专利名称：用于以导电方式连接绞合线的方法以及超声波焊接装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于借助于超声波焊接将具有基本上由铝或者铝合金构成的芯
线或单线的绞合线与由金属构成的u形支承体以导电方式相连接的方法，其中所述支承 体被布置在超声波焊接装置的对应电极上，所述绞合线被插入所述u形支承体的由横向
腿部和侧向腿部所形成边界的空间中并且接着借助于被激励成超声波振动的超声焊极
(Sonotrode)而被彼此焊接在一起并且被与所述支承体焊接在一起。此外，本发明还涉及一 种用于执行该方法的超声波焊接装置，所述超声波焊接装置包括传输超声波振动的超声 焊极，该超声焊极带有具有焊接面的超声焊极头部(Sonotrodenkopf);与所述焊接面对置 的、支撑U形支承体的对应电极；以及优选地在侧面的边界元件，所述边界元件带有所述具 有焊接面的超声焊极头部在其间延伸的边界面。
背景技术：
如果包含由铝或者铝材料构成的单线或芯线的绞合线被彼此焊接在一起或被与 块状支承体焊接在一起，则在实践中已经表明所引入的焊接能量导致铝在一定程度上流 动、即逐渐变为所谓的糊态，使得进行到超声焊极面上的或到在侧面对容纳所述绞合线的 压实空间形成边界的挡板上的熔合。 为了避免这种情况，曾建议在超声波焊接装置的工具与由铝构成的绞合线之间 布置中间膜，所述中间膜阻止了与焊接工具的直接接触。 US-A-3， 717， 842利用了相同的想法，该US_A_3， 717， 842涉及一种用于将铝线与U 形支承体焊接在一起的方法。为了制造焊接连接，首先以公知的方式使该支承体围绕铝线 巻曲，以便然后开始焊接过程。在这种情况下，该支承体的被巻曲的(umgecrimpt)段位于 超声焊极与线之间。 不仅中间膜的引进而且附加的巻曲都是工艺过程的缺点，所述缺点尤其是在高度 自动化的焊接流程中是不期望的。
发明内容
本发明所基于的任务是改进前面所述类型的方法和超声波焊接装置，使得由铝构 成的或者含铝的绞合线可以与U形块状件(Massivteil)焊接在一起，而不必为了避免所述 绞合线与焊接所必需的工具之间的直接接触而需要中间膜或者必须巻曲所述块状件。
根据本发明，根据方法基本上通过如下方式来解决该任务使用这种超声焊极作 为超声焊极这种超声焊极的焊接面具有开放式梯形的曲线，所述开放式梯形具有短的基 本腿部(Basisschenkel)作为底面；并且在焊接期间，所述底面与从所述底面出发并且与 所述底面成钝角a的侧面一起直接接触绞合线，其中已焊接状态下的被插入U形支承体 中的绞合线的总截面面积^对于由焊接面的底面和侧面所包围的空间的截面面积Fs为Fs < FL < 2FS。 已经令人感到意外地表明如果绞合线的要焊接的线或芯线的很大部分被由超声焊极的焊接面所包围的并且在横截面中形成稳定的(gleichmaessig)梯形的空间容纳， 则不发生在超声焊极面上的熔合。对此的原因可能是，在压实和焊接所述绞合线时出现的 总横向力在很大程度上被超声焊极的侧面、即提供所述焊接面的超声焊极头部的侧鼻壁吸 收，使得存在于由所述焊接面形成边界的空间之外的绞合线尽管在焊接时出现的在该超声 焊极头部的区域上的流动也不熔合。这也适用于在依照开放式等腰梯形的曲线的焊接面之 外伸展的区域。 对在超声焊极头部的形成梯形的横截面的容纳装置(Aufnahme)之内不发生熔合 的另一解释可以是在所述区域中，存在最大的相对运动，使得即使局部会发生熔合，所述 连接仍然由于所述相对运动而被解除。 尤其是当U形支承体的侧向腿部的净距离、超声焊极或超声焊极头部的宽度以及 要焊接的芯线在其尺寸方面彼此被协调时，避免了在该超声焊极头部的进入U形支承体时 沿着其侧向腿部伸展的外表面上的熔合，其中U形支承体的侧向腿部的净距离、超声焊极 或超声焊极头部的宽度以及要焊接的芯线在其尺寸方面彼此被协调为使得在为了将芯线 彼此焊接在一起和与所述支承体焊接在一起而在使超声焊极或超声焊极头部进入U形支 承体中的情况下在U形支承体的相应的侧向腿部的内表面与超声焊极或超声焊极头部的 面向的外表面之间存在具有宽度S(其中S《1/2AD)的缝隙，其中A。是所述绞合线的相应 芯线的直径。如果焊接具有横截面不同的芯线的绞合线，则应当按照直径最小的芯线来设 计所述缝隙的宽度。 尽管已知通常把由铜构成的绞合线与U形支承体焊接在一起，在所述U形支承体 中，超声焊极在绞合线侧具有焊接面，所述焊接面显示出可以与梯形几何形状相匹配的凹 形曲线(DE-U-202004010775)。通过所述几何形状应实现减小在焊接时出现的横向力，以 便最小化U形支承体的侧向腿部的弯曲。在此，超声焊极的焊接面的尺寸确定被选择为使 得已焊接状态下的绞合线具有如下的总横截面所述总横截面是由超声焊极的焊接面所形
成边界的空间的截面面积的多倍。通过所述对此的教导尤其是还将实现可以将支承体与
由铜构成的绞合线更可靠地焊接在一起，所述绞合线在已焊接状态下突出该支承体的侧向 腿部。 应当将选自下面的组中的至少一种材料用作U形支承体的材料SE-Cu58、 SF-Cu、 E-Cu58、 CuNi3SiMg、 CuFe2P、 CuCrSiTi、 CuZn37、 CuSn6、 CuSn8。在此，所述材料的命名符合 DIN标准。 尤其是规定将适用于高质量的插塞式连接器的被冷锻的(federhart)材料用作 该支承体的材料。但是在这种情况下，应当例如通过电镀尤其是用银或者含银材料来涂层 至少该支承体的绞合线侧的面。 在本发明的改进方案中规定使用在绞合线侧具有U形头段(Kopfabschnitt)的
超声焊极，所述头段在内侧形成焊接面的边界，所述焊接面具有底面和以角度a伸展的侧 面，所述侧面是该头段的侧向腿部的内表面，其中该超声焊极头部具有宽度B并且所述侧 向腿部以高度T突出于所述底面，其中0. 15B《T《0. 30B。 此夕卜，应当采用其中在所述底面与相应侧面之间伸展的角度a为 125°《a《145°的超声焊极。 容纳绞合线并且由超声焊极的焊接面所包围的空间由侧向腿部或隔板(Steg)来形成边界，所述侧向腿部或隔板的端面平行于底面伸展。在此，相应端面的宽度应当为
0. 25mm到1. 5mm之间。通过所述尺寸确定，同样保证了在焊接时具有铝的熔合。进入U形支承体、即块状件中的超声焊极或超声焊极头部可以具有1mm到25mm之
间的宽度。 —种开头所述类型的超声波焊接装置的特征在于 焊接面具有拥有底面和侧面的开放式等腰梯形的曲线，所述底面和相应的侧面成
角度a，其中125。《a《145° ，所述侧面是该超声焊极头部的以高度T突出于所述底面
的腿部的内表面并且在侧面形成该超声焊极头部的边界，而且该超声焊极头部具有宽度B，
该宽度B与由所述焊接面所包围的空间的高度T的关系为0. 15B《T《0. 30B。 该超声焊极头部的腿部具有端面，所述端面平行于焊接面的底面并且具有宽度A，
其中0. 25mm《A《1. 5mm。此外，进入U形支承体中的超声焊极头部具有宽度B，其中lmm《B《25mm。
尤其是规定该U形支承体由选自下面的组的至少一种材料构成SE-Cu58、 SF-Cu、 E-Cu58、 CuNi3SiMg、 CuFe2P、 CuCrSiTi、 CuZn37、 CuSn6、 CuSn8。 如果该U形支承体由被冷锻的材料、如CuCrSiTi构成，则所述U形支承体应当至 少在绞合线侧被优选地涂有银和含银材料。 为了在压实和焊接绞合线期间保证对支承体的明确的定位而规定相应的侧面的 边界元件在支承体侧具有如下的凹槽所述凹槽为了在超声波焊接时容纳侧向腿部而与所 述侧向腿部的高度和宽度相匹配。
不仅由权利要求、由要从所述权利要求所得知的特征(其本身和/或组合)得到， 而且还由下面对要从附图中得知的优选实施例的描述得到本发明的其它细节、优点以及特 征。
图1以原理图示出了超声波焊接设备的布局， 图2a、 b示出了根据现有技术的将铝绞合线与U形支承体压实和焊接在一起的原 理图， 图3a至3c以原理图示出了根据现有技术的巻曲和焊接变化过程， 图4a、4b以原理图示出了根据本发明的将铝绞合线与U形支承体压实和焊接在一
起，以及 图5示出了根据本发明的所采用的超声焊极的另一原理图。
具体实施例方式
在图1中纯原理性地示出超声波焊接设备，在所述超声波焊接设备中，可以将由 铝构成的或者含铝的绞合线(即其细线或者芯线)与由金属构成的U形块状支承体形式的 冲压件/弯曲件(StanzVBiegeteil)焊接在一起。该设备包括超声波焊接装置或者超声 波焊接机10，该超声波焊接装置或者超声波焊接机10以惯常的方式具有转换器12，必要时 具有增幅器(Booster) 14以及具有超声焊极16。对应电极20 (也称为铁砧)以及侧挡板 21、23被分配给超声焊极16、也就是超声焊极16的头部18和因此该头部的焊接面，以便包
7围压实空间。 转换器12通过导线22与发电机24相连接，所述发电机24就它而言通过导线26 通向计算机28，通过计算机28进行对焊接过程的控制，并且要焊接的绞合线和支承体的焊 接参数或横截面和材料可以被输入到计算机28中，或相对应的被存储的值可以被计算机 28调用。 根据现有技术(图2a、2b、图3a)、3b)、3c))，借助于具有平坦的焊接面38的超声 焊极36来焊接包含各个细线或者芯线32、34的铝制绞合线30。在焊接面38中，可以构造 所期望的结构、如波浪状、棱锥状等等。为了避免绞合线30、即其线32、34熔合在超声焊极 36或其焊接面38上，现有技术规定在绞合线30上放置膜，通过该膜避免芯线32、34与焊 接面38之间的直接接触。 如果不引进与此有关的中间膜，则发生由于导入超声波振动而变成糊状的铝的熔 合，该铝因此流动。这可以从图2a和2b的比较中变得显而易见。因此，如能从图l中在原 理上得知的那样，要与绞合线30焊接在一起的U形支承体40被布置在超声波焊接机的铁 砧42上。在支承体40的侧面以可移动的方式布置有侧挡板44、46，所述侧挡板44、46对准 支承体40来使得支承体40以其侧向腿部52、54被阶梯形凹槽48、50容纳，所述侧向腿部 52 、54通过放在铁砧42上的横向腿部56相连接。 如果现在通过降低超声焊极36并激励该超声焊极36来进行压实和焊接，则绞合 线30的铝材料流动，其结果是所述铝材料不仅熔合在焊接面38上，而且侵入超声焊极侧 面58、60与侧挡板44、46的面向的边界面62、64之间的缝隙中，并且在那里不仅可熔合在 侧挡板44、46的面62、64上，而且还可熔合在超声焊极36的外表面58、60上。
为了避免所述熔合，US-A-3， 717， 842建议，将由铝构成的绞合线66引进U形支承 体68中，所述支承体68的侧向腿部70、72被确定尺寸为使得所述侧向腿部70、72首先能 够围绕绞合线66巻曲(图3b)，以便然后在降低超声焊极74时其焊接面76不直接与绞合 线66或其线接触，其中借助于所述超声焊极74进行绞合线66、即其细线与被巻曲的支承 体70的焊接。由此在原理上实现了一种如同已经利用根据图2a和2b中的阐述内容的中 间膜所实现的那样的技术方案。 然而，所述巻曲或中间膜的插入尤其是在生产流程中要高度自动化地执行的焊接 工艺中具有缺点，因为由此不仅形成故障源，而且存在时间延迟并且由此存在成本提高。
为了避免所述缺点，根据本发明的教导(根据图4a、4b、5中的原理图，其中从图 2a、2b得知的附图标记基本上被用于相同的要素)规定常用的超声波焊接机的超声焊极 78在其焊接面80中被构造为使得在焊接时产生的促进熔合的横向力被超声焊极78在很大 程度上吸收，从而令人感到意外地不会发生熔合。 根据图2a、2b的图示，在铁砧42上定位有具有侧向腿部52、54和横向腿部56的 U形支承体40。然后，使侧挡板44、46靠近支承体52，其中由于侧边界面62、64中的阶梯 形凹槽48、50而容纳横向腿部52、54，使得阶梯48、50之外的边界面62、64几乎平齐地 (fluchtend)逐渐变为U形支承体40的侧向腿部52 、54的内表面82 、84。
根据本发明，进入支承体40中的超声焊极78或其头部具有焊接面80 ，所述焊接面 80显示出具有较短的底面86和侧面88、90的开放式等腰梯形的曲线，其中相应的侧面88、 90与底面86成角度a或|3+90° ，该角度计为125°《a《145° 。此外，焊接面80具有深度T，使得由侧面88、90和底面86所形成边界的空间92具有如下的横截面所述横截 面大于已焊接状态下的绞合线30(即芯线32、34)的一半的横截面FJ在图4b中原理性地 示出)。因此，所焊接的芯线32、34的具有梯形形状的截面面积97大于下面的矩形截面面 积99(即在超声焊极头部的腿部98、 100的端面94、96与支承体40的横向腿部56的底面 之间延伸的面积)。 因此，该超声焊极头部在焊接面80的区域内具有其开口朝向绞合线30的U形几 何形状。 通过根据本发明的教导或所说明的尺寸确定，实现了 全部作用到绞合线30上的 由于降低超声焊极78以及在超声波激励的超声焊极78中形成的横向力被显著减小，其结 果是糊态的流动的铝材料不易于在焊接面80上以及在腿部98、 100的端面94、96上熔合， 所述端面94、96在侧面上形成由焊接面80的底面86和侧面88、90所包围的空间92的边 界。因此，超声焊极头部的腿部或者隔板98、100的内表面是焊接面80的侧面88、90。
附加地，由此也可能解释不发生铝在焊接面80上的熔合在所述区域中出现芯线 32、34与焊接面80之间的最大相对运动，使得即使会发生暂时的熔合，所述熔合由于所述 相对运动也被破坏。 附加地通过如下方式阻止铝流入超声焊极78或其头部的外表面与侧挡板46、48 的侧面的边界面62、64之间的缝隙S中U形支承体40的内表面82、84(即其腿部52、54) 的净距离、各个芯线32、34的横截面以及因此直径、超声焊极78的宽度B以及因此侧挡板 46、48的距离彼此被协调来使得得到小于相应的要焊接的芯线32、34的直径A。的一半的缝 隙宽度S。如果应焊接具有横截面不同的芯线的绞合线30，则缝隙S与横截面最小的芯线 的直径相协调。芯线34、36可以具有在0. 1mm至1mm的范围内的直径。
由焊接面80所包围的空间的高度T、即突出于底面86的腿部98、 100的高度应当 与超声焊极78或超声焊极头部的宽度B成0. 15B《T《0. 30B的关系。进入U形支承体 40中的超声焊极头部的宽度优选地处于1mm到25mm之间的范围中。 此外，相应的腿部98、100的端面94、96应当具有U形支承体的侧向腿部52、54之 间的处于O. 25mm至lj 1. 5mm之间的范围中的宽度距离(Breitenerstreckung)。附加地，通过 所述尺寸确定也确保了不发生铝的熔合。用于支承体40的材料应当选自下列组SE-Cu58、 SF-Cu、 E_Cu58、 CuNi3SiMg、
CuFe2P、 CuCrSiTi、 CuZn37、 CuSn6、 CuSn8。所述材料的命名符合DIN标准。 对于高质量的接线端子，通常使用由被冷锻的钢、如CuCRSiTi构成的U形支承体。 为了基于不同的铝硬度和支承体材料保证进行粘结牢固的(stoffschlilssig)连
接，优选地应当例如通过电镀优选地用银或含银材料来涂层支承体的内表面。 此外，由于根据本发明的对超声焊极78的构造以及由焊接面80所包围的空间的
预给定的高度T，得出如下优点超声焊极78在很大程度上进入U形支承体40中，使得因
此减小作用到支承体40的侧向腿部52、54上的横向力，其结果是可以使用与现有技术相
比更软的材料作为支承体40的基本材料。U形形状显著地更加刚性地构造支承体40。
权利要求
一种用于借助于超声波焊接将具有基本上由铝或者铝合金构成的芯线或单线(32，34)的绞合线(30)与由金属构成的U形支承体(40)以导电方式相连接的方法，其中所述支承体被布置在超声波焊接装置(10)的对应电极(42)上，所述绞合线被插入所述U形支承体的由横向腿部和侧向腿部(52，54，56)所形成边界的空间中并且接着借助于被激励成超声波振动的超声焊极(16，78)而被彼此焊接在一起和被与所述支承体焊接在一起，其特征在于，使用以下超声焊极作为超声焊极(16，78)所述超声焊极的焊接面(80)具有开放式梯形的曲线，所述开放式梯形具有短的基本腿部作为底面(86)；并且在焊接期间，所述底面与从所述底面出发并且与所述底面成钝角α的侧面(88，90)一起直接接触绞合线(30)，其中已焊接状态下的被插入U形支承体(40)中的绞合线的总截面面积FL对于由焊接面的底面和侧面包围的空间的截面面积FS为FS＜FL＜2FS。
2. 根据权利要求1所述的方法， 其特征在于，U形支承体(40)的侧向腿部(52，54)的净距离、超声焊极(78)的宽度以及要焊接的芯 线(32，34)在尺寸方面被彼此协调为使得在为了将所述芯线彼此焊接在一起和将所述芯 线与U形支承体焊接在一起而使所述超声焊极进入所述支承体中的情况下，在所述U形支 承体的侧向腿部的相应内表面与所述超声焊极的面向的外表面之间存在宽度为S的缝隙， 其中S《1/2A。，其中AD是所述绞合线的相应芯线的直径。
3. 根据权利要求1或2所述的方法， 其特征在于，在焊接具有直径不同的芯线(32， 34)的绞合线(30)的情况下，按照直径最小的芯线来 设计所述缝隙的宽度S。
4. 根据前述权利要求中的至少一个权利要求所述的方法， 其特征在于，选自以下组的至少一种材料被用作U形支承体(40)的材料SE-Cu58、SF-Cu、E-Cu58、 CuNi3SiMg、 CuFe2P、 CuCrSiTi、 CuZn37、 CuSn6、 CuSn8。
5. 根据前述权利要求中的至少一个权利要求所述的方法， 其特征在于，被冷锻的材料被用作U形支承体(40)的材料，所述被冷锻的材料在导线侧被涂层。
6. 根据前述权利要求中的至少一个权利要求所述的方法， 其特征在于，支承体(40)在导线侧优选地通过电镀被涂有银或者含银材料。
7. 根据前述权利要求中的至少一个权利要求所述的方法， 其特征在于，使用在导线侧具有U形头段的超声焊极(78)，所述头段在内侧形成焊接面(80)的边 界，所述焊接面(80)具有底面(86)和以角度a伸展的侧面(88，90)，所述侧面(88,90)是 该头段的侧向腿部(98,100)的内表面，其中该超声焊极具有宽度B并且所述侧向腿部以长 度T突出于所述底面，其中0. 15B《T《0. 30B。
8. 根据前述权利要求中的至少一个权利要求所述的方法，其特征在于，使用在底面(86)与相应的侧面(88，90)之间伸展的角度a为125°《a《145°的 超声焊极(78)。
9. 根据前述权利要求中的至少一个权利要求所述的方法， 其特征在于，使用具有侧向腿部(98,100)的超声焊极(78)，所述侧向腿部(98,100)的端面(94， 96)平行于底面(80)伸展，其中相应的端面的宽度A为0. 25mm《A《1. 5mm。
10. 根据前述权利要求中的至少一个权利要求所述的方法， 其特征在于，使用具有宽度B的超声焊极(78)，其中lmm《B《25mm。
11. 一种用于执行根据权利要求l所述的方法的超声波焊接装置，其包括传输超声波 振动的超声焊极(16，78)，所述超声焊极(16， 78)具有拥有焊接面(80)的超声焊极头部； 与所述焊接面对置的、支撑U形支承体(40)的对应电极(42);以及优选地具有边界面(62， 64)的侧面的边界元件(46,48)，其特征在于，焊接面(80)具有拥有底面(86)和侧面(88，90)的开放式等腰梯形的曲线；所述 底面和相应的侧面成角度a ，其中125°《a《145° ;所述侧面是超声焊极(78)或 超声焊极头部的以高度T突出于所述底面的腿部(98,100)的内表面并且在侧面形成 该超声焊极头部的边界；而且该超声焊极头部具有宽度B，该宽度B与高度T的关系为 0. 15B《T《0. 30B。
12. 根据权利要求ll所述的超声波焊接装置， 其特征在于，所述U形支承体(40)由选自以下组的至少一种材料构成SE-Cu58、 SF-Cu、 E_Cu58、 CuNi3SiMg、 CuFe2P、 CuCrSiTi、 CuZn37、 CuSn6、 CuSn8。
13. 根据权利要求11或12所述的超声波焊接装置， 其特征在于，所述U形支承体(40)由被冷锻的材料构成，所述被冷锻的材料至少在绞合线侧被优选 地涂有银或者含银材料。
14. 根据权利要求11至13之一所述的超声波焊接装置， 其特征在于，所述超声焊极头部(78)的腿部(98,100)具有端面(94，96)，所述端面(94， 96)平行于 焊接面(80)的底面(86)伸展并且每个端面都具有宽度A，其中0. 25mm《A《1. 5mm。
15. 根据权利要求11至14之一所述的超声波焊接装置， 其特征在于，进入U形支承体(40)中的超声焊极头部(78)具有宽度B，其中lmm《B《25mm。
16. 根据权利要求11至15之一所述的超声波焊接装置， 其特征在于，相应的侧面的边界元件(46,48)在支承体侧具有凹槽(48,50)，所述凹槽(48,50)为了 在进行超声波焊接时容纳所述U形支承体(40)的侧向腿部(52，54)而与所述腿部的高度和宽度相匹配:
全文摘要
本发明涉及一种用于借助于超声波焊接将具有基本上由铝构成的单线(32，34)的绞合线(30)与由金属构成的U形支承体(40)以导电方式相连接的超声波焊接装置(10)以及方法。在此，使用这种超声焊极作为超声焊极(78)这种超声焊极的焊接面(80)具有开放式梯形的曲线，所述开放式梯形具有短的基本腿部作为底面(86)。在焊接期间，所述绞合线直接接触所述底面和从所述底面出发并且与所述底面成钝角的侧面(88，90)，其中已焊接状态下的被插入U形支承体中的绞合线的总截面面积FL对于被焊接面的底面和侧面所包围的空间的截面面积FS为FS＜FL＜2FS。
文档编号H01R43/02GK101772866SQ200880102119
公开日2010年7月7日 申请日期2008年6月4日 优先权日2007年6月6日
发明者D·斯特罗, H·斯特罗 申请人:申克索诺系统有限责任公司