超声波焊接工艺中工具粘附的消除

摘要

一种焊接组件，包括超声焊极，清理台，和控制器。控制器周期性地命令超声焊极夹持在清理块上，并且在校准的持续时间内将超声波能量传递到清理块中，用于从超声焊极的焊接垫移除剩余量的金属。清理块可包括覆盖有聚合物材料例如多孔性的聚乙烯硅石或氧化铝合成物的铝棒。抗粘附材料的牺牲层，例如，胶体氧化硅，可周期性地施加到焊接垫，特别地在从焊接第一金属到焊接第二金属的过渡之后。牺牲层可经由海绵、饱和表面、或喷射来施加。

说明书

技术领域

本公开内容涉及超声波焊接工艺中工具粘附的消除。

背景技术

在超声波焊接工艺中，金属或塑料工件在焊炬/超声焊极(sonotrode)和 砧座之间被夹持(clamped)在一起。这两个焊接工具包括牢固地抓紧(grip) 夹持工件的压花的(knurled)焊接垫。响应于来自超声焊极的振动能的沿着 工件的分界面的摩擦最终产生大量的热量。产生的热量最终产生焊点或焊 缝。夹持力的移除允许焊接垫从所述工件分开并释放。然而，有时焊接垫会 粘附到工件的表面。取决于粘附的严重程度，焊接质量和工艺效率会受到影 响。

发明内容

本文公开了一种焊接系统，该焊接系统提供了两个主结构，用于使用胶 体氧化硅或其他合适的材料来降低表面粘附，即，表面剩余物在焊接工具上 的机械移除/消除，以及例如在铜和铝之间的不希望的化学反应的降低/消除。 在特定的实施例中，焊接系统包括具有多个焊接垫的焊炬或超声焊极。焊接 系统还包括与超声焊极通信的清理块和控制器。控制器被编程以周期性地命 令将超声焊极夹持在清理块上，以及在足以用于从焊接垫的表面移除剩余量 的金属的校准的持续时间内将超声波能量传递到清理块中。

控制器可被编程以计算焊接循环的数目，并且周期性地命令在校准数目 的这样的焊接循环之后将超声焊极夹持在清理块上。

在可能的实施例中，清理块可包括铝或其他的金属棒和聚合体的表面材 料，例如多孔性的聚乙烯硅石或多孔性的聚乙烯氧化铝合成物，其可层叠在 铝棒上。

可选择的施加台可用于施加抗粘附材料例如胶体氧化硅的薄的牺牲层， 到焊接垫。在这样的实施例中，控制器可被编程以检测从焊接第一金属的金 属工件到焊接不同的第二金属的金属工件的过渡，第二金属不同于第一金属 并且与第一金属是反应性的。一个这样的示例性的金属对是铝和铜。

控制器在检测到所述过渡时使超声焊极运动到施加台，并且命令抗粘附 材料施加到焊接垫作为牺牲层。而且，控制器命令超声焊极从施加台运动到 第二金属工件，以及此后命令超声焊极以校准的频率在一足以形成焊接部在 第二金属的工件上的持续时间内振动。

施加台可包括充满着抗粘附材料的海绵状物。在这样的实施例中，控制 器可被编程以通过命令施加足以使焊接垫与饱和的海绵状物直接接触的力 到超声焊极来命令抗粘附材料施加到焊接垫。

在替代的选择中，施加台可包括与流体泵流体连通的喷嘴，在该情况下， 控制器通过命令抗粘附材料经由流体泵循环到喷嘴来命令抗粘附材料施加 到焊接垫。

优选地，施加台包括覆盖有所述抗粘附材料的实心块或基质(matrix)， 并且其中所述控制器通过命令施加足以使所述焊接垫与所述实心块或基质 进行接触的力到所述超声焊极来将所述抗粘附材料施加到所述焊接垫。

优选地，第一金属是铜、并且所述第二金属是铝。

还公开了一种用于降低在超声波焊接系统中的工具粘附的方法，所述超 声波焊接系统具有带多个焊接垫的超声焊极，清理块以及控制器，所述方法 包括：经由控制器确定焊接循环的阈值数目的完成；经由控制器，响应于所 述焊接循环的阈值数目的完成，命令所述超声焊极夹持在所述清理块上；并 且在足以从焊接垫移除剩余量的预定金属的校准的持续时间内将超声波能 量从所夹持的超声焊极传递到所述清理块中。

优选地，命令所述超声焊极夹持在所述清理块上包括命令所述超声焊极 夹持在层叠有聚合物材料的铝棒上。

优选地，所述聚合物材料是多孔性的聚乙烯硅石或多孔性的聚乙烯氧化 铝。

优选地，所述焊接系统包括施加台，该施加台是可操作的，用于施加抗 粘附材料的牺牲层，所述方法还包括：检测从焊接第一金属的工件到第二金 属的工件的过渡，其中所述第二金属不同于第一金属且与该第一金属是反应 性的；在检测到所述过渡时命令所述超声焊极运动到所述施加台；施加抗粘 附材料到焊接垫作为牺牲层；命令所述超声焊极从施加台运动到第二金属工 件；并且命令所述超声焊极以校准的频率在足以形成焊接部在第二金属的工 件上的持续时间内的振动。

优选地，抗粘附材料包括胶体氧化硅。

优选地，施加台包括充满着抗粘附材料的海绵状物，并且其中施加抗粘 附材料包括施加足以使所述焊接垫与所述海绵状物进行接触的力到所述超 声焊极。

优选地，施加台包括与流体泵流体连通的喷嘴，以及其中施加抗粘附材 料包括命令抗粘附材料经由流体泵循环到喷嘴。

优选地，施加台包括覆盖有抗粘附材料的实心块或基质，以及其中所述 控制器通过命令施加足以使所述焊接垫与所述实心块或基质进行接触的力 到所述超声焊极来施加所述抗粘附材料到所述焊接垫。

优选地，第一金属是铜、并且所述第二金属是铝。本公开内容的以上特 征和优点及其他特征和优点从以下当与附图结合考虑的详细描述是容易显 而易见的。

附图说明

图1是具有带有如本文所述的牺牲层的超声焊极的示例性振动焊接系统 的示意性的侧视图；

图1A是用于图1所示的振动焊接系统中的可选择的喷射类型的施加台 的示意图；

图2是示例性的电池组模块的示意性的透视的侧视图，该示例性的电池 组模块具有金属调整片并互连经由图1的振动焊接系统可结合在一起的不同 材料的构件；

图3是描述用于经由图1所示的振动焊接系统形成焊接的示例性方法的 流程图。

具体实施方式

参照附图，其中相同的附图标记指代相同的部件，并且从图1开始，焊 接系统10示意性地示出在图1中。焊接系统10使用焊接组件12，即，为焊 炬/超声焊极14和砧座16形式的焊接工具，以焊接在图1的右下部处示出的 一组工件40。工件40本文被描述并且在图2中作为示例性电池组模块的一 部分。然而，其他的金属工件40可经由焊接系统10焊接而没有背离预期的 发明范围。

如在此所描述的焊接系统10用来用超声波焊接工件40，以周期性地清 理相应的超声焊极14和砧座16的压花焊接垫21和/或23，并且在工艺中可 选地施加一薄的牺牲层17到焊接垫21和/或23的表面以便减少或消除到工 件40的表面粘附。这样的表面粘附可不利地影响组合焊接的质量，和/或可 影响工艺效率，如上所述的。例如，当超声焊极14的压花的或有纹理的焊 接垫21或砧座16的焊接垫23粘附到工件40时，额外的步骤通常需要来释 放工件40。在一些情况下，额外的力被施加到超声焊极14或工件40，其反 过来会划痕于焊接的外表和/或使工件40变形。本发明由此设法减少或消除 这样的工具粘附的情况或严重程度。用于焊接工件40的示例性方法100在 下面参考图3被更详细地描述。

图1所示的焊接系统可包括焊接控制器20，其可以电连接到50–60赫兹 墙上插座或其他的合适的电源(未示出)。焊接控制器20可包括，例如， 电压整流器，变压器，功率变换器(inverter)，和/或共同地将电源功率(无 论它的形式如何)转换成合适的周期信号的其他硬件。在超声波焊接中，例 如，这样的周期信号具有大约20-40千赫的频率，但该范围可随着特定的 焊接应用而变化。

焊接系统10还可包括转换器(converter)22，该转换器具有响应所述控 制信号足以产生超声焊极14的机械振动的机械结构。焊接垫21每个都具有 足够的带纹理的压花图案，该压花图案适合于每当工件40通过校准 (calibrated)的夹持力在超声焊极14和砧座16之间被夹持在一起时抓紧和 保持工件40。砧座16典型地包括具有与焊接垫21类似的压花图案的焊接垫 23。增幅器18，即，放大器，典型地用来根据需要增加任何从焊接控制器 20命令的机械振动的振幅。

焊接系统10还可包括主控制器(C)25，其与焊接控制器20通信，或 与焊接控制器20集成。主控制器25可以实施为具有处理器P和存储器M 的计算装置。一些存储器M是有形的和非短暂的，例如光学或磁性介质。 存储器M还可包括随机存取存储器(RAM)和电可擦可编程只读存储器 (EEPROM)。控制器25还包括高速的时钟，模拟-数字(A/D)和数字-模 拟(D/A)电路，输入/输出电路和器件，以及信号调节和缓冲电路。常驻在 控制器25中或者从而可访问的任何算法或计算机可执行编码，包括用于执 行图3的方法100所需要的任何编码或指令，可储存在存储器M中并且由 处理器P自动地执行以用超声波焊接工件40，如下所解释的。还如下所解 释的，位置传感器35可用来测量超声焊极14的位置，测量的位置(箭头 P₁₄)被传送到控制器25作为一信号，作为方法100的一部分。

本文定位成，工具粘附主要根源在于剩余的金属材料在焊接垫21上的 反应性。在一个示例性的铜-铝实施例中，例如，给焊接垫21施加牺牲层17 或者在铝工件的任何焊接之前并且在焊接铜工件之后立即清理焊接垫21可 降低粘附。该方法可扩展到其他的不同材料对的焊接，如本领域内的普通技 术人员将容易认识到的。为了说明一致，铜和铝在下文中将被描述示例性的 金属，而不限制图1的焊接系统10到这样的金属的焊接。

图1的焊接系统10可包括清理台60，示意性地示出在图1的左侧，清 理台60具有安装或固定到基座64的清理块62。在各个实施例中，清理块 62可例如由实心板，棒，或铝块，或者铝、硅聚合物、硅石、陶瓷、玻璃纤 维、金属回丝、制作垫、打砂垫、碳纤维等的合成物，构造而成。用作清理 块62的材料应当足够可延展的以便不磨蚀焊接垫21，23同时还对来自于超 声焊极14和砧座16的损坏保持充分地弹性。清理块62可覆盖有清理层63。 例如，清理层63可施加，附连或层叠到清理块62以形成促进清理动作的清 理垫。例如，在示例性的实施例中，聚合物材料例如多孔性的聚乙烯硅石或 多孔性的聚乙烯氧化铝可作为清理层63被直接地层叠在铝棒上。在焊接垫 21和/或23上的污染物，金属残余物，或灰尘由此被俘获在清理层63中， 其反过来降低了粘附。

图1的主控制器25可编程以经由控制信号(箭头11)周期性地命令超 声焊极14到清理块62的运动，并且命令来自于超声焊极14的超声波能量 传递到清理块62从而从焊接垫21移除剩余量的金属。控制器25可计算焊 接循环的数目并且周期性地，例如每个校准数目的焊接循环一次地，命令焊 接构件12运动到清理台60，如双头箭头C所示的。控制器25能因此命令 超声焊极14和砧座16夹持在清理块62上，如双头箭头A所示的。

为了实现这样的运动，焊接组件12可装备有对位置控制命令作出反应 的线性的和/或旋转的促动器(未示出)，如现有技术中已知的。一旦被稳固 地夹持，主控制器25可命令超声波焊接能经由超声焊极14在校准的持续时 间内传递，以使得超声波焊接能从超声焊极14直接地进入到清理块62中。 该动作是用来移除，经由通过清理块62的周期性的轻轻的磨蚀，在超声焊 极14上出现的任何剩余的铜或其他金属材料。

在非限制性的实施例中，可选择的牺牲层17可在从一个类型的金属材 料例如铜的焊接切换到另一金属例如铝的焊接时在工艺中施加到超声焊极 14的焊接垫21。牺牲层17的施加可经由自动的或手动的喷射，如下面参照 图1A所述的，或者替代地通过拭抹、辊动、绵吸、压印等。如本文详述的 牺牲层17的使用能使单个超声焊极14在当焊接不同类型的金属时得以使 用。典型地，不同类的金属的超声波焊接需要使用两个不同的超声焊极14 以避免不希望的工具粘附。例如，一个超声焊极14可用来焊接铜工件，例 如如图2所示的电池的调整片，以及不同的超声焊极14可用来焊接所有的 铝工件。在该例子中用来焊接铝工件的超声焊极14，如果首先用来焊接铜工 件，可具有粘附到铝工件的倾向性。

作为方法100的一部分，图1的超声焊极14的焊接垫21可在工艺中用 牺牲层17处理。为牺牲层17所选择的具体材料取决于正在焊接的不同的金 属。例如，工件40可包括伸长的、马蹄形的铝的互连构件，该互连构件在 示例性的实施例中具有底板41、铜电池(cell)调整片42，以及铝电池调整 片44。电池组模块被示出以指示这样的电池调整片42和44是罩在电池组壳 体(未示出)内的电池组电池的电极伸出部。当铜和铝是工件40的材料时， 胶体氧化硅可用作牺牲层17。该特殊的材料在降低剩余铜和铝工件的反应性 到低于校准的粘附阈值的水平是有效的。其他的材料可被使用，假如它们同 样充分地降低正在使用的两个金属的反应性。

如上所述的主控制器25命令，例如，经由传送控制信号(箭头11)到 焊接控制器20并最终通过合适的网络通路到焊接组件12的驱动系统12D， 焊接组件12到工件40的运动，这样的运动由图1的右上方的双头箭头B所 示。超声焊极14夹持到砧座16，如双头箭头A所示的。在图1所示的位置 中，超声焊极14被夹持到施加台50处的施加器30。在该位置，超声焊极 14的焊接垫21，其邻近施加器30，响应于控制信号(箭头11)被临时地且 轻轻地压到施加器30。

在可能的设计中的施加器30可实施为海绵或其他的吸收性材料，该海 绵或其他的吸收性材料被用为水形式的预定抗粘附材料33进行预先润湿， 其最终形成牺牲层17。例如，储存器32可被提供为包含为凝胶或液体形式 的抗粘附材料33。在该实施例中的施加器30可以是任何湿气保持结构，其 能够从储存器32例如经由吸力或通过毛细管作用吸取抗粘附材料33，从而 保持施加器30的足够的饱和度，用于润湿焊接垫21。替代地，储存器32 可被省去，施加器30可用预定的抗粘附材料33周期性地浸泡到合适的程度。

其他的实施例可被预想到，例如软的组合层的或多层的相同或相似的抗 粘附材料33的干膜。也就是说，施加台可包括覆盖有抗粘附材料33的实心 块或基质。控制器25可通过命令施加到超声焊极14的力足以使焊接垫21 与这样的实心块或基质进行接触来命令抗粘附材料33施加到焊接垫21。

通过例子，抗粘附材料33可首先以水形式施加到实心块或基质然后允 许干燥。具有粗糙表面的铝块可用作基座，抗粘附材料33施加到该基座。 块或基质可以是适合于保持牺牲层17以使得牺牲层17不容易在很少使用时 剥落的任何材料。

替代实心块或基质，预定的抗粘附材料33可被施加到多孔性材料例如 金属的或聚合体的开口泡沫或具有相同效果的纤维构造的材料。在这些实施 例中的任一个中，施加台50会位于超声焊极14的范围内以允许周期性地再 施加牺牲层17到焊接垫21或焊接系统10的其他合适的部分，或可选择地 到工件40。

暂时参照图1A，图1的施加台50可构造作为替代的施加台150。在这 样的实施例中，小的流体泵36可从储存器32吸取抗粘附材料33并且循环 抗粘附材料33到喷嘴38。由流体泵36提供的压力引起抗粘附材料33以浓 缩喷射图案39形式排出到超声焊极14的焊接垫21上。喷嘴38可被配置为 仅在焊接的区域上放出细的喷射以便最小化过度喷喷射。参照图1和2，在 示例性的实施例中，工件40可包括具有相反的电荷的电池调整片42和44 的并联蓄电池组模块的一部分。例如电池调整片44可由铝构造而成并且可 提供阴极或正的调整片，而铜的电池调整片42可提供阳极或负的调整片。 一对电池调整片42，44可位于典型地由铜构造而成的伸长的、U形的互连 构件49的相应的侧面上。为了说明的简单性，仅示例性的电池组模块的一 部分被示出，然而，电池组模块总体上可包括并排布置成一排或多排的延伸 系列的互连构件49，每个互连构件具有底板41和平行的侧壁43。

每个互连构件49结合相邻的电池组电池的相反电荷的电池调整片42， 44，电池调整片42，44形成给定的电池组电池的单独的电极伸出部。每个 电池调整片42，44从内部焊接，在电池组模块的互连板29下方，即，电池 组模块的塑料或金属的壳体，到包括特殊电池组电池的各个阳极或阴极，如 本领域内的技术人员更好地理解到的。

当图1的焊接组件12运动跨过工件40时，主控制器25会命令仅铜调 整片即电池调整片42焊接到互连构件49以形成铜焊接部47，例如，如图1 所示的每个侧壁43两个。该工艺可留下剩余量的铜在超声焊极14的焊接垫 21上，如上所解释的，其反过来可当切换到铝焊接部144的焊接时与电池调 整片44的铝反应。在从铜焊接部47的焊接转移时牺牲层17到焊接垫21的 施加因此用来降低在铝焊接部144的区域内超声焊极14到工件40的任何粘 附的严重程度。尽管可选择的附加的牺牲层170可直接地施加到电池调整片 44，如图2所示的，焊接垫21的覆层足以降低反应性。附加的牺牲层170 可被用于一些实施例中而没有也为焊接垫21提供牺牲层17。

通过例子，在焊接一系列的铜焊接部47之后，大约35μg的剩余铜会保 持在还没有被提供如上所述的牺牲层17的给定的焊接垫21上。这可经由抗 粘附材料33的薄覆层降低至少50％，不管这样的材料是否被允许在焊接时 干燥或保持湿的。剩余铜降低到16μg与较低情况的粘附有关，再次使用铜- 铝例子。牺牲层17的施加会发生在到不相似的金属的过渡处，例如，从铜 焊接到铝焊接的过渡处，与通过铝电池调整片44的每个焊接部相反，为了 工艺效率。示例性的方法100现在将参照图3进行描述。

根据示例性的实施例的方法100从步骤102开始，其中图1的主控制器 25命令超声焊极14运动到工件40以开始振动焊接工艺。方法100然后进行 到步骤104。

在步骤104处，主控制器25经由控制信号(箭头11)命令第一金属例 如铜的一组工件(WP1)的焊接。方法100进行到步骤106，第一类型的金 属的每个焊接完成，其中主控制器25确定是否更多的相同金属类型的电池 调整片留待焊接。例如，如果工件40以具有十六个互连构件49的电池组模 块的形式使用，那么主控制器25确定是否所有的互连构件49已经被焊接到 由相同类型的金属构造的电池调整片。

替代地，焊接系统10可包括在图1中示出的传感器35，即，测量超声 焊极14的位置并将测量到的位置传送到主控制器25作为位置信号(箭头 P₁₄)的位置传感器。在这样的实施例中，主控制器25可编程以比较位置信 号(箭头P₁₄)的值与工件40属于的电池组模块的已知的最后焊接位置，以 检测第一金属本文为铜的焊接工件40到第二金属例如铝的焊接工件的过渡， 其中一旦再次第二金属不同于第一金属且与该第一金属是反应性的。步骤 104和106重复直到所有的相同的第一金属的工件40被焊接，然后进行到可 选择的步骤108。

步骤108需要使超声焊极14运动到施加台50，例如，经由控制信号(箭 头11)到驱动系统12D的传送。一旦适当地定位在施加台50处，可通过传 感焊接组件12的位置并经由本领域内众所周知的闭环控制来控制该位置得 以确定的状况，方法100进行到步骤110。

可选择的步骤110需要施加抗粘附材料33到焊接垫21。在各个实施例 中的步骤110可包括命令超声焊极14压靠预先润湿的施加器30，如上所解 释的，或者直接地喷射抗粘附材料33到焊接垫21上，如图1A所示的。替 代地，抗粘附材料33可替换为固体层，例如附连到泡沫块的薄片的相同类 型的材料，或者俘获在纤维网状网络中的粉末覆层，为了相同的效果。一旦 焊接垫21已经被涂覆或者以其他方式设置有用来形成牺牲层17的抗粘附材 料33，控制器25可使计数器增加。方法100然后进行到步骤112。

在步骤112处，超声焊极14焊接第二材料例如铝的工件(WP2)。第二 金属不同于步骤104的第一金属，第一金属在某种程度上与第二金属是反应 性。步骤112继续直到所有的第二金属的工件40被焊接到互连构件49，在 此点，方法100进行到步骤113。

可选择的步骤113需要确定是否焊接垫21已经覆盖有抗粘附材料33， 校准的次数(N＝CAL)。例如，主控制器25会随着在步骤110中如上所述 的每次施加而使计数器(N)增加。如果N的值超过校准的整数数，方法100 进行到步骤114。否则，方法100在步骤102处重复。

在步骤114处，主控制器25周期性地命令超声焊极14运动到图1的清 理台60，例如，每个校准数目的焊接循环一次。方法100进行到步骤116， 一旦超声焊极14适当地定位在清理台60处。如同步骤102和108一样，步 骤114会需要通过控制器25的焊接组件12的闭环的位置控制到清理台的已 知的目标位置。

在步骤116处，控制器25执行清理控制动作(EXECCA)以移除在步 骤104处焊接的工件40的剩余材料，例如，铜。步骤116可包括将焊接垫 21挤压到清理块62并致使超声焊极14在校准的超声波或其他的合适的清理 频率下振动。这反过来将剩余物从焊接垫21移去而没有磨蚀焊接垫21。由 于超声焊极14总体上典型地是由硬的工具等级的钢构造而成，清理块62的 材料应当相对较软，由此相对于焊接垫21是非磨蚀的。如上所述的，铝是 一种可能的用于构造清理块62的材料。多孔性的聚乙烯硅石或多孔性的聚 乙烯氧化铝合成物可层叠在铝棒上以形成图1所示的层63，层63用来将剩 余物从焊接垫21移去。如图1所示的，层63可提供在清理块62的两侧上。 这允许焊接垫21和23根据需要同时被清理。由于被用于工件40的金属可 以是不同的，因此所述材料可用来构造层63，即，所述材料根据正在使用的 特殊金属进行选择。方法100进行到步骤102，一旦步骤116已经继续足够 的持续时间。

因此，图1的焊接系统10和图3的方法100是用来降低超声焊极14的 表面粘附到工件40的情况和/或严重程度，具体地说经由剩余金属例如铜与 另一金属例如铝的反应性的降低。在不同材料的电池组电池的焊接中，方法 100允许单个超声焊极14用于所有的焊接部，与在铜焊接部完成时替换超声 焊极14的相对耗时的工艺是相反的。方法100还可降低任何超声波焊接工 艺的切屑量同时最优化工艺效率。

尽管用于实施本公开内容的最佳模式已经被详细描述，但是熟悉本公开 内容涉及的技术的人员将认识到落入所附的权利要求的范围内的各种替代 设计和实施例。

相关申请交叉引用

本申请要求于2014年6月25日提交的美国临时申请号62/016,929、于 2015年6月15日提交的美国申请序列号14/739256的优先权和权益，上述 申请的全部内容通过引用并入本文。