[发明专利]用于振动焊接工艺的加热设备及其使用方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年1月29日提交的美国临时专利申请No.61/299,403和2010年7月9日提交的美国临时专利申请No.61/362,942的权益，所述临时申请的全部内容在此通过引用并入本申请中。

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。在将振动引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）用于将能量引导至工件的界面处。

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100℃-300℃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引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. 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