每一道引导到第二区域之一上，以便在此产生激光焊接处。作为进一步替代，可以采用多个激光器，这些激光器生成多道激光束并且这些激光束中的每一道可以引导到第二区域之一上。

根据一实施方案，激光焊接装置配置为发射激光束来用波长小于600nm、优选地小于500nm的激光进行激光焊接。即，在本文提出的焊接方法中，波长在上述范围内的激光可用于激光焊接。

本实施方案是基于认识到，某些部件或由某些材料制成的部件可以特别有利地用较短波长的激光来进行激光焊接。目前，通常采用具有红光或红外光波长范围内的激光、即波长通常超过700nm的激光的大功率激光器来进行激光焊接，尤其是对金属部件的激光焊接。但现已认识到，例如由例如铜或铜合金等有色金属制成的部件可以有利地用更短波的激光来进行焊接。尤其是绿色激光、即波长约为500nm至600nm的激光或甚至波长更短的蓝色激光、即波长约为400nm至500nm的激光可以为借此产生的焊接处带来积极的特性。尤其可能具有积极效果的是，在待焊接的材料中可以非常有效地吸收短波激光，进而使材料能够快速熔融。除此以外，快速熔融可以使有色金属在不蒸发的情况下熔融，这会促使该过程中产生的熔池具有高度稳定性。

一般而言，可以采用在发射激光和/或光束几何形状方面具有不同特性的激光器来进行激光焊接。例如，根据主要边界条件和要产生的激光焊接处，可以采用连续发射激光束的激光器，即所谓的CW(连续波)激光器。这种CW激光器可以通常在几十毫秒到几百毫秒内、例如在0.1秒至0.5秒内产生激光焊接处。替代地，可以采用发射脉冲激光束的激光器。可以针对特定应用选择脉冲持续时间，并且脉冲持续时间可以在微秒范围内、纳秒范围内、皮秒范围内或甚至飞秒范围内。

除了根据本发明第三方面的焊接设备之外，本文描述的焊接方法尤其是可以借助于根据本发明第一方面或第二方面实施方案的焊接设备来执行。与之相应地，关于焊接设备所述的特征也可以采取类似的方式用于所述焊接方法。

例如，在根据一实施方案的焊接方法中，待焊接的部件可以是多个金属箔。

由此假设，超声波焊接和同时激光焊接的上述组合可以获得非常积极的效果，尤其是在焊接如电池单元生产中所需的薄金属箔(例如铝箔)时。

如果目前出于此应用目采用纯激光焊接，经证实难以同时以适当的方式局部熔融多个薄金属箔。尤其是存在金属箔被激光束“击穿”而非局部熔融并借此焊接的风险。尤其是纯激光焊接对待焊接的金属箔之间存在的气隙十分敏感。此外，通过激光焊接产生的焊接处通常具有相对较差的电气特性，尤其是相对较高的电阻。

另一方面，单独采用超声波焊接来连接金属箔可以实现良好的电气连接，但在此过程中建立的机械连接往往不够充分。

利用本文提出的超声波焊接和同时进行的激光焊接的组合，可以由超声波焊接装置将金属箔相互贴压并在第一区域中相互焊接，同时可以低风险地通过激光焊接在第二区域将相贴的金属箔相互连接。这样就能在金属箔之间建立导电性极强但仍能承受高机械负载的材料配合连接。

根据替代实施方案，在所述焊接方法中，待焊接的部件可以是至少一个金属箔和至少一个金属片。

尤其是在电池单元生产中也可能出现将一个或多个薄金属箔焊接到至少一个金属片的任务设置。薄金属箔可以连接到电极，例如电池单元内部的绕组，然后必须焊接到金属片，该金属片可以用作可自外接触的端子。金属片的厚度比金属箔的厚度大很多倍。在常规的激光焊接中，这会导致金属片材料比金属箔材料更难或更慢熔融的问题。根据用于激光焊接的激光器的特性，这样可能导致金属箔损坏和/或形成不充分的焊接处。由此假设，尤其是在上述应用情况下，超声波焊接和同时激光焊接的组合可以有利又可靠地产生具有良好电气性能和良好机械性能的焊接处。

根据一实施方案，在所述焊接方法中，至少一个金属箔和/或至少一个金属片可以主要由铜制成。

尤其是金属箔和/或金属片可以完全由铜或铜合金制成。这样的含铜部件可以具有极低的串联电阻，但往往难以使用常规的焊接方法来进行加工。利用本文提出的焊接方法，例如通过采用短波激光结合同时的超声波焊接，还可以有利地将含铜部件相互焊接和/或焊接到其他金属部件。

需要指出，本文部分地结合根据本发明设计的焊接设备且部分地结合根据本发明设计的焊接方法来描述本发明实施方案的可能特征和优点。本领域技术人员将认识到，针对各个实施方案描述的特征可以采取类似的方式适当地转移到其他实施方案，可以进行调整和/或可以进行替换以达成本发明的更多实施方案和可能的协同效应。

附图说明

下面结合附图进一步阐述本发明的有利实施方案，其中附图及具体实施方式均不得解释为以任何方式限制本发明。

图1示出了根据本发明实施方案的焊接设备的高度示意图。

图2示出了根据本发明实施方案的焊接设备的超声波焊接装置的超声波变幅杆和砧座的透视图。

图3示出了根据本发明实施方案的焊接设备的超声波焊接装置的超声波变幅杆和砧座的剖视图。

图4示出了利用根据本发明实施方案的焊接方法相互焊接的箔状部件的俯视图。

图5示出了根据本发明替代实施方案的焊接设备的超声波焊接装置的超声波变幅杆和砧座的剖视图。

图6示出了利用根据本发明替代实施方案的焊接方法相互焊接的箔状部件的俯视图。

附图仅为示意性而未按比例绘制。不同附图中相同的附图标记代表相同或等同的特征。

具体实施方式

图1示出根据本发明实施方案的焊接设备1。焊接设备1包括超声波焊接装置3和激光焊接装置5。超声波焊接装置3的操作和激光焊接装置5的操作可以均由控制装置25来控制。

焊接设备1设计为在工作空间13中容纳至少两个待焊接的部件7且同时通过超声波焊接在第一区域21中并通过激光焊接在第二区域23中将这两个部件相互焊接。

另如图2具体示出，超声波焊接装置3具有布置在工作空间13的相对两侧的超声波变幅杆9和砧座11。超声波焊接装置3还具有超声波变幅杆33，其中可以产生典型频率为20kHz至50kHz的超声波振动。然后，超声波振动可以作为机械振动经由转换器31和增幅器27传递到超声波变幅杆9。借助于致动器29，可以使增幅器27和与之机械耦合的超声波变幅杆9朝向工作空间13移动。以此方式，超声波变幅杆9上的纹理化抵接面35可以压靠到待焊接的部件7之一的面向该抵接面的表面上(为了清楚起见，图2中未示出)。由此，待焊接的部件7可以夹紧在超声波变幅杆9的抵接面35与砧座11之间。

本文描述的超声波焊接装置3与常规的超声波焊接装置的区别尤其在于，在其超声波变幅杆9和/或其砧座11中设置有通孔19，可以引导激光焊接装置5中激光器15所发射的激光束17穿过该通孔19进入工作空间13并进而到达容纳于此的部件7上。

在所示的示例中，通孔19构造在超声波变幅杆9中。通孔19横向于抵接面35延伸贯穿整个变幅杆探头10。与之相应地，在所示的示例中布置在超声波变幅杆9上方的激光器15可以引导其激光束17穿过通孔19到达上方待焊接的部件7的向上表面的第二区域23上。

图3示出了超声波焊接装置3的超声波变幅杆9和砧座11的剖视图。待焊接的部件7以多个薄金属箔37的形式容纳在工作空间13中。为了清楚起见，图中仅示出四个金属箔37，但实际上可以将明显更多这样的金属箔37相互焊接。

图4示出了待焊接的部件7的俯视图。

在焊接过程中，超声波变幅杆9的纹理化抵接面35将金属箔37压靠到砧座11的相对抵接面上并进而相互抵接。超声波变幅杆9将机械超声波振动经由纹理化抵接面35引入金属箔37的堆叠中，从而通过超声波焊接将这些金属箔相互连接。

在超声波焊接期间，补充地引导激光束17穿过超声波变幅杆9中的通孔19。以此方式，在超声波焊接的同时，通过激光焊接产生连接部件7的焊接处39。

由于超声波变幅杆9中设置的通孔19，超声波变幅杆9的抵接面35并非全表面，而是在其中央具有通孔19引起的凹口。在焊接过程中，超声波变幅杆9即可以其环形抵接面35接触部件7上大面积的第一区域21并在此通过超声波焊接连接部件7。在凹口范围内，激光束17到达第二区域23并可以在此通过激光焊接产生近似点状的焊接处39。这里，第二区域23远小于第一区域21且位于第一区域21之内，即被第一区域21呈环形围绕。

图5和图6示出了超声波焊接装置3的替代设计的超声波变幅杆9的剖视图以及借此焊接的部件7的俯视图。

在此情况下，多个金属箔37以及远比金属箔37更厚的金属片43用作待焊接的部件7。金属箔37和金属片43可以由不同的材料制成。尤其是金属箔37例如可以由铝制成，而金属片43可以由铜或铜合金制成。

在本示例中，超声波变幅杆9具有多个通孔19'、19”。在所示的示例中，激光束17借助于分束器41分成多道单独的激光束17'、17”。每一道激光束17'、17”穿过通孔19'、19”之一引导到多个第二区域23之一上，以在此通过激光焊接产生多个焊接处39。

最后应当指出，诸如“具有”、“包括”等术语不排除任何其他要素或步骤，并且诸如“一”或“一种”等术语不排除复数。还应指出，已参照上述实施例之一描述的特征或步骤也可以与上述其他实施例的其他特征或步骤结合使用。权利要求中的附图标记不应视为限制。

附图标记列表

1 焊接设备

3 超声波焊接装置

5 激光焊接装置

7 待焊接的部件

9 超声波变幅杆

10 变幅杆探头

11 砧座

13 工作空间

15 激光器

17 激光束

19 通孔

21 第一区域

23 第二区域

25 控制装置

27 增幅器

29 致动器

31 转换器

33 超声波发生器

35 纹理化抵接面

37 金属箔

39 焊接处

41 分束器

43 金属片

Claims (15)

1.一种焊接设备(1)，包括：

超声波焊接装置(3)；及

激光焊接装置(5)，

其中，所述焊接设备(1)配置为借助于所述超声波焊接装置(3)通过超声波焊接将至少两个部件(7)在第一区域(21)中相互焊接，并在超声波焊接期间借助于所述激光焊接装置(5)通过激光焊接将所述两个部件(7)在第二区域(23)中相互焊接，所述第二区域(23)小于所述第一区域(21)且至少部分地布置在所述第一区域(21)的外边界之内和/或邻近所述第一区域(21)的外边界。

2.一种焊接设备(1)，尤其是根据权利要求1所述的焊接设备(1)，包括：

超声波焊接装置(3)；及

激光焊接装置(5)，

其中，所述超声波焊接装置(3)具有超声波变幅杆(9)和砧座(11)，其中，所述超声波变幅杆(9)和所述砧座(11)彼此相对间隔布置且在其之间围出工作空间(13)，在超声波焊接期间，所述工作空间(13)中布置有至少两个待焊接的部件(7)，

其中，所述激光焊接装置(5)具有激光器(15)，用于发射激光束(17)，

其中，所述超声波变幅杆(9)和/或所述砧座(11)在第一区域(21)之内具有通孔(19)，

其中，所述超声波变幅杆(9)和所述砧座(11)配置为在超声波焊接期间在所述第一区域(21)中从接触面的相对两侧接触两个部件(7)并通过超声波焊接将所述两个部件(7)相互焊接，且

其中，所述激光焊接装置(5)配置为引导所述激光束(17)穿过所述通孔(19)到达所述两个部件(7)的第二区域(23)上，以通过激光焊接将所述两个部件(7)相互补焊。

3.根据权利要求2所述的焊接设备，其中，所述焊接设备(1)还具有控制装置(25)，用于控制所述超声波焊接装置(3)和所述激光焊接装置(5)的同步操作。

4.根据权利要求3所述的焊接设备，其中，所述控制装置(25)配置为通过驱控所述激光焊接装置(5)进行激光焊接而通过驱控所述超声波焊接装置(3)进行超声波焊接。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的焊接设备，其中，所述激光焊接装置(5)配置为引导所述激光束(17)倾斜于所述接触面到达所述第二区域(23)上。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的焊接设备，其中，所述通孔(19)设置成倾斜于所述接触面。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的焊接设备，

其中，所述超声波变幅杆(9)和/或所述砧座(11)在所述第一区域(21)之内具有多个通孔(19'、19”)，且

其中，所述激光焊接装置(5)配置为引导激光束(17'、17”)穿过每个所述通孔(19'、19”)到达两个部件(7)的多个所述第二区域(23)上，以通过激光焊接将所述两个部件(7)相互补焊。

8.根据前述权利要求中任一项所述的焊接设备，其中，所述激光焊接装置(5)配置为发射所述激光束(17)以利用波长小于600nm、优选地小于500nm的激光进行激光焊接。

9.根据前述权利要求中任一项所述的焊接设备，其中，所述激光焊接装置(5)配置为发射功率小于3kW的激光来进行激光焊接。

10.一种用于焊接至少两个部件(7)的方法，其中，通过超声波焊接将所述两个部件(7)在第一区域(21)中相互焊接，并在超声波焊接期间通过激光焊接将所述两个部件(7)在第二区域(23)中相互焊接，所述第二区域(23)小于所述第一区域(21)且布置在所述第一区域(21)的外边界之内。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，待焊接的所述部件(7)为多个金属箔(37)。

12.根据权利要求10和11中任一项所述的方法，其中，待焊接的所述部件(7)为至少一个金属箔(37)和至少一个金属片(43)。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中，所述至少一个金属箔(37)和/或所述至少一个金属片(43)主要由铜制成。

14.根据权利要求12和13中任一项所述的方法，其中，采用波长小于600nm、优选地小于500nm的激光来进行激光焊接。

15.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，其中，所述方法通过根据权利要求1至9中任一项所述的焊接设备(1)来执行。

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