用于在导电接触元件和工件之间制造扩散焊接连接的布置的制作方法

1.本发明涉及一种用于在导电接触元件和工件之间制造扩散焊接连接的布置。本发明还涉及一种用于制造扩散焊接连接的射弹，以及一种金属片复合体，该金属片复合体包括片堆叠体和至少一个接触元件，所述至少一个接触元件将片的至少一个子集导电地且机械地彼此连接。


背景技术：

2.在许多应用中，需要将接触元件插入工件中。工件特别地可以是片堆叠体。单独的片或其他单独的刚性体也可以作为工件。在片堆叠体的情况下，插入片堆叠体中的接触元件可以机械地且导电地连接片堆叠体的若干个片。具体应用的一个示例是，例如，电动车辆中的电池模块的模块连接器，其至少部分地形成为片。铝经常被用作这里的材料。为了以机械的和导电的方式将片彼此连接，通常需要几种方法。在这种情况下，首先产生延伸穿过所有金属片的开口，然后将接触元件压入或旋入该开口中，最后在接触元件和金属片之间产生钎焊或焊接连接。当进行这种钎焊或焊接连接时，接触元件和/或片堆叠体必须至少部分地被加热。此外，通常需要使用焊料。如果将单个片或其它刚性体作为工件进行加工，也可以是这种情况。
3.在诸如铝的材料的情况下也是有问题的，即当片与氧气接触时，片在其表面上形成氧化层。在上述方法步骤中，例如，在用于接触元件的开口产生期间或之后，在接触元件可以插入之前，在开口的内壁上形成氧化层。该氧化层随后会削弱或阻止接触元件和片堆叠体的片之间的电连接。
4.因此，本发明的目的是提供一种上述类型的布置和方法，其有助于在导电接触元件和工件，特别是金属片堆叠体的金属片之间产生扩散焊接连接，并减少或完全防止在接触元件和工件之间出现电绝缘氧化层的风险。


技术实现要素：

5.对于介绍性提及的布置，该问题通过以下事实得以解决，该布置包括保护腔室和加速装置，所述工件位置位于该保护腔室中，用于布置工件的至少一部分，所述加速装置被配置为将接触元件射入布置在工件位置的工件中。对于介绍性提及的方法，问题的解决在于，接触元件被射入工件中，特别是在保护腔室内，并且通过射入而与工件机械地和导电地连接，特别是与片堆叠体中的片连接。
6.将接触元件射入工件有几个优点。首先，当接触元件冲击工件时，其动能可以转化为热能。该热能然后可以用于在接触元件和工件之间产生扩散焊接连接。因此，作为插入的结果，扩散焊接连接被自动产生。结果，可以省去随后通过加热具有已经插入的接触元件的工件来产生扩散焊接连接。焊接也可以省去。
7.根据本发明的解决方案的另一个优点是，工件的外表部分可以通过接触元件的冲击而被去除。这意味着氧化层可以通过接触元件本身的冲击而被去除。因为接触元件在冲
击之后被立即定位在这些区域中，所以可以防止氧化层的重新形成。由此产生的扩散焊接连接可以产生永久的导电连接，在所述扩散焊接连接中，接触元件和工件的材料至少在边界区域中扩散到彼此之中。通过将接触元件留在工件中，也建立了机械连接。
8.一方面，根据本发明的布置的保护腔室可用于封闭接触元件冲击工件时产生的碎片、蒸气或气体，并防止它们以不受控制的方式蔓延。
9.此外，保护腔室也可以是优选的以进一步降低在工件或接触元件上形成氧化层的风险。为此，保护腔室可以被抽真空或填充保护气体。在最简单的情况下，产生负压或真空，使得保护腔室内没有足够的氧气来引起氧化层的形成。
10.根据本发明的解决方案可以通过各种配置来进一步改进，每种配置都是优选的，并且可以根据需要进行组合。这些配置和与之相关的优点如下所述。在该上下文中，这些配置既可以应用于根据本发明的布置，也可以应用于根据本发明的方法。
11.在下文中，本发明总是参照以片堆叠体作为工件的示例进行描述。然而，本发明不限于此。任何其他工件也是可能的，特别是单独的片、板或其他刚性体。因此，下面描述的配置和与它们相关的优点也可以应用于其他类型的工件。
12.优选地，片堆叠体被布置在工件位置，使得接触元件垂直于由片张成的平面被加速并射入片堆叠体中。因此，接触元件的射出方向横向于金属片平面延伸。这使得接触元件能够到达待沿着较短路径被连接的堆叠体的所有片或至少是子集。
13.术语“片堆叠体”是指叠放在一起的多个片。优选地，两个相邻的片彼此直接抵接。
14.该布置可以包括至少一个射弹，其中接触元件形成射弹的至少一个子部分。在最简单的情况下，接触元件本身就是射弹。
15.替代地，优选使用作为接触元件和另一部分的复合体的射弹，其中该另一部分，特别是射弹的中心主体，用作接触元件的基底。以这种方式，接触元件可以根据连接到片所需的特性来形成。另一方面，剩余的射弹可以被优化，使得它可以被加速装置充分加速。接触元件至少部分地优选由铜或铜基材料混合物制成。
16.优选地，射弹的没有接触元件的部分在射入片堆叠体期间或之后可从接触元件上分离。特别优选的是，没有接触元件的射弹可以重复使用。也就是说，可以为其提供新的接触元件并再次射击。
17.射弹可以具有中心主体，接触元件作为套管布置在该中心主体上。因此，中心主体至少部分地穿透套筒。因此，中心主体和接触元件形成构成射弹的复合体。
18.例如，中心主体可以由铁氧体或钢形成。如果射弹将被电磁加速，例如通过高斯炮，则这种材料，特别是铁磁材料可以是优选的。
19.优选地，射弹基本上是圆柱形的。它可以是中空圆柱形或实心的圆柱形，优选实心的圆柱形。因此，接触元件和剩余射弹的复合体可以由实心圆柱形的中心主体(特别是螺栓)和中空圆柱形的接触元件组成。
20.作为圆柱形和相关联的圆形横截面的替代，接触元件和/或射弹可以具有不同的横截面。例如，射弹和/或仅接触元件可以设置有椭圆形或多边形横截面。
21.此外，中心主体可以在其一个端部设置有肩部，优选在指向射出方向的端部，这增加了中心主体的横截面。套筒形的接触元件不能穿过该肩部，因此被可靠地保持在中心主体上。在这种情况下，在接触元件和中心主体之间不需要额外的压配合。
22.优选地，这两个元件形成为使得接触元件可以滑动到中心主体上。射弹的另一种替代构造可以是射弹由连续的部分构成，其中这些部分沿着射出方向为一个接着一个。例如，接触元件由此可以形成后部部分。以这种方式，射弹可以用在接触元件前面的部分穿透片堆叠体，并产生开口。然后，接触元件作为复合体的后部部分跟随进入片堆叠体中。
23.根据优选的构造，射弹包括具有切割部分和支撑部分的中心主体，所述切割部分被配置为切割释放片堆叠体的片的至少一部分，所述支撑部分被配置为支撑接触元件。换句话说，作为中心主体的一部分的切割部分可以在前面飞行。接触元件可以布置在切割部分的后面。在这种情况下，它可以特别地布置为中心主体上的套筒，其中切割部分在射弹的前侧从接触元件突出。
24.优选地，扩散焊接连接仅由接触元件和/或射弹在与片堆叠体冲击时的动能转化而来的热能产生。然而，如果该能量不够，该布置还可以包括至少一个加热元件，特别是带有感应线圈的加热元件，该加热元件被配置为在接触元件和/或射弹被加速装置加速之前或期间加热接触元件和/或射弹。例如，接触元件可以被加热到400℃到600℃之间的温度。
25.保护腔室优选地被配置为产生与保护腔室外的正常压强相比的负压。这可以防止或延迟氧化层的形成。换句话说，保护腔室可以是真空腔室。替代地，保护腔室也可以填充保护气体。
26.为了进一步改善片堆叠体的片彼此之间的连接以及与接触元件的连接，该布置还可以包括钻孔装置，该钻孔装置被配置为产生连续延伸穿过待连接的片堆叠体的片的孔。优选地，孔垂直于片的平面延伸，因此平行于射出方向。然后可以将接触元件射入先前产生的孔中。
27.优选地，加速装置被配置为以大于200m/s，优选大于300m/s的速度射出接触元件。在某些情况下，也可以需要超过600m/s的速度。优选的速度范围在300和600m/s之间，20℃时的声速也在该范围内。
28.加速装置可以包括轨道炮或高斯炮。
29.轨道炮具有载流托架，其连接两条电线，即轨道。当电流流过线路和托架时，由于线路中产生的磁场和托架中的电流之间的相互作用，托架被洛仑兹力加速。托架可以支撑和加速接触元件或射弹。在加速路径的末端，接触元件或射弹可以从托架上脱离并朝工件位置的方向飞行。
30.在高斯炮(也称为线圈炮)中，接触元件和/或射弹可以由串联布置的一个或多个线圈磁性加速。这个原理类似于线性马达。
31.优选使用上述电磁加速装置之一，因为可以基于电流强度容易地控制接触元件的加速。此外，这些类型的加速装置通常可以重复使用。
32.该布置还可以具有用于接收多个接触元件或射弹的弹匣，该弹匣连接到加速装置。因此，接触元件可以被快速连续地供给到加速装置，并由加速装置加速。在接触元件的冲击之后，可以进行工件更换，或者可以移动布置在工件位置的工件。因此，若干接触元件可以一个接一个地射入相同或不同的工件中。
33.作为接触元件的电磁加速的替代例，也可以设置爆炸活塞或爆炸板，其中爆炸活塞或爆炸板在每种情况下都通过炸药的点燃来加速，并且该加速被传递到接触元件。
34.如上所述，射弹是特别优选的，所述射弹具有带切割部分和支撑部分的中心主体。
接触元件可以以套筒或环的形式布置在支撑部分上。在这种情况下，接触元件优选地具有比中心主体更大的外直径，至少在切割部分。
35.切割部分可被配置为在片堆叠体中切割开口，该开口的内直径小于接触元件的外直径。当接触元件穿透该开口时，接触元件因此被压入开口中。这种构造特别地可以与射弹被封闭之前在片堆叠体中产生的孔相结合。然后，射弹被射入这个孔中。
36.至少在接触元件或射弹被射入之前，该孔的内直径优选小于切割部分的外直径。因此，切割部分在穿透过程中加宽了孔。这允许孔的内壁与包含在其中的任何氧化层被分离。如果钻孔是在保护腔室的外部产生的，则这是有利的。在这种情况下，氧化层通常形成在内壁上。
37.在射弹被射入之前，孔的内直径优选比切割部分中的中心主体的外直径小5％至20％。切割部分中的中心主体的外直径又优选地比接触元件的外直径小5％至20％。
38.扩散焊接连接优选地由从动能转化而来的热量产生。如果需要，在射击之前或加速期间，可以通过加热元件将额外的热量引入接触元件。这消除了随后通过加热已经插入接触元件的片堆叠体来产生扩散焊接连接的需要。
39.优选地，接触元件永久地保留在片堆叠体中，而剩余的射弹，即中心主体，从复合体上分离。特别优选地，剩余的射弹，即中心主体，在其进入片堆叠体时已经分离。换句话说，接触元件保留在片堆叠体中，而剩余的射弹继续移动并在后侧离开片堆叠体。术语“后侧”是指片堆叠体的与接触元件首先冲击的一侧相对的一侧。替代地，中心主体也可以在单独的方法步骤中分离。为此，可以通过使用合适的工具，例如冲头，将中心主体从金属片复合体中推出或敲出。
40.根据本发明的金属片复合体的特征在于，它包括片堆叠体和至少一个接触元件，该至少一个接触元件将片导的至少一个子集导电地和机械地相互连接，其中接触元件被射入到堆叠体中。特别地，这是用根据本发明的布置和/或根据本发明的方法生产的金属片复合体。各个片优选地由铝制成。优选地，每个片都具有几毫米的厚度。例如1
±
0.5mm。通过接触元件相互连接的片堆叠体中的片的优选数量在3和6之间。然而，少于3片或多于6片也是可能的。这些片优选是电池模块的模块连接器的一部分，尤其是用于电动车辆的电池模块。当然，也可以使用具有其他功能的片。
41.下面，参照附图，通过优选实施例更详细地解释本发明。根据特定应用所需的根据本发明的布置的属性，在实施例中示例性示出的特征的组合可以由根据以上解释的进一步特征来补充。同样，根据上述解释，如果单独的特征的效果在特定应用中不重要，则所述特征可以从所描述的实施例中省略。在附图中，相同的附图标记总是用于相同功能和/或相同结构的元件。附图没有按比例绘制，并且仅用于说明本发明。
附图说明
42.在附图中：
43.图1示出了根据本发明的布置的示意图；
44.图2示出了在冲击片堆叠体之前的射弹的示意图；
45.图3示出了图2的射弹和片堆叠体的示意图，其中射弹部分地穿透；
46.图4示出了图2的片堆叠体以及被射入的图2的射弹的接触元件，它们一起形成复
合片；和
47.图5示出了用于射弹的中心主体的另一个优选实施例。
具体实施方式
48.下面，参照图1描述根据本发明的布置1。
49.布置1包括保护腔室3，该保护腔室3特别地可以是真空腔室5。也就是说，保护腔室3可以被配置为产生相对于腔室3外部的正常压强6的负压4。
50.在保护腔室3的内部存在工件位置7，工件9可以布置在该位置。工件位置7可以具有用于保持工件9的保持件或用于放置工件9的搁架。替代地或附加地，可以在工件位置7处设置砧或其他合适的元件，其可以吸收当接触元件冲击时出现的力。
51.工件9优选地是由多个片13一个在另一个之上布置而形成的片堆叠体11.替代地，工件9也可以是单个片、板或另一个刚性体。仅以示例的方式，参照作为工件9的片堆叠体11来描述实施例。
52.片13优选由铝15制成。片堆叠体11可以完全布置在保护腔室3的内部。替代地，也可以仅将片堆叠体11或工件9的一部分布置在保护腔室3的内部，而将另一部分布置在保护腔室3的外部。
53.装置1包括加速装置17。加速装置17用于加速接触元件19。接触元件19可以被加速装置17加速，并沿着射出方向21被射击。射出方向21优选指向工件位置7，使得接触元件19可以被射击到片堆叠体11中。接触元件19优选由铜20或含铜合金制成。
54.布置1还可以包括加热元件23，该加热元件23例如设置有至少一个感应线圈25，用于加热接触元件19。
55.此外，布置1可以包括钻孔装置27，该钻孔装置27被配置为在片堆叠体11中产生孔29。
56.加速装置17优选被配置为将接触元件加速到大于200m/s，特别优选大于300m/s。加速装置17优选包括用于加速的电磁系统。例如，加速装置17可以包括一个或多个线圈31，通过这一个或多个线圈31，接触元件19可以根据高斯炮的原理被加速。替代地或附加地，加速装置可以包括托架33(以虚线示出)，该托架33可以导电地连接到载流轨道35，使得当电流流过轨道35和托架33时，托架33可以以轨道炮的方式被加速。
57.通过加速装置17加速接触元件19的附加替代(未示出)可能性可以包括点燃炸药。例如，炸药的爆炸可以加速爆炸板或活塞，其将运动传递到接触元件19并使其在射出方向21上运动。
58.下面参考图2至图4。更详细地解释根据本发明的布置1以及射弹37、根据本发明的金属片复合体61和根据本发明的方法的更多细节。也参考图1。
59.首先，描述射弹37，其可以是布置1的一部分。图2以侧视图和沿着剖面线a-a的横截面示出了射弹37
60.接触元件19形成射弹37的子部分38。射弹37具有带切割部分41和支撑部分43的中心主体39。接触元件19布置在支撑部分43中。切割部分41在射出方向21上位于支撑部分43的前面。这意味着切割部分首先冲击片堆叠体11。
61.切割部分41被配置为切割片释放堆叠体11的片13的至少一部分。这将在下面进一
步讨论。中心主体39优选具有完全圆柱形的形状，即螺栓的形状。接触元件19优选地具有中空的圆柱体形状，并且被布置为在其支撑部分43处围绕中心主体39。这也导致射弹37的整体圆柱形形状。
62.换句话说，中心主体39以其支撑部分43被插入套筒形的接触元件19中。中心主体39和接触元件19一起形成复合体40。
63.中心主体39和接触元件19可以通过压配合连接，使得特别是在加速过程中，这两个部件不会意外分离。
64.中心主体39优选由铁氧体制成，特别是为了便于电磁加速。接触元件19优选由铜20制成，并且用于电连接和机械连接片堆叠体11的片13，片13优选由铝15制成。
65.中心主体的直径45，特别是切割部分41中的直径45，优选小于接触元件19的外直径47。切割部分41中的中心主体的直径45优选大于孔29的内直径49。
66.金属片堆叠体11可以设置有孔29，以准备连接到接触元件19。假设在产生孔29之后，片堆叠体11已经与氧气接触，则氧化层53将存在于孔29的内壁51上。通常，片13的表面也具有氧化层。但是，这些没有被示出。
67.下面描述制造扩散焊接连接的方法。
68.布置1优选用于执行该方法。
69.如上所述，孔29优选地首先在片堆叠体11中制造，以准备制造扩散焊接连接。孔29优选地垂直于由片堆叠体11的片13张成的片平面55延伸。孔29可以在保护腔室3内部或外部的片堆叠体11中制成。
70.在孔29的插入之后，片堆叠体11，特别是片堆叠体11的包括孔29的部分，被布置在保护腔室3中，使得射出方向21与孔29的轴线57重合。换句话说，加速装置17和片堆叠体11相对于彼此对准，使得接触元件19可以被射入孔29中。
71.在被加速装置17加速之前或期间，接触元件19可以被加热元件23加热。
72.然而，这不是绝对必要的。
73.在接触元件19被射入片堆叠体11之前，优选在保护腔室3中产生真空4。替代地，保护腔室3也可以填充保护气体，特别是惰性气体。
74.为了将接触元件19插入到片堆叠体11中，射弹37被加速装置17加速，并沿着射出方向21飞向片堆叠体11。这种情况如图2所示。
75.射弹37带着切割部分41向前飞向片堆叠体11。当它冲击片堆叠体11时，切割部分41切除片13围绕孔29的部分。在此过程中，孔29周围的氧化层也被切除。这将孔29扩大到切割部分41中的中心主体39的直径45。这在图3中示出。
76.其上布置有接触元件19的支撑部分43跟随切割部分41进入片堆叠体11。这进一步扩大了孔29的内直径。当射弹37被插入片堆叠体11中时，射弹37被减速。射弹37的动能由此被转换成热能。结果，射弹37变热。
77.优选地，孔29、中心主体39和接触元件19的尺寸，以及射弹37的速度和射弹37的加热(可以先前已经发生)被协调，使得接触元件19既穿透片堆叠体11直到它连接片堆叠体11的所有的片13，又具有足够的热能来与片堆叠体11的片13形成扩散焊接连接59。
78.扩散焊接连接在图4中用虚线区域表示。在该区域，接触元件19的原子已经扩散到片中，并且片13的原子已经扩散到接触元件19中。结果，接触元件19机械地且导电地连接到
片堆叠体11的片13。通过这种连接产生了金属片复合体61。
79.在完成的金属片复合体61中，不再需要中心主体39。因此，它可以再次从接触元件19上分离，并且优选地重复使用。在最简单的情况下，中心主体39具有足够的动能，以在冲击到片堆叠体11中时沿射出方向21离开片堆叠体11。换句话说，中心主体39继续飞行，而接触元件19保留在片堆叠体11中。替代地，在片复合体61已经产生之后，中心主体39可以从接触元件19机械地分离。为此，中心主体39可以例如用合适的工具，例如冲头(未示出)从接触元件19中压出。然后，中心主体39可以设置有新的接触元件19，并再次被射击到片堆叠体11中。
80.图5示出了用于射弹37的中心主体39的另一个优选实施例。为了更好地说明，在图5中还示出了套筒形的接触元件19。
81.第二实施例的中心主体39不具有连续的圆柱形状。取而代之的是，它在其指向射出方向21的端部63处设置有肩部65，这扩大了中心主体39的直径45。肩部65因此代表了中心主体39的横截面的扩大。
82.肩部65可以具有凸缘或环的形状。肩部65的区域中的中心主体39的直径45优选使得中心主体39不能穿透套筒形的接触元件19。结果，中心主体39上的接触元件19又不能被推到超出肩部65之外。因此，它至少在射出方向21上被肩部65可靠地保持。
83.因为肩部65可以至少在射出方向21上将接触元件19保持在中心主体39上，所以在中心主体39和接触元件19之间不需要额外的过盈配合。
84.附图标记
[0085]1ꢀꢀ
布置
[0086]3ꢀꢀ
保护腔室
[0087]4ꢀꢀ
负压
[0088]5ꢀꢀ
真空腔室
[0089]
6 正常压强
[0090]7ꢀꢀ
工件位置
[0091]9ꢀꢀ
工件
[0092]
11 片堆叠体
[0093]
13 片
[0094]
15 铝
[0095]
17 加速装置
[0096]
19 接触元件
[0097]
20 铜
[0098]
21 射出方向
[0099]
23 加热元件
[0100]
25 感应线圈
[0101]
27 钻孔装置
[0102]
29 孔
[0103]
31 线圈
[0104]
33 托架
[0105]
35 轨道
[0106]
37 射弹
[0107]
38 子部分
[0108]
39 中心主体
[0109]
40 复合体
[0110]
41 切割部分
[0111]
43 支撑部分
[0112]
45 中心主体的直径
[0113]
47 接触元件的外直径
[0114]
49 孔的内直径
[0115]
51 内壁
[0116]
53 氧化层
[0117]
55 片平面
[0118]
57 轴线
[0119]
59 扩散焊接连接
[0120]
61 片复合体
[0121]
63 中心主体的指向射出方向的端部
[0122]
65 肩部