超聲波焊接工具和超聲波焊接系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了超聲波焊接工具和超聲波焊接系統。該超聲波焊接系統包括：焊頭，連接至第一部件或第一組部件并構造成在第一部件內產生振動，焊頭具有至少一個工作面，多個凸起均勻配置在至少一個工作面上，這些凸起以第一矩陣的形式布置，每個凸起均大致為圓頂錐體；以及底砧，連接并緊固夾持相對于第一部件靜止的第二部件，底砧具有至少一個工作面，多個凸起均勻配置在至少一個工作面上并構造成與相匹配的焊頭的匹配工作面正對并對齊，這些凸起以第二矩陣的形式布置，每個凸起大致為角錐；圓頂錐體和角錐構造成在待接合的部件內始終產生高度塑性變形，顯著強化焊接區中的固態原子鍵，形成堅韌、耐用和可靠的USW接頭。
【專利說明】超聲波焊接工具和超聲波焊接系統

【技術領域】
[0001] 本實用新型總的來說涉及接合技術，更具體地，涉及用于接合兩個或更多部件的 超聲波焊接（USW)技術。

【背景技術】
[0002] 超聲波焊接技術是一種用于接合兩個或更多相似或相異的金屬線、金屬帶、金屬 箔或金屬板的技術。當前，USW已經用于接合電動車（EV)的高壓（HV)電池組的電池模塊中 的電池端子和互連匯流板。USW系統包括電子超聲波發生器、致動器、底砧和超聲波聯組。 超聲波聯組包括將電信號轉換成機械振動的換能器、修改或維持機械振動的振幅的增強器 以及焊頭。在USW加工期間，要被接合的部件通過焊頭與底砧的工作面夾持在兩者之間。其 中一個部件(通常是最厚的部件）通過底砧保持固定，而其它部件(通常是較薄的部件）借助 于焊頭緊靠著被固定的部件進行夾持并以20至40KHz的超聲波頻率進行振動。劇烈的摩 擦會攪亂金屬的原子結構，這樣會在焊接區形成許多固態原子鍵，從而形成接頭。
[0003] 焊頭和底砧的工作面包括凸起或滾花圖案。迄今為止，焊頭工作面上的凸起為截 去頂端的角錐。這類工作面幾何形狀會產生若干問題。接合厚度不同且具有較高熔化溫度 和/或較硬涂層的多層高強度金屬板/箔需要過高能量。截去頂端的角錐的銳邊周圍的 應力集中導致所形成的接頭的最外層過薄和/或過脆。此外，截去頂端的角錐的金屬碎屑 的堆積引起加工不穩定并縮短USW工具的壽命，尤其是縮短焊頭的壽命。因此，焊頭和底砧 (尤其是焊頭)的工作面的設計嚴重影響USW接頭的質量、耐用性和堅韌性，并影響USW的工 具壽命和工藝可靠性。
[0004] 因此，需要一種徹底的加工方案來解決與USW工具的幾何設計相關的問題。


【發明內容】

[0005] 本實用新型提供了一種用于超聲波焊接系統的焊頭和底砧上的工作面的工具設 計方法和新型幾何設計。該工具設計方法包括采用合適的USW工藝參數同時滿足USW接頭 的功能性、耐用性和工藝性要求。該新型幾何設計顯著提高了 USW接頭的質量、耐用性和堅 韌性，極大提高了 USW的工藝可靠性并顯著延長了 USW工具壽命。
[0006] 根據本實用新型的一方面，提供了一種用于接合兩個或更多部件的USW工具。USW 工具包括具有至少一個工作面的焊頭。每個工作面包括以第一矩陣的方式布置的多個凸 起。每個焊頭工作面上的每個凸起均具有基座、從基座向上凸出的下部及從下部向上凸起 并收縮為圓頂的上圓頂部。每個凸起的上圓頂部的半徑約為凸起的高度的一半，或者通常 不大于凸起的高度的一半。每個凸起的基座均比上圓頂部寬。此外，USW工具包括具有一 個或多個工作面的相匹配的底砧。每個工作面包括以第二矩陣的方式布置的多個凸起。每 個底砧工作面上的每個凸起均具有基部和從基部傾斜至尖頂的上錐形部。基部具有與相匹 配的焊頭工作面上的每個凸起的基座的跨度相等或通常不大于該跨度的跨度。在接合過程 期間，每個焊頭工作面上的每個凸起的基座的幾何中心與由相匹配的底砧工作面上的四個 相鄰凸起圍繞的凹陷的幾何中心對齊。
[0007] 根據本實用新型的另一方面，提供了一種用于接合兩個或更多部件的系統。該系 統包括連接至第一部件或第一組部件的焊頭。焊頭在第一部件內引起振動，并包括具有凸 起矩陣的至少一個工作面。每個凸起均具有基座、從基座向上凸出的下部及從下部向上凸 出并收縮為圓頂的上圓頂部。每個凸起的上圓頂部的半徑不大于凸起的高度的一半。每個 凸起的基座均比上圓頂部寬。此外，該系統還包括連接至第二部件的相匹配的底砧。底砧 緊固夾持相對于第一部件靜止的第二部件，并包括具有凸起矩陣的至少一個工作面。每個 凸起均具有基部和從基部傾斜至尖頂的上錐形部。基部具有的跨度不大于相匹配的焊頭 工作面上的每個凸起的基座的跨度。在接合過程期間，每個底砧工作面配置成與相匹配的 焊頭工作面對齊。焊頭凸起和底砧凸起被構造成、成形為并設定尺寸為使得在要被接合的 部件內始終產生高度塑性變形，顯著強化焊接區中的固態原子鍵，形成堅韌、耐用和可靠的 USW接頭。
[0008] 根據本實用新型的又一方面，提供了一種用于接合兩個或更多部件的超聲波焊接 工具，包括焊頭和底砧。焊頭包括：至少一個工作面，具有多個形成在其上的凸起，這些凸起 以第一矩陣的方式布置，每個凸起均具有固定至工作面的基座部分、從基座部分凸出并錐 形化的下部以及從下部凸出并收縮為圓頂的上圓頂部。底砧包括：一個或多個工作面，每個 底砧工作面均具有多個形成在其上的凸起，這些凸起以第二矩陣的方式布置，每個凸起均 具有基部和從基部傾斜至尖頂的上錐形部，每個底砧凸起的頂點均與焊頭凸起之間的點對 齊，并且每個焊頭凸起的頂點均與底砧凸起之間的點對齊。
[0009] 優選地，焊頭具有以下其中之一：單個連續工作面，具有多個均勻分布于其上的凸 起，用于生成具有單個焊接點的接頭；或多個離散工作面，隔開間距α 2)的距離，每個工作 面均具有多個均勻設置于其上的凸起，用于生成具有多個焊接點的接頭，一個焊接點對應 一個工作面。
[0010] 優選地，焊頭上的單個連續工作面相對于焊頭的兩側位于中心，焊頭上的多個離 散工作面分布的整體對稱中心與焊頭的兩側之間的對稱軸對齊，焊頭上的任意兩個相鄰工 作面之間的間距α 2)與由焊頭和與其匹配的底砧形成的接頭中的任意兩個相鄰焊接點之 間的間距α2+ι)基本相同，其中，ι 2是接頭中的任意兩個相鄰焊接點的最近邊緣之間的距 離，1是接頭中的每個焊接點的長度。
[0011] 優選地，底砧具有以下其中之一：單個連續工作面，具有多個均勻分布于其上的凸 起；或多個離散工作面，隔開間距α2)的距離，每個工作面均具有多個均勻配置于其上的凸 起。
[0012] 優選地，底砧上的單個連續工作面相對于底砧的兩側位于中心，底砧上的多個離 散工作面分布的整體對稱中心與底砧的兩側之間的對稱軸對齊，底砧上任意兩個相鄰工作 面之間的間距α 2)與相匹配的焊頭上的任意兩個相鄰工作面之間的間距α2)基本相同。
[0013] 優選地，焊頭的工作面與相匹配的底砧的工作面被構造為相互對齊，使得焊頭上 的每個工作面的幾何中心與相匹配的底砧上的匹配工作面的幾何中心對齊，底砧的每個工 作面的所有邊緣都超出相匹配的焊頭的匹配工作面的相應邊緣對稱向外延伸，延伸距離至 少為底砧的工作面上的每個凸起的基部的跨度（Β Α)的一半。
[0014] 優選地，焊頭的每個工作面均具有以下形狀中的一種：正方形、矩形、圓形、橢圓 形、三角形或它們的變形，正方形、矩形、三角形或它們的變形的所有尖角都被倒圓角。
[0015] 優選地，底砧的每個工作面均具有以下形狀中的一種：正方形、矩形、圓形、橢圓 形、三角形或它們的變形，正方形、矩形、三角形或它們的變形的所有尖角都被倒圓角。
[0016] 優選地，焊頭的每個工作面具有的尺寸包括長度（L)和寬度（W):長度和寬度等于 圓形工作面的直徑，且寬度等于三角形工作面的高度；尺寸（L，W)比要形成的焊接點的對 應尺寸（l，w)至少大約10%，即，L彡1. 11且W彡1. lw ;焊接點的尺寸（l，w)由它們與焊頭 工作面的形狀所對應的焊接點的面積（aw)的幾何關系確定；焊接點的面積（a w)乘以焊接點 數目（nw)或工作面數目為要形成的接頭的總面積（aw nw);接頭的總面積（aw nw)由與接頭應 用相關的接頭功能性要求及待接合的部件材料確定；以及焊接點數目（nw)或工作面數目為 一個或多個，主要取決于待接合的部件的尺寸。
[0017] 優選地，底砧的每個工作面具有的尺寸包括長度（L+BA)和寬度（W+B A):長度和寬度 等于圓形工作面的直徑，且寬度等于三角形工作面的高度；每個尺寸均比相匹配的焊頭工 作面的對應尺寸至少大底砧工作面上的每個凸起的基部的一個跨度（B A);以及底砧上的工 作面數目為一個或多個，并且如果多于一個，則與相匹配的焊頭上的工作面數目（nw)相同。
[0018] 優選地，焊頭的每個工作面上的每個凸起均具有基座部分、從基座凸出的下部及 從下部凸出并收縮為圓頂的上圓頂部，凸出沿著與基座平面垂直并指向基座平面外部的法 向矢量，使得基座的幾何中心沿著基座平面的法向矢量與頂點對齊。
[0019] 優選地，底砧的每個工作面上的每個凸起均具有基部和從基部傾斜至尖頂的上錐 形部，錐形化沿著與基部平面垂直并指向基部平面外部的法向矢量，使得基部的幾何中心 沿著基部平面的法向矢量與頂點對齊。
[0020] 優選地，焊頭的每個工作面上的凸起以第一矩陣的形式均勻布置，使得任意兩個 相鄰凸起之間的間隔在沿著矩陣的行或列的方向在整個矩陣范圍內都基本相等；并且每個 焊頭工作面上凸起的數目（N)等于I X J，其中，I和J分別為凸起的第一矩陣的行數和列數， 根據待接合的部件的厚度、每個工作面的面積和每個凸起的基座的面積，I和J為大于零的 任意實數。
[0021] 優選地，底砧的每個工作面上凸起以第二矩陣的形式均勻布置，使得任意兩個相 鄰凸起之間的間隔在沿著矩陣的行或列的方向在整個矩陣范圍內都基本相等，并且每個底 砧工作面上的任意兩個相鄰凸起之間的間隔在矩陣的行或列的方向上與相匹配的焊頭工 作面上的任意兩個相鄰凸起之間的間隔基本相同；并且每個底砧工作面的凸起的數目至少 為（1+1) X (J+1)，其中，I和J分別為相匹配的焊頭工作面上的凸起的第一矩陣的行數和列 數。
[0022] 優選地，確定焊頭凸起和相匹配的底砧凸起的尺寸并設置成使得每個焊頭凸起的 頂點與由四個相鄰底砧凸起圍繞的凹陷的幾何中心對齊，并且除了位于每個底砧工作面的 邊界的那些底砧凸起外，每個底砧凸起的頂點與由四個相鄰焊頭凸起圍繞的凹陷的幾何中 心對齊，每條邊界處的每個底砧凸起的頂點沿著平行于安置方向的對稱軸線向外遠離相鄰 底石占凸起的頂點距離約為一個跨度。
[0023] 優選地，焊頭的每個工作面上的每個凸起的基座均可具有以下形狀中的一種：圓 形、橢圓形或它們的變形。
[0024] 優選地，底砧的每個工作面上的每個凸起的基座均可具有以下形狀中的一種：正 方形、矩形、圓形、橢圓形、三角形、菱形或它們的變形。
[0025] 根據本實用新型的又一方面，提供了一種用于接合兩個或更多部件的超聲波焊接 系統，包括：焊頭，連接至第一部件或第一組部件并構造成在第一部件內產生振動，焊頭具 有至少一個工作面，多個凸起均勻配置在至少一個工作面上，這些凸起以第一矩陣的形式 布置，每個凸起均大致為圓頂錐體；以及底砧，連接并緊固夾持相對于第一部件靜止的第二 部件，底砧具有至少一個工作面，多個凸起均勻配置在至少一個工作面上并構造成與相匹 配的焊頭的匹配工作面正對并對齊，這些凸起以第二矩陣的形式布置，每個凸起大致為角 錐；其中，圓頂錐體和角錐構造成、成形為并設定尺寸以使在待接合的部件內始終產生高度 塑性變形，顯著強化焊接區中的固態原子鍵，形成堅韌、耐用和可靠的USW接頭。
[0026] 通過附圖和本實用新型的示意性實施例的詳細描述，并結合所附權利要求，本實 用新型的其它方面、優勢、特征和目標會變得顯而易見。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027] 圖1 (a)是根據本實用新型的3個電池端子與1個互連匯流板之間的示例性接頭 的正視圖。
[0028] 圖1 (b)是圖1 (a)中的示例性接頭沿厚度方向放大后的俯視圖。
[0029] 圖1 (c)是圖1 (a)中的示例性接頭的側視圖。
[0030] 圖1 (d)是圖1 (a)中的示例性接頭的等距視圖。
[0031] 圖2 (a)示出了根據本實用新型的示例性USW焊頭上的多個示例性工作面。
[0032] 圖2 (b)是圖2 (a)中的3個示例性工作面的其中一個的放大俯視圖。
[0033] 圖2 (c)是圖2 (a)中的3個示例性工作面的其中一個上的多個圓頂錐體的放大 側視圖。
[0034] 圖3是根據本實用新型的圖2 (b)中的9個示例性圓頂錐體的其中一個的放大側 視圖。
[0035] 圖4 (a)示出了根據本實用新型的與圖2 (a)中的USW焊頭的工作面對齊的示例 性USW底砧的多個示例性工作面。
[0036] 圖4 (b)是圖4 (a)中的3個示例性工作面的其中一個的放大俯視圖。
[0037] 圖4 (c)是圖4 (a)中的3個示例性工作面的其中一個上的多個示例性角錐的放 大側視圖。

【具體實施方式】
[0038] 以下詳細描述示出了本實用新型的各方面和實施本實用新型的最佳模式。然而， 該描述并不定義或限制本實用新型，這種定義或限制僅包含在所附權利要求中。
[0039] 本實用新型提供了用于USW系統的焊頭和底砧上的工作面的工具設計方法和新 型幾何設計。該新型幾何設計基于同時滿足USW接頭的功能性、耐用性和工藝性要求而確 定。焊頭上的每個工作面均包含多個凸起，每個凸起均與圓頂錐體大致類似。配對的底砧 的每個工作面均包括多個凸起，每個凸起均與角錐大致類似。這種幾何設計結合適宜的USW 工藝參數使得被接合部件內發生高度的塑形變形并使得施加的超聲波能量高度集中，這會 顯著增強USW接頭質量、耐用性和堅韌性，極大提高USW工藝可靠性并顯著延長USW工具壽 命。
[0040] 圖1 (a)、圖1 (b)、圖1 (C)和圖1 (d)分別示出了示例性接頭100的正視圖、沿 厚度方向的放大俯視圖、左手側（LHS)的側視圖和右手側（RHS)的等距視圖。在該實施例 中，正如在用于EV的HV電池組的電池模塊中所形成的，接頭100在三個電池端子107U09 和111以及一個互連匯流板113之間具有三個焊接點101、103和105。
[0041] 在圖1 (a)中，lTOT^PwTm^v別為每個電池端子的長度和寬度；1和W分別為每個 焊接點1〇1、1〇3或105的長度和寬度山為接頭100中的任意電池端子的任一側與焊接點 101或105的最近邊緣之間的距離；1 2為相鄰的焊接點101與103、或103與105的邊緣之 間的距離W為接頭100中的任意電池端子的頂緣與焊接點101、103和105的頂緣之間的 距離；a w為每個焊接點101U03或105的面積。在圖1 (b)中，tInt為互連匯流板113的厚 度，tTOT為每個電池端子107U09和111的厚度。在圖1 (c)中，wInt為互連匯流板113的 U形槽的深度，也被稱為互連匯流板的深度。
[0042] 每個電池端子107、109和111的長度1τ_、寬度wT_、和厚度t TOT為設計輸入參數 并因此為已知尺寸。互連匯流板113的厚度tInt和深度wInt同樣為已知設計參數。其它已 知設計參數包括每個電池端子107U09和111的表面上的涂層或薄膜的厚度t Film TOT以及 互連匯流板113的每個表面上的涂層或薄膜的厚度tFilm Int。變量aw、1、w、lp 12和Wl是與 接頭100相關的未知量。如下根據本實用新型詳細描述的，這些未知量基于焊頭和底砧的 工作面的幾何設計來確定。
[0043] 接頭100兩端的電阻包括：
[0044] (1)最外端電池端子111兩端的集中電阻1^?。；
[0045] (2)每個電池端子109或107兩端的體積電阻RTe" ;
[0046] (3)相鄰電池端子111和109或109和107上的兩個相鄰薄膜兩端的膜電阻 R · lvTerm-Term *
[0047] (4)相鄰的電池端子107和互連匯流板113上的兩個相鄰薄膜兩端的膜電阻 -^Term-Int ;以及
[0048] (5)互連匯流板113兩端的擴散電阻RInt s。
[0049] 最外端電池端子111兩端的集中電阻RT_。以如下方式計算：
[0050] RTermC=C(p e Term^Term/^W^ ( 1 )
[0051] 其中，C是常數，其取決于焊接點形狀并由于小可變性而假定為約0.5 ;PeTOT是 電池端子107、109和111的電阻率；nw是接頭100的焊接點數量。
[0052] 每個電池端子109或107在厚度方向上的兩端的體積電阻RTem以如下方式計算：
[0053] RTerm-( p e-TermtTerm/aw) /nw..............(2)
[0054] 相鄰電池端子111和109或109和107上的兩個相鄰薄膜兩端的膜電阻RTe"_ Te" 以如下方式計算：
[0055] RTerm-Term ( P e-Film-Term2tFilm-TermZaw)/? (3)
[0056] 其中，P e Filni TOT是電池端子107、109和111的每個表面上的薄膜的電阻率。
[0057] 相鄰的電池端子107和互連匯流板113上的兩個相鄰薄膜兩端的膜電阻RTmrint以 如下方式計算 ：
[0058] Rrerm-Int-( P e-Film-TermtFilm-Term/aW+P e-Film-InttFilm-Int/aw)/? · · · (4)
[0059] 其中，P e Film Int是互連匯流板113的每個表面上的薄膜的電阻率。
[0060] 互連匯流板113在厚度方向上的兩端的擴散電阻RInt s以如下方式計算：
[0061 ] RInt-s-( p e-InttInt/aw) /nw...............(5)
[0062] 其中，P e Int是互連匯流板113的電阻率。
[0063] 將上述計算的電阻加和產生接頭100兩端的初始（B0L)電阻:
[0064] RB0L_RTerm-C+(nL_l) (RTerm+RTerm-Term)+RTerm-Int+Rlnt-S......(6)
[0065] 其中，1?是接頭100中電池端子的數目。
[0066] 接頭功能性要求規定接頭兩端的B0L電阻必須小于或等于接頭兩端的最大允 許電阻RMax :
[0067] Rbol ^ RMax......................(7)
[0068] 最大允許電阻RMax基于接頭應用和待接合的部件材料確定。在該實施例中，由 0· 2mm厚的A1或Cu箔制成的電池端子和由0· 8mm厚的Cu板制成的互連匯流板之間的USW 接頭的最大允許電阻RMax被確定為〇. 〇6πιΩ。
[0069] 在議計 $Η!Ι 入（tTerm，tpiimjerm，tFilm_Int，tInt，n L)、材料屬性（Ρ e_Term? P e_Film_Term? P e_Film_ Int，P e_Int)和上面確定的閾值（U已知的情況下，在通過公式（1)至公式（6)代入之后， 公式（7)中僅有的未知量為每個焊接點101、103和105的面積aw以及接頭100中焊接點的 數量n w。通過對等式（7)求解，接頭中的所有焊接點的總面積awnw得以確定。焊接點的數 量％取決于若干因素，主要是待接合的部件的尺寸。在優選實施例中，焊接點的數量n w可 選擇為3。選定焊接點的數量nw之后，可通過總面積awn w計算出每個焊接點的面積aw。然 后可通過面積aw來確定每個焊接點的尺寸1和w。
[0070] 對于大致為正方形的焊接點形狀，每個焊接點101、103和105的長度1和寬度w 彼此相等。因此，可通過以下公式確定長度1和寬度w:
[0071] / = w = ^%* ··***····*··**···***·* (8)
[0072] 對于其他焊接點形狀，諸如矩形、圓形、橢圓形和三角形，如表1中所總結的，可通 過各自的面積a w計算出長度1和寬度w。
[0073] 表1.接頭中不同形狀的焊接點的面積 焊接點形狀 焊接點面積,％ 長度和寬度關系 正方形__/w__w = I_ 矩形__/w__w< I_
[°°74] M 形 π/2/4 w = I 橢圖形 Tt/w/4__w < l__ 三角形 Λν/2 等邊三角形=
[0075] 對于矩形和橢圓形及其變形，需要基于已經確定的&"和已知設計輸入 (Item，WTCTm，Wlnt)通過ll、W1和h的迭代計算來計算出1和 W。
[0076] 尺寸h需要滿足以下約束：
[0077] 1 彡 1^1. 51...................(9)
[0078] 尺寸12需要不小于1. 51丨：
[0079] 12 ^ 1. 51!.....................(10)
[0080] 此外，尺寸Wl需要大于寬度w，即Wl彡w。然而，互連匯流板113的U形槽的深度 wlnt構成約束，即，因此，通過以下公式計算尺寸A :
[0081] ?!= (wInt-w) / 2...................(11)
[0082] 如下所述，從上面的得到的接頭100的幾何參數（aw、l、w、lp 12和a)可用以設計 焊頭和底砧的工作面。
[0083] 焊頭或底砧的工作面結構包括單個連續平臺和多個離散島狀體。每個島狀體構成 一工作面。單個連續和多個離散工作面上均具有多個凸起。單個連續工作面適用于小尺寸 接頭、高成形性部件材料和/或單層接頭設計。多個離散工作面適用于中型至大型接頭尺 寸、低成形性部件材料和/或多層接頭設計。
[0084] 焊頭或底砧的工作面的形狀包括正方形、矩形、圓形、橢圓形、三角形或它們的變 形。正方形和矩形工作面在工具和接頭的四個角周圍會產生應力集中。圓形工作面產生最 少的應力集中。橢圓形工作面形成集中電阻最小的接頭。三角形工作面可減輕待接合的部 件的材料的成形性問題。對于給定接頭應用，通過優化以解決最重要問題并將效益/成本 比最大化來確定合適的形狀。
[0085] 根據工作面的結構和形狀，需確定多個幾何參數。對于單個連續工作面，需要設計 工作面的面積以及工作表面上凸起的數量和每個凸起的尺寸。對于多個離散工作面，需確 定工作面的總面積、工作面的數量、每個工作面上的凸起數量以及每個凸起的尺寸。
[0086] 圖2 (a)示出了示例性USW焊頭200。在該實施例中，焊頭200具有彼此等距離 設置的多個離散工作面201 (a)、201 (b)和201 (c)。工作面的數量與焊接點的數量％相 同。需要設計的未知尺寸包括從焊頭200的底緣至工作面201的底緣的寬度％、從焊頭200 的左緣和右緣分別到工作面201 (a)和201 (c)的最近邊緣的長度U以及兩個相鄰工作面 201 (a)和201 (b)或201 (b)和201 (c)的幾何中心之間的距離1^2。距離L2以如下方式 計算：
[0087] L2=l2+1....................(12)
[0088] 考慮到可用工作空間及調整焊頭以與其接合的增強器相同的超聲波頻率共振的 可行性，一旦設定了焊頭的整體幾何形狀和尺寸，則可基于工作面的數量n w、每個工作面的 長度L和寬度W以及距離L2確定尺寸Q和％。
[0089] 圖2 (b)是焊頭200上的三個示例性工作面201的其中一個的放大俯視圖。在所 示實施例中，焊頭200的工作面201大致為正方形。需要設計的未知幾何參數包括每個工 作面201的長度L、寬度W和面積A w。長度L和寬度W通過對上面已經確定的接頭100的每 個焊接點101、103或105的長度1和寬度w增加約20%或至少增加約10%來確定。因此， 焊頭200的每個工作面201的長度L和寬度W可以如下方式計算：
[0090] l = r = 1.2/ = 1.2^% **·****·***·( 13)
[0091] 焊頭200的每個工作面201的面積Aw可以如下方式計算：
[0092] Aff=LW=l. 22aff.................(14)
[0093] 焊頭200的每個工作面201包括圓頂錐體大致相同的的凸起矩陣。這些凸起混合 在一起并從圓形基座203處向上延伸。網格線209表示出每個工作面201上的矩陣。每個 圓形基座203的直徑或跨度B為工作面201的未知設計參數，并可以如下方式確定： f.............................. ........................................ ? , /? 、
[0094] B = ^AW!N = φ ·2'-aw / Ν = L f 掘= \2U4W * 1 13 J
[0095] 其中，N為每個工作面201上的凸起的數量。
[0096] 凸起的數量N取決于若干因素，諸如電池端子的厚度、每個工作面201的面積和每 個凸起的基座203的面積。每個工作面上需包含更多凸起用于接合較厚電池端子。通常，凸 起N的數量被選擇為使得凸起均勻分布在每個工作面上。對于正方形工作面，凸起以2 X 2、 3X3或4X4的矩陣分布。2X2矩陣生成4個凸起，3X3矩陣生成9個凸起，而4X4矩陣 形成16個凸起。在優選實施例中，焊頭200的每個工作面201上的凸起的數目N被選擇為 9個，S卩，在3X3矩陣上有9個凸起。
[0097] 圖2 (c)示出了焊頭200的三個示例性工作面201的其中一個之上的多個示例性 凸起211的放大側視圖。每個凸起均具有大致相同的圓頂錐體形狀。每個圓頂錐體均具有 上圓頂部205和下部207。在圖2 (c)中，α是由每個圓頂錐體211的圓形頂點至其基座 203的端部形成的角度的一半；Rd是每個圓頂205的半徑或高度；Rb是每個圓頂錐體211的 下部207的高度；以及Η是每個圓頂錐體211的高度。除圓形形狀之外，每個凸起211的基 座203還可采用其它合適的形狀，例如，橢圓形或其變形。在這些實例中，Β指橢圓的主軸 的長度。
[0098] 在該實施例中，角度α取值約為45°。每個圓頂錐體211的高度Η以如下方式計算：
[0099] W2.................................................(16)
[0100] 然而，每個圓頂錐體211的高度Η還需要滿足以下約束：
[0101 ] (nL-lK Η < (nL+l) ..................................(17)
[0102] 每個圓頂錐體211的上圓頂部205的高度RD與每個圓頂錐體211的高度Η相關：
[0103] RD 彡 Η/2.....................(18)
[0104] 每個圓頂錐體211的下部207的高度RB需要不小于每個圓頂205的高度RD ：
[0105] Rb 彡 Rd......................(19)
[0106] 接頭耐用性要求規定B0L接頭強度σ B0L必須大于或等于最小允許B0L接頭強度 0 BOL-Min :
[0107] 0 BOL ^ 0 B0L_Min.....................(20)
[0108] 最小允許B0L接頭強度σ "η基于接頭應用和待接合的部件材料確定。在該實 施例中，最小允許B0L接頭強度σ m Min被確定為78和208MPa，分別對應于由0. 2mm厚的 A1和Cu箔制成的電池端子分別與由0. 8mm厚的Cu板制成的互連匯流板之間的USW接頭。
[0109] 圖3是配置在焊頭200的每個工作面201上的9個示例性圓頂錐體211的其中一 個的放大側視圖。在圖3中，β是定位圓頂205上的曲線(三維）或點（當投射在二維上時） 的角度，其對應于要被接合的部件內的塑性變形位移。
[0110] 接頭工藝性要求規定USW產生的接頭中的部件材料的B0L塑性應變eMax必須小 于或等于部件材料的最大允許塑性應變ε Max ：
[0111] ε BOL ^ ε Max.....................(21)
[0112] B0L塑性應變ε Max由以下公式確定：
[0113] (180° -2 奶露/180。t ,"、 C* = __. ......................................- I ****?·?*··* · * * * · I 7 / 1 雛 2?η(9?^β) (22}
[0114] 最大允許塑性應變ε Max基于要被接合的部件材料中較薄和/或更易碎的材料的 機械屬性確定。在該實施例中，最大允許應變ε Max分別被確定為17%和45%，分別用于0. 2mm 厚的A1箔和Cu箔制成的電池端子。
[0115] 在代入公式（22)之后，并借助于已知的最大允許應變eMax，通過求解公式（21)， 可獲得角度β的值。結合合適的USW工藝參數，可同時滿足接頭耐用性和工藝性要求。
[0116] 圖4 (a)示出了示例性USW底砧400，其上具有多個示例性工作面401。底砧400 的每個工作面401均具有以矩陣形式均勻配置其上的凸起411。在該實施例中，每個凸起 411均與具有菱形基座的角錐大致類似。底砧400上的多個離散工作面401均與焊頭200上 的工作面201匹配并對齊，使得任意兩個相鄰底砧工作面401的幾何中心之間的距離保持 與焊頭200上的間隔L2大致相同。然而，由于每個底砧工作面401均大于焊頭工作面201， 在每側超出距離約為每個凸起411的基座的跨度Ba的一半，每個底砧工作面401的底緣與 底砧400的底緣之間的距離減小了約Ba/2，即，Wi-B/2，并且底砧400的側部與底砧工作面 401最近的一側之間的距離減小了約Ba/2，即，L「Ba/2。
[0117] 圖4 (b)為底砧400的三個示例性工作面401的其中一個的放大俯視圖，其中，焊 頭200的三個示例性工作面201的其中一個覆蓋在底砧400上，其示出在USW加工期間底砧 與配對焊頭夾緊待接合的部件時的對齊結構。在該對齊結構中，每個焊頭工作面201上的 每個凸起211 (圓頂錐體）的基座203的幾何中心與凹陷407的幾何中心對齊，該凹陷407 由配對底砧工作面401上的四個相鄰凸起(角錐）411 (a)、411 (b)、411 (c)和411 (d)包 圍。底砧工作面401上的每個角錐411的基部403的跨度Ba與焊頭工作面201上的每個 圓頂錐體211的基座203的跨度B大致相同，即，Ba?B。此外，每個底砧工作面401沿著 焊頭工作面201的每個邊緣超出其邊緣延伸一定距離。在優選實施例中，每個底砧工作面 401的邊緣均超出焊頭工作面201的配對邊緣延伸一段距離，該距離等于底砧工作面401上 的每個角錐411的基部403的跨度Ba的一半，即Ba/2。
[0118] 圖4 (c)是底砧400的三個示例性工作面401的其中一個上的多個示例性凸起 411的放大側視圖。每個凸起411均具有基部403和上錐形部405。每個凸起411的尖頂 至其基部403的端部成角為2 α。該角度值與配對焊頭工作面上的每個凸起211的圓頂至 其底部203的端部形成的角度基本相同。在優選實施例中，角度α約為45°。此外，底砧 工作面401上的凸起411的高度Ηα需在底砧所夾持的部件的厚度tInt的約20%至80%的范 圍內：
[0119] 20%tInt〈HA〈80%tInt..................(23)
[0120] 如果由公式（23)計算出的高度HA小于配對焊頭工作面201上的凸起211的高度 H，S卩，HA〈H，那么跨度BA會小于跨度B，S卩，BA〈B，因為對于α=45°而言，Β Α=2ΗΑ。可選地，為 保持跨度基本相等，即，ΒΑ?Β，角度α需大于45°。
[0121] 每個工作面401和每個凸起基部403的長度可大于它們的寬度，即，每個工作面 401和每個凸起基部403均為矩形或橢圓形，即便是對于配對焊頭200上的正方形工作面 201而言同樣如此，以便在USW振動方向垂直于長度方向時能夠夾持得更加緊固。
[0122] 通過已知設計輸入、相關材料屬性和上述設計方法，可形成用于焊頭和底砧的工 作面的幾何設計，其可滿足為該設計設定的要求和約束。
[0123] 盡管已經全面地對本實用新型進行了描述，并相當詳細地公開了本實用新型的最 佳實施方式以覆蓋可能的方面和實施例，但本領域技術人員應當理解，可想到用于實施或 實踐本實用新型的多種替代設計和實施例，其由所附權利要求限定。
【權利要求】
1. 一種用于接合兩個或更多部件的超聲波焊接工具，其特征在于，包括： 焊頭，包括： 至少一個工作面，具有多個形成在其上的凸起，這些凸起以第一矩陣的方式布置，每個 凸起均具有固定至所述工作面的基座部分、從所述基座部分凸出并錐形化的下部以及從所 述下部凸出并收縮為圓頂的上圓頂部；以及底砧，包括： 一個或多個工作面，每個底砧工作面均具有多個形成在其上的凸起，這些凸起以第二 矩陣的方式布置，每個凸起均具有基部和從所述基部傾斜至尖頂的上錐形部，每個底砧凸 起的頂點均與焊頭凸起之間的點對齊，并且每個焊頭凸起的頂點均與底砧凸起之間的點對 齊。
2. 根據權利要求1所述的超聲波焊接工具，其特征在于，所述焊頭具有以下其中之一： 單個連續工作面，具有多個均勻分布于其上的凸起，用于生成具有單個焊接點的接頭； 或 多個離散工作面，任意兩個相鄰工作面之間隔開間距L2的距離，每個工作面均具有多 個均勻設置于其上的凸起，用于生成具有多個焊接點的接頭，一個焊接點對應一個工作面。
3. 根據權利要求1所述的超聲波焊接工具，其特征在于，所述焊頭上的單個連續工作 面相對于所述焊頭的兩側位于中心，所述焊頭上的多個離散工作面分布的整體對稱中心與 所述焊頭的兩側之間的對稱軸對齊，所述焊頭上的任意兩個相鄰工作面之間的間距L 2與由 所述焊頭和與其匹配的底砧形成的接頭中的任意兩個相鄰焊接點之間的間距12與1之和 相同，其中，1 2是所述接頭中的任意兩個相鄰焊接點的最近邊緣之間的距離，1是所述接頭 中的每個焊接點的長度。
4. 根據權利要求1所述的超聲波焊接工具，其特征在于，所述底砧具有以下其中之 單個連續工作面，具有多個均勻分布于其上的凸起；或 多個離散工作面，任意兩個相鄰工作面之間隔開間距L2的距離，每個工作面均具有多 個均勻配置于其上的凸起。
5. 根據權利要求1所述的超聲波焊接工具，其特征在于，所述底砧上的單個連續工作 面相對于所述底砧的兩側位于中心，所述底砧上的多個離散工作面分布的整體對稱中心與 所述底砧的兩側之間的對稱軸對齊，所述底砧上任意兩個相鄰工作面之間的間距L 2與相匹 配的所述焊頭上的任意兩個相鄰工作面之間的間距L2相同。
6. 根據權利要求1所述的工具，其特征在于，所述焊頭的工作面與相匹配的所述底砧 的工作面被構造為相互對齊，使得所述焊頭上的每個工作面的幾何中心與相匹配的所述底 砧上的匹配工作面的幾何中心對齊，所述底砧的每個工作面的所有邊緣都超出相匹配的所 述焊頭的匹配工作面的相應邊緣對稱向外延伸，延伸距離至少為所述底砧的工作面上的每 個凸起的基部的跨度B A的一半。
7. 根據權利要求1所述的超聲波焊接工具，其特征在于，所述焊頭的每個工作面均具 有以下形狀中的一種：正方形、矩形、圓形、橢圓形、三角形或它們的變形，所述正方形、所述 矩形、所述三角形或它們的變形的所有尖角都被倒圓角。
8. 根據權利要求1所述的超聲波焊接工具，其特征在于，所述底砧的每個工作面均具 有以下形狀中的一種：正方形、矩形、圓形、橢圓形、三角形或它們的變形，所述正方形、所述 矩形、所述三角形或它們的變形的所有尖角都被倒圓角。
9. 根據權利要求1所述的超聲波焊接工具，其特征在于，所述焊頭的每個工作面具有 的尺寸包括長度L和寬度W: 所述長度L和所述寬度W等于圓形工作面的直徑，且所述寬度等于三角形工作面的高 度； 尺寸L、W比要形成的焊接點的對應尺寸l、w至少大10%，S卩，L彡1. 11且W彡1. lw ; 所述焊接點的尺寸1、w由它們與焊頭工作面的對應形狀的焊接點的面積aw的幾何關 系確定； 所述焊接點的面積aw乘以焊接點數目nw或工作面數目為要形成的接頭的總面積awn w ; 所述接頭的總面積awnw由與接頭應用相關的接頭功能性要求及待接合的部件材料確 定；以及 所述焊接點數目nw或所述工作面數目為一個或多個，主要取決于待接合的部件的尺 寸。
10. -種用于接合兩個或更多部件的超聲波焊接系統，其特征在于，包括： 焊頭，連接至第一部件或第一組部件并構造成在所述第一部件內產生振動，所述焊頭 具有至少一個工作面，多個凸起均勻配置在所述至少一個工作面上，這些凸起以第一矩陣 的形式布置，每個凸起均為圓頂錐體；以及 底砧，連接并緊固夾持相對于所述第一部件靜止的第二部件，所述底砧具有至少一個 工作面，多個凸起均勻配置在所述至少一個工作面上并構造成與相匹配的焊頭的匹配工作 面正對并對齊，這些凸起以第二矩陣的形式布置，每個凸起均為角錐。
【文檔編號】B23K20/10GK203843363SQ201320790047
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2013年12月3日 優先權日:2012年12月4日
【發明者】休米·維德哈爾姆 申請人:福特汽車公司