透射传输连接装置、使用该装置的连接方法以及由此产生的连接结构

技术领域

本发明涉及一种通过光透射接合或焊接技术将由光吸收材料制成的第一部件连接到由光透射材料制成的第二部件的透射传输连接装置、使用该透射传输连接装置的连接方法，以及由此产生的包括由光吸收材料制成的第一部件和由透光材料制成的第二部件的连接结构。

背景技术

在能量存储领域，特别是在存储电能的领域，存在各种解决方案。这些解决方案之一是使用近年来变得越来越重要的电池。

在电池领域内，同样存在若干替代的解决方案。其中，可以使用液流电池或氧化还原液流电池，其是一种电化学电池，其中化学能由溶解在液体中的两种化学组分提供，两种化学组分在膜的分离侧上被泵送通过系统。在EP0312875A1中描述了氧化还原电池的示例。

在这种电池系统中，由于大的电化学电势窗口，电极通常由石墨组成。在EP2519479A2中描述了用于相应石墨电极的示例性制造方法。其中，制备包含至少一层织物和至少一种含石墨成形体的层状复合材料，所述含石墨成形体通过将石墨颗粒与至少一种固体有机添加剂混合以形成混合物，然后压缩由此获得的混合物的方法获得。

特别地，考虑到现有技术，本发明的一个问题是提供一种用于生产用于电化学电池的相应石墨电极的替代方法以及用于生产这种石墨电极的相应装置。

发明内容

上述目的通过根据独立权利要求1的透射传输连接装置、根据独立权利要求9的使用本发明的透射传输连接装置的连接方法以及根据独立权利要求13的连接结构来解决。进一步的优选实施例和发展由以下描述、附图以及所附权利要求得到。

本发明的通过光透射接合技术将由光吸收材料制成的第一部件连接到由光透射材料制成的第二部件的透射传输连接装置包括安装到第一支撑件的保持第一部件的第一工具和安装到第二支撑件的保持第二部件的第二工具，其中所述第一工具和所述第二工具可相对于彼此移动，并且所述第一工具至少部分地由具有高热阻的热隔离件的层制成或包括热隔离件的层。

在现有技术中，特别是在塑料焊接领域中，已知透射传输连接装置的一般构造(例如透射传输焊接装置)以及程序过程。其中，透射传输焊接装置用于将光或激光吸收材料的第一塑料部件连接到光或激光透射材料的第二塑料部件。相应的工艺也被表示为激光塑料焊接、透射传输焊接或聚合物焊接，但是连接两个塑料部件的概念是相同的。

这种接合或连接方法的基本原理是将激光辐射透射通过一个塑料部件，即透射部件，以产生连接。与在材料表面施加能量的标准焊接不同，传输连接方法在两个塑料部件之间的界面处施加能量。这可以通过同时照射整个连接部分、连接结构或焊缝，即同时光或激光透射焊接来完成。除了其他方法之外，进一步的方法是准同时的透射传输焊接(quasisimultaneous through transmission welding)或轮廓焊接(contour welding)。在本发明中，特别优选使用同时的方法。

现在，基于用于电化学电池等中的石墨电极的示例性制造来说明本发明的透射传输连接装置的结构和功能。

示例性石墨电极包括由光或激光吸收材料制成的第一部件。在优选示例中，第一部件是填充有石墨颗粒的塑料基质材料。提供例如用于随后将含石墨的第一部件安装到氧化还原液流电池堆栈中的框架的第二部件优选地由对所使用的光或激光透明的塑料构成。

为了将第一部件连接，即接合或焊接到第二部件，第一和第二部件设置在第一和第二工具之间。例如，第一部件布置在第一工具中，第二部件布置在第一部件上，或者替代地布置在第二工具中。在这点上，假设用于在连接结构或部分处加热第一部件的光、特别是激光来自第二工具，并且因此首先穿过第二部件。例如，安装到第一支撑件的第一工具是下工具，而第一支撑件是升降台。因此，安装到第二支撑件上的第二工具是包括波导的上工具，波导在其出口端具有透明板，并且以相对的入口端安装到作为上支撑件的上安装板。优选地，第一和/或第二支撑件至少部分地由金属、特别是钢或铝制成。

在部件已经布置在装置中之后，第一和第二工具相对于彼此移动到连接位置，在该连接位置中，第一和第二部件至少部分地彼此邻接，优选地利用相应的连接部分彼此邻接。

此后，在第一和第二部件上施加焊接力，并且借助于光源照射第一和第二部件，同时保持焊接力和由此产生的接触压力。优选地，在连接部分中照射第一和第二部件。在光透射(特别是激光透射)通过透明或上方的第二部件之后，入射光被下第一部件吸收并在材料内转换成热。一旦激光被吸收部件转换成热，热能被传递到透明部件以允许其软化和熔化。通过确保两个部件紧密接触，热能可被传导到透明部件。

为了能够与示例性的第一部件(即填充有石墨颗粒的塑料基质材料)结合使用透射传输连接方法，用于激光传输焊接的已知装置是不合适的。特别地，发现在普通激光传输焊接装置中不可能充分加热待连接的部件，从而得到可靠的连接。甚至由光源引入部件中的能量的增加也不能完全克服这种缺陷。

经过深入研究，发现使用热隔离件作为第一工具或在第一工具处使用热隔离件的层克服了这一缺点。由于使用该热隔离件，可以实现应用用于制造上述示例性石墨电极的透射传输连接方法。这是因为热隔离件至少阻碍或优选地防止热传导到例如第一支撑件。这将在下面说明。

作为该方法的最后步骤，特别是在光源已经关闭并且已经过了足够的时间之后，在该时间中，部件通过焊接力压在一起以允许软化的材料硬化，第一工具和第二工具相对于彼此移出连接位置。现在，用户可以移除所产生的连接结构，即具有用于组装氧化还原液流电池的框架元件的示例性石墨电极。

基于以上说明，与现有技术的第一区别和本发明的具体技术优点在于，光透射接合技术用于制造石墨电极。特别地，该技术的使用使得生产更容易且成本有效。另一个优点是开发了一种装置，通过该装置可以应用光透射接合技术来制造这种石墨电极。

在这点上，特别是关于透射传输连接装置，发现本发明的透射传输连接装置还可用于任何应用，优选任何电化学应用，其中作为第一部件的光或激光吸收且高导热的材料将连接(即，粘结或焊接)到光或激光透明的第二部件。

由于石墨的热导率为λ＝119-165W/(m K)，热导率在λ≥50W/(m K)范围内,优选λ≥75W/(m K)，特别优选λ≥100W/(m K)的所有材料都被认为是高导热材料。在这点上，指出材料的热导率是指示其导热能力的强度性质。关于热导率的测量方法，可参考激光闪光分析(laser flash analysis)或激光闪光方法。该分析或方法用于通过能量脉冲测量各种不同材料的热扩散率，该能量脉冲加热平面平行样品的一侧，并且检测由于能量输入而在背面上产生的与时间相关的温度上升。

为了完整起见，需要指出的是，由于所使用的工艺，即光透射接合技术，热隔离件除了低热导率之外还必须满足该技术固有的进一步要求。例如，如上所述，通过激光加热第一或吸收部件。因此，热隔离件必须具有相应的热阻。换句话说，热隔离件的熔点必须远高于在连接方法期间吸收部件被加热到的温度。

此外，必须考虑用于将两个部件彼此连接的焊接力。因此，必须承受这种焊接力和由此产生的接触压力的热隔离件在这方面也必须具有相应的抵抗力。

在评估合适的热隔离件时，必须考虑所有这些因素。在下文中，基于优选实施例，这些要求将变得更清楚。

在透射传输连接装置的优选实施例中，热隔离件具有λ≤2W/(m K)的热导率，优选λ≤1W/(m K)。通过这种要求，特别确保了热隔离件具有低热导率，提供了合适的热隔离，并因此防止热传导到第一工具中。

进一步优选地，在本发明的透射传输连接装置中，热隔离件具有t

作为上述结果，特别有利的是，热隔离件是热塑性材料，特别是聚二醚酮(PEEK)。PEEK作为热隔离件的特别优选材料，一方面具有约λ＝0.25W/(m K)的非常低的热导率，另一方面具有约t

此外，优选地，热隔离件的厚度在1mm≤t

根据透射传输连接装置的特别优选实施例，第一工具还包括邻近热隔离件的非粘性涂层，使得非粘性涂层至少存在于第一工具与第一部件的接触区域中。优选地，非粘性涂层包含聚四氟乙烯。由于该涂层，能够以工艺可靠的方式防止第一部件粘附到第一工具。

关于阻力的要求，如上所述，优选地，第一工具的热隔离件抵抗力、特别是抵抗压缩力，这样在使用期间热隔离件具有足够的稳定性。具体地，不应发生因将待焊接部件压靠在彼此上所施加的力而导致的热隔离件损坏，例如裂纹形成。

本发明的连接方法使用本发明的用于将由光吸收材料制成的第一部件连接到由光透射材料制成的第二部件的透射传输连接装置，其中所述第一部件至少在连接部分中具有高热导率，包括以下步骤：将所述第一部件布置在所述第一工具中，将所述第二部件布置在所述第二工具中，将所述第一工具和所述第二工具相对于彼此移动到连接位置，在所述连接位置中，所述第一部件和所述第二部件至少部分地(优选地利用相应的连接部分)彼此邻接，然后在施加所述焊接力的同时通过光源照射所述第一部件和所述第二部件，其中，优选地在连接部分中照射第一和第二部件，随后将第一和第二工具相对于彼此移动出连接位置。通过该方法，与上述示例性石墨电极类似的连接结构可以通过透射接合技术制造。为了避免重复，参考上面关于所产生的技术效果和优点的说明。

根据连接方法的优选实施例，光源是激光光源。进一步优选的是，焊接力在这样的范围内，即在连接步骤期间，将被焊接到彼此的部件和热隔离件都不会损坏。关于这两个优选实施例，还参考上面对透射传输连接装置及其各自的优选实施例的说明。

优选地，将第二部件布置在第二工具中的步骤包括以下步骤：将第二部件布置在第一工具中的第一部件上并且将第一工具和第二工具相对于彼此移动到第二工具接收第二部件的转移位置。因此，第二部件自动转移到第二工具中，这消除了将第二部件布置在第二工具中的相应手动步骤。这样，该方法进一步自动化。

通常，对于作为要制造的连接结构的示例性石墨电极，该方法不限于使用填充有石墨的石墨或塑料基质材料作为第一部件，而是特别优选与作为第一部件的吸收光并具有λ≥50W/(m K)、优选λ≥75W/(m K)，特别优选λ≥100W/(m K)范围内的热导率的任何材料组合使用该方法。

最后，本发明的连接结构包括由光吸收材料制成的第一部件和由光透射材料制成的第二部件，其中第一部件至少在连接到第二部件的连接部分中具有高热导率。在这方面，为了避免重复，也参考上述说明。

附图说明

下面将基于附图来详细描述本发明。在附图中，相同的附图标记表示相同的元件和/或部件。示出为：

图1示出了本发明的透射传输连接装置处于初始状态的示例性实施例，

图2示出了本发明的透射传输连接装置处于接触位置的示例性实施例，

图3示出了本发明的透射传输连接装置处于压力位置的示例性实施例，

图4示出了本发明的透射传输连接装置在连接阶段开始时处于连接位置的示例性实施例，

图5示出了本发明的透射传输连接装置在连接阶段的中间时处于连接位置的示例性实施例，

图6示出了本发明的透射连接装置在连接阶段结束时处于连接位置的示例性实施例，

图7示出了本发明的透射连接装置处于卸载或移除位置的示例性实施例，以及

图8示出了本发明的连接方法的优选实施例的流程图。

具体实施方式

下面将描述本发明的透射传输连接装置1的示例性实施例。通常，例如在汽车工业领域中，当生产尾灯等时，透射传输连接装置用于将两个塑料部件彼此焊接。相应的工艺也被表示为激光塑料焊接、穿透焊接或聚合物焊接，但是连接两个塑料部件的概念是相同的。

这种接合或连接方法的基本原理是将激光辐射透射通过一个塑料部件，即透射部件，以产生连接结构。与在要连接的部件的表面施加能量的标准焊接不同，透射连接方法在两个塑料部件之间的界面处施加能量。这能够通过同时照射整个连接部分、连接结构或焊缝，即同时光或激光透射焊接来完成。除了其他方法之外，进一步的方法是准同时的透射传输焊接或轮廓焊接。在本发明中，特别优选使用同时的方法。

然而，由本发明提供的透射传输连接装置1适用于不同的技术应用领域，特别是用于例如氧化还原液流电池的电化学电池的石墨电极的技术领域。如下面将要说明的，透射连接连接装置1不限于石墨电极的制造或石墨的加工，而是可以与具有光吸收特性和高热导率的任何部件组合使用。

在这方面，由于石墨具有λ＝119-165W/(m K)的热导率，特别是具有λ≥50W/(mK)、优选λ≥75W/(m K)和特别优选λ≥100W/(m K)范围的热导率的所有材料被认为是高导热材料。

现在参考图1，说明透射传输连接装置1的一般构造。所述透射传输连接装置1包括安装至第一支撑件12的第一工具10，用于接收第一部件3，即在使用时保持第一部件3。此外，透射传输连接装置1包括安装至第二支撑件22的第二工具20，用于接收第二部件5，即在使用时保持第二部件5。

如图所示，第一工具10是下工具。因此，第一支撑件12可以是升降台等。因此，第二工具20是上工具，使得第二支撑件22可为上安装板。作为第一支撑件12的升降台和/或作为第二支撑件22的安装板由金属制成，优选由钢或铝制成。

在第二支撑件22中，提供用于紧固光导或激光光纤30的开口。光导或激光光纤30通过相对端连接到激光光源(未示出)。第二工具20为负波导24，即在其内部限定腔的波导24，在该腔中，在以后使用期间，从激光光纤30出来的激光32被反射。波导24包括在激光32的出射端的透明板26，用于将力施加到要通过第二工具20连接的部件3、5。

如上所述，第一支撑件22是升降台。通过该特征，第一工具10和第二工具20可相对于彼此移动。在这点上，必须注意，提供第一工具10和第二工具20之间的相对运动的其他布置也是可以的。

此外，第一工具包括具有高热阻的热隔离件14的层。为了使热隔离件合适，优选热隔离件14具有λ≤2W/(m K)的热导率，优选λ≤1W/(m K)。

由于所使用的工艺，即光透射结合技术，除了这种低热导率之外，热隔离件14还必须满足该技术固有的其他要求。例如，在该工艺中借助于激光加热第一部件或吸收部件3。因此，如上所述，热隔离件14必须具有相应的热阻。换句话说，热隔离件的熔点必须远高于在连接方法期间吸收部件3被加热到的温度。为此，热隔离件的熔点优选为t

此外，必须考虑在用于将两个部件3、5彼此连接的使用期间施加的焊接力。因此，必须承受这种焊接力和由此产生的接触压力的热隔离件14在这方面也必须具有相应的抵抗力。

满足上述要求的示例性材料是热塑性材料，特别是聚二醚酮(PEEK)。PEEK作为热隔离件14的特别优选的材料，一方面具有约λ＝0.25W/(m K)的非常低的热导率，另一方面具有约t

为了完整起见，热隔离件14具有1mm≤t

在热隔离件14的层的顶部，存在非粘性涂层16。因此，非粘性涂层16至少存在于第一工具10与第一部件3的接触区域中。非粘性涂层16优选由聚四氟乙烯构成。由于该涂层，可以以过程可靠的方式防止第一部件3粘附到第一工具10，如下所述。

现在，基于作为在电化学电池等中使用的连接结构7的石墨电极的示例性制造来说明适合的透射传输连接装置1的结构和功能。

示例性石墨电极最初包括由光或激光吸收材料制成的第一部件3。在本实施例中，第一部件3是填充有石墨颗粒的塑料基质材料。第二部件5由对所使用的光或激光透明的塑料构成，第二部件5例如提供用于随后将组成第一部件3的石墨安装到氧化还原液流电池堆栈中的框架。然而，如上所述，具有高热导率的任何其他材料可以用作吸收部件3，例如填充有另一种矿物质的塑料基质材料。

为了将第一部件3连接(即结合或焊接)到第二部件5，第一部件3和第二部件5布置在第一工具10和第二工具20之间。该状态如图1所示。在此，第一部件3布置在第一工具10上，第二部件5布置在第一部件3上。然而，可以选择任何布置，其中用于在连接结构或部分处加热第一部件3的光、特别是激光来自第二工具20并且因此首先穿过第二部件5。

在部件3、5已经布置在透射传输连接装置1中之后，第一工具10和第二工具20相对于彼此移动到接触位置，如图2所示。这里，第一部件10和第二部件20至少部分地彼此邻接，优选地利用相应的连接部分彼此邻接。

此后，如图3中通过焊接力F所示，在第一部件3和第二部件5上施加接触压力。施加的焊接力F通常取决于待连接的部件。具体地，焊接力F必须选择成使得在部件之间形成可靠的连接结构，同时避免部件的损坏。因此，第一工具10的热隔离件14抵抗在适当地将部件彼此连接所需的范围内的力(特别是抵抗压缩力)的施加。

在保持所施加的焊接力F的同时，接通激光光源，并且通过从未示出的激光光源射出的激光32照射第一部件3和第二部件5，激光32穿过激光光纤30进入波导24并穿过板26。这在图4和5中示出。优选地，在连接部分或连接结构中照射第一部件3和第二部件5。

入射的激光32被下方的第一部件3吸收，并在材料内转换成热。一旦激光32被吸收部件3转换成热，热能被传递到透明部件5以允许其软化和熔化，从而产生熔化区。通过确保两个部件3、5紧密接触，热能可传导到透明部件5。

为了通过光传输接合技术建立可靠的连接结构，透射传输连接装置1设有热隔离件14。由于使用该热隔离件14，可实现应用用于制造上述示例性石墨电极的透射传输连接方法。这是因为热隔离件14至少阻碍或优选地防止热传导到例如第一支撑件12。因此，避免了热能的损失，并且促进了连接过程。

如图6所示，即使在激光已经关闭以允许软化的材料硬化之后，两个部件3、5也彼此压靠。特别地，实现软化或熔化材料的再结晶。

最后，如图7所示，第一工具10和第二工具20相对于彼此移动离开连接位置。现在，用户可以移除所产生的连接结构7，即具有用于组装氧化还原液流电池的框架元件的示例性石墨电极。

基于以上说明，与现有技术的第一区别和具体的技术优点在于，光透射接合技术用于制造石墨电极。特别地，该技术的使用使得石墨电极的生产更容易且成本更有效。

在这点上，特别是对于透射传输连接装置1，已经发现，透射传输连接装置1还可用于任何应用，优选任何电化学应用，其中作为第一部件3的光或激光吸收的且高导热的材料应当被连接(即粘结或焊接)到光或激光透明的第二部件5。

现在参考图8，说明本发明的连接方法的实施例的流程图，该连接方法使用用于将由光吸收材料制成的第一部件3连接到由透光材料制成的第二部件5的透射传输连接装置1。如上所述，第一部件3至少在连接部分具有高热导率。高热导率在λ≥50W/(m K)范围内,优选λ≥75W/(m K)，更优选λ≥100W/(m K)。

在第一方法步骤i中，进行第一部件3在第一工具10中的布置。在可以在第一步骤i之前、之后或同时执行的第二步骤ii中，进行第二部件5在第二工具20中的布置。为了进一步使该方法自动化，优选地，第二步骤ii包括以下步骤：将第二部件5布置在第一工具10中的第一部件3上(步骤ii1)以及将第一工具10和第二工具20相对于彼此移动到第二工具20接收第二部件5的转移位置(步骤ii2)。通过这样进行，第二部件5自动地转移到第二工具20中，这消除了相应的手动步骤。

在两个部件3、5都被适当地布置之后，在步骤iii中执行第一工具10和第二工具20相对于彼此移动到连接位置中，在该连接位置中，第一部件3和第二部件5至少部分地、优选地利用相应的连接部分彼此邻接。

在连接位置中，在步骤iv中在第一部件3和第二部件5上施加焊接力。此外，在施加或保持焊接力的同时，通过光源照射第一部件3和第二部件5。各光源优选地是激光光源。

随后，在步骤v中执行第一工具10和第二工具20相对于彼此移出连接位置的移动。在已经执行该步骤之后，用户可从透射传输连接装置1移除或卸载所得到的连接结构7。

附图标记

1 透射传输连接装置

3 第一部件

5 第二部件

7 连接结构

10 第一工具

12 第一支撑件

14 热隔离件

16 非粘性涂层

20 第二工具

22 第二支撑件

24 波导

26 板

30 光导或激光光纤

32 激光

F 焊接力