超声波焊接方法及超声波焊接构件与流程

本发明涉及一种超声波焊接方法，其用于将导电接触元件焊接到不同导电材料的至少两个导体。本发明还涉及一种可通过这样的方法生产的超声波焊接构件。

背景技术：

1、对于各种应用而言可能必要或有益的是，将一个或多个导体焊接到接触元件。例如，接触元件可以是端子或连接器的一部分。

2、导电接触元件可以通过超声波焊接方法被焊接到相同导电材料的一种类型的多个导体上。

3、de 10 2005 048368 b3描述了一种超声波焊接方法，在该方法中，导电衬底被连续焊接到多个绞合导线上。例如，在第一步骤，第一绞合导线可以被焊接到衬底上，在第二步骤，第二绞合导线可以被直接焊接到已焊接到衬底上的第一绞合导线上。在这种情况下，衬底位于第一绞合导线与焊头之间，所述焊头以超声波振动的形式产生所需的焊接能量，即焊接能量通过衬底被引入到相应的绞合导线中。

4、ep 1771274 b1描述了一种超声波焊接方法，在该方法中，与de 10 2005 048368b3中的方法不同，单个绞合导线或已压紧或已焊接的绞合导线结构被焊接到衬底上，绞合导线或绞合导线结构位于焊头与衬底之间，即焊接能量通过绞合导线或绞合导线结构被引入衬底中。

5、ep 3022007 b1描述了一种超声波焊接方法，在该方法中，通过如下方式焊接不同材料的至少两个绞合导线接头：压紧第一材料、例如铜或铜合金的至少第一绞合导线以形成第一部分接头，并将第二材料、例如铝或铝合金的至少第二绞合导线放置在第一部分接头上并将其焊接到第一部分接头上以形成完整接头。在这种情况下，第一部分接头位于第二绞合导线与焊头之间，即焊接能量通过第一部分接头被引入第二绞合导线中。

技术实现思路

1、可能需要一种超声波焊接方法，利用该方法，例如出于重量或成本原因，可以在导电接触元件与不同导电材料的至少两个导体之间产生足够强的导电接合。此外，可能需要相应的超声波焊接构件。

2、这样的需要可以通过独立权利要求的主题来满足。有利的实施例在从属权利要求、以下描述和附图中提供。

3、本发明的第一方面涉及一种超声波焊接方法，其用于将导电接触元件焊接到不同导电材料的至少两个导体。所述超声波焊接方法包括至少以下步骤，这些步骤可以按以下所示顺序或任何其他顺序执行：(i)将接触元件和导体中的第一导体的第一导体部分布置在砧座与焊头之间；(ii)将第一导体部分焊接到接触元件，砧座和焊头在相反方向上相对于彼此移动以将接触元件和第一导体部分向彼此按压，并且焊头以超声波振动进行振动；(iii)将被焊接在第一导体部分的接触元件和导体中的导电材料与第一导体的导电材料不同的第二导体的第二导体部分布置在砧座与焊头之间，使得第二导体部分位于焊头与被焊接到接触元件的第一导体部分之间；以及(iv)将第二导体部分焊接到被焊接到接触元件的第一导体部分，砧座和焊头在相反方向上相对于彼此移动，以将焊接到接触元件的第一导体部分和第二导体部分向彼此按压，焊头以超声波振动进行振动。

4、“接触元件”通常可理解为比第一和第二导体显著更加刚性的金属片段，其例如为呈小板或盘形式。接触元件可以是平的，但也可以在一个或多个地方弯曲。例如，接触元件还可以包括孔眼形或u形部分。

5、例如，“导体”可理解为单个导线、芯、绞合导线、即多个单个导线的复合体、实心导体、如母线形式和/或具有矩形横截面的导体、或至少两个上述示例的组合。例如，这样的导体可以由电绝缘外护套分段包围。“导体部分”可理解为是指相应导体的暴露端部部分或位于相应导体两个端部之间的暴露中间部分。如果相应导体是多个金属导线的束或至少两个这样的束的组合，则相应导体部分中的金属导线可能为松散的或可能已通过之前的压紧或焊接被压紧。

6、例如，接触元件可以被放置在砧座的砧座表面上。然后，第一导体部分可以被放置在接触元件的背向砧座表面的表面上。

7、为了将相应的接合件向彼此按压并将其焊接在一起，例如焊头可以从上方朝向砧座移动，然后在相反的方向上再次远离砧座移动。通过这种方式，可以防止相应的上部接合件与焊头粘连。

8、根据需要，与焊接第二导体部分相比，可以使用不同焊接参数来焊接第一导体部分。同时，焊接参数可根据导体部分的相应材料和/或相应横截面来选择。焊接参数例如尤其是可以包括超声波振动的振幅、焊接能量、焊接时间或将用来接合件按压在一起的压力(另参见下文)。“超声波振动”可理解为是指具有16khz至1ghz、优选16khz至100khz的超声波范围内的频率的振动。

9、例如，超声波焊接方法的步骤(i)可以包括：(a)在打开的焊接腔中将接触元件插入砧座；(b)关闭焊接腔，借助侧向滑块固定接触元件；(c)将第一导体放置在接触元件上。然后可以执行步骤(ii)。例如，步骤(iii)可以包括：将第二导体放置在被焊接到第一导体的接触元件上。然后可以执行步骤(iv)。

10、各个步骤可以紧接着彼此进行或以一定的时间间隔进行。例如，可以在步骤(ii)之后执行步骤(iii)之前等待一段时间。原则上，步骤(iii)和步骤(iv)也可以由不同于步骤(i)和步骤(ii)的超声波焊接装置执行。此外，在步骤(iv)之后，接触元件可以以相应的方式被焊接到与第一导体具有相同材料的至少一个另外的第一导体和/或被焊接到与第二导体具有相同的材料的至少一个另外的第二导体。还可以设想另外的步骤，在该步骤，在步骤(iv)之后，接触元件以相应的方式被焊接到与第一和第二导体不同的导电材料的第三导体。

11、可能的是，在步骤(i)之前，接触元件已在至少一个较早的步骤中被焊接到与第一导体具有相同导电材料的至少一个另外的导体的另一导体部分。因此，在步骤(i)，第一导体部分和被焊接到该另外的导体部分的接触元件可以被布置在砧座与焊头之间。在步骤(ii)，被焊接到接触元件的该另外的导体部分和第一导体部分然后可以被焊接在一起。换句话说，步骤(ii)不一定要被理解为该方法的第一焊接步骤。而是它也可以是该方法的第二、第三甚至更后的焊接步骤。

12、到目前为止，普遍的观念是，只有将单一类型的引线焊接在一起，才能在接触元件与多个导体之间产生具有足够机械强度的焊接接头，即导体和接触元件应在可能的情况下由相同的材料制成。因此在过去，甚至不考虑将不同类型的导体焊接到接触元件上。

13、同时，出于减轻重量和降低成本的原因，长期以来，例如作为当今机动车辆的电缆线束生产的一部分，一直需要在与铝导体组合的情况下处理铜导体。

14、上述和下述超声波焊接方法现在使得能够将接触元件与多种不同类型的导体、例如铜和铝绞合导线有效地接合，而与现有的焊接方法相比，不会对机械强度造成任何显著的损害。使用上述和下述方法，不仅可以克服技术偏见，而且可以满足一定时间以来已存在的需求。

15、拉伸试验表明，上述和下述超声波焊接方法可用于在作为接触元件的铜板、铜绞合导线与铝绞合导线之间形成非常鲁棒的焊接接头。平均而言，以这种方式产生的焊接接头耐受了大约3000n的拉力，该拉力在这些试验中充当焊接接头的机械强度的度量。在某些配置中，甚至可以将拉力增加到显著地高于4000n。令人意想不到的是，已经发现，铝绞合导线被焊接时，完全没有铝附着到焊头或其他焊接工具上，而不管接触元件是先被焊接到铜绞合导线，且然后被焊接到铝绞合导线，还是先被焊接到铝绞合导线，且然后被焊接到铜绞合导线。因此，超声波焊接方法不仅能实现良好的过程控制和高生产精度，而且对生产速度也有非常积极的影响。

16、焊接在多个连续步骤中进行的事实保证了焊接到彼此或与焊接到接触元件的导体的横截面清楚地彼此不同。例如，每个横截面可以具有类似矩形的轮廓，而无需一个导体的各个金属导线位于相应的其他的导体的横截面中。通过这种方式，可以防止强度、压力和焊接尺寸以及焊接时间的不期望变异。

17、如下变型方案被证明是尤其有利的：接触元件首先被焊接到铜绞合导线，然后被焊接到铝绞合导线。同时，在接触元件与两个绞合导线之间的焊接接头中建立了尤其高的机械强度。而且，没有观察到绞合导线损坏、如断裂的金属导线或过多毛刺。这可能是由于如下事实导致的：通过以采用相应的高焊接参数在铜绞合导线上进行焊接，可以为接下来的焊接操作创造足够紧凑的基础。因此，这样的焊接接头可具有良好的焊接性能，类似于一体式生产的紧凑部件。

18、如下的相反变型方案产生了类似的良好的结果：接触元件首先被焊接到铝绞合导线，然后被焊接到铜绞合导线，唯一的区别是实现了整体较低的机械强度。

19、如果导体的材料在强度上存在显著地差异，则有利的是，接触元件首先被焊接到由较硬材料制成的导体，然后再被焊接到由较软材料制成的导体。

20、上述和下述超声波焊接方法可以通过专门为其执行而开发的超声波焊接装置进行。例如，这样的超声波焊接装置可以包括具有用于容纳接触元件的砧座表面的砧座、能够以超声波振动来振动的焊头、第一侧向止挡和第二侧向止挡，可以沿至少一个空间轴可移动地安装这些部件中的至少一个。

21、砧座、焊头、第一侧向止挡和第二侧向止挡例如可以在焊接位置形成腔，该腔在第一空间轴方向上由砧座和焊头限定，在第二空间轴方向上由第一侧向止挡和第二侧向止挡限定。在焊接位置处，砧座表面可部分被第一侧向止挡覆盖，在焊接位置部分覆盖砧座表面的第一侧向止挡的一部分可通过第一间隙与砧座表面分开，第一间隙用于容纳接触元件的第一边缘部分。附加地或可替代地，在焊接位置处，砧座表面可部分被第二侧向止挡覆盖，在焊接位置部分覆盖砧座表面的第二侧向止挡的一部分可通过第二间隙与砧座表面分开，第二间隙用于容纳接触元件的第二边缘部分。例如，第一和第二间隙可彼此相对，以容纳接触元件的相对的边缘部分。

22、借助这样的超声波焊接装置，可以在上述和下述超声波焊接方法中有效地处理不同形状、尺寸和/或材料的接触元件。例如，它可以用于防止导体在接触元件的相关边缘部分中发生粘连。

23、超声波焊接装置的特征也可以是上述和下述超声波焊接方法的特点，反之亦然。

24、例如，通过将焊头朝向静止的砧座移动，砧座和焊头因此可以相对于彼此移动。但是，反之也是可能的，或者是砧座和焊头都被移动的实施例。

25、例如，砧座和第一侧向止挡可以相对于彼此移动和/或砧座和第二侧向止挡可以附加地沿着第一空间轴相对于彼此移动，以分别调整第一或第二间隙的宽度。这使得可以减小第一或第二间隙的宽度，使得接触元件的位于其中的边缘部分被牢固地夹持在砧座与相应的侧向止挡之间。这消除了对用于固定接触元件的附加的夹紧装置的需要。此外，这使得可以防止在焊接过程中各个金属导线被推入第一或第二间隙，这可能导致它们被损坏。

26、有利地，砧座和第一侧向止挡或砧座和第二侧向止挡可以沿第一空间轴独立于焊头相对于砧座的移动而被调节。此外，第一和第二侧向止挡可沿第一空间方向彼此独立地调节。这允许两个间隙在它们的宽度方面适应具有不同高度的接触元件的边缘部分。

27、此外，在焊接位置，焊头可以被布置在砧座上方。换句话说，在焊接模式下，从第一垂直空间轴的方向看，焊头可以位于顶部，砧座位于底部。这有助于防止材料粘附在焊头上。

28、本发明的第二方面涉及一种超声波焊接构件，该部件可以通过上述和下述超声波焊接方法或通过不同焊接方法生产。所述超声波焊接构件包括导电接触元件、第一导体和第二导体，该第二导体的导电材料不同于第一导体的导电材料。在这种情况下，第一导体的第一导体部分被超声焊接到接触元件，第二导体的第二导体部分被超声焊接到第一导体部分。

29、这样的超声波焊接构件也耐受相对较高的机械载荷。此外，它可以有效地大规模生产。

30、超声波焊接构件的特征也可以是上述和下述超声波焊接方法和/或上述和下述超声波焊接装置的特征，反之亦然。

31、在不以任何方式限制发明范围的情况下，与发明实施例相关的想法和可能特征可被认为尤其基于下面所述的思想和发现。

32、根据一个实施例，所述第一导体部分可以被布置在接触元件与焊头之间。以这种方式，超声波振动可以直接由焊头传输到第一导体部分。可替代地，接触元件可以被布置在第一导体部分与焊头之间。

33、根据一个实施例，第一导体部分可以在比第二导体部分更高的比能量输入下被焊接。比能量输入可以理解为是指比能量、即与相应的导体部分的横截面积有关的能量的输入，其将被引入到相应的导体部分，以变实现适当的焊接结果。换句话说，可以选择如下焊接参数来焊接第一导体部分：其具有与焊接第二导体部分相比更高的每单位面积的能量输入。以这种方式，可以增加焊接接头的机械强度。第一导体部分例如可以以比第二导体部分高至少5％、优选至少10％或至少20％的比能量输入被焊接。

34、例如，第一导体部分和接触元件的材料可以被选择为使得有利地为了将它们焊接在一起需要相对较高的比能量输入。例如，这可以适用于第一导体部分和接触元件由铜或铜合金制成的情况。在这两个接合件焊接在一起后，可以在后续方法步骤中添加和焊接第二导体部分形式的另一个接合件。在这种情况下，第二导体部分的材料可以被选择为使得有利地为了将第二导体部分焊接到第一导体部分所需的比能量输入与将接触元件焊接到第一导体部分的情况相比更低。尤其是，第二导体部分可以由与第一导体部分的材料相比具有较低强度和/或较低熔点的材料组成。例如，第二导体部分可以由铝或铝合金组成。

35、如果所有接合件在共同的焊接操作中被焊接在一起，则必须对过程中要使用的焊接参数进行折中，因为不同的接合件配对通常需要不同的焊接参数以在每种情况下实现最佳焊接结果。然而，由于接触元件、第一导体部分和第二导体部分在单独的连续焊接操作中、即以级联方式焊接在一起这一事实，这意味着最优地适于对接合件进行相应配对的优化焊接参数可用于每次焊接操作。

36、尤其是，应注意保证在第一焊接操作期间比第二焊接操作期间发生更高的焊接能量输入，使得第一焊接操作的接合件获得足够高的焊接能量以用于焊接它们。在第二焊接操作期间，可以施加足以在那里焊接接合件的较低焊接能量输入。以这种方式，可以保护第二焊接操作的第二、例如更敏感的接合件免受损害或甚至损坏，所述损害或损坏可能发生在第二接合件接收与第一焊接操作的接合件相同的焊接能量的情况下。

37、根据一个实施例，焊接第一导体部分时，以下焊接参数中至少一个的值可选择为大于焊接第二导体部分时的值：超声波振动的振幅；要施加到相应导体部分的压力、即要用来将相应的导体部分向相应接合件按压的压力；要作为最大值被引入到相应接合件中的焊接能量；在已压紧状态下在焊接前测量的相应接合件的高度与在已焊接状态下在焊接后测量的相应接合件的高度之间的高度差。以这种方式，可以非常精确地控制相应焊接操作的能量输入。

38、在每种情况下，焊接可以通过下列各项进行：利用预定焊接能量的所谓的能量焊接、也称为绝对高度焊接或绝对-h焊接的所谓高度焊接、和/或所谓的德尔塔-h(delta-h)焊接。

39、在高度焊接中，焊接一直进行到达到焊接金属的指定高度为止，“焊接金属”在这里是指接触元件和第一导体部分、或焊接到第一导体部分和第二导体部分的接触元件。与能量焊接不同，焊接不是在输入预定能量后结束，而是达到整个焊接金属的预定高度后结束。为了焊接第一导体部分，该绝对高度可以与焊接第二导体部分相比适宜地被选择得更低。

40、在德尔塔-h焊接中，焊接一直进行到达到所谓的压紧尺寸与所谓的焊接尺寸之间的指定差异为止。压紧尺寸是焊接前焊接金属的尺寸，并且是通过将工具移动到焊接金属上并压紧并且测量压紧的焊接金属的高度来测量的。焊接尺寸是焊接后焊接金属的尺寸，并且是在焊接后测量的。由于在焊接期间焊接金属的高度降低，因此焊接尺寸通常小于压紧尺寸。

41、在高度和德尔塔-h焊接中，焊接能量因此不是设定值(如能量焊接)，而是结果值。

42、根据一个实施例，第一导体部分和/或第二导体部分每个都被布置在焊接腔中并焊接在一起，所述焊接腔在第一空间轴的方向上由焊头和接触元件的焊接部分限定，并且在第二空间轴的方向上由第一侧向止挡和第二侧向止挡限定。在这种情况下，焊接部分和第一导体部分可以焊接在一起。

43、第一和第二空间轴可以是彼此正交的轴。例如，第一空间轴可以是垂直轴，第二空间轴可以是水平轴，或反之亦然。

44、焊接腔在大小和/或位置方面是可调节的，即通过沿第一和/或第二空间轴移动砧座、焊头、第一侧向止挡和/或第二侧向止挡，可以扩大、缩小、打开或关闭焊接腔。

45、例如，“侧向止挡”可以被理解为是指侧向滑块或表面板。

46、根据一个实施例，焊接腔可以在第二空间轴方向上具有与接触元件相比更小的宽度。换句话说，焊接部分的延伸或第一侧向止挡与第二侧向止挡之间的用于指定焊接宽度的距离在第二空间轴方向上的长度可小于接触元件在该方向上的最大延伸。可替代地，焊接腔在该宽度方面可与接触元件的宽度基本一致。

47、例如，这可以通过如下方式来实现：将接触元件的与焊接部分邻接的第一边缘部分布置在焊接腔外、砧座与第一侧向止挡之间的第一间隙中，和/或将接触元件的与焊接部分邻接的第二边缘部分布置在焊接腔外、砧座与第二侧向止挡之间的第二间隙中。换句话说，可以通过适当调整第一和/或第二侧向止挡来覆盖接触元件的某些边缘部分。以这种方式，可以有效防止第一或第二导体部分被焊接到相应的边缘部分。

48、焊接部分可以位于第一与第二边缘部分之间，从第二空间轴线方向看，第一和第二边缘部分可以直接合并到焊接部分。

49、根据一个实施例，为了形成焊接腔，可以沿第二空间轴移动第一侧向止挡，直到其碰到接触元件的第一侧。附加地或可替代地，可以沿第二空间轴移动第二侧向止挡，直到其碰到接触元件的第二侧。换句话说，可以调整焊接腔的宽度，使得其与接触元件的宽度基本一致。

50、根据一个实施例，通过使砧座和第一侧向止挡沿相反方向相对于彼此移动，第一边缘部分可以固定在砧座与第一侧向止挡之间。附加于或替代于第一边缘部分，第二边缘部分可以通过使砧座和第二侧向止挡沿相反方向相对于彼此移动固定在砧座与第二侧向止挡之间。这消除了对用于固定接触元件的附加的夹紧装置的需要。此外，这使得可以防止在焊接期间将各个金属线推入第一或第二间隙，这可能导致它们被损坏。

51、根据一个实施例，第一导体部分和第二导体部分可以被布置和焊接为使得被焊接到接触元件的第一导体从接触元件沿与被焊接到接触元件的第二导体不同的方向延伸。换句话说，所述第一导体部分和第二导体部分可以相对于彼此对准，使得它们相应的纵轴清楚地且可见地彼此不同，并且因此，导体、更准确地说导体与相应的被焊接导体部分相邻的非被焊接导体部分也从接触元件沿不同方向、例如在彼此相对、彼此垂直或彼此倾斜的方向上延伸。换句话说，导体的相应的纵轴可能基本位于(假想)公共直线上或相交。可替代地，两个导体也可从接触元件沿相同方向延伸。

52、根据一个实施例，超声波焊接方法还可以包括以下步骤，这些步骤可以按照以下所示顺序执行、例如在上述步骤(iv)之后，或以不同的顺序执行：(v)将至少第三导体的第三导体部分和被焊接到第一导体部分和第二导体部分的接触元件布置在砧座与焊头之间，使得第三导体部分位于焊头和被焊接到第一导体部分的第二导体部分之间；(vi)将第三导体部分焊接到被焊接到第一导体部分的第二导体部分，砧座和焊头在相反方向上相对于彼此移动，以将第三导体部分和被焊接到第一导体部分的第二导体部分向彼此按压，并且焊头以超声波振动进行振动。

53、在这种情况下，第三导体可由与第一和/或第二导体和/或接触元件相同的导电材料制成。第三导体也可能由与第一和/或第二导体和/或接触元件不同的导电材料制成。因此，接触元件可以有效地被接合到由两种或更多种不同导电材料制成的三个或更多个导体以形成稳定的导电超声波焊接构件。

54、根据一个实施例，所述接触元件可至少部分由第一导体的导电材料形成。这允许为后续焊接操作提供足够压紧、均匀的基础部分。附加地或可替代地，所述接触元件可至少部分由第二导体的导电材料形成。

55、所述接触元件可至少部分由不同于导体的导电材料形成。附加地，所述接触元件可至少部分涂覆、例如银、银合金、镍或镍合金的涂层。

56、根据一个实施例，第一导体的导电材料可以为铜或铜合金。附加地或可替代地，第二导体的导电材料可以为铝或铝合金。使用铜绞线可以保证完成的焊接接头具有非常好的导电性。如果铜绞合导线与作为第二导体的铝绞合导线、而不是另外的铜绞合导线相组合，完成的焊接接头的重量也可以显著减少。

57、根据可替代的实施例，第一导体的导电材料可以是铝或铝合金。附加地或可替代地，第二导体的导电材料可以是铜或铜合金。

58、根据一个实施例，所述超声波焊接构件还可以包括至少一个第三导体。在这种情况下，所述第三导体的第三导体部分可通过超声波焊接例如在上述和下述超声波焊接方法的相应附加步骤被焊接到第二导体部分。这样的超声波焊接构件也耐受相对较高的机械负载。此外，它可以有效地大规模生产。

59、应注意的是，本发明的实施例的可能特征和优点在上面和下面部分地参考超声波焊接方法、部分地参考用于实施该方法的超声波焊接装置进行描述。本领域技术人员将认识到，针对各个实施例所描述的特征可以以类似和合适的方式转用到其他实施例，可以被适配和/或互换以获得本发明的另外的实施例以及可能的协同效果。