專利名稱：扭轉(zhuǎn)超聲波焊接的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的主題涉及鋁絞線導(dǎo)體與連接部件的一種連接結(jié)構(gòu)，該連接結(jié)構(gòu)包括鋁絞 線導(dǎo)體的除去絕緣層的端部以及與鋁絞線導(dǎo)體的除去絕緣層的端部材料連接的金屬連接 部件。此外，本發(fā)明的主題還涉及一種用于形成這樣的連接結(jié)構(gòu)的方法以及這樣的連接結(jié) 構(gòu)的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
鋁絞線導(dǎo)體與連接部件(例如由銅或者其他非鐵金屬制成的電纜終端)的連接結(jié) 構(gòu)例如從EP 1 032 077 A2可知。在這種方法中，通過套筒產(chǎn)生接觸部件與導(dǎo)線之間的材 料焊接連接結(jié)構(gòu)，所述焊接連接結(jié)構(gòu)在位于焊接接頭中的鋁絞線導(dǎo)體的各股絞線之間基本 上沒有空氣夾雜。所述鋁絞線和鋁套筒在焊接區(qū)域形成了均勻、密封的焊接接頭，在該焊接 接頭中，基本上沒有電解質(zhì)會到達(dá)焊接連接結(jié)構(gòu)中并且由此避免了接觸腐蝕。從EP 1 032 077 A2已知的方法的缺點(diǎn)是，接合對必須是旋轉(zhuǎn)對稱的。這顯著地 限制了由現(xiàn)有技術(shù)已知的方法的應(yīng)用范圍，因?yàn)閷τ谛D(zhuǎn)摩擦焊接的應(yīng)用，接合對必須相 對地同軸地轉(zhuǎn)動，這決定了，接合對本身基本上是旋轉(zhuǎn)對稱的或者至少能夠可旋轉(zhuǎn)地夾緊 在旋轉(zhuǎn)摩擦焊接工具中。由于在旋轉(zhuǎn)摩擦焊接中的高的旋轉(zhuǎn)速度，在接合對的旋轉(zhuǎn)平面的 不對稱會導(dǎo)致可能對焊接過程造成不利影響的不平衡。此外，在旋轉(zhuǎn)摩擦焊接中不能對接 合對之間的軸角進(jìn)行調(diào)節(jié)。旋轉(zhuǎn)摩擦焊接工具的相對最終位置不能被精確確定，由此可能 產(chǎn)生接合對的相對軸向移動。這在工藝技術(shù)方面可能是不希望出現(xiàn)的。此外，摩擦焊接方 法的使用被局限于大于35mm2的橫截面。

發(fā)明內(nèi)容
由于這個原因，本發(fā)明的主題的目的在于，提供一種焊接方法，利用本方法，鋁絞 線導(dǎo)體可以與連接部件在沿軸向確定的位置中可靠地相互連接。本任務(wù)將具體通過鋁絞線導(dǎo)體與連接部件的一種連接結(jié)構(gòu)來解決，該連接結(jié)構(gòu)包 括鋁絞線導(dǎo)體的除去絕緣層的端部以及與鋁絞線導(dǎo)體的除去絕緣層的端部材料連接的金 屬連接部件，其中，鋁絞線導(dǎo)體的除去絕緣層的端部的端面通過扭轉(zhuǎn)超聲波焊接與連接部 件焊接。已被認(rèn)識到，通過超聲波焊接可形成結(jié)實(shí)的焊接連接結(jié)構(gòu)，同時可避免鋁絞線間的 空氣夾雜。接合對，即鋁絞線導(dǎo)體和連接部件在扭轉(zhuǎn)超聲波焊接中通過軸向的相對運(yùn)動而 相對運(yùn)動。接合對的相對扭轉(zhuǎn)運(yùn)動發(fā)生在超聲波范圍內(nèi)，例如以20kHz或更高的頻率。在 此，接合對以極小的振幅，例如10-100 μ m，優(yōu)選的是20-40 μ m或者說在0. 1°到0.5°之間 相對轉(zhuǎn)動。由于焊接能量通過接合對的扭轉(zhuǎn)振動而引入，所以焊接面不再必須是旋轉(zhuǎn)對稱 的。相反的，現(xiàn)在，接觸部件的各種不同的幾何結(jié)構(gòu)，如矩形、卵形或橢圓形，可以相互焊接。 唯一必須的是連接部件完全地覆蓋鋁絞線導(dǎo)體的鋁絞線的端面。由于在扭轉(zhuǎn)超聲波焊接 中，接觸部件也可以是板材彎曲部件，因此可以將在旋轉(zhuǎn)摩擦焊接中傳統(tǒng)使用的接觸部件， 例如昂貴的鍛造電纜終端，替換為有利的板材彎曲部件。
也可以在焊接區(qū)域中給連接部件配備浮雕結(jié)構(gòu)，這樣能將鋁導(dǎo)體焊接到接觸部件 上，使得浮雕區(qū)域中的焊珠圍繞著焊縫。例如可以通過深沖或者其他工藝提供一種盆形結(jié) 構(gòu)，其中，盆形結(jié)構(gòu)的直徑略大于鋁絞線導(dǎo)體的直徑，這樣焊珠在盆形結(jié)構(gòu)區(qū)域中凝固，特 別是在鋁絞線導(dǎo)體和盆形結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑之間的環(huán)形空間中凝固。根據(jù)一種有利的實(shí)施方式，包圍所述鋁絞線導(dǎo)體的除去絕緣層的端部的壓緊部件 將鋁絞線壓緊成一束。該壓緊能夠使得導(dǎo)線束中沒有空氣夾雜。在除去絕緣層后，可將鋁 絞線通過壓緊部件壓實(shí)。在此通過機(jī)械壓緊使絞線互相擠壓，從而減少或去除空穴。隨后， 可對鋁絞線導(dǎo)體的經(jīng)壓緊的端部通過切削方法進(jìn)行加工，以去除端面的氧化鋁。例如，可以 對端面進(jìn)行精銑，從而形成平坦的端面。也可以對端面進(jìn)行磨削。通過避免鋁絞線之間出現(xiàn)空穴，防止了焊縫區(qū)域中產(chǎn)生腐蝕。因?yàn)楸苊饬丝昭?，?焊縫區(qū)域中，可以類似于實(shí)心材料對鋁絞線導(dǎo)體進(jìn)行加工。根據(jù)一種有利的實(shí)施方式，壓緊部件可構(gòu)成為套筒或者接合卷曲件 (Splicecrimp)。在鋁絞線導(dǎo)體與連接部件焊接之前，可將套筒套到鋁絞線導(dǎo)體的除去絕緣 層的端部上并壓緊。接合卷曲件可以例如以這樣的方式形成，即，將一段例如由鋁或者鋁合 金制成的，例如具有1到1. 5mm壁厚的連續(xù)帶材定尺寸切斷，并將其安裝到鋁絞線導(dǎo)體位于 端側(cè)的除去絕緣層的端部上。在此，使扁平帶材圍繞絞線并壓緊，由此在鋁絞線導(dǎo)體的端面 上形成了一個結(jié)實(shí)的經(jīng)壓實(shí)的區(qū)域，所述區(qū)域適用于與接觸部件進(jìn)行端面焊接。由此可低 成本、快速且不復(fù)雜地形成靈活的連接結(jié)構(gòu)。用于鋁套筒以及復(fù)雜的加工，特別是將單個套 筒接合到導(dǎo)線上以及將帶套筒的導(dǎo)線定位在壓緊工具中的成本可以得到節(jié)省。所述扁平帶 材可以例如由連續(xù)帶材供給。頂鍛力既在超聲波焊接中產(chǎn)生也在旋轉(zhuǎn)摩擦焊接中產(chǎn)生。因?yàn)樵诔暡ê附又校?特別是在扭轉(zhuǎn)超聲波焊接中，頂鍛力比在旋轉(zhuǎn)摩擦焊接中明顯更小，所以可以以更小的壁 厚設(shè)計(jì)套筒或接合卷曲件的尺寸。在此，套筒或接合卷曲件的壁厚例如可以在0. 5到2mm 之間。接合卷曲件或套筒的軸向長度也可以比在旋轉(zhuǎn)摩擦焊接中更小。例如，可以使套筒 的長度小于5cm，優(yōu)選的是小于3cm，特別優(yōu)選的是小于1cm。這樣的軸向長度足以承受產(chǎn)生 的頂鍛力。在以后的焊接中可將鋁絞線導(dǎo)線夾緊在焊接工具的合適的支座中，所述支座承受 在焊接中產(chǎn)生的軸向力。在此，例如可將連接部件在焊接區(qū)域中安放到經(jīng)壓緊的鋁絞線導(dǎo) 線的端面上并通過超聲波焊頭(Sonotrode)對連接部件沿軸向朝著鋁絞線導(dǎo)體的方向加 載。在此，例如可以使在從超聲波焊頭到連接部件的連接面中存在高的接觸壓力或者強(qiáng)烈 的嚙合作用。由此超聲波焊頭的焊接運(yùn)動可傳遞到連接部件上，相反地，經(jīng)壓緊的鋁絞線導(dǎo) 線可以固定地夾緊在支座中。通過焊接對的相對運(yùn)動將能量以摩擦的形式被引入焊接平面 中，從而在施加壓力的條件下進(jìn)行連接部件與鋁絞線導(dǎo)線的焊接。根據(jù)一種有利的實(shí)施方式，壓緊部件為支座。焊接工具的支座可以以其能如前述 將鋁絞線壓緊并壓實(shí)的方式形成。在這種情況下，套筒或接合卷曲件的使用是多余的。同 樣地，超聲波焊接工具，特別是支座可以被用來實(shí)現(xiàn)鋁絞線導(dǎo)線的足夠高的緊密度。如前面已闡述的，根據(jù)一種有利的實(shí)施方式，鋁絞線導(dǎo)體的除去絕緣層的端部的 端面連同壓緊部件與連接部件之間的焊縫不含有空穴。根據(jù)一種有利的實(shí)施方式，壓緊部件可以由鋁或者鋁合金制成。特別地，壓緊部件
4可以是可塑性變形的，從而能實(shí)現(xiàn)鋁絞線導(dǎo)體的鋁絞線的足夠的緊密度。根據(jù)一種有利的實(shí)施方式，連接部件可以是扁形導(dǎo)體。這可以例如是延伸超過 30cm的扁形導(dǎo)體。扁形導(dǎo)體也可以是板材彎曲部件，該板材彎曲部件在一端與鋁絞線導(dǎo)線 相連接并且在另一端具有用于螺栓或螺釘?shù)娜菁{部。如前面已闡述的，在扭轉(zhuǎn)超聲波焊接中，接合對不再必須是旋轉(zhuǎn)對稱的。由于這個 原因，本發(fā)明建議，連接部件是L形扁形導(dǎo)體，其中，扁形導(dǎo)體的一個臂與鋁絞線導(dǎo)體相連 接。扁形導(dǎo)體可以例如由從卷材展開的帶件或者板件沖裁出。在沖裁時，可以例如直接形 成扁形導(dǎo)體。根據(jù)一種有利的實(shí)施方式，連接部件是圓形導(dǎo)體。兩根圓形導(dǎo)體之間的連接、鋁絞 線導(dǎo)體和另一個圓形導(dǎo)體之間的連接是可以具體實(shí)現(xiàn)的。圓形導(dǎo)體同樣可以是鋁絞線導(dǎo)體 或者是另一種例如由實(shí)心材料構(gòu)成的圓形導(dǎo)體。圓形導(dǎo)體也可以是連接螺栓。本發(fā)明建議，圓形導(dǎo)體與鋁絞線導(dǎo)體對接。在這里，可以將圓形導(dǎo)體例如夾緊到超 聲波焊頭中，而將鋁絞線導(dǎo)體夾緊到支座中。超聲波焊頭朝著支座的方向運(yùn)動，并且在鋁絞 線導(dǎo)體和圓形導(dǎo)體之間產(chǎn)生接觸壓力，該接觸壓力與接合對在超聲波范圍內(nèi)的相對扭轉(zhuǎn)運(yùn) 動共同引起了足夠大的能量輸入。本發(fā)明的另一方面是一種用于形成鋁絞線導(dǎo)體與連接部件的連接結(jié)構(gòu)的方法，該 方法包括將鋁絞線導(dǎo)體的端部除去絕緣層，以及將鋁絞線導(dǎo)體的除去絕緣層的端部與金屬 連接部件材料連接，該方法的特征在于，鋁絞線導(dǎo)體的除去絕緣層的端部的端面通過扭轉(zhuǎn) 超聲波焊接與金屬連接部件焊接。本發(fā)明的另一方面是前面描述的連接結(jié)構(gòu)在機(jī)動車輛電源電纜，特別是電池電纜 中的應(yīng)用。下面將借助示出實(shí)施例的附圖對本發(fā)明的主題進(jìn)行詳細(xì)闡述。


在附圖中圖1示出了鋁絞線導(dǎo)體與扁形導(dǎo)體的第一種可能的焊接連接結(jié)構(gòu)；圖2示出了鋁絞線導(dǎo)體與圓形導(dǎo)體的第二種可能的焊接連接結(jié)構(gòu)；圖3示出了扭轉(zhuǎn)超聲波焊接工藝的示意圖；圖4示出了連接部件的視圖；圖5示出了根據(jù)一種實(shí)施例的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式圖1示出了帶除去絕緣層的端部4的鋁絞線導(dǎo)體2。在除去絕緣層的端部4上可 看到鋁絞線6。此外，在圖1中還示出了壓緊部件8以及L形連接板10。在圖1中示出的 鋁絞線導(dǎo)體2在其除去絕緣層的端部4上通過套筒8壓緊，使得鋁絞線6被壓實(shí)，從而基本 上去除了鋁絞線6之間的空氣夾雜。鋁絞線導(dǎo)體2的經(jīng)這樣壓實(shí)的端面通過例如切削方法 去除氧化鋁。緊接其后，將除去絕緣層的端部4連同套筒8夾緊到超聲波焊接工具的支座 中。超聲波焊頭在遠(yuǎn)離除去絕緣層的端部的一側(cè)上設(shè)置在連接板10上，并且與連接板10 固定連接。隨后，將連接板10壓向鋁絞線導(dǎo)體2的除去絕緣層的端部4。在扭轉(zhuǎn)超聲波焊接期間，鋁絞線導(dǎo)體2相對于連接板10在軸向上轉(zhuǎn)動，或相反情況。轉(zhuǎn)動運(yùn)動幅度極小并 且具有小于Imm的偏轉(zhuǎn)。相對轉(zhuǎn)動運(yùn)動在超聲波范圍內(nèi)，也就是說，接合對以高于10kHz，例 如20kHz的頻率相對運(yùn)動。如果在板材彎曲部件中形成凹槽的話(未示出)，則形成的焊珠 8a就可以例如容納在板材彎曲部件10中。通過扭轉(zhuǎn)超聲波焊接，可實(shí)現(xiàn)以更短的周期，例如，在1. 5秒或者更短，例如1. 2秒 的焊接時間下將非旋轉(zhuǎn)對稱的接合對彼此焊接。接合對的軸向相對最終位置可通過扭轉(zhuǎn)超 聲波焊接來確定。圖2示出了將鋁絞線導(dǎo)體2與圓形導(dǎo)體12焊接的另一種可能方案。在此，例如，壓 緊部件8可以為接合卷曲件，而圓形導(dǎo)體12同樣地可以是鋁絞線導(dǎo)體。壓緊部件8也可以 是焊接工具的支座。壓緊部件14可以是例如套筒或者超聲波焊接工具的超聲波焊頭。焊 珠8a在接合對之間形成。通過借助壓緊部件8、14的壓緊基本上去除了絞線6之間的空氣 夾雜。圖3示意地示出了如圖1的接合過程。由圖可見，鋁絞線導(dǎo)體2在其除去絕緣層 的端部4上通過套筒8壓緊。該套筒8被套到除去絕緣層的端部4上，并且壓緊鋁絞線導(dǎo) 體2的絞線6，由此使絞線被壓實(shí)且不含有空氣夾雜。鋁套筒8可具有例如小于2mm的壁 厚。此外，鋁套筒8可以例如短于5cm，優(yōu)選的是短于3cm，因?yàn)橥ㄟ^扭轉(zhuǎn)超聲波焊接引入的 頂鍛力比在旋轉(zhuǎn)摩擦焊接的情況下更小。如圖3中所示，套筒8夾緊在支座16中。支座16 同樣可以用作壓緊部件(未示出)。支座16在軸向和徑向上均被固定。板材彎曲部件10設(shè)置在超聲波焊頭18上。超聲波焊頭18沿方向20將板材彎曲 部件10壓向鋁套筒8。此外，超聲波焊頭18沿方向20以小的偏移執(zhí)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而板 材彎曲部件10相對于套筒8相對運(yùn)動。為將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動從超聲波焊頭18傳遞到板材彎曲部 件10上，超聲波焊頭18牢固地壓在板材彎曲部件10上，也可以例如夾緊在板材彎曲部件 周圍。在接合期間，通過沿方向22的相對運(yùn)動將能量引入板材彎曲部件10和套筒8之間 的接合位置中，從而將那里的金屬加熱并形成焊縫。在這里，溫度可以低于金屬接合對的熔 化溫度。接合對即鋁套筒8和板材彎曲部件10的軸向相對定位在扭轉(zhuǎn)超聲波焊接的情況 是可確定的。圖4示出了板材彎曲部件10。彎曲板部件10是L形的并且在一個臂上具有用于 容納螺栓或螺釘?shù)目?2?？?2可由鍍錫的墊片或螺紋面24包圍。板材彎曲部件的第二個 臂在一側(cè)26上具有用于超聲波焊頭18的作用面，通過所述作用面，軸向運(yùn)動可以沿方向22 被引入板材彎曲部件10中。板材彎曲部件10的另一側(cè)28可以不含錫，由此可得到良好的 焊縫。第一側(cè)26對于超聲波焊頭20是可及的，由此可將板材彎曲部件10壓向套筒8。圖5示意地示出了具體方法的流程圖。在第一步驟30中，可從卷材中展開一段連 續(xù)的鋁帶并將其供給到接合卷曲工具(Splicecrimpwerkzeug)中。為此，在一個工序中將 鋁帶切斷，使其圍繞鋁絞線導(dǎo)體的絞線成形并將其壓緊。由此鋁絞線導(dǎo)體的鋁絞線被壓實(shí) 且防止出現(xiàn)空穴。這可在步驟32中進(jìn)行。在步驟34中，將通過壓緊部件壓緊的除去絕緣層 的端部夾緊在支座中。在步驟36中，將L形的板材彎曲部件引到超聲波焊頭上，并且超聲 波焊頭將板材彎曲部件壓向鋁絞線導(dǎo)體的端面和壓緊部件。在步驟38中，通過超聲波焊頭 不僅將沿軸向朝著鋁絞線導(dǎo)體方向的力并且也將扭轉(zhuǎn)運(yùn)動引入板材彎曲部件中。由此，板 材彎曲部件相對于鋁絞線導(dǎo)體的除去絕緣層的端部相對運(yùn)動，并產(chǎn)生了足夠的焊接能量。
如此產(chǎn)生的焊接連接結(jié)構(gòu)具有接合對的沿軸向確定的相對位置并且能以低成本 形成。
權(quán)利要求
鋁絞線導(dǎo)體與連接部件的連接結(jié)構(gòu)，包括 鋁絞線導(dǎo)體(2)的除去絕緣層的端部(4)，以及 與鋁絞線導(dǎo)體(2)的除去絕緣層的端部(4)材料連接的金屬連接部件(10)，其特征在于， 鋁絞線導(dǎo)體(2)的除去絕緣層的端部(4)的端面通過扭轉(zhuǎn)超聲波焊接與所述連接部件(10)焊接。
2.按照權(quán)利要求1所述的連接結(jié)構(gòu)，其特征在于，包圍鋁絞線導(dǎo)體(2)的除去絕緣層的 端部(4)的壓緊部件(8)將鋁絞線(6)壓緊成一束。
3.按照權(quán)利要求2所述的連接結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述壓緊部件(8)使所述鋁絞線導(dǎo)體 (2)的絞線(6)在壓緊部件(8)的區(qū)域中沒有空穴地互相緊貼。
4.按照權(quán)利要求2所述的連接結(jié)構(gòu)，其特征在于，鋁絞線導(dǎo)體(2)的除去絕緣層端部 (4)的端面連同壓緊部件(8)通過扭轉(zhuǎn)超聲波焊接與所述連接部件(10)焊接。
5.按照權(quán)利要求2所述的連接結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述壓緊部件(8)是套筒或者接合卷 曲件。
6.按照權(quán)利要求5所述的連接結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述套筒或者接合卷曲件用于吸收 扭轉(zhuǎn)超聲波焊接工具(18)的頂鍛力。
7.按照權(quán)利要求2所述的連接結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述壓緊部件(8)是扭轉(zhuǎn)超聲波焊接 工具(18)的支座。
8.按照權(quán)利要求1至6所述的連接結(jié)構(gòu)，其特征在于，鋁絞線導(dǎo)體(2)的除去絕緣層的 端部(4)的端面連同壓緊部件(8)與連接部件(10)之間的焊縫(8a)沒有空穴。
9.按照上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的連接結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述壓緊部件(8)由 鋁或鋁合金制成。
10.按照上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的連接結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述連接部件(10) 是扁形導(dǎo)體。
11.按照上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的連接結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述連接部件(10) 是L形的扁形導(dǎo)體，其中，所述扁形導(dǎo)體的一個臂與鋁絞線導(dǎo)體(2)相連接。
12.按照上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的連接結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述連接部件(10) 是圓形導(dǎo)體。
13.按照權(quán)利要求11所述的連接結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述鋁絞線導(dǎo)體(2)與圓形導(dǎo)體對接。
14.用于形成鋁絞線導(dǎo)體與連接部件的連接結(jié)構(gòu)的方法，包括_將鋁絞線導(dǎo)體(2)的一個端部除去絕緣層，以及_將鋁絞線導(dǎo)體(2)的除去絕緣層的端部(4)與金屬連接部件(10)材料連接，其特征在于，-鋁絞線導(dǎo)體(2)的除去絕緣層的端部(4)的端面通過扭轉(zhuǎn)超聲波焊接與金屬連接部 件(10)焊接。
15.按照權(quán)利要求1所述的連接結(jié)構(gòu)在機(jī)動車輛電源電纜，特別是電池電纜中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及鋁絞線導(dǎo)體(2)與連接部件(10)的一種連接結(jié)構(gòu)，該連接結(jié)構(gòu)包括鋁絞線導(dǎo)體(2)的除去絕緣層的端部(4)以及與鋁絞線導(dǎo)體(2)的除去絕緣層的端部(4)材料連接的金屬連接部件(10)。一種低成本的焊接連接結(jié)構(gòu)可通過以下方式形成，即，所述鋁絞線導(dǎo)體(2)的除去絕緣層的端部(4)的端面通過扭轉(zhuǎn)超聲波焊接與所述連接部件(10)焊接。
文檔編號B23K20/10GK101925434SQ200980103038
公開日2010年12月22日 申請日期2009年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月28日
發(fā)明者塞巴斯第安·馬騰斯, 弗朗茨-約瑟夫·利策, 馬丁·施洛姆斯 申請人:自動電纜管理有限責(zé)任公司