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CN110650816B - 用于焊接棒状电导体的装置和用于这种装置的超声波焊极 - Google Patents

用于焊接棒状电导体的装置和用于这种装置的超声波焊极 Download PDF

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CN110650816B CN201880031792.5A CN201880031792A CN110650816B CN 110650816 B CN110650816 B CN 110650816B CN 201880031792 A CN201880031792 A CN 201880031792A CN 110650816 B CN110650816 B CN 110650816B
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Abstract

本发明涉及一种用于焊接棒状电导体(28、29)的装置以及一种用于这种装置的超声波焊极(16)，该超声波焊极(16)包括：压缩空间，其用于接收待连接的导体(28、29)的两个连接区域(26、27)，所述连接区域(26、27)沿第一轴向方向(x轴)延伸，压缩空间(18)在第二轴向方向(z轴)上在两个相对侧处由传递超声波振动的超声波焊极(16)的工作表面(19)以及砧座(21)的配合面(20)所限定，并且在第三轴向方向(y轴)上在两个相对侧上由在第二轴向方向(z轴)上可移位的滑动元件的边界表面以及边界元件的边界表面所限定。在特殊接触区(50)中，工作表面(19)的表面构造不同于由其余的工作表面(19)形成的接触区(30)，其中，特殊接触区(50)是超声波焊极(16)的工作表面(19)的一部分，并且特殊接触区(50)用于使至少一个连接区域(26、27)经受超声波振动。

Description

用于焊接棒状电导体的装置和用于这种装置的超声波焊极
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于焊接棒状电导体的装置。此外，本发明涉及一种根据权利要求18的前序部分的一种特别适用于这种装置的超声波焊极(sonotrode)。
背景技术
从前述类型的装置具有压缩空间，该压缩空间用于在导体的连接区域之间产生超声波焊接，在实践中，使用一个或多个相同的装置来连接其连接区域的直径可能相差很大的电导体。基本上不管它们的连接区域的直径如何，都以相同的方式处理所有导体，所述处理包括将连接区域放置在开放的压缩空间中，并且在压缩空间闭合之后，超声波焊极的工作表面和彼此叠置的两个导体的至少底部连接区域之间的接触面积根据连接区域的直径而形成。
为了将超声波振动从超声波焊极传递到连接区域，在工作表面上提供轮廓成型的表面构造，其中轮廓凸起在工作表面上垂直于超声波焊极的纵向轴线而延伸。当导体的连接区域的直径非常小时，特别地，发现轮廓凸起可能会导致连接区域上的机械应力过大，这在成品焊接中非常明显，因为理想的焊接强度还没达到。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种用于焊接棒状电导体的装置和一种在该方法中使用的超声波焊极，其使得即使在小直径和最小直径的连接区域之间也可以产生高焊接强度的超声波焊接。
为了实现所述目的，根据本发明的装置具有权利要求1的特征，并且根据本发明的超声波焊极具有权利要求18的特征。
在特殊接触区中，该特殊接触区是超声波焊极的工作表面的一部分，并且用于使至少一个连接区域经受超声波振动，根据本发明的装置的超声波焊极的工作表面的表面构造不同于其余的工作表面形成的接触区。
根据本发明的装置和根据本发明的超声波焊极允许使用一个和相同的装置以及一个且相同的超声波焊极在具有中等和较大焊丝直径的电导体之间以及具有较小和最小焊丝直径的电导体之间产生超声波焊接。
根据本发明，提供了具有不同构造的工作表面，即将工作表面划分为设计成与中等焊丝直径和较大焊丝直径接触的接触区和设计成与较小和最小焊丝直径接触的特殊接触区，通过使用一个且相同的装置以及一个和相同的超声波焊极，可以实现不同焊丝直径的理想的超声波处理。
结果，特殊接触区可以在较小焊接连接器中完全有效，并且可以避免由轮廓凸起引起的焊丝或导体损坏，而具有直径较大的焊丝的导体基本上与工作表面接触区中的“法向(normal)”轮廓接触，从而可以传递更大的力。
因此，最小和较小的导体横截面可以在特殊接触区中经受工作表面的“更平顺”的轮廓，而较大导体横截面可以在接触区中经受“锐利”的轮廓，以便无论导体横截面如何，均可以实现理想的焊接强度。
优选地，特殊接触区被设置为相邻于边界元件，使得当压缩空间闭合时，即，滑动元件在y轴的方向上移位于抵靠边界元件的边界表面，直到设置在其之间的导体的连接区域允许连接区域根据需要设置在特殊接触区中。
如果特殊接触区形成在平行于边界元件的超声波焊接极的工作表面的工作表面边缘上，则尤其如此。
优选地，接触区具有包括沿第三轴向方向延伸的轮廓凸起的表面构造，并且这些轮廓凸起中的至少一些在特殊接触区的区域中具有特殊轮廓横截面，所述特殊轮廓横截面不同于接触区中的轮廓横截面。
如果特殊轮廓横截面与轮廓横截面相比具有减小的轮廓高度，则可以特别简单地实现特殊接触区。
优选地，减小的轮廓高度由轮廓横截面的轮廓峰的平坦部或圆形部形成，从而允许在产生超声波焊极的工作表面之后通过部分去除材料来形成特殊接触区，特别是在平坦部的情况下。
至少在沿第一轴向方向延伸的中间部中，特殊接触区优选地具有相对于平行于第三轴向方向延伸的对称轴线而对称的特殊接触部，在特别容易产生的特殊接触区的实施例中，特殊接触区在其整个长度上对称。
如果对称轴线由工作表面的中心线形成，对称地设置在工作表面中的接触区则成为可能，所述中心线平行于第三轴向方向延伸，这种实施方式特别适合于在两个导体之间产生连续的连接，其中待连接的导体的连接区域在中心线上沿相反方向上延伸，同时彼此重叠。
试验表明，当在对称轴线的区域中形成的至少一个轮廓凸起在工作表面的整个宽度上延伸并且优选地是恒定时，即，当恒定的轮廓凸起将特殊接触区沿超声波焊接极的纵向方向(即x轴方向)分为两个子区时，它对可达到的焊接质量具有特别积极的影响，尤其是在相反方向延伸的重叠导体。
如果特殊接触区在第一轴向方向上仅在接触区的长度的一部分上延伸，则也是特别有利的。
如果特殊接触区相对于工作表面的中心线不对称地布置，所述中心线平行于第三轴向方向延伸，则该装置特别适合于在同一方向上延伸的两个导体的重叠连接区域之间产生焊接。
如果额外地将特殊接触区设置成朝向于工作表面端，则用于形成特殊接触区的接触区的一部分的构造可以被限制为小的外围工作表面区域，从而超声波焊接的“放置侧”，即，超声波焊极工作表面的一侧(在其上待连接的导体的连接区域放置在压缩空间中)，则可以同时被限定。
优选地，特殊接触区在第三轴向方向上的宽度小于2mm。
特别优选地，特殊接触区在第三轴向方向上的宽度小于1.5mm。在特殊情况下，即，特别是当特别小的焊丝直径彼此连接时，发现特殊接触区在第三轴向方向上的宽度小于1mm是有利的。
为了实现本发明的目的，根据本发明的超声波焊极具有工作表面，该工作表面在特殊接触区中具有的表面构造不同于由其余的工作表面形成的接触区，其中，特殊接触区中是工作表面的一部分，并且用于使电导体的至少一个连接区域经受超声波振动。
优选地，特殊接触区在超声波焊极的纵向轴线的方向上延伸。
特别优选地，特殊接触区形成在超声波焊极的工作表面边缘上。
如果接触区的表面构造包含轮廓凸起，其中这些轮廓凸起垂直于超声波焊极的纵向方向延伸并且具有特殊轮廓横截面，在特殊接触区的区域中的特殊轮廓横截面不同于接触区的轮廓横截面，则可以以特别简单的方式构造特殊接触区。
特别优选地，相比于轮廓横截面，特殊轮廓横截面具有减小的轮廓高度。
此外，减小的轮廓高度优选地由轮廓横截面的轮廓峰的平坦部或圆形部所形成。
优选地，特殊接触区具有特殊接触部，该特殊接触部相对于对称轴线对称，对称轴线至少在沿纵向轴线的方向延伸的中间部中平行于横向轴线延伸。
在特别优选的实施例中，特殊接触区在其整个长度上是对称的。
如果对称轴线是由工作表面的中心线形成的，该中心线平行于横向轴线延伸，则超声波焊极特别适合在沿相反方向延伸的导体的连接区域之间产生连接。
优选地，在对称轴线的区域中形成的至少一个轮廓凸起在工作表面的宽度上延伸，其中轮廓凸起最好是恒定的。
如果特殊接触区仅在接触区的一部分长度上沿纵向轴线的方向延伸，则特殊接触区的形成可以限定于当使连接区域重叠时实际形成的导体的重叠的区域。
特别地，当要在沿相同方向延伸的两个导体的连接区域之间产生连接时，有利的是，特殊接触区相对于工作表面的中心线不对称地设置，其中所述中心线平行于横向轴线延伸。
优选地，在这种情况下，特殊接触区设置为朝向于工作表面端。
在超声波焊接极的优选实施例中，特殊接触区在横向轴线的方向上的宽度小于2mm。
特别有利地，特殊接触区在横向轴线的方向上的宽度小于1.5mm。此外，在导体具有特别小的直径的情况下，有利的是，特殊接触区在横向轴线的方向上的宽度小于1mm。
附图说明
在下文中，基于附图对装置和超声波焊极的优选实施例进行更详细的描述。
图1示出了超声波焊接装置的打开的压缩空间的前视图，其中导体的两个堆叠的连接区域待焊接在一起；
图2示出了图1所示的压缩空间的闭合的结构；
图3示出了超声波焊极的等距图，其中两个连接区域设置在特殊接触区中用于产生直线接合；
图4示出了超声波焊极的等距图，其中两个连接区域设置在特殊接触区中用于产生端接合；
图5示出了图3所示的超声波焊极的工作表面的放大图，其中在工作表面边缘上形成了特殊接触区的第一实施例；
图6示出了图3所示的超声波焊极的工作表面的放大图，其中在工作表面边缘上形成了特殊接触区的第二实施例；
图7示出了图3所示的超声波焊极的工作表面的放大图，其中在工作表面边缘上形成了特殊接触区的第三实施例；
图8是示出了根据图4中VIII-VIII线的剖视图中如图6所示的特殊接触区上的连接区域的布置的示意图。
具体实施方式
图1和2显示了压缩空间18的必要元件，其横截面(即高度和宽度)是可调节的，并且其用于接收沿第一轴向方向(x轴)延伸的导体28、29的连接区域26、27。在第二轴向方向(z轴)上，压缩空间18在两个相对的侧面上由传递超声波振动的超声波焊极16的工作表面19和可沿第三轴向方向(y轴)移位的砧座21的配合面20所限定。在第三轴向方向(y轴)上，压缩空间18在两个相对侧上由可沿y轴的方向移位的滑动元件23的边界表面22和可沿z轴的方向移位的边界元件25(例如砧座21)的边界表面24所限定。
在图1所示的压缩空间18的示例性实施例中，待通过超声波焊极16连接的导体28、29的两个连接区域26、27位于超声波焊极16的工作表面19上，连接区域26、27彼此堆叠，图1示出了紧接着将连接区域26、27放置在打开的压缩空间18中之后的状态。
图2示出了处于闭合构造的压缩空间18，其中限定压缩空间18的部件，即超声波焊极16、砧座21、滑动元件23和边界元件25已经移位成彼此抵接，使得现在体积减小的压缩空间18形成模具40，当导体28、29的连接区域26、27在摩擦焊接过程中经受超声波焊极16的机械振动时，模具40允许连接区域26、27被压缩并彼此连接以形成焊接接合。
从图1和图2可以看出，工作表面19具有接触区30和特殊接触区31。在目前情况下，导体28、29的连接区域26、27的横截面是如此之小，以至于底部导体28的连接区域26仅与工作表面19的特殊接触区31接触。一旦压缩空间18已经进入图2所示的闭合构造，并且超声波焊极16已经被激活以产生超声波振动，则所述超声波振动因此仅被传递至特殊接触区31的区域中的连接区域26。
如通过连接区域32、33的点划线所阐明的，其中该连接区域32、33具有比连接区域26、27大得多的横截面，具有较大横截面的连接区域32、33的主要部分将与工作表面19的接触区30接触，而只有较小的一部分将与特殊接触区31接触。
从图3至图7的图示中可以看出，工作表面19具有轮廓成型的表面构造，其包括轮廓凸起34，该轮廓凸起34横跨工作表面19而垂直于超声波焊接极16的纵向轴线L延伸。在沿着工作表面边缘35形成的特殊接触区31、50、51、52中，至少一些轮廓凸起34设有特殊轮廓横截面36，该特殊轮廓横截面36在接触区30的区域中不同于轮廓凸起34的轮廓横截面37。
在图3至7所示的示例性实施例的情况下，特殊轮廓横截面36的轮廓高度相比于轮廓横截面37而减小，并且特殊轮廓横截面36的轮廓高度由在接触区域30的区域中的轮廓横截面37上形成的轮廓峰39的平坦部38形成。因此，平坦部38在特殊接触区域31中形成“更平顺(tamer)”的轮廓，从而相比于在接触区域30中轮廓区域34的“尖锐的”轮廓横截面37，当连接区域26受到超声波焊接极16沿超声波焊接极16的纵向方向的振动时，在连接区域26(图3和图4中的底部)上产生的机械应力更小。
图3示出了用于产生直线接合(in-line splice)的导体28、29的布置，超声波焊极16在工作表面19上设有特殊接触区50，该特殊接触区50在图5中放大示出。图4示出了用于产生端接合的导体28、29的布置，超声波焊极16在工作表面19上设有特殊接触区52，该特殊接触区52在图7中放大示出。
图5示出了具有特殊接触部53的特殊接触区50的构造，该特殊接触部沿着纵向轴线L的方向延伸并且相对于平行于横向轴线Q布置的对称轴线S而对称，其中，横向轴线Q在目前情况下与纵向轴线L成直角。由于对称轴线S在目前情况下与工作表面19的中心线M重合，因此特殊接触区50在其整个长度上是对称的。
不同于图5所示的特殊接触区50，图6所示的特殊接触区51具有轮廓凸起34，该轮廓凸起34沿着对称轴线S形成并且在工作表面19的整个宽度B上设有恒定的轮廓横截面37，在对称轴线S的区域内，其在目前情况下又与工作表面19的中心线M重合。这导致两个特殊接触部54、55被中间轮廓凸起34分开；已经发现，当彼此待连接的导体28、29的连接区域26、27依照图3进行布置时，由连续的轮廓凸起34形成的“中间齿”因此使得直线接合的“剥离强度(peel strength)”特别高。
图7示出了特别适于形成端接合的特殊接触区52的设计，提供了在图4所示的特殊接触区52中的工作表面19上的连接区域26、27的相对布置以形成端接合。
如图7所示，特殊接触区52相对于工作表面19的中心线M是不对称的，该中心线M平行于横向轴线Q延伸，该横向轴线Q在目前情况下与纵向轴线L呈直角延伸。特殊接触区52设置为朝向工作表面端56，该工作表面端56在当前情况下布置在自由的超声波焊极端57处。从图4中可以看出，特别地，因此定义放置侧E，使得如图7所示的工作表面19的特殊接触区52的设计或布置的情况下，待相互连接以形成端接合的连接区域26、27最好被进给到超声波焊极16的工作表面19，或者相对于图4中的超声波焊极16的描述而从左到右被引入到图1和2所示的压缩空间18中。
图8阐明了图6所示的特殊接触区51上的底部连接区域26的布置，特殊接触区51的在垂直于超声波焊接极16的纵向轴线L的方向上和在轮廓凸起34的纵向方向上的宽度b显然是根据连接区域26的直径d而设计的，在当前情况下该连接区域26由七根单独的焊丝40或导体组成。在所示的示例性实施例中，单独的焊丝40的直径为约0.158mm，因此连接区域26的直径为约0.5mm。
在目前情况下，特殊接触区51的宽度b被选择为比连接区域26的直径稍宽，这确保连接区域26仅在特殊接触区51的区域中与超声波焊接极16的工作表面19接触。

Claims (27)

1.一种用于焊接棒状电导体(28、29)的装置，所述装置包括压缩空间(18)，其用于接收沿第一轴向方向(x轴)延伸的并且待连接的所述导体(28、29)的两个连接区域(26、27)，其中，所述压缩空间(18)在第二轴向方向(z轴)的两个相对侧上，由传递超声波振动的超声波焊极(16)的工作表面(19)以及砧座(21)的配合面(20)所限定，并且在第三轴向方向(y轴)的两个相对侧上，由在所述第三轴向方向(y轴)上能够移位的滑动元件(23)的边界表面(22)以及边界元件(25)的边界表面(24)所限定；其中，
所述超声波焊极(16)的所述工作表面(19)在形成为所述工作表面(19)的部分区域的特殊接触区(31、50、51、52)中具有与由其余的工作表面(19)形成的接触区(30)不同的表面构造，其中，所述特殊接触区(31、50、51、52)用于使至少一个连接区域(26、27)经受超声波振动；
所述特殊接触区(31、50、51、52)布置成相邻于所述边界元件(25)；并且
所述特殊接触区(31、50、51、52)形成在平行于所述边界元件(25)的工作表面边缘(35)上；
所述接触区(30)的表面构造包括沿着所述第三轴向方向(y轴)延伸的轮廓凸起(34)，并且所述轮廓凸起(34)中的至少部分在所述特殊接触区(31、50、51、52)的区域中具有特殊轮廓横截面(36)，所述特殊轮廓横截面(36)不同于所述接触区(30)中的轮廓横截面(37)。
2.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，
相比于所述轮廓横截面(37)，所述特殊轮廓横截面(36)具有减小的轮廓高度h。
3.根据权利要求2所述的装置，
其特征在于，
所述减小的轮廓高度h由所述轮廓横截面(37)的轮廓峰(39)的圆形部或平坦部(38)所形成。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，
其特征在于，
至少在沿着所述第一轴向方向(x轴)延伸的中间部中，所述特殊接触区(50、51)具有特殊接触部(53、54、55)，所述特殊接触部(53、54、55)相对于平行于所述第三轴向方向(y轴)延伸的对称轴线S而对称。
5.根据权利要求4所述的装置，
其特征在于，
所述特殊接触区(50，51)在其整个长度上是对称的。
6.根据权利要求4或5所述的装置，
其特征在于，
所述对称轴线S由所述工作表面的中心线M形成，所述中心线M平行于所述第三轴向方向(y轴)延伸。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的装置，
其特征在于，
所述特殊接触区(51)不连续。
8.根据权利要求7所述的装置，
其特征在于，
在所述对称轴线S的区域中形成的至少一个轮廓凸起(34)在所述工作表面(19)的整个宽度B上延伸。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，
其特征在于，
所述特殊接触区(31、50、51、52)在所述第一轴向方向(x轴)上仅在所述接触区(30)的长度的一部分上延伸。
10.根据权利要求9所述的装置，
其特征在于，
所述特殊接触区(52)相对于所述工作表面(19)的中心线M不对称，所述中心线M平行于所述第三轴向方向(y轴)延伸。
11.根据权利要求10所述的装置，
其特征在于，
所述特殊接触区(52)布置成朝向工作表面端(56)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，
其特征在于，
所述特殊接触区(31、50、51、52)在所述第三轴向方向(y轴)上的宽度小于2mm。
13.根据权利要求12所述的装置，
其特征在于，
所述特殊接触区(31、50、51、52)在所述第三轴向方向(y轴)上的宽度小于1.5mm。
14.根据权利要求13所述的装置，
其特征在于，
所述特殊接触区(31、50、51、52)在所述第三轴向方向上的宽度小于1mm。
15.一种超声波焊极(16)，其用于一种用于焊接棒状电导体(28、29)的装置，
其特征在于，
所述超声波焊极(16)的工作表面(19)在形成为工作表面(19)的部分区域的特殊接触区(31、50、51、52)中具有与由其余的工作表面(19)形成的接触区(30)不同的表面构造，其中，所述特殊接触区(31、50、51、52)用于使电导体(28、29)的至少一个连接区域(26、27)经受超声波振动；
所述特殊接触区(31、50、51、52)沿着所述超声波焊极(16)的纵向轴线L的方向延伸；
所述特殊接触区(31、50、51、52)形成在所述超声波焊极(16)的工作表面边缘(35)上；
所述接触区(30)的表面构造包括垂直于所述超声波焊极(16)的纵向方向L延伸的轮廓凸起(34)，并且所述轮廓凸起(34)在所述特殊接触区(31、50、51、52)的区域中具有特殊轮廓横截面(36)，所述特殊轮廓横截面(36)不同于所述接触区(30)中的轮廓横截面(37)。
16.根据权利要求15所述的超声波焊极，
其特征在于，
相比于所述轮廓横截面(37)，所述特殊轮廓横截面(36)具有减小的轮廓高度h。
17.根据权利要求16所述的超声波焊极，
其特征在于，
所述减小的轮廓高度h由所述轮廓横截面(37)的轮廓峰(39)的圆形部或平坦部(38)所形成。
18.根据前述权利要求15-17中任一项所述的超声波焊极，
其特征在于，
至少在沿着所述纵向轴线L的方向上延伸的中间部中，所述特殊接触区(31、50)具有特殊接触部(53、54、55)，所述特殊接触部(53、54、55)相对于平行于横向轴线Q延伸的对称轴线S而对称。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的超声波焊极，
其特征在于，
所述特殊接触区(31，50)在其整个长度上对称。
20.根据权利要求15至19中任一项所述的超声波焊极，
其特征在于，
所述对称轴线S由所述工作表面(19)的中心线M形成，所述中心线M平行于所述横向轴线Q延伸。
21.根据权利要求15至20中任一项所述的超声波焊极，
其特征在于，
在所述对称轴线S的区域中形成的至少一个轮廓凸起(34)在所述工作表面(19)的整个宽度B上延伸。
22.根据前述权利要求15至21中任一项所述的超声波焊极，
其特征在于，
所述特殊接触区(31、50、51、52)在所述纵向轴线L的方向上仅在所述接触区(30)的长度的一部分上延伸。
23.根据权利要求15至22中任一项所述的超声波焊极，
其特征在于，
所述特殊接触区(52)相对于所述工作表面(19)的中心线M不对称，所述中心线M平行于所述横向轴线Q延伸。
24.根据权利要求15至23中任一项所述的超声波焊极，
其特征在于，
所述特殊接触区(52)布置成朝向于工作表面端(56)。
25.根据权利要求15至24中任一项所述的超声波焊极，
其特征在于，
所述特殊接触区(31、50、51、52)在所述横向轴线Q的方向上的宽度b小于2mm。
26.根据权利要求25所述的超声波焊极，
其特征在于，
所述特殊接触区(31、50、51、52)在所述横向轴线Q的方向上的宽度b小于1.5mm。
27.根据权利要求25所述的超声波焊极，
其特征在于，
所述特殊接触区(31、50、51、52)在所述横向轴线Q的方向上的宽度b小于1mm。
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