專利名稱：利用感應加熱來焊接接頭的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及具有權利要求1前序部分的特征的用于通過感應加熱來焊接接頭的方法，以及特別適合于實現該方法的裝置。
背景技術：
文獻GB-1 183 316公開了用于對與其集電導體平行放置的加熱線進行感應焊接的方法。在第一實施例中，加熱線通過接合到窗玻璃表面上來固定，并且集電導體-薄鍍錫銅條-被置于頂部。焊接工具利用間隔輥沿集電導體以固定間隔距離在窗玻璃的同一表面上引導。在第二實施例中，在由兩個窗玻璃板和一個粘合劑層組成的層壓窗玻璃單元中，不能從外部接近加熱線和集電導體。此時，僅在產生層壓窗玻璃單元之后形成加熱導體及其集電導體之間的電接觸。為此，利用了磁場無需接觸而通過窗玻璃板之一傳輸熔化焊料所需的能量的能力；在此情況下，該窗玻璃板充當用于手引導焊接工具的間隔物。
已知這樣的窗玻璃特別用在機動車輛制造中，也用在建筑中。其它典型的應用例如是焊接用于連接線的接觸底座。它們的尺寸正在日益變小，以便在機動車輛制造中節省空間，并且常常還設置有線纜接頭，這在直接施加焊接工具時被證明是不便的(參見EP 477 069 B1)。同樣，諸如放大器等的電子部件被直接焊接到天線導體區域，這些天線導體區域被印刷到窗玻璃的外表面上。
由于與制造相關的技術原因，并且為了能夠利用共同的多線纜向著外部來連接多個接頭，通常將幾個被焊接的組件或焊接點很近地放在一起(參見DE 195 36 131 C2)。然而，通過使用常規的焊接工具，這些組件或點確實必須分別一個接一個地焊接。
然而，從敞開的“前面”將烙鐵直接施加于所涉及的連接部件常常是不利的，特別是當-并且主要在具有短通過時間的工業連續生產中-由于不可避免的力的作用而發生不正確的定位時。
然而在感應焊接的情況下，設備制造商確實通常根據待施加的熱功率而推薦700到900kHz的高頻率。同時，電功率要求僅僅是較低的(1到4kW)。
然而，利用所推薦的相對高的頻率、在以上討論的可能應用的條件下所進行的測試尚不能獲得令人滿意的結果。具體而言，由具有較高銀含量的絲網印刷糊的厚烘干層組成的、在窗玻璃表面上充當焊接接頭面的傳導結構可能過度加熱，并且耗散大量的熱，而與此同時，待焊接的部件尚未變得足夠熱。一個原因可能是上述傳導結構或其材料對感應所產生的波具有高吸收。于是，利用高頻率所獲得的熱效應要么在容積體內穿透得不深，要么穿透得極慢，反而是保持在其表面(也被稱為“趨膚效應”，這方面可參見DE 694 30 275 T2，第36頁)。因此，短通過時間必然不能實現向著所涉及的厚層的另一面穿透所需的深度。
文獻DE 196 36 216 A1描述了特別是用于淬火和焊接的用于對部件進行感應加熱的裝置和方法，其中感應環或線圈與傳導體組合來對磁場進行偏轉或取向。上述環/線圈由作為電的良導體的管狀材料組成，其在焊接操作期間通過循環的冷卻流體來冷卻。針對通過感應來加熱金屬而推薦的工作或頻率范圍是10kHz到10MHz。然而，在該文獻中，僅詳細描述了一個關于將孔的邊緣淬火的應用情況。所提及的傳導體形成可插入到相應的孔中的芯。該文獻沒有給出關于利用感應加熱來進行焊接的方法或設備制造的其它信息。
發明內容
本發明所要解決的問題是提供用于將接頭感應焊接到窗玻璃單元的方法以及特別適合于實現該方法的設備。
根據本發明，上述問題是通過方法權利要求1的特征和裝置權利要求12的特征來解決的。引用相應獨立權利要求的從屬權利要求提出了本發明的有利實施例。
因此，位于焊接工具中的感應環或線圈的表面區域的大小和形狀被定制成適合于相應的多接觸區的大小和形狀。該表面區域可以很小，但通常的尺寸為幾平方厘米。例如為0.5到70cm2，并且可以更大。
這些工具可施加于所涉及的窗玻璃在焊接面的相對側的表面。這些工具所發射的磁場實際上沒有衰減地通過窗玻璃的材料，這使得所需的焊接熱僅從窗玻璃的背側釋放。甚至是窗玻璃表面邊緣處的任何局部的不透明(不傳導)涂層，磁場也實際上沒有衰減地穿透。同時，光滑的窗玻璃表面形成工具的理想承載表面，并且甚至該工具與實際焊接點的距離由于以可忽視的偏差再現窗玻璃和層厚度而實際上在一個窗玻璃板和另一個窗玻璃板之間保持不變。然而，如果可利用其它方式來實現必要距離的調節，并不是非常有必要將焊接工具放置在面對焊接點的窗玻璃面上。同樣，可以將焊接工具直接施加于待焊接的部件。
可以對簡單的窗玻璃和層壓的窗玻璃采用該技術。
因此，在大規模生產中，工具可有利地安置在焊接裝置或焊接站的固定位置，在該位置引入和放置為形成焊接接頭而準備的窗玻璃。保持工具靜止具有額外的優點不需要移動必要的供電導管。
在脫離設備制造商的推薦下，以實驗的方式將感生波以及相應的磁場的頻率顯著減小到5到150kHz的范圍。所描述的應用中的磁場穿透深度因此明顯較大。然而，使用較多的電功率是必要的，這是因為較低頻率的輻射在間隙中或在窗玻璃本體內經歷較高的傳輸損耗。也有必要以較高強度的低頻率磁場來工作。
然而，鑒于對大規模生產具有有利作用的顯著改善的焊接結果，這一點并不需要考慮在內。同時，實現了顯著加快的生產，這是因為即使對于很短的通過時間，甚至是在相對大的焊接接頭域中，所有鄰近的焊接點在同一時間并且以較大的處理可靠性被焊接。通過使用相對小的高頻焊接工具，也將需要工具和相應的窗玻璃之間的相對運動。已經證明，在本發明的范圍內，最好用于在較低頻率進行感應焊接的環或線圈具有比用于高頻感應的環或線圈明顯大的體積。
合適的大尺寸環或線圈被用于實施不同的實驗焊接，均得到了令人滿意的結果。這樣，例如，一個五極天線接頭、四個按鈕形式的單獨的天線接頭以及加上兩個天線接頭的兩個加熱導體接頭，被焊接到典型的具有不同設置的窗玻璃上，所有這些在印刷有導電軌跡的窗玻璃的不透明邊緣涂層的區域中進行。由于對于低感應頻率來說，場線良好穿透這些傳導結構，接觸元件的本體或(金屬)觸點被磁場充分且足夠快地加熱，以便熔化它們的預鍍錫并在窗玻璃的一側將其與連接面可靠地組裝。
焊接工具實際上也不經歷磨損。用于放置待焊接部件的保持工具可以較為簡單地并且以沒有焊接工具的較為緊湊的形式來制造。
在焊接操作中，利用簡單的夾持裝置僅自由地將待連接的部件壓在窗玻璃表面上，夾持裝置本身不被磁場加熱。例如，這些工具可由塑料或陶瓷或兩者制成，或者可在它們與待焊接的部件接觸的區域裝備非金屬部分。為了在局部優化和偏轉磁場，可以使用由鐵氧體材料制成的夾持裝置。
從窗玻璃板的“后面”(在車輛中通常是外面)焊接以及隨之而來的熱的直接施加，得到了額外的結構上的顯著優點，即，可焊接較為復雜的結構元件。
具體而言，除了實際的焊接點以外，待連接的部件不需要具有任何自由的金屬表面，而可以例如全部用塑料涂覆或包模，并且在適當時，甚至可包含位于緊接接觸點上方的第二平面中的部件(參見DE 19856 663 C2)。在其組裝環境中，這樣的部件可無需專門的保護而使用。當然，例如利用“檢查孔”，也可以在焊接點本身對焊接進行目測檢查(參見DE 102 49 992 C1)。
當然，環或線圈或者包含它的工具的形狀必須適合于相應的細節，實質上就是適合于所設想的連接幾何形狀(焊接接頭面的區域中的部件的表面面積和形狀)，使得磁場線可以在待加熱部件上最佳地取向。特別有利的是工具中具有鐵氧體元件，以便優化場線的圖形。為了適合于彎曲的窗玻璃表面，最好是對應的預制件和/或工具的接觸面上的彈性中間層。
根據可能的應用實例的附圖以及其詳細描述，本發明的方案的其它細節和優點將變得明顯。
在這些未按比例畫出的示意圖中圖1示出具有用于焊接的連接的窗玻璃的視圖，該窗玻璃位于對用于焊接的接頭進行感應焊接的裝置中；以及圖2示出圖1在多焊接接頭點的區域中的放大的細節。
具體實施例方式
圖1示出由玻璃或塑料制成的梯形窗玻璃板1，在觀察方向上的上表面沿其邊緣設置有不導電的不透明涂層2(在此為暗灰色，但實際上通常為黑色)。其例如是機動車輛的后窗，在此為了簡單而沒有畫出曲率。在其表面上，還設置有導電軌跡或結構3，例如加熱導體和天線導體，其延伸通過窗的視野和/或者延伸通過在涂層2上的邊緣的側面。沿窗玻璃板1的左邊緣，在涂層2的表面上有集電導體4和5。此外，還提供了旨在用于傳導結構3或集電導體的電連接部分的若干連接面6、7、8(在圖示中以淺灰色示出)，稍后我們將返回來對其進行更詳細的描述。
在窗玻璃板的右邊緣上示出了集電導體和連接面的翻轉的相同配置，但沒有對應的標號。在實際上窗玻璃板的兩側上，集電導體和連接面的配置可以不同。連接面和焊接點也可沿在此示出的窗玻璃形狀的長邊設置。
窗玻璃板1的中心視場中的加熱和天線傳導結構3的配置不做進一步的描述。為了本說明書的目的，這是不重要的，因為本說明書僅涉及通過利用感應熱進行焊接來形成傳導結構3的邊緣的電接頭。
除了集電導體4、5以及連接面6、7、8以外，傳導結構3通常通過(在玻璃的窗玻璃上，優選地在彎曲時)利用厚層技術與后續烘焙技術，印刷(絲網印刷)傳導印刷糊(含銀)產生。
窗玻璃1放置在尤其是阻擋件11、支撐件12和焊接工具13所屬的用方框指示的裝置10中。而阻擋件11被實施在窗玻璃1的橫向邊緣上，以便將其定位在該平面中，在觀察方向上，支撐件12和焊接工具13位于窗玻璃1之后/之下。可以看出，在窗玻璃表面上的豎直投影中，固定在所述裝置中的焊接工具13完全覆蓋連接面的區域。其朝向窗玻璃取向的表面為幾平方厘米。
連接面6、7和8必須分別連接到窗玻璃外部的對應于其功能的電源或連接線，或者天線線纜，這些未在圖1中示出。
窗玻璃板1的左邊緣上的標記為“II”的圓圈包圍著在圖2中以放大的細節示出的區域，以便詳細說明根據本發明的方法和對應的裝置。劃出界線的區域在下面也稱作連接域。其在總體上具有適合相關焊接工具的限定的表面延伸。
如果需要，單獨的焊接工具所覆蓋的連接域可以延伸。同樣，單獨的焊接工具可包括兩個螺旋或更多個。這在焊接點將在平坦的、或僅略彎曲的或圓柱形彎曲的窗玻璃上產生的情況下是推薦的。
圖2示出從圖1的左側觀察的展平的窗玻璃1的邊緣區域的側視圖。對于相同的元件，仍然使用與在圖1中相同的標號。盡管明確示出了平坦的窗玻璃板1，本發明當然適用于彎曲的窗玻璃。
在不透明涂層2上可以看到圖1的圓圈II中的連接域的兩個連接面7和四個連接面8。在兩個并列的連接面7上施加了設置有連接線纜的橋形接觸元件15的兩個焊接底座14。這樣的具有被焊接的柔性引線的接觸元件在現有技術中是公知的(例如EP 0477 069 B1中)。它們常常用于將加熱場電連接到車輛的車載電源上。具體而言，這樣的部件對于后續焊接是關鍵的，因為引線的焊接不必被過度加熱。利用根據本發明的方法，可以可靠地避免這樣的過度加熱。
本身也公知的多接觸元件16被施加于四個連接面8，多接觸元件16包括四個金屬觸點17，每個必須被焊接到連接面8之一。同樣，多接觸元件16由連接線纜連接。在多種不同天線的環境中，在適當時，該連接線纜可以是例如天線線纜。
多接觸元件16具有由適當的塑料(其是電絕緣的)制成的護套，其中嵌入了帶有朝向連接纜線的線接頭的多接觸元件的觸點17。多接觸元件與窗玻璃1相對的面上的自由金屬表面并不是需要的。其它電氣和/或電子部件(例如放大器)也可以位于護套內。
圖2中所示的六個焊接點中的每一個都設置有含鉛或不含鉛的薄焊料層9(預鍍錫，或沉積焊料)，在需要時，具有后續引入或施加的助焊劑。如果可以保證所注入的能量能夠充分加熱所有部件以便牢固地焊接兩側面，或者如果焊料可以浸濕非鍍錫表面，則只需將焊接沉積物僅施加到待焊接的兩個面中的一個上，從而施加到連接面7、8或施加到焊接底座14或觸點17。
涂層2、連接面7和8以及焊接沉積物的厚度在此未按比例示出。
虛線被用于指示夾持裝置18、19，其各將接觸底座14和多接觸元件16定位和壓到觸點或焊接點上。它們不必與焊接點電接觸。舉例來說，并且有利地，這些夾持裝置同時可以是自動化生產線上的遙控保持和定位工具。這樣的雙重功能用所示的接觸元件略微覆蓋夾持裝置來指示。它們首先從相應的存放處取出自由活動的接觸元件，將它們置于對應的連接面上，并且在焊接操作期間將它們保持，直到焊料硬化。
焊接工具13被施加于與接觸點7和8的相對的窗玻璃1的下表面，其具有(至少)一個感應環或線圈13I，被具有可調頻率和功率的電壓的商用發電機13G供電。在發電機和線圈之間的連接中，還用符號示出了開關13S，借助該開關可以控制感應環13I的工作。最后，如果需要，工具13可通過連接管子13C來冷卻。與示意圖相對照，冷卻流體入口和電源線可以匯集在一起。
與常規高頻感應環或線圈相比較大的焊接工具13包括尺寸大致對應于焊接工具的長度和寬度的線圈或環。可以以本身公知的方式利用鐵氧體或其它等同的合適材料制成的物體來填充中間的空間。這樣，它們所發射的磁場可以被優化，使得其被偏轉，并且盡可能大強度且一致地作用于焊接點。因此，與其說可以獲得好的一致性，不如說可以盡可能快且大強度地加熱所確定點的或小表面，即焊接點和施加到焊接點上的金屬接觸元件。
類似地，可能有利的是為夾持裝置提供鐵氧體元件或具有相同功能的部件，以便形成場線和引導場線。正如焊接工具本身必需單獨地與相應的連接域和其焊接點配合。
為了不斷實現高焊接質量，重要的是在每個窗玻璃板上盡可能保持焊接工具13和焊接點之間的距離不變。因此在在此示出的示例性實施例中，焊接工具直接施加于窗玻璃的表面上。當然，必須防止對光滑窗玻璃表面的任何損壞。在此，根據本發明，可以在焊接工具和窗玻璃的下表面之間提供很小的明確限定的間隙，以便完全避免任何接觸。
這樣，如果具有感應線圈的工具要施加到彎曲窗玻璃板而不是在此所示的平坦窗玻璃1的表面，則需要從精確的可再現定位的意義上使它適應窗玻璃的局部輪廓，或者需要借助于彈性中間層來貼合該局部輪廓。
優選地，這些焊接工具固定/或靜止地放置在裝置10中。待處理的窗玻璃板每次都利用未示出的運輸裝置設置，并且被放置在支撐件12上、阻擋件11之間。
當然，也可以將可借助于機器人來移動的焊接工具施加到待處理的窗玻璃板上的可再現的位置。例如，當沒有必要處理大量的總是保持相同的窗玻璃件時，或者當必須在相同裝置上處理模型的頻繁變化時，上述方案是優選的。
為了生產焊接的組件，通過連接其電源(閉合開關13S)向感應線圈13I提供所需頻率(5到100kHz)的電流。典型地設置1.3到15kW量級的功率，盡管這當然可以根據環或線圈的距離、焊接點的(總)表面面積和待加熱的質量來改變。磁場通過窗玻璃材料的幾毫米厚以及不透明邊緣涂層2的幾微米厚，不會有過度的衰減；偏離越小，則間隙越窄。在接觸點7、8和焊接沉積物9的金屬部件以及所施加的接觸元件15和16的金屬部件(焊料腿14、觸點17)中，存在熱量釋放。除了允許相對深的穿透的優點以外，低頻率還具有附加的優點對電磁波敏感的某些部件也可以被焊接，而不會破壞這些部件。
從磁場開啟直到焊料完全熔化所需的時間以及最佳頻率范圍可以通過簡單地而重復地確定，并且可利用適當的軟件來模擬。在焊接操作之后切斷磁場(斷開開關13S)。窗玻璃1仍被暫時保持，夾持裝置18、19也是這樣，直到焊料硬化，且電連接保持牢固而無需附加的機械固定。之后，將窗玻璃1傳遞到后續的處理操作上。
權利要求
1.一種用于焊接多個電接頭的方法，其中接觸元件(15、16)必須焊接到焊接位于非金屬窗玻璃(1)上的連接面(6、7、8)上；并且預定頻率的磁場由包括環或線圈(13I)并覆蓋若干焊接接頭面的區域的焊接工具(13)沿焊接點發射，以便通過感應來加熱它們，其特征在于，具有所述環或所述線圈(13I)的所述焊接工具(13)的大小和形狀是根據焊接操作中必須同時加熱的若干焊接點上的表面面積來設置的，并且施加到所述環或所述線圈的交流電壓的頻率與連接部分的幾何形狀調整并且將該頻率調節為最多150kHz。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在5到150kHz調節所述磁場的頻率。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在10到100kHz調節所述磁場的頻率。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在12到70kHz調節所述磁場的頻率。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在15到40kHz調節所述磁場的頻率。
6.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，至少一個焊接工具(13)被直接地或以小間隙施加到所述窗玻璃與所述焊接點相對的表面上，并且經由所述窗玻璃發射磁場。
7.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，待焊接接觸元件(15、16)與焊接接頭面(6、7、8)一起，利用金屬夾持裝置(18、19)、特別是鐵氧體夾持裝置或非金屬夾持裝置固定到所述焊接接頭面(6、7、8)上。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，使用與保持和定位所述接觸元件(15、16)的工具結合的夾持裝置。
9.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，至少在所述焊接操作期間，所述窗玻璃(1)和所述至少一個焊接工具(13)靜止地固定在裝置(10)中。
10.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中待焊接的所述連接面或所述接觸元件或兩者設置有含鉛或不含鉛的焊接沉積物(9)，可能具有后續引入或施加的助焊劑。
11.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，機器人被用于將焊接工具(13)引導和施加到窗玻璃(1)上，或者將窗玻璃引導和施加到焊接工具(13)上。
12.一種用于實現根據前述權利要求中任一項所述方法的裝置，包括裝置(10、11、12)，用于在焊接操作期間固定窗玻璃(1)；至少一個焊接工具(13)，具有能夠發射磁場的至少一個環或一個線圈(13I)，該磁場的大小對應于具有位于所述窗玻璃上的若干連接面的連接域的表面面積；用于對所述焊接工具(13)和所述連接域進行相互定位以使所述焊接工具產生的磁場可靠地加熱焊接點的裝置；一發電機(13G)，能夠連接到所述環或所述線圈(13I)，該發電機能夠產生頻率為5到150kHz的交流電壓。
13.根據權利要求12所述的裝置，其中所述焊接工具(13)包括一個以上的環或線圈(13I)。
14.根據權利要求12或13所述的裝置，其中除了所述環或所述線圈以外，所述焊接工具(13)還包括用于偏轉和引導所述磁場的場線的部件。
15.根據前述裝置權利要求中任一項所述的裝置，其中所述焊接工具(13)設置有彈性中間層以便實施在所述窗玻璃的表面上。
16.根據前述裝置權利要求中任一項所述的裝置，具有機器人，用于將所述至少一個焊接工具(13)引導和施加到所述窗玻璃上和/或者將所述窗玻璃引導和施加到所述焊接工具上。
17.根據前述裝置權利要求中任一項所述的裝置，具有夾持裝置(18、19)，用于將所述接觸元件(15、16)壓到所述焊接點上。
18.根據權利要求17所述的裝置，其中所述夾持裝置與保持工具結合來定位所述接觸元件。
19.根據權利要求17或18所述的裝置，其中所述夾持裝置設置有用于偏轉和引導所述磁場的場線的部件。
20.一種窗玻璃，包括連接面(6、7、8)，接觸元件(14、17)利用工具權利要求1到11中任一項所述的方法焊接到該連接面上。
全文摘要
本發明涉及用于焊接多個電連接的裝置，其中接觸元件(15、16)必須焊接到設置在非金屬玻璃窗格(1)上的焊接接頭面(6、7、8)，其特征在于利用焊接工具(13)沿焊接點的方向發射磁場，以便通過感應來加熱焊接點，根據本發明，焊接工具(13)的大小和形狀是根據焊接操作中必須同時加熱的若干焊接點上的表面來設置的。同時，其特征在于施加到環或線圈的交變電壓的頻率針對連接的形狀來調節并且設置為最多150kHz，這樣，對于高工作速率，獲得了對需要焊接的部件的好得多的加熱，這是因為低頻場線具有對元件的較大穿透深度。本發明還涉及特別適合于實現該方法的裝置。
文檔編號B23K1/00GK101065993SQ200580040853
公開日2007年10月31日 申請日期2005年11月16日 優先權日2004年11月30日
發明者B·魯爾 申請人:法國圣戈班玻璃廠