CN115427182A - 包括可旋转砧座的超声波焊接设备及使用其的焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波焊接设备，包括：焊头单元，焊头单元包括焊头(Horn)和振子，焊头配置为在与待焊接对象接触的状态下振动，振子配置为对焊头施加振动；砧座单元，砧座单元包括砧座(Anvil)和支撑部，砧座具有其上放置待焊接对象的上部平坦表面，支撑部配置为以砧座能够旋转的状态支撑砧座；以及焊接主体，焊接主体配置为使焊头单元和砧座单元固定至焊接主体，其中砧座在由支撑部支撑的状态下旋转，使得砧座的上部平坦表面与焊头的焊接表面平行，从而可容易实现焊头与砧座之间的平行，并且可提高焊接质量。

Description

包括可旋转砧座的超声波焊接设备及使用其的焊接方法

技术领域

本申请要求于2020年10月22日提交的韩国专利申请第2020-0137617号的优先权的权益，通过引用将上述专利申请的整个公开内容结合在此。

本发明涉及一种包括可旋转砧座的超声波焊接设备。更具体地，本发明涉及一种包括这样的砧座的超声波焊接设备及使用其的焊接方法，该砧座能够旋转，以实现用于超声波焊接的焊头的焊接表面与砧座的上表面之间的平行，从而防止它们之间的平行度偏差。

背景技术

对作为移动装置、电动车辆等的能源的二次电池的需求急速增加。特别是，对具有高能量密度和高放电电压的锂二次电池的需求较高。

锂二次电池基于其壳体的材料可分为由金属材料制成的圆柱形二次电池、由金属材料制成的棱柱形二次电池、或由层压片制成的袋形二次电池。袋形二次电池的优点在于，袋形二次电池以高度集成堆叠而具有较高的每单位重量的能量密度，以低成本制造并且易于变形。因此，袋形二次电池被用在各种装置中。

通过将电极组件和电解质溶液容纳在壳体中并且将壳体的外周热熔合以气密地密封壳体来制造袋形二次电池，电极组件的电极引线从壳体的外周向外暴露以便用作电极端子。

电极引线可通过焊接结合至由彼此结合的多个电极接片构成的电极接片束。当使用电阻焊接或激光焊接时，过多的能量被施加到电极组件，从而会劣化锂二次电池的性能。由于该原因，近年来主要使用受到关注并且应用增加的环境友好的超声波焊接。

超声波焊接设备可包括超声波振荡器、超声波振子、增幅器、焊头和砧座。超声波振荡器将60Hz的AC电流转换为20kHz或更高的高频电流并且将高频电流提供给超声波振子。超声波振子将由超声波振荡器产生的高频电流转换为超声波。转换的超声波移动到增幅器，增幅器对接收到的超声波进行放大并且将放大的超声波传输到焊头。

焊头以预定载荷按压被放置在砧座的上表面上的电极接片和电极引线的表面，同时，将从增幅器接收到的放大的超声波施加到电极接片和电极引线，以将电极接片和电极引线彼此焊接。

使用超声波焊接设备时，确保高焊接质量的条件是实现焊头与砧座之间的平行。通常，砧座被固定到主体，从而在设置时不会发生错位。然而，焊头连接到圆柱形的增幅器。结果，在用裸眼检查焊头的水平设置并且使用螺栓固定焊头的过程中，焊头稍微偏离适当位置。

与此相关，图1示出了使用常规的超声波焊接设备的焊接工序。

参照图1，在焊头10稍微错位X度的情况下，未实现焊头10与砧座20之间的平行。因此，在焊头10的与待焊接对象30接触的表面相对于待焊接对象错位X度的状态下执行焊接。结果，仅在部分(b)处满意地执行焊接，并且形成未焊接部分(a)和过焊接部分(c)。

当如上所述焊头与砧座之间的平行度发生偏差时，焊头与砧座之间的紧密接触程度改变，从而对待焊接对象的紧密接触压力改变，这导致焊接部分之间的温度差异。结果，如上所述，焊接强度出现差异。

此外，在焊头错位的状态下执行焊接的情况下，形成在焊头上的突起被不均匀地磨损，从而缩短了焊头的寿命。焊头的短更换周期降低了生产线的利用率。

为了解决这一问题，专利文献1公开了一种焊头平行度设定设备，其能够在确定焊头与砧座之间的平行度发生偏差时使用设定块校正焊头的角度，以使得焊头与砧座平行。

专利文献1的焊头平行度设定设备包括配置为执行焊头平行度设定的焊头平行度设定块、设定块测量单元和焊头角度校正单元。结果，焊接设备的结构复杂，并且需要确保提供这种设施所需的空间和成本。

专利文献2涉及一种配置为调平构成超声波焊接设备的焊头和砧座的水平调节夹具，公开了一种将焊头和砧座插入夹具框架中并且调节焊头的水平度和砧座的水平度的方法。

在专利文献2中，为了调平焊头和砧座，需要执行手动紧固螺栓的操作，因此难以进行精确控制。

因此，高度需要一种能够容易实现超声波焊接设备的焊头与砧座之间的平行以确保超声波焊接质量的技术。

韩国授权专利公开第2072853号(2020.01.28)(“专利文献1”)

韩国授权专利公开第1773644号(2017.08.25)(“专利文献2”)

发明内容

技术问题

鉴于上述问题而做出了本发明，本发明的目的是提供一种超声波焊接设备及使用其的焊接方法，该超声波焊接设备包括能够容易实现超声波焊接设备的焊头与砧座之间的平行的可旋转砧座，从而可确保优异的焊接质量。

技术方案

为了实现上述目的，根据本发明的超声波焊接设备包括：焊头单元，所述焊头单元包括焊头(Horn)和振子，所述焊头配置为在与待焊接对象接触的状态下振动，所述振子配置为对所述焊头施加振动；砧座单元，所述砧座单元包括砧座(Anvil)和支撑部，所述砧座具有其上放置所述待焊接对象的上部平坦表面，所述支撑部配置为以所述砧座能够旋转的状态支撑所述砧座；以及焊接主体，所述焊接主体配置为使所述焊头单元和所述砧座单元固定至所述焊接主体，其中所述砧座在由所述支撑部支撑的状态下旋转，使得所述砧座的所述上部平坦表面与所述焊头的焊接表面平行。

所述砧座可形成为以下任意一种的形状：具有与下表面垂直的切割面的圆柱体或椭圆柱体；和具有切割面的球体，所述切割面可成为所述上部平坦表面，所述支撑部可形成为在其中形成有内部空间的容器的形状，所述内部空间配置为以所述圆柱体、所述椭圆柱体或所述球体的弯曲表面能够旋转的状态容纳所述圆柱体、所述椭圆柱体或所述球体的弯曲表面，并且所述砧座可设置为使得在所述砧座停止的初始状态下所述上部平坦表面从所述支撑部向外突出。

所述支撑部与所述砧座的接触表面可被添加有润滑剂或轴承。

所述支撑部可固定至所述焊接主体。

在除所述砧座的所述上部平坦表面之外的所述砧座的外表面的至少一部分中可形成有凹部或通孔。

所述砧座可具有通过与所述圆柱体的下表面垂直地将所述圆柱体切割，使得少于50％的圆柱体保留下来而形成的平坦切割面，所述切割面可成为所述上部平坦表面，所述支撑部可形成为在其中形成有内部空间的容器的形状，所述内部空间配置为以所述圆柱体的弯曲表面能够旋转的状态容纳所述圆柱体的弯曲表面，并且被切割的所述圆柱体旋转所围绕的中心轴可与所述焊头的中心轴一致。

所述砧座可具有其中设置在所述砧座的上部的切割面成为所述上部平坦表面的三维结构，并且所述支撑部可配置为具有其中所述支撑部的固定轴延伸穿过所述砧座以将所述砧座固定至所述焊接主体的结构。

所述固定轴可与所述上部平坦表面平行，或者可与所述砧座的旋转表面的一部分平行。

在所述焊头和所述砧座的彼此抵接的表面中的至少一个表面上可形成有突起。

此外，本发明提供了一种使用所述超声波焊接设备的焊接方法。

具体地，所述焊接方法可包括以下步骤：(S1)将待焊接对象设置在所述砧座的所述上部平坦表面上；(S2)将所述焊头的所述焊接表面设置在所述待焊接对象的上表面上；(S3)旋转所述砧座，以将所述砧座对准为使得所述上部平坦表面与所述焊头的所述焊接表面平行；以及(S4)施加超声波以执行焊接。

可在所述砧座的旋转停止之后施加超声波以执行焊接。

此外，本发明可提供上述解决手段的所有可能组合。

有益效果

通过上面的描述显见的是，在使用根据本发明的超声波焊接设备的情况下，砧座可基于焊头的焊接表面的角度旋转，从而可简单地通过焊头与砧座之间的紧密接触容易实现焊头与砧座之间的平行度。

此外，在砧座的旋转表面上产生的摩擦力被最小化，从而可快速且精确地实现焊头与砧座之间的平行。

此外，即使砧座是可旋转的，砧座也经由支撑部固定至焊接主体，从而可防止砧座在焊头的振动方向上移动。

此外，砧座的上部平坦表面比支撑部的上端部更加突出。因此，即使在安装到支撑部的砧座旋转的状态下，砧座的上部平坦表面也保持为比支撑部更加突出，从而可确保焊接所需的区域。

由于在如上所述容易实现焊头与砧座之间的平行的状态下执行超声波焊接，所以可防止形成在焊头上的突起被不均匀地磨损并且延长焊头的寿命，从而可防止生产线的利用率降低。

附图说明

图1是示出使用常规的超声波焊接设备的焊接工序的示图。

图2是根据本发明的超声波焊接设备的透视图。

图3是根据第一实施方式的砧座单元的分解透视图。

图4是图3的砧座单元的垂直剖面图。

图5是根据第二实施方式的砧座单元的透视图。

图6是根据第三实施方式的砧座的正视图。

图7是根据第四实施方式的超声波焊接设备的透视图。

图8是根据第五实施方式的砧座单元的正视图。

图9是示出砧座的各种形状的透视图。

具体实施方式

现在，将参照附图详细描述本发明的优选实施方式，使得本发明所属领域的普通技术人员能够容易实施本发明的优选实施方式。然而，在详细描述本发明的优选实施方式的工作原理中，当本文中并入的已知功能和构造的详细描述可能会使本发明的主旨模糊不清时，则将省去该详细描述。

此外，整个附图中将使用相同的参考标记来表示执行相似功能或操作的部件。在整个申请中一个部件被称为连接至另一个部件的情况下，该一个部件不仅可直接连接至该另一个部件，而且该一个部件还可经由另外的部件间接连接至该另一个部件。此外，包括某一要素并不意指排除其他要素，而是指可进一步包括其他要素，除非另有说明。

此外，除非特别限制，否则通过限制或添加来具体化要素的描述可应用于所有发明，并且不限制具体发明。

此外，在本发明的说明书和本申请的权利要求书中，除非另外提及，否则单数形式旨在包括复数形式。

此外，在本发明的说明书和本申请的权利要求书中，除非另外提及，否则“或”包括“和”。因此，“包括A或B”是指三种情况，即，包括A的情况、包括B的情况、以及包括A和B的情况。

此外，除非上下文另有明确指示，否则所有数值范围包括最低值、最高值以及它们之间的所有中间值。

将参照附图详细描述本发明的实施方式。

图2是根据本发明的超声波焊接设备的透视图。

参照图2，根据本发明的超声波焊接设备包括：焊头单元100，焊头单元100包括为焊头110和振子120，焊头110配置为在与待焊接对象接触的状态下振动，振子120配置为对焊头110施加振动；砧座单元200，砧座单元200包括砧座210和支撑部220，砧座210具有其上放置待焊接对象的上部平坦表面，支撑部220配置为以砧座能够旋转的状态支撑砧座；以及焊接主体300，焊接主体300配置为使焊头单元100和砧座单元200固定至焊接主体300，其中砧座210在由支撑部220支撑的状态下旋转，使得砧座的上部平坦表面与焊头110的焊接表面111平行。

通常，在将焊头110安装至焊头保持件130之后且在施加超声波之前，需要对准焊头110的工序，以使得焊头110的焊接表面111与砧座210的上部平坦表面彼此平行。

常规地，在对准焊头110的工序中，视觉检查并固定焊头的方向，确定焊接结果的焊接状态，并且重新对准焊头110。因此，即使焊头110的焊接表面111与砧座210的上部平坦表面之间的平行度发生微小偏差，也存在难以预先调节微小的平行度偏差的问题。

然而，在本发明中，使用可旋转的砧座210。因此，即使焊头的焊接表面111设置为未与待焊接对象的上表面平行，其上放置待焊接对象的砧座210也能够旋转而与焊头110的焊接表面111平行。

由于焊头110通过超声波振动而在x轴方向上振动，所以砧座210必须固定在支撑部220中的适当位置。

此外，支撑部220固定至焊接主体300，从而防止砧座210在x轴方向上移动。

图3是根据第一实施方式的砧座单元的分解透视图。

参照图3，砧座210配置为具有通过与圆柱体的圆形下表面垂直地将圆柱体切割而形成的切割面，其中该切割面成为砧座210的上部平坦表面211。支撑部220配置为具有设置有内部空间222的结构，内部空间222配置为以砧座210能够旋转的状态容纳砧座210。图3的支撑部220配置为具有其中两个可分离构件彼此结合的结构。

在砧座210的上部平坦表面211上形成有突起。当焊头在振动的同时对待焊接对象的上表面摩擦并且砧座对待焊接对象的下表面摩擦时，可通过突起进一步提高可焊接性。

可在焊头的焊接表面上形成突起。形成在焊头的焊接表面上的突起的尺寸与形成在砧座的上部平坦表面上的突起的尺寸可彼此相等，或者可彼此不同。

图4是图3的砧座单元的垂直剖面图。

参照图4，虽然为便于理解，图4示出了在砧座210与支撑部220之间形成空间的状态，但是可以理解的是，在砧座210与支撑部220之间实际上几乎没有空间，使得砧座不能在支撑部中移动。此外，支撑部220与砧座210的整个接触表面可被添加润滑剂或轴承，因此，当砧座沿箭头所示方向旋转时，在它们之间几乎不存在摩擦力。

图4的砧座210具有半圆形侧表面，其中线(a)、线(b)和线(c)的长度彼此相等。或者，在线(a)和线(c)的长度彼此相等的范围内，线(a)和线(c)的长度可小于或大于线(b)的长度，使得砧座的侧表面为椭圆形。

然而，在砧座与焊头的焊接表面平行并停止的初始状态下，无论砧座的侧表面的形状如何，支撑部的上端部230都不能比砧座的上部平坦表面211更加突出。

因此，即使安装在支撑部220的内部空间222中的砧座沿箭头所示方向旋转，优选地，砧座的上部平坦表面211比支撑部的上端部230更加突出。

图5是根据第二实施方式的砧座单元的透视图。

参照图5，砧座单元包括：具有通过切割球体而获得的形状的砧座310；和在其中形成有内部空间的支撑部320，内部空间具有与球体的外表面对应的尺寸。

砧座310的上部平坦表面311形成为比支撑部320的上端部330更加突出。

砧座310和支撑部320具有对应的尺寸并且在它们之间没有空间，在砧座310与支撑部320之间添加润滑剂，从而砧座310能够在支撑部320中旋转。优选地，即使砧座旋转，砧座的上部平坦表面311也比支撑部的上端部330更加突出。

图6是根据第三实施方式的砧座的正视图。

参照图6，砧座410配置为具有通过与圆柱体的下表面垂直地将圆柱体切割，使得少于50％的圆柱体保留下来而形成的平坦切割面，其中该切割面成为砧座的上部平坦表面。具有被切割的圆柱体形状的砧座410旋转所围绕的中心轴401与焊头110的中心轴一致。

在这种结构中，砧座410的旋转角度可保持在0至360度的整个范围内，从而实现砧座和焊头的焊接表面之间的平行。

图7是根据第四实施方式的超声波焊接设备的透视图。

参照图7，砧座510具有其中设置在砧座的上部的切割面成为砧座的上部平坦表面511的三维结构，并且支撑部520配置为具有其中支撑部的固定轴延伸穿过砧座510以将砧座510固定至焊接主体300的结构。

由于砧座510通过支撑部520的固定轴牢固地固定至焊接主体300，所以即使当焊头110振动时也可保持砧座的固定状态。

图8是根据第五实施方式的超声波焊接设备的正视图。

参照图8，砧座610配置为具有通过与圆柱体的圆形侧表面垂直地将圆柱体切割而形成的半圆柱体，并且砧座610的支撑部620配置为具有其中固定轴在厚度方向(图9的T)上延伸穿过砧座610以将砧座610固定至焊接主体的结构，其中固定轴与砧座610的半圆柱体的弯曲表面，即，旋转表面618的一部分平行。

图8的(b)示出了图8的(a)中示出的砧座610绕作为固定轴的支撑部620沿逆时针方向旋转的状态，图8的(c)示出了砧座610绕作为固定轴的支撑部620沿顺时针方向旋转的状态。

图9是示出砧座的各种形状的透视图。

参照图9，图9的(a)至(d)示出了具有切割面的三维形状，其中，这些切割面成为其上设置待焊接对象的上部平坦表面711a、711b、711c和711d。

具体地，图9的(a)示出了四棱锥形状，图9的(b)示出了通过沿着与椭圆柱体的一个椭圆表面的长轴平行的线将椭圆柱体切割而形成的形状，图9的(c)示出了通过沿着与椭圆柱体的一个椭圆表面的短轴平行的线将椭圆柱体切割而形成的形状。除在厚度方向T上穿过砧座形成有通孔250之外，图9的(d)的外形与图9的(b)的外形相同。在图9的(d)的另一实施方式中，砧座的内部如图9的(a)至(c)中所示那样被填充并且在砧座的外表面上形成有凹部，这包括在本发明的范畴内。

图9的(a)中所示的砧座可应用于支撑部配置为具有其中支撑部的固定轴与砧座的上部平坦表面平行的结构的情况，图9的(b)至(d)中示出的每个砧座可应用于支撑部配置为具有其中支撑部的固定轴与砧座的上部平坦表面平行的结构的情况、支撑部的固定轴与砧座的旋转表面的一部分平行的情况、或者在支撑部中形成有内部空间的情况。

根据本发明的焊接方法包括以下步骤：(S1)将待焊接对象设置在砧座的上部平坦表面上；(S2)将焊头的焊接表面设置在待焊接对象的上表面上；(S3)旋转砧座，以将砧座对准为使得砧座的上部平坦表面与焊头的焊接表面平行；以及(S4)施加超声波以执行焊接。

具体地，将待焊接对象设置在砧座的上部平坦表面上，将焊头的焊接表面设置在待焊接对象上，并且在朝向砧座的上部平坦表面的方向上推动焊头。结果，砧座旋转，使得砧座的整个上部平坦表面与焊头的整个焊接表面彼此紧密接触。当由于砧座的旋转而以待焊接对象为基准实现了砧座的上部平坦表面与焊头的焊接表面之间的平行时，砧座的旋转停止。在这种状态下，施加超声波以执行焊接。

本发明所属领域的技术人员将理解到，基于上面的描述，在本发明的范畴内各种应用和修改是可能的。

(参考标号说明)

100：焊头单元

10、110：焊头

111：焊接表面

120：振子

130：焊头保持件

30：待焊接对象

20、200：砧座单元

210、310、410、510、610：砧座

211、311、511、711a、711b、711c、711d：上部平坦表面

220、320、520、620：支撑部

222：内部空间

230、330：支撑部的上端部

250：通孔

300：焊接主体

401：中心轴

618：旋转表面

T：厚度方向。

工业实用性

本发明涉及一种包括这样的砧座的超声波焊接设备及使用其的焊接方法，该砧座能够旋转，以实现用于超声波焊接的焊头的焊接表面与砧座的上表面之间的平行，从而防止它们之间的平行度偏差，因此本发明具有工业实用性。

Claims (11)

1.一种超声波焊接设备，包括：

焊头单元，所述焊头单元包括焊头(Horn)和振子，所述焊头配置为在与待焊接对象接触的状态下振动，所述振子配置为对所述焊头施加振动；

砧座单元，所述砧座单元包括砧座(Anvil)和支撑部，所述砧座具有其上放置所述待焊接对象的上部平坦表面，所述支撑部配置为以所述砧座能够旋转的状态支撑所述砧座；以及

焊接主体，所述焊接主体配置为使所述焊头单元和所述砧座单元固定至所述焊接主体，

其中所述砧座在由所述支撑部支撑的状态下旋转，使得所述砧座的所述上部平坦表面与所述焊头的焊接表面平行。

2.根据权利要求1所述的超声波焊接设备，其中

所述砧座形成为以下任意一种的形状：具有与下表面垂直的切割面的圆柱体或椭圆柱体；和具有切割面的球体，

所述切割面成为所述上部平坦表面，

所述支撑部形成为在其中形成有内部空间的容器的形状，所述内部空间配置为以所述圆柱体、所述椭圆柱体或所述球体的弯曲表面能够旋转的状态容纳所述圆柱体、所述椭圆柱体或所述球体的弯曲表面，并且

所述砧座设置为使得在所述砧座停止的初始状态下所述上部平坦表面从所述支撑部向外突出。

3.根据权利要求2所述的超声波焊接设备，其中所述支撑部与所述砧座的接触表面被添加有润滑剂或轴承。

4.根据权利要求2所述的超声波焊接设备，其中所述支撑部固定至所述焊接主体。

5.根据权利要求2所述的超声波焊接设备，其中在除所述砧座的所述上部平坦表面之外的所述砧座的外表面的至少一部分中形成有凹部或通孔。

6.根据权利要求2所述的超声波焊接设备，其中

所述砧座具有通过与所述圆柱体的下表面垂直地将所述圆柱体切割，使得少于50％的圆柱体保留下来而形成的平坦切割面，

所述切割面成为所述上部平坦表面，

所述支撑部形成为在其中形成有内部空间的容器的形状，所述内部空间配置为以所述圆柱体的弯曲表面能够旋转的状态容纳所述圆柱体的弯曲表面，并且

被切割的所述圆柱体旋转所围绕的中心轴与所述焊头的中心轴一致。

7.根据权利要求1所述的超声波焊接设备，其中

所述砧座具有其中设置在所述砧座的上部的切割面成为所述上部平坦表面的三维结构，并且

所述支撑部配置为具有其中所述支撑部的固定轴延伸穿过所述砧座以将所述砧座固定至所述焊接主体的结构。

8.根据权利要求7所述的超声波焊接设备，其中所述固定轴与所述上部平坦表面平行，或者与所述砧座的旋转表面的一部分平行。

9.根据权利要求1所述的超声波焊接设备，其中在所述焊头和所述砧座的彼此抵接的表面中的至少一个表面上形成有突起。

10.一种使用根据权利要求1至9中任一项所述的超声波焊接设备的焊接方法，所述焊接方法包括以下步骤：

(S1)将待焊接对象设置在所述砧座的所述上部平坦表面上；

(S2)将所述焊头的所述焊接表面设置在所述待焊接对象的上表面上；

(S3)旋转所述砧座，以将所述砧座对准为使得所述上部平坦表面与所述焊头的所述焊接表面平行；以及

(S4)施加超声波以执行焊接。

11.根据权利要求10所述的焊接方法，其中在所述砧座的旋转停止之后施加超声波以执行焊接。

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