CH698035B1 - Ultraschallschweissen mit Amplitudenprofilierung. - Google Patents

Abstract

Eine Ultraschall-Schweissvorrichtung (300) verwendet eine Energieversorgung (301), die mit einer Schweiss-Baugruppe (118) in Verbindung steht. Die Schweiss-Baugruppe (118) umfasst einen Ultraschallwandler (102), der mit einer Sonotrode (106) über einen Verstärker (104) verbunden ist. Die Sonotrode (106) hat eine Sonotrodenspitze (110). Der Schweisszyklus der Ultraschall-Schweissvorrichtung (300) ist amplitudenprofiliert, so dass während einer anfänglichen Zeitdauer die Schweissamplitude an der Sonotrodenspitze (110) hoch ist und nach der anfänglichen Zeitdauer die Schweissamplitude niedrig ist.

Description

Verweis auf verwandte Anmeldungen

[0001] Diese Anmeldung ist eine Continuation-Anmeldung der US-Patentanmeldung Nr. 11/837 702, die am 13.08.2007 eingereicht wurde und den Zeitrang der am 01.09.2006 eingereichten US-Provisional-Anmeldung Nr. 60/842 131 beansprucht. Die Offenbarungen der obigen Anmeldungen sind hier durch Bezugnahme eingebunden.

Gebiet der Erfindung

[0002] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschall-Schweissvorrichtung und ein Verfahren und bevorzugt eine Ultraschall-Schweissvorrichtung und ein Verfahren zum Schweissen durch Schwingungen, die in einer zu der Werkstück-Oberfläche parallelen Richtung aufgebracht werden und auch als Scher-Wellen-Schwingungen bekannt sind.

Hintergrund der Erfindung

[0003] Eine Ausführung einer typischen Ultraschall-Metall-Schweissvorrichtung 100 ist in Fig. 1dargestellt. Typische Komponenten von Ultraschall-Metall-Schweissvorrichtungen 100 umfassen einen Ultraschallwandler 102, einen Verstärker 104 und eine Sonotrode 106. Der Verstärker 104 ist mit dem Wandler 102 sowie der Sonotrode 106 über polare Halterungen (nicht dargestellt) verbunden, die an äusseren Umfangsrändern an gegenüberliegenden Enden eines Zylinders 105 befestigt sind. Elektrische Energie aus einer Energieversorgung 101 mit einer Frequenz von 20–60 kHz wird in mechanische Energie durch den Ultraschallwandler 102 umgewandelt. Der Ultraschallwandler 102, der Verstärker 104 und die Sonotrode 106 sind alle mechanisch eingestellt, um an die elektrische Eingangsfrequenz der Energieversorgung angepasst zu sein. Die mechanische Energie, die in dem Ultraschallwandler 102 umgewandelt wird, wird zu einer Schweisslast 108 (wie zwei Metallstücke 112, 114) durch den Verstärker 104 und die Sonotrode 106 (die typischerweise 1⁄2-Wellen-Axial-Resonanzwerkzeuge sind) übertragen. Der Verstärker 104 und die Sonotrode 106 führen die Funktionen der Übertragung der mechanischen Energie sowie der Umwandlung der mechanischen Schwingungen von dem Ultraschallwandler 102 mit einem Stellfaktor durch. Die Stellfaktoren des Verstärkers reichen typischerweise von 1:0,5 bis 1:2. Die Stellfaktoren der Sonotrode reichen typischerweise von 1:1 bis 1:3. Die Stellfaktoren des Verstärkers und der Sonotrode haben eine Ausgangsamplitude (von dem Ultraschallwandler 102) von 20 µm Spitze-Spitze und wirken als vergrössernder oder verkleinernder Faktor auf diese Amplitude.

[0004] Die mechanische Schwingung, die auf eine Sonotrodenspitze 110 wirkt, ist die Bewegung, die die Tätigkeit des Zusammenschweissens von Metall ausführt. Im Wesentlichen wird eine axiale Versetzung durch den Ultraschallwandler 102 erzeugt, die im Betrag durch den Verstärker 104 modifiziert wird und dann im Betrag durch die Sonotrode 106 erneut modifiziert wird. Die Metallstücke 112, 114, die zusammenzuschweissen sind, sind benachbart zu der Schweissspitze (Sonotrodenspitze 110) angeordnet. Wenn eine senkrechte Kraft (durch Pfeile 116 gezeigt) auf eine Schweiss-Baugruppe 118 (Ultraschallwandler 102, Verstärker 104 und Sonotrode 106) aufgebracht wird, kommt die Sonotrodenspitze 110 in Kontakt mit dem oberen Metallstück 112, das zu schweissen ist. Die axialen Schwingungen der Sonotrode 106 werden nun Scher-Schwingungen an dem oberen Metallstück 112. Wenn die Schweiss-Klemmkraft 116 erhöht wird, werden die Scher-Schwingungen verstärkt zu dem oberen Metallstück 112 übertragen, was zur Folge hat, dass sich dieses rückwärts und vorwärts bewegt. Ein Schweiss-Amboss 120 erdet das untere Metallstück 114. Die Rückwärts- und Vorwärtsbewegung des oberen Metallstücks 112 relativ zu dem unteren Metallstück 114 schrubbt die Oxide und Verunreinigungen von den Oberflächen der Metallstücke 112, 114 weg, die in Kontakt miteinander stehen. Nach einer Zeitdauer unter dieser Scher-Bewegung und der Klemmkraft wird das Metallmaterial in dem Schweissgebiet zwischen den Metallstücken 112, 114 durcheinandergebracht und es wird schliesslich gebunden.

[0005] Die Amplitudenhöhe, die an der Sonotrodenspitze 110 benötigt wird, ist typischerweise eine Funktion des Materials, das geschweisst wird, und der Zeit, die zur Bindung erforderlich ist. Die Verwendung einer grösseren Schweissamplitude an der Sonotrodenspitze 110 bewirkt, dass mehr elektrische Energie in dem Ultraschallwandler 102 umzuwandeln ist, und führt dazu, dass Schweissmaterial schneller gebunden wird. Der Einsatz einer geringeren Amplitude an der Schweissspitze 110 bewirkt, dass weniger elektrische Energie in dem Ultraschallwandler 102 umzuwandeln ist, und führt dazu, dass die Bindung des Schweissmaterials länger dauert. Eine Bestimmung der Schweissamplitude an der Sonotrodenspitze 110 schreibt die Ausbildung der Stellfaktoren der Kombination aus Sonotrode 106 und Verstärker 104 vor, da der Ausgang des Ultraschallwandlers 102 typischerweise festgelegt ist, beispielsweise 20 Mikrometer (µm) Spitze-Spitze.

[0006] Das Material, das geschweisst wird, schreibt ferner vor, wie viel Amplitude an der Sonotrodenspitze 110 erforderlich ist. Typische Sonotrodenamplituden, die beim Schweissen von Metall verwendet werden, reichen von 40 µm bis 80 µm (Spitze-Spitze). Bei Aluminium werden Amplituden über 50–60 µm (Spitze-Spitze) problematisch. Bei höheren Sonotrodenamplituden gibt es die Neigung, das Aluminium zu erhitzen und es zu veranlassen, zu erweichen. Wenn die Grenzfläche des oberen Metallstücks 112 ausreichend erweicht, dringt die Sonotrodenspitze 110 in das obere Metallstück 112 ein und schwächt das Ausgangsmaterial, was die Schweissqualität beeinträchtigt. Beim Schweissen von Aluminium ist es im Allgemeinen typischerweise wünschenswert, dass die Sonotrodenamplitude aus diesem Grund unter 55 µm (Spitze-Spitze) bleibt.

[0007] Fig. 2 ist ein Diagramm, das die Schweissfestigkeit als Funktion der Energie für 3 mm dicke Probestücke aus Aluminium 5754 zeigt, die mit verschiedenen, konstanten Schweissamplituden ultraschallgeschweisst worden sind. Die maximale erreichte Schweissfestigkeit lag bei ungefähr 7.500 Newton (N) oder darunter. Das heisst, mit einer relativ hohen, konstanten Schweissamplitude (64 µm) liegt die Schweissfestigkeit bei ungefähr 4.200 N und mit einer relativ niedrigen, konstanten Schweissamplitude (40 µm) liegt die Schweissfestigkeit bei ungefähr 7.500 N.

Zusammenfassung der Erfindung

[0008] Eine Ultraschall-Schweissvorrichtung und ein Verfahren nach der vorliegenden Erfindung verwenden eine Amplitudenprofilierung, um eine höhere Schweissfestigkeit zu erzielen, gemäss unabhängigen Ansprüchen bzw. Anspruch 9 und Anspruch 1.

[0009] Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung, die nachfolgend vorgesehen ist, offensichtlich werden. Es versteht sich, dass die detaillierte Beschreibung und die speziellen Ausführungsbeispiele, obwohl sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellen, nur zum Zwecke der Veranschaulichung vorgesehen sind und nicht den Bereich der Erfindung beschränken sollen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0010] Die vorliegende Erfindung wird besser anhand der detaillierten Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen verständlich werden, bei welchen: <tb>Fig. 1<sep>eine schematische Ansicht einer Ultraschall-Schweissvorrichtung gemäss dem Stand der Technik ist; <tb>Fig. 2<sep>ein Diagramm ist, das die Schweissfestigkeit als Funktion der Energie für 3 mm dicke Probestücke aus Aluminium 5754 zeigt, die mit verschiedenen, konstanten Schweissamplituden ultraschallgeschweisst worden sind; <tb>Fig. 3<sep>eine schematische Ansicht einer Ultraschall-Schweissvorrichtung mit der Amplitudenprofilierung gemäss einer Ausführung der Erfindung ist; <tb>Fig. 4<sep>ein Flussdiagramm eines Ultraschall-Schweissverfahrens ist, das die Amplitudenprofilierung gemäss einer Ausführung der Erfindung verwendet; <tb>Fig. 5<sep>eine Reihe von Diagrammen ist, die die elektrische Spannung und Energie während eines typischen Ultraschall-Schweisszyklus gemäss dem Stand der Technik zeigen; <tb>Fig. 6<sep>ein Graph von Untersuchungsergebnissen ist, der vergleicht 3 mm Aluminium 5734, das unter Verwendung einer Amplitudenprofilierung (60 µm und 40 µm Schweissamplituden) geschweisst worden ist, mit 3 mm Aluminium 5734, das bei fixen 60 µm und fixen 40 µm Schweissamplituden mit einem beweglichen Amboss geschweisst worden ist; <tb>Fig. 7<sep>ein Graph von Untersuchungsergebnissen ist, der vergleicht 3 mm Aluminium 5734, das unter Verwendung einer Amplitudenprofilierung (60 µm und 40 µm Schweissamplituden) geschweisst worden ist, mit 3 mm Aluminium 5734, das bei fixen 60 µm und fixen 40 µm Schweissamplituden mit einem fixen Amboss (beweglicher Ambossblock) geschweisst worden ist; <tb>Fig. 8<sep>ein Graph von Untersuchungsergebnissen ist, der vergleicht 3 mm Aluminium 5734, das unter Verwendung einer Amplitudenprofilierung (60 µm und 40 µm Schweissamplituden) geschweisst worden ist, mit 3 mm Aluminium 5734, das unter Verwendung einer fixen 60 µm Schweissamplitude mit einem fixen Amboss (fixer Ambossblock) geschweisst worden ist; <tb>Fig. 9<sep>ein Graph von Untersuchungsergebnissen ist, der 25 Probestücke von 3 mm Aluminium 5734 zeigt, die mit einer Amplitudenprofilierung mit einem beweglichen Amboss geschweisst worden sind; und <tb>Fig. 10<sep>ein Graph von Untersuchungsergebnissen ist, der 25 Probestücke von 3 mm Aluminium 5734 zeigt, die mit einer Amplitudenprofilierung mit einem fixen Amboss geschweisst worden sind.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

[0011] Die folgende Beschreibung des Ausführungsbeispiels bzw. der bevorzugten Ausführungsbeispiele ist lediglich beispielhaft in der Art und soll keineswegs die Erfindung, ihre Anwendung oder ihre Verwendungen beschränken.

[0012] Unter Bezugnahme auf Fig. 3ist eine Ultraschall-Schweissvorrichtung 300, die die Amplitudenprofilierung gemäss einer Ausführung der Erfindung verwendet, dargestellt. Elemente, die den Elementen der Ultraschall-Schweissvorrichtung 100 von Fig. 1 entsprechen, werden mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und die Auseinandersetzung wird sich auf die Unterschiede fokussieren. Bei der Ultraschall-Schweissvorrichtung 300 ist die Energieversorgung 301 ausgebildet – wie durch eine geeignete Programmierung eines Controllers 303, der die Energieversorgung 301 steuert – um den Ultraschallwandler 102 anzusteuern, um eine Amplitudenprofilierung einer Schweissamplitude zu erzeugen, die an der Sonotrodenspitze 110 der Sonotrode 106 erzeugt wird, wie nachfolgend beschrieben wird.

[0013] Fig. 4 ist ein Flussdiagramm, das die Amplitudenprofilierung gemäss einer Ausführung der Erfindung zeigt. Die Energieversorgung 301 der Ultraschall-Schweissvorrichtung 300 ist ausgebildet, um diese Amplitudenprofilierung auszuführen. Der Schweisszyklus beginnt bei 400 und bei 402 gibt die Energieversorgung 301 ein Ansteuerungssignal bei einem ersten (hohen) Niveau aus, um den Ultraschallwandler 102 anzusteuern, um eine hohe Schweissamplitude an der Sonotrodenspitze 110 zu erzeugen. Die Energieversorgung 301 fährt fort, das Ansteuerungssignal bei dem ersten Niveau für eine anfängliche Zeitdauer des Schweisszyklus auszugeben. Bei einer Feststellung bei 404, dass die anfängliche Zeitdauer abgelaufen ist, reduziert die Energieversorgung 301 dann das Ansteuerungssignal bei 406 auf ein zweites (niedriges) Niveau, das niedriger als das erste Niveau ist, um eine niedrige Schweissamplitude an der Sonotrodenspitze 110 zu erzeugen. Die Energieversorgung 301 steuert dann den Ultraschallwandler 102 bei diesem niedrigen Niveau für den Rest des Schweisszyklus an. Bei einer Feststellung bei 408, dass der Schweisszyklus vollendet ist, wird das Schweissen bei 410 beendet.

[0014] Amplitudenprofilierung, wie hierin verwendet, bedeutet, dass der Schweisszyklus mit der hohen Schweissamplitude begonnen wird und dass dann die Schweissamplitude nach der anfänglichen Zeitdauer des Schweisszyklus auf die niedrige Schweissamplitude reduziert wird. Während die oben beschriebene Amplitudenprofilierung genau eine Änderung der Schweissamplitude umfasst, versteht es sich, dass die Schweissamplitude mehr als einmal geändert werden kann. Es versteht sich ausserdem, dass mehr als zwei Schweissamplituden verwendet werden können. Der «Auslösepunkt» zum Bestimmen, wann die anfängliche Zeitdauer des Schweisszyklus endet, das heisst für den Übergang zwischen der hohen Schweissamplitude und der niedrigen Schweissamplitude, kann beispielsweise die Zeit sein. Es versteht sich, dass andere Auslösepunkte herangezogen werden können, um zu bestimmen, wann der Übergang geschieht, wie zum Beispiel ein Energieniveau und ein Spitzen-Energiewert.

[0015] Beim Ultraschallschweissen von Aluminium mit Amplitudenprofilierung haben die Anmelder herausgefunden, dass höhere Schweissfestigkeiten erreicht werden können als sie typischerweise mit einer konstanten Schweissamplitude erhalten werden. Beispielsweise wurde beim Schweissen von 3 mm dicken Probestücken aus 5754 Aluminium mit Amplitudenprofilierung, wobei die hohe Schweissamplitude 64 µm betrug, die auf 43 µm nach 0,2 Sekunden in dem Schweisszyklus reduziert wurde, eine Schweissfestigkeit so hoch wie 8.800 N erreicht. Ferner wurde das Markieren an der Grenzfläche der Sonotrodenspitze 110 zu dem Teil, wie das obere Metallstück 112, verglichen mit dem Schweissen bei einer konstanten Schweissamplitude reduziert.

[0016] Die Amplitudenprofilierung erlaubt auch den Einsatz einer höheren Schweissamplitude für die anfängliche Schweissamplitude als wenn eine konstante Schweissamplitude verwendet wird. Wie oben dargelegt wurde, muss beim Schweissen von Aluminium die Schweissamplitude typischerweise unter 55 µm gehalten werden. Bei der Amplitudenprofilierung kann die anfängliche hohe Schweissamplitude 55 µm überschreiten. Beispielsweise kann die anfängliche hohe Schweissamplitude 64 µm betragen.

[0017] Die Anmelder meinen, dass die Erhöhung der Schweissfestigkeit, die durch das Ultraschallschweissen mit Amplitudenprofilierung erhalten wird, durch die künstliche Erzeugung des idealen Energieprofils für den Schweisszyklus verursacht wird. Beispielsweise folgt die Energiekurve eines Ultraschallschweisszyklus beim Schweissen von Aluminium einem Trend, wobei sie beim Beginn des Schweisszyklus relativ hoch ist und dann nahe dem Ende des Schweisszyklus abfällt. Dies ist sogar zutreffend, wenn die Bewegungs-Spannung/Amplitude bei dem Ultraschallwandler 102 konstant bleibt. Fig. 5ist eine Reihe von Diagrammen, die die elektrische Spannung, Energie und andere Schweissparameter während eines typischen Schweisszyklus nach dem Stand der Technik, der eine konstante Schweissamplitude verwendet, zeigen.

[0018] Obwohl der Ultraschallwandler 102 mit einem Ansteuerungssignal mit einem konstanten Niveau in dem Schweisszyklus nach dem Stand der Technik, der eine konstante Schweissamplitude verwendet, angesteuert wird, neigt die tatsächliche Schweissamplitude an der Sonotrodenspitze 110 während des Schweisszyklus abzufallen. Die Anmelder meinen, dass diese Abnahme erfolgt, weil die Schweissamplitude an der Sonotrodenspitze 110 hoch ist, während der Schweisskern wächst und die relative Steifigkeit des Systems (Metallstücke 112, 114 und die Grenzfläche des Metallstücks 112 mit der Sonotrodenspitze 110) klein ist. Während der Schweisszyklus fortschreitet, wächst der Schweisskern und wird das System steifer. Die steiferen Schweissstücke (Metallstücke 112, 114) bewirken, dass sich die Schweissamplitude an der Sonotrodenspitze 110 wegen der mechanischen Deformation der Schweissspitze 110 reduziert. Diese Reduzierung der Schweissamplitude an der Schweissspitze 110 neigt dazu, einen Schaden an der Schweissstelle wegen übermässiger Scherung zu verhindern, die normalerweise auftritt, wenn die Schweissamplitude an der Sonotrodenspitze 110 während des gesamten Schweisszyklus hoch (und konstant) bleibt. Manchmal tritt diese natürliche Regelung jedoch nicht auf, was zur Folge hat, dass die Schweissfestigkeit kleiner ist als wenn die natürliche Regelung erfolgen würde. Dies führt zu Schweissstellen, die uneinheitliche Schweissfestigkeiten haben. Beim Schweissen mit der Amplitudenprofilierung gemäss der Erfindung ist die Reduktion der Schweissamplitude an der Sonotrodenspitze 110 sichergestellt und die resultierenden Schweissstellen sind einheitlich stark.

[0019] Ein Vorteil des Ultraschallschweissens mit der Amplitudenprofilierung gemäss der Erfindung ist die hohe Zugfestigkeit der Probestücke mit reduzierter Markierung der Teile. Das Ultraschallschweissen mit einer konstanten hohen Schweissamplitude erzeugt, wie bereits erörtert, einen hohen Betrag an Oberflächenwärme im Aluminium, die das Metallstück 112 bei der Grenzfläche mit der Sonotrodenspitze 110 erweichen kann. Wenn das Metallstück 112 erweicht, dringt die Sonotrodenspitze 110 in dieses ein, was einen tiefen Sonotrodenspitzen-Abdruck erzeugt. Bei Aluminium erzeugt dieses Eindringen ferner einen überschüssigen Haftbetrag des Teils an der Sonotrodenspitze, was der Vollendung der Schweissstelle folgt.

[0020] Die Anmelder haben festgestellt, dass das Ultraschallschweissen von Aluminium mit Amplitudenprofilierung anscheinend die erweichende Wirkung in dem Aluminiumteil, das geschweisst wird und benachbart zu der Sonotrodenspitze 110 (beispielsweise oberes Metallstück 112) angeordnet ist, reduziert. Während der anfänglichen Zeitdauer, bei der die Schweissamplitude gross ist, wird Energie schnell in die Schweisskernbildung eingebracht. Während das Material der Teile, wie der Schweissteile 112, 114, die geschweisst werden, sich dem Erweichungspunkt (0,4–0,5 Sekunden bei 5754 Aluminium, wobei die anfängliche Schweissamplitude 64 µm beträgt) nähert, wird die Schweissamplitude auf die niedrigere zweite Schweissamplitude (wie 43 (µm) reduziert, was das Mass der Eingangsenergie zu dem Schweisskern für die Restdauer des Schweisstakts reduziert. Dies erlaubt es dem Schweisskern zu wachsen, ohne dass das benachbart zu der Sonotrodenspitze 110 angeordnete Metallstück 112 erweicht. Das reduzierte Erweichen des Materials des Metallstücks 112, das benachbart zu der Sonotrodenspitze 110 angeordnet ist, reduziert das Eindringen der Sonotrodenspitze 110 in das Metallstück 112 und reduziert stark das Anhaften zwischen dem Metallstück 112 und der Sonotrodenspitze 110.

[0021] Gemäss einer Ausführung ist das Material, das geschweisst wird, Aluminium und die hohe Schweissamplitude liegt über 55 µm und die niedrige Schweissamplitude liegt unter 55 µm. Gemäss einer Ausführung ist das Material, das geschweisst wird, Aluminium und die hohe Schweissamplitude liegt über 60 µm und die niedrige Schweissamplitude liegt unter 50 µm. Gemäss einer Ausführung ist das Material, das geschweisst wird, Aluminium und die hohe Schweissamplitude liegt über 60 µm und die niedrige Schweissamplitude liegt unter 45 µm. Gemäss einer Ausführung liegt die hohe Schweissamplitude mindestens 10 µm über der niedrigen Schweissamplitude.

[0022] Gemäss einer Ausführung ist die anfängliche Zeitdauer gerade kleiner als die Zeit, die notwendig ist, damit sich das benachbart zu der Sonotrodenspitze befindliche Material des Teils erweicht. Gemäss einer Ausführung liegt die Zeitdauer ungefähr bei 0,2 Sekunden. Gemäss einer Ausführung liegt die anfängliche Zeitdauer bei ungefähr 0,4 Sekunden. Gemäss einer Ausführung liegt die anfängliche Zeitdauer bei ungefähr 0,5 Sekunden. Gemäss einer Ausführung reicht die anfängliche Zeitdauer von ungefähr 0,2 bis ungefähr 0,6 Sekunden.

[0023] Eine Untersuchung, bei der die oben beschriebene Amplitudenprofilierungs-Schweissung verwendet wurde, wurde zum Schweissen von Aluminium unter Verwendung eines Seitenantriebs-Schweisssystems von Branson durchgeführt. Die Zeit wurde als Auslösepunktmassnahme verwendet, um zu bestimmen, wann die Amplituden umzuschalten sind.

[0024] Drei Grund-Amplituden-Steuerverfahren wurden beurteilt; 60 µm–43 µm, 60 µm und 40 µm. Zusätzlich wurde das Schweissen an drei verschiedenen Ambossbauarten durchgeführt; Standard beweglich, fixer Amboss mit beweglichem Ambossblock und fixer Amboss mit fixem Ambossblock. Die Untersuchung umfasste die verschiedenen Ambossbauarten, um zu bestimmen, ob jeder der bestimmten Typen einen Vorteil in Verbindung mit den Amplitudensteuerverfahren bringt. Der fixe Ambosstyp ist im Wesentlichen ein grosser Ambossblock, der an der Seitenantriebs-Grundplatte befestigt ist. Innerhalb des fixen Ambossblocks befindet sich ein entfernbarer Ambossblock. Dieser Ambossblock kann starr an dem Amboss befestigt sein oder er kann «schwimmen». Es wurde in früheren Experimenten erkannt, dass es einen deutlichen Unterschied in der Schweissleistung und -festigkeit in Abhängigkeit davon gibt, ob der Ambossblock starr angebracht ist (fixer AB) oder ob er schwimmen kann (beweglicher AB). Eine Matrix, die die verschiedenen Untersuchungskombinationen zeigt, ist nachfolgend gezeigt. <tb>Untersuchung<sep>Amboss<sep>Amplitudensteuerung <tb>1<sep>beweglich<sep>60 µm–43 µm, 0,4 s Auslösung <tb>2<sep>beweglich<sep>60 µm <tb>3<sep>beweglich<sep>40 µm <tb>4<sep>fix (beweglicher AB)<sep>60 µm–63 µm, 0,2 s Auslösung <tb>5<sep>fix (beweglicher AB)<sep>60 µm <tb>6<sep>fix (beweglicher AB)<sep>40 µm <tb>7<sep>fix (fixer AB)<sep>60 µm–63 µm, 0,2 s Auslösung <tb>8<sep>fix (fixer AB)<sep>60 µm <tb>9<sep>fix (fixer AB)<sep>40 µm

[0025] Der Auslösezeitpunkt zwischen dem beweglichen und fixen Amboss liegt zwischen 0,4 s und 0,2 s. Dies erfolgte, um einen einheitlichen Schweissprozess zwischen den zwei Ambossbauarten sicherzustellen und Überlastungen zu vermeiden. Für all die Untersuchungen wurde das folgende Schweisssystem mit den bestimmten fixen Schweissparametern benutzt. <tb>Schweisssystem:<sep>Seitenantrieb <tb>Umwandler:<sep>5,5 kW Umwandler von Branson <tb>Einrichtung:<sep>Gold Verstärker (Verstärkung 1,5), High Q Tool (Verstärkung 1:1) <tb>Sonotrode:<sep>CL Rev 1 (Verstärkung 1,8), maximale Amplitude = 63 µm <tb>Schweissdruck:<sep>70 psi (700 lbs. Kraft) <tb>Aluminiumprobestück:<sep>3 mm 5754

[0026] Jede Untersuchung erzeugte einen Graph von Zugfestigkeit über Energie für jede der Ambossbauarten (insgesamt drei Graphen, die in Fig. 6 bis 8 gezeigt sind). Jeder Graphdatenpunkt zeigt die mittlere Abweichung und die Standardabweichung von fünf Schweissstellen. Um diese Graphen statistisch zu prüfen, wurde eine erweiterte Untersuchung an ausgewählten Datenpunkten der 25 Schweissstellen durchgeführt.

[0027] Die Ergebnisse der Untersuchung sind in den Fig. 6 bis 8dargestellt. Es kann erkannt werden, dass es klare Unterschiede in der Leistung für die drei Ambossbauarten gibt. Eine ausgezeichnete Zugfestigkeits-Leistung ist sowohl für die beweglichen als auch die fixen (beweglicher AB) Ambossbauarten zu sehen. Der fixe (fixer AB) Amboss zeigt im Allgemeinen Zugfestigkeiten, die ungefähr bei der Hälfte der anderen Ambossbauarten mit relativ grossem Streubereich liegen. Als Ergebnis der schwachen Leistung wurde die Überprüfung # 9 nicht durchgeführt, da es nicht möglich war, eine minimale Anzahl von Datenpunkten zu erzeugen.

[0028] Wie aus den Graphen von Fig. 6bis 8 hervorgeht, zeigen die Untersuchungen anscheinend eine allgemeine Verbesserung der Zugfestigkeits-Leistung mit der Massnahme der Amplitudenprofilierung. Der Einsatz des beweglichen Ambosses zeigt Gebiete, bei welchen sich das 40-µm-Schweissen an die Festigkeit der Massnahme der Amplitudenprofilierung annähert. Die Untersuchungsergebnisse, die in den Fig. 6 bis 8dargestellt sind, zeigen anscheinend, dass das fixe 40-µm-Amplitudenschweissen bessere Festigkeiten bei geringeren Energie-Einstellwerten erzeugt, während das 60-µm-Schweissen bessere Festigkeiten bei höheren Energie-Einstellwerten zeigt. Die Amplitudenprofilierung scheint diesen Effekt zu kombinieren, indem sie gleichmässigere, höhere Zugfestigkeiten über einen weiteren Energiebereich erzeugt.

[0029] Das Schweissen mit fixem Amboss (beweglicher AB) zeigt wieder, dass die Amplitudenprofilierung gleichmässigere Schweissfestigkeiten über einen breiten Energiebereich erzeugt. Die hohen Festigkeitsvermögen der kleinen Amplituden- und hohen Amplituden-Einstellwerte erscheinen entgegengesetzt zu den flexiblen Ambossdaten. Die Verwendung der 40 µm-Schweissamplitude mit dem fixen Amboss (beweglicher AB) erzeugt Schweissstellen mit hoher Festigkeit bei höheren Energie-Einstellwerten, während die Verwendung der 60 µm-Schweissung starke Schweissstellen bei niedrigeren Energie-Einstellwerten erzeugt. Die Verwendung der Amplitudenprofilierung scheint diese Wirkungen zu kombinieren, indem sie stärkere, gleichmässigere Schweissstellen über einen breiten Energiebereich erzeugt. Die Festigkeiten, die durch die Amplitudenprofilierung bei dem 3.000 J Datenpunkt von dem fixen Amboss (beweglicher AB) erzeugt worden sind, erscheinen tatsächlich stärker (bis zu 8.000 N) als die Schweissstellenfestigkeiten, die bei dem gleichen Energieniveau mit dem beweglichen Amboss erzeugt worden sind (bis zu 7.000 N).

[0030] Die Profilierungsdaten zeigten, dass die durchschnittliche Zugfestigkeit von dem fixen Amboss (beweglicher AB) geringfügig besser als die Zugfestigkeit von dem beweglichen Amboss (8 kN bis 6,8 kN) bei 3.000 J war. Um sicherzustellen, dass die Ergebnisse nicht ein Ergebnis der kleinen Probegrössen waren, wurde ein 25 Probenlauf bei 3.000 J unter Verwendung der Amplitudenprofilierung für sowohl die beweglichen als auch die fixen (beweglicher AB) Ambosse durchgeführt. Die Ergebnisse sind in den Fig. 9und 10 dargestellt und zeigen, dass der 3.000-J-Punkt für die beweglichen und fixen Ambosse (beweglicher AB) statistisch äquivalent ist.

[0031] Die Beschreibung der Erfindung ist nur beispielhaft in der Art und folglich sollen Änderungen, die nicht den Inhalt der Erfindung verlassen, in dem Bereich der Erfindung liegen. Solche Änderungen sind nicht als ein Abrücken von dem Geist und dem Bereich der Erfindung zu betrachten.

Claims (15)

1. Verfahren zum Ultraschallverschweissen von Aluminiumteilen, umfassend Amplitudenprofilierung einer Schweissamplitude während eines Schweisszyklus durch Erzeugen einer hohen Schweissamplitude über 55 µm an einer Sonotrodenspitze einer Sonotrode einer Ultraschall-Schweissvorrichtung während einer anfänglichen Zeitdauer eines Schweisszyklus, und Erzeugen einer niedrigen Schweissamplitude unter 55 µm an der Sonotrodenspitze nach der anfänglichen Zeitdauer.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen der hohen Schweissamplitude ein Erzeugen einer Schweissamplitude über 60 µm umfasst und das Erzeugen der niedrigen Schweissamplitude ein Erzeugen einer Schweissamplitude unter 50 µm umfasst.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen der hohen Schweissamplitude ein Erzeugen einer Schweissamplitude über 60 µm umfasst und das Erzeugen der niedrigen Schweissamplitude ein Erzeugen einer Schweissamplitude unter 45 µm umfasst.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen der hohen und niedrigen Schweissamplitude das Erzeugen der hohen und niedrigen Schweissamplituden derart umfasst, dass die hohe Schweissamplitude mindestens 10 µm über der niedrigen Schweissamplitude liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die anfängliche Zeitdauer gerade kleiner als die Zeit ist, die benötigt wird, um zu beginnen, das Aluminium zu erweichen, wenn es bei der hohen Schweissamplitude ultraschallgeschweisst wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die anfängliche Zeitdauer ungefähr 0,2 Sekunden beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die anfängliche Zeitdauer ungefähr 0,4 Sekunden beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Auslösepunkt zum Bestimmen, wann die Amplituden umzuschalten sind, die Zeit, das Energieniveau oder ein Spitzen-Energiewert ist.

9. Ultraschall-Schweissvorrichtung, umfassend: eine Energieversorgung, die mit einer Schweiss-Baugruppe in Verbindung steht, die einen Ultraschallwandler umfasst, der mit einer Sonotrode mit einer Sonotrodenspitze über einen Verstärker verbunden ist; und wobei die Energieversorgung konfiguriert ist zum Ansteuern der Ultraschallwandler während einer anfänglichen Zeitdauer eines Schweisszyklus, um eine hohe Schweissamplitude über 55 µm an der Sonotrodenspitze zu erzeugen, und zum Ansteuern der Ultraschallwandler nach der anfänglichen Zeitdauer, um eine niedrige Schweissamplitude unter 55 µm an der Sonotrodenspitze zu erzeugen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, konfiguriert so, dass die hohe Schweissamplitude über 60 µm und die niedrige Schweissamplitude unter 50 µm liegt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, konfiguriert so, dass die hohe Schweissamplitude über 60 µm und die niedrige Schweissamplitude unter 45 µm liegt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, konfiguriert so, dass die anfängliche Zeitdauer gerade kleiner ist als die Zeitdauer, die benötigt wird, um zu beginnen, das Material des Teils, das geschweisst wird, zu erweichen, wenn es bei der hohen Schweissamplitude ultraschallgeschweisst wird.

13. Vorrichtung nach Anspruch 9, konfiguriert so, dass die anfängliche Zeitdauer ungefähr 0,2 Sekunden beträgt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 9, konfiguriert so, dass die anfängliche Zeitdauer ungefähr 0,4 Sekunden beträgt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Energieversorgung konfiguriert ist zum Umschalten der Ultraschallwandler vom Ansteuern der Ultraschallwandler die hohe Schweissamplitude zu erzeugen zum Ansteuern der Ultraschallwandler die niedrige Schweissamplitude zu erzeugen, basierend auf einen Auslösepunkt der, die Zeit, ein Energieniveau oder ein Spitzen-Energiewert ist.