专利名称：用于振动焊接工艺的加热设备及其使用方法
技术领域：
本发明涉及用于振动焊接工艺的加热设备及使用方法。
背景技术：
振动焊接工艺以特定频率范围和方向施加受控振动，藉此将相邻的工件表面结合到一起。超声波焊接和其它振动焊接工艺夹持工件，且将标定的振动传递通过所述工件。从而沿任何界面产生表面摩擦。所述表面摩擦产生的热量软化所述界面。最终所述工件沿界面结合到一起。在振动焊接系统中，焊接角(welding horn )或超声焊极(sonotrode)直接连接至一个或多个焊垫(welding pad)或与之一体形成。所述焊垫可包括滚花(knurls)或者与所述工件物理接触的其它纹理表面图案。在焊接工艺期间，所述工件被定位和夹持在超声焊极的焊接砧(anvil)和焊垫之间。振动焊接部件(例如，多单元车辆蓄电池的导电接线片) 的效率、一致性和可靠性/耐用性在很大程度上取决于用于在最终部件中形成各种焊接件的方法和焊接工具的设计。
发明内容
因此，本文提供了一种振动焊接方法和系统，通过加热选定焊接界面和/或通过加热位于界面附近的工件部分，用于在振动焊接工艺期间增加焊接温度。该系统使用热装置(例如，激光器或加热棒)来增加焊接温度。在将振动弓I入工件之前或与之同时，热装置加热工件。在具有超声焊极/焊接角、焊垫和焊接砧的振动焊接系统中，当来自于超声焊极的振动的热能耗散离开焊接界面时，焊接区域中的温度下降。即使对于给定多片焊接配置在每个不同焊接界面处可以产生相等的热量，但是例如由于不同的摩擦状况、工件表面之间不同的相对运动、以及热沉效应，每个焊接界面处的焊接温度可彻底不同。因而，系统或者工件本身的指定部分(例如，工件的最厚部分或者具有最高导热率的工件表面或部分)可以使用热装置如本文所述选择性地加热。在一个实施例中，热装置嵌入在焊接砧结构中以加热最靠近焊接砧的工件焊接界面或部分，而在另一个实施例中，外部装置(如，激光器)用于将能量弓I导至工件的界面处。一种在振动焊接工艺期间加热工件和/或焊接界面的方法，包括将工件定位靠近焊接工具，使得焊接界面也靠近焊接工具。所述方法包括使用上述热装置将工件和/或焊接界面加热至标定阈值温度内。
所述方法能以一种方式作为两步工艺实施，其中，工件在一个步骤中预加热且在另一个步骤中焊接。这可允许同时预加热和焊接不同工件，例如，车辆中的蓄电池组的不同部分。加热设备(即，任何合适结构，如包含热装置的金属块)和焊接设备可以放置在两个独立的工作站或机器人轴上且被独立地控制。在另一个实施例中，加热设备可以是电阻加热装置和一对电极，所述电极经由接触电阻或体电阻直接地产生热量。加热温度在 IOO0C -300°C水平通常就足够了，这可以使用本文公开的加热设备实现。一种使用振动来焊接工件的相邻表面的振动焊接系统，包括焊接工具；热装置， 所述热装置能操作用于加热工件或由工件的相邻表面限定的焊接界面；和控制器。所述控制器控制所述热装置的操作，从而在期望位置处(例如，在选定焊接界面处或沿选定焊接界面)将焊接温度控制在标定阈值温度内。方案1. 一种振动焊接方法，包括
靠近焊接工具定位工件，其中，所述工件限定靠近焊接工具的焊接界面； 使用热装置将工件和焊接界面中的至少一个加热至标定阈值温度内；和在工件或焊接界面达到标定阈值温度之后，使用来自于超声焊极的振动形成焊接件。方案2.根据方案1所述的方法，包括经由热装置直接加热位于焊接界面附近的工件部分。方案3.根据方案1所述的方法，其中，加热工件或焊接界面包括使用热装置主动地将热能弓丨导到焊接界面上和使用热装置从内部加热焊接工具中的至少一种。方案4.根据方案1所述的方法，其中，定位工件包括将导电互连构件定位在导电蓄电池接线片附近。方案5.根据方案1所述的方法，其中，热装置包括激光器装置、红外装置、热棒和电极中的一种。方案6.根据方案1所述的方法，其中，热装置嵌入在焊接工具内且使用温度控制器和热电偶以闭环反馈环路控制。方案7. —种振动焊接系统，包括 焊接工具；
热装置，所述热装置相对于焊接工具定位，且配置用于加热工件或由工件的相邻表面限定的焊接界面；和
控制器，所述控制器配置成控制所述热装置的操作，从而将在焊接界面处或沿焊接界面的焊接温度控制在标定阈值温度内。方案8.根据方案7所述的系统，其中，热装置嵌入在焊接工具内。方案9.根据方案8所述的系统，其中，热装置使用控制器和热电偶以闭环反馈环路控制。方案10.根据方案8所述的系统，其中，热装置包括激光器装置、红外装置、热棒和电极中的一种。方案11.根据方案8所述的系统，其中，所述工件包括蓄电池的导电互连构件和导电蓄电池接线片。方案12. —种振动焊接系统，包括 焊接砧头；热装置，所述热装置相对于焊接砧头定位，且配置用于加热由被系统焊接的工件的相邻表面限定的焊接界面；和
控制器，所述控制器配置成控制所述热装置的操作，从而将在焊接界面处或沿焊接界面的焊接温度控制在标定阈值温度内。方案13.根据方案12所述的系统，其中，热装置嵌入在由焊接砧头限定的通道内。方案14.根据方案13所述的系统，其中，热装置经由控制器使用控制器和热电偶以闭环反馈环路控制。方案15.根据方案13所述的系统，其中，热装置包括激光器装置、红外装置、热棒和电极中的一种。方案16.根据方案13所述的系统，其中，所述工件包括蓄电池的导电互连构件和导电蓄电池接线片。本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点从用于实施本发明的最佳模式的以下详细说明结合附图显而易见。
图1是本文公开的使用热装置来加热工件和/或焊接界面的振动焊接系统的示意性侧视图2是用于图1所示的系统的嵌入式热装置和焊接工具的局部截面侧视图； 图3是根据一个可能实施例的具有嵌入式热棒的焊接工具的示意性立体图； 图4是流程图，描绘了使用图1所示的焊接系统在振动焊接工艺期间加热焊接界面的方法；
图5是用于图1所示的系统的加热设备的示意图；和图6是用于图1所示的系统的另一加热设备的示意图。
具体实施例方式参见附图，在附图中，相同的标号指示相同的部件，并且从图1开始，振动焊接系统10构造成用于使用超声振动或其他合适频率的振动来形成焊接件。焊接系统10可包括焊接控制器件12，包括功率源14，功率源14能操作将可用的源功率转换为利于振动焊接的形式。如本领域普通技术人员所理解的，在振动焊接工艺中使用的功率源(诸如图1所示的功率源14)能够电连接至任何适当的能量源(例如50-60赫兹的墙壁插座)。功率源14可包括焊接控制器16，焊接控制器16通常一体地包括在所述功率源内但是并非必须如此。功率源14和焊接控制器16最终将源功率转换成具有适用于振动焊接工艺的预定波形特性的适当功率控制信号，例如频率为数赫兹(Hz)至大约40KHz，或者根据具体应用为更高的频率。功率控制信号从功率源14或控制器16传送至转换器18，转换器18具有用于在一个或多个焊垫22中产生机械振动所需的机械结构。焊垫22可以与焊接角或超声焊极对一体形成或与之连接。图1的振动焊接系统10还可包括增强器20，增强器20放大振动幅度和/或改变所施加的夹持力的方向。也就是说，来自于控制器16的机械振动信号可以初始地具有相对较小的幅度(例如不到1微米至数毫米)，其然后能够由增强器20放大以产生所需的机械振动。所述机械振动信号又被传送至超声焊极M的一个或多个焊垫22。在工件观的任何相邻表面之间的焊接界面沈处或沿焊接界面沈最终形成焊接件。通过改变超声焊极M发射出的振动的方向，焊接系统10可用于焊接或结合金属或热塑性塑料。也就是说，对于热塑性塑料，由超声焊极M发射出的振动往往垂直于被焊接表面，而对于金属，所述方向可大体上与被焊接表面相切。仍参见图1，每个焊垫22可具有一组滚花27，S卩，在焊接界面沈处或沿焊接界面 26形成焊接件期间与工件28接触的纹理表面。滚花27可以带纹理或构造为升高的齿和/ 或其它摩擦图案，以便在夹持工件时在工件观上提供足够的夹持力。为了进一步利于焊接工艺，工件观定位在焊接砧组件30附近，焊接砧组件30具有焊接机本体32、紧固到焊接机本体上的焊接砧本体34、以及具有滚花38的焊接砧头36，滚花38的结构类似于上述滚花 27。热源或热装置40用于经由集中热能(箭头11)加热工件(例如但不限于工件观) 的选定位置，例如，由被焊接工件的界面限定的选定焊接界面26。选定位置可以基于工件 28的最厚表面或部分、具有最高导热率和/或热容量的工件部分或者使用其它标准。在一个可能的实施例中，在将振动引入焊接界面之前或与之同时，热从焊接界面26外部的位置施加。在另一个实施例中，热可以从焊接工具(例如，超声焊极对和/或焊接砧组件30的一部分)内施加。即，热装置40可以放置在工件观附近，或者其可以嵌入在一个或多个焊接工具的结构中。工件观在图1中显示为多单元蓄电池44 (例如，用于车辆(未示出)的电动推进设备中的类型)的一组导电接线片42，导电母线条或互连构件46。互连构件46可包括由横向构件或基部49连接的侧轨48。在该实施例中，导电接线片42形成相应蓄电池单元的电极延伸部，且均内部焊接到构成该具体单元的各个阳极和阴极，如本领域普通技术人员充分理解的那样。互连构件46可以由合适的导电材料(例如铜)制成，且可以定形、定尺寸和 /或以其它方式构造成形成轨或母线条，并安装到蓄电池44。为了简单起见，图1中仅示出了蓄电池44的一部分。蓄电池44的潜在用途包括给混合动力电动车辆(HEV)、电动车辆(EV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)等中的各种车载电子装置和推进设备提供动力。通过示例，蓄电池 44可以充分地定尺寸以提供用于给电动车辆或混合动力汽油/电动车辆提供动力所需的电压，例如大约300-400伏或取决于所需应用为其它电压范围。当图1的超声焊极M抵靠焊接砧组件30夹持且在它们之间捕获工件洲时，超声焊极以标定频率和幅度振动以在焊接界面26处或沿焊接界面沈产生摩擦和热量。然而， 焊接砧组件30用作实质的热沉，因而在能量从超声焊极M朝焊接砧组件传输时损失热量。 可能地，最内焊接件(由箭头33表示，即最远离超声焊极M的焊接部位)具有最低的温度， 因而在相应焊接界面沈处形成最弱的结合。该影响通过在形成焊接件之前或与之同时在该具体焊接界面26附近加热工件观或者直接加热该具体界面(如下文公开的那样)而抵消。参考图2，图2所示的焊接系统10的一个或多个焊接工具可以嵌入有上述热装置 40。例如，焊接砧本体34可以限定通道50，热装置40设置在通道50中。在图2所示的实施例中，热装置40是经由缆线15连接到功率源(例如，功率源14)的激光器和/或红外(IR) 加热装置，且配置成将集中热能(箭头11)导向工件观的目标表面52。如图1所示，另一个热装置40可以嵌入在超声焊极M中以提供附加加热。在一些叠层或工件配置中，最内焊接件(如图1中箭头33所示)处的焊接界面沈可以是期望附加加热的界面。因而，图2 的实施例使用至少在工件观的焊接砧侧上的热装置40。虽然为了简单起见在图2中未示出，但是图3所示的反馈环路13可以用于使用图2所示的热装置40调节温度。参考图3，在另一个实施例中，热装置40可以配置为热棒且嵌入在焊接砧头36中通道50内。在该实施例中，热装置40可以包括一端连接到反馈环路13内的温度控制器58 的热电偶17。温度控制器58可以是图1所示的焊接控制器16的一部分，或者其可以是独立控制装置。温度控制器58经由继电器60连接到功率源14或者另一个IlOV标准或其它合适的功率源以及更高电压功率源62 (例如，220V功率源)。温度控制器58根据需要控制继电器60以将热装置40与功率源62选择性地连接和断开，以便调节由热装置40产生的温度。焊接砧本体34也显示为带有焊接砧头36和滚花38以及带有多个安装孔56 (接收紧固件(未示出))。由此，焊接砧本体34可以安装到图 1所示的焊接机本体32。参考图4，示出了在振动焊接工艺期间使用图1所示的焊接系统10来加热工件观和/或焊接界面26的方法100。在步骤102，工件28定位在超声焊极M和焊接砧本体34 之间以形成焊接界面26。在一个可能的实施例中，步骤102可包括将导电接线片42和互连构件46定位成彼此靠近且在超声焊极M和焊接砧本体34之间，其中，一个焊接界面处于图1中箭头33所示的最内位置。在步骤104，一个或多个热装置40被激励以产生热能(箭头11)。在振动由超声焊极M传输之前，热能(箭头11)从焊接工具(例如，图1的焊接砧本体34)朝焊接界面沈弓丨导到焊接界面26上，从而增加焊接界面的温度。替代地，在热装置位于焊接工具外(即，不嵌入在焊接工具内)时，热能可经由热装置40朝焊接界面沈引导，例如，定位成面向焊接界面沈的鼓风机或激光器装置。方法100然后前进到步骤106。在步骤106，指定控制器⑶卩，图1的焊接控制器16或图3的温度控制器58)使用闭环反馈控制方法(如图3所示的反馈环路13)来确定焊接界面沈的温度何时达到标定温度阈值。热电偶可以用于测量焊接界面26处的温度，其中，测量温度由指定控制器用于调节热装置40的性能以将温度保持在标定范围内。超声焊极对此时可以主动地振动，其中， 来自于滚花27、38 (参见图1)的摩擦加热与来自于热装置40的任何外部和/或内部施加热量一起增加焊接温度。如果感测温度小于标定温度阈值，重复步骤104，否则，方法100前进到步骤108。在步骤108，完成焊接件。方法100然后可以重复步骤102用于随后的焊接件。参考图5，预加热组件75可以用于在两步工艺中加热工件观的焊接界面26。为了简单起见，工件观显示为三个相同部件，但是构成工件观的部件的实际尺寸、形状和/ 或数量可以不同。例如，在焊接蓄电池时，图1的侧轨48可以包括在工件观中。图4的方法100能作为两步工艺实施，其中，工件28在一个步骤中预加热且然后在随后步骤中焊接。在该实施例中，预加热组件75可以是包含热装置40的任何导电装置， 例如金属块，且其可以放置在与用于形成焊接件的任何焊接工具独立的工作站或机器人轴
7上，从而利于可接近性和独立控制。加热组件75可以形成为没有滚花的加热块，其可以改进导热速率，从而改进产量。例如，第一块体134可以包含热装置40且可以抵靠没有热装置的第二块体135夹持，夹持力在图5中由箭头70表示。一旦被加热，块体134、135就可以彼此移开且远离工件观，从而可以开始此时已加热的焊接界面沈的焊接。参考图6，另一个预加热组件175可以作为电阻加热装置实施，其具有芯65(例如， 变换器或功率源)和一对电极67。所述电极67在夹持到工件观上时完成电路，因而经由接触电阻或体电阻产生热量。预加热温度在100°C -300°C水平通常就足够了，这可以经由上文公开的组件75和175以及通过各个热装置40实现。在上文广泛使用的蓄电池实施例中，电极67可以放置到互连构件46 (参见图1)上，例如从两端或者在不同位置处，从而仅加热互连构件。尽管已经详细说明了实施本发明的最佳模式，但是本发明所属领域的技术人员将会认识到在所附权利要求范围内的、用于实施本发明的各种替代设计和实施例。
权利要求
1.一种振动焊接方法，包括靠近焊接工具定位工件，其中，所述工件限定靠近焊接工具的焊接界面； 使用热装置将工件和焊接界面中的至少一个加热至标定阈值温度内；和在工件或焊接界面达到标定阈值温度之后，使用来自于超声焊极的振动形成焊接件。
2.根据权利要求1所述的方法，包括经由热装置直接加热位于焊接界面附近的工件部分。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，加热工件或焊接界面包括使用热装置主动地将热能弓丨导到焊接界面上和使用热装置从内部加热焊接工具中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，定位工件包括将导电互连构件定位在导电蓄电池接线片附近。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，热装置包括激光器装置、红外装置、热棒和电极中的一种。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，热装置嵌入在焊接工具内且使用温度控制器和热电偶以闭环反馈环路控制。
7.一种振动焊接系统，包括 焊接工具；热装置，所述热装置相对于焊接工具定位，且配置用于加热工件或由工件的相邻表面限定的焊接界面；和控制器，所述控制器配置成控制所述热装置的操作，从而将在焊接界面处或沿焊接界面的焊接温度控制在标定阈值温度内。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，热装置嵌入在焊接工具内。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，热装置使用控制器和热电偶以闭环反馈环路控制。
10.一种振动焊接系统，包括 焊接砧头；热装置，所述热装置相对于焊接砧头定位，且配置用于加热由被系统焊接的工件的相邻表面限定的焊接界面；和控制器，所述控制器配置成控制所述热装置的操作，从而将在焊接界面处或沿焊接界面的焊接温度控制在标定阈值温度内。
全文摘要
本发明涉及用于振动焊接工艺的加热设备及其使用方法。一种使用振动焊接系统加热工件或焊接界面的方法，包括将工件定位靠近焊接工具以限定焊接界面，然后使用热装置将工件或焊接界面加热至标定阈值温度内，热装置例如热棒、激光器装置或鼓风机。可施加高频振动以形成焊接件。工件可包括相邻的互连构件和蓄电池接线片。热装置可嵌入在焊接工具内且经由温度控制器控制。一种振动焊接系统包括焊接工具、热装置和控制器。所述控制器控制热装置，从而控制在焊接界面处或沿焊接界面的焊接温度。热装置可嵌入在焊接工具内，焊接工具在一个实施例中可以配置为焊接砧本体。
文档编号B23K20/26GK102189327SQ201110031210
公开日2011年9月21日 申请日期2011年1月28日 优先权日2010年1月29日
发明者E·M·小斯托姆, J·G·施罗思, P·F·斯帕彻尔, S·M·史密斯, W·W·蔡 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司