DE10111097A1

DE10111097A1 - Connecting two joined parts involves recesses in second joint part near weld point transporting material softened or melted by ultrasonic waves emitted by sonotrode

Info

Publication number: DE10111097A1
Application number: DE2001111097
Authority: DE
Inventors: Dieter Nagel; Klaus Lichtenberger
Original assignee: SONOTRONIC Nagel GmbH
Current assignee: SONOTRONIC Nagel GmbH
Priority date: 2001-03-08
Filing date: 2001-03-08
Publication date: 2002-10-02

Abstract

The method involves laying the second part (2) on a surface of the first part (1) and welding the two parts together in the vicinity of a weld point (ST) by applying ultrasound. The second joint part has a number of recesses (3) near the weld point that transport the material softened or melted by the ultrasonic waves emitted by the sonotrode (S). An Independent claim is also included for the following: a joint part for an ultrasonic welding joint.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbindung zweier Fügeteile, bei dem auf eine Oberfläche des ersten Fügeteils das zweite Fügeteil aufgelegt und die bei den Fügeteile im Bereich einer Schweißstelle durch die Einwirkung von Ultra schall miteinander verschweißt werden, sowie ein für ein derartiges Verfahren be sonders geeignetes Fügeteil.The invention relates to a method for connecting two joining parts, in which a surface of the first joining part is placed on the second joining part and the at the parts to be joined in the area of a weld due to the action of Ultra be welded together sound, and be for such a method particularly suitable joining part.

Ein derartiges Verfahren ist unter dem Fachbegriff "Ultraschallverschweißen" be kannt. Hierbei ist vorgesehen, daß das zweite Fügeteil mit einer Sonotrode zur Einleitung von Ultraschallschwingungen beaufschlagt wird, welche bewirken, daß das Material des zweiten Fügetelis durch die Einwirkung der Ultraschallschwin gungen im Bereich der Schweißstelle verflüßigt und durch eine von der Sonotro de bewirkte Druckbeaufschlagung nach Abschalten des Ultraschalls verfestigt wird. Eine derartige Vorgangsweise führt aber dazu, daß im Bereich der Schweiß stelle - wenn auch nur geringfügige - Verformungen auftreten können, welche aber insbesondere bei kritischen Flächen wie z. B. lackierten Stoßfängern oder Stoßfängerleisten - bei gewissen Lichteinfallswinkeln deutlich erkennbar sind. Ei ne einen derartigen Mangel aufweisende Stoßfängerleiste wird aber aufgrund der erhöhten Kundenansprüche, insbesondere bei hochpreisigen Kraftfahrzeugen, vom Kunden beanstandet.Such a method is known under the technical term "ultrasonic welding" known. It is provided that the second joining part with a sonotrode Introduction of ultrasonic vibrations is applied, which cause the material of the second joining line due to the action of the ultrasonic vibrations in the area of the weld and liquefied by one of the Sonotro de caused pressurization solidified after switching off the ultrasound becomes. However, such a procedure leads to the fact that in the area of sweat place - even if only slight - deformations can occur, which but especially in critical areas such as B. painted bumpers or Bumper strips - are clearly recognizable at certain light incidence angles. egg ne such a lack bumper bar is due to the increased customer demands, especially for high-priced motor vehicles, objected to by the customer.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verbindung zweier Fügeteile der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß beim Verschweißen der beiden Fügeteile keine oder nur relativ geringe Deformationen auftreten. Außerdem soll ein für eine Anwendung im erfindungsgemäßen Verfah ren besonders geeignetes Fügeteil geschaffen werden.It is therefore an object of the present invention to provide a method for connection to further develop two joining parts of the type mentioned in such a way that when Welding of the two parts to be joined no or only relatively slight deformations occur. In addition, a for use in the inventive method ren particularly suitable joining part can be created.

Diese Aufgabe wird erfindugsgemäß dadurch gelöst, daß das auf das erste Füge teil ein zweites Fügeteilgelegt wird, welches im Bereich des Schweißstelle an sei ner dem ersten Fügeteil zugewandten Oberfläche eine Anzahl von Vertiefungen aufweist, daß durch diese Vertiefungen ein durch die von der Sonotrode emittier ten Ultraschall-Schwingungen erweichtes oder geschmolzenes Fügeteil-Material zur Oberfläche des ersten Fügeteils transportiert wird.This object is achieved according to the invention in that the first joint a second part to be joined is placed in the area of the weld a number of depressions on the surface facing the first joining part has that through these wells a through the emitted by the sonotrode th ultrasonic vibrations softened or melted joining material is transported to the surface of the first joining part.

Ein für das beschriebene Verfahren besonders geeignetes Fügeteil ist dadurch gekennzeichnet, daß das Fügeteil in einer ersten Oberfläche eine Anzahl von Vertiefungen aufweist, durch die ein erweichtes oder geschmolzenes Fügeteil- Material von einer zweiten Oberfläche des Fügeteils, welche der die Vertiefungen aufweisenden Oberfläche des zweiten Fügeteils gegenüberliegt, transportierbar ist. This makes it a particularly suitable joining part for the described method characterized in that the joining part in a first surface a number of Has depressions through which a softened or melted joining part Material from a second surface of the joining part, which of the recesses having opposite surface of the second joining part, transportable is.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird in vorteilhafter Art und Weise ein Verfahren sowie ein für das Verfahren besonders geeignetes Fügeteil ge schaffen, welche es erlauben, zwei Fügeteile mittels Ultraschall derart miteinan der zu verschweißen, daß auf der der Schweißstelle gegenüberliegenden sicht baren Oberfläche des anderen Fügeteils keine durch das Ultraschallschweißen bedingte Verformungen vorhanden sind oder das Auftreten dieser Verformungen zumindest drastisch reduziert ist. Das beschriebene Verfahren erlaubt daher in vorteilhafter Art und Weise hochwertige Ultraschall-Schweißverbindungen.The measures according to the invention are advantageous a method and a particularly suitable joining part for the method create, which allow two parts to be joined together using ultrasound to weld that on the view opposite the weld The surface of the other part to be joined cannot be created by ultrasonic welding conditional deformations are present or the occurrence of these deformations is at least drastically reduced. The method described therefore allows in advantageous way high quality ultrasonic welded joints.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der UnteransprücheAdvantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind dem Ausführungsbeispiel zu entnehmen, das im folgenden anhand der Figuren beschrieben wird. Es zeigenFurther details and advantages of the invention are the embodiment remove that is described below with reference to the figures. Show it

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Verfahrens, und Fig. 1 is a schematic representation of the method, and

Fig. 2-4 jeweils eine Draufsicht auf unterschiedliche Ausgestaltungen eines Ausführungsbeispiels eines Fügeteils. Fig. 2-4 respectively, a plan view of different configurations of an embodiment of a joining member.

In Fig. 1 ist nun schematisch das Verfahren zur Verbindung eines ersten Füge teils 1 mit einem zweiten Fügeteil 2 dargestellt, bei dem in bekannter Art und Weise auf eine Teileaufnahme T die beiden entsprechend übereinander gelegten Fügeteile 1 und 2 aufgelegt werden, so daß zumindest im Bereich einer Schweiß stelle ST eine erste Oberfläche 2' des zweiten Fügeteils 2 auf einer zweiten Oberfläche 1" des ersten Fügeteils 1 liegt. Die Schweißstelle ST wird dann von einer Ultraschallschwingungen emittierenden Sonotrode S beaufschlagt. Eine derartige Vorgangsweise ist bekannt und muß daher nicht mehr näher im Detail erläutert werden. In Fig. 1, the method for connecting a first joining part 1 with a second joining part 2 is shown schematically, in which the two corresponding superimposed joining parts 1 and 2 are placed on a part holder T in a known manner, so that at least in In the area of a welding point ST, a first surface 2 ′ of the second joining part 2 lies on a second surface 1 ″ of the first joining part 1. The welding point ST is then acted upon by a sonotrode S that emits ultrasonic vibrations. Such a procedure is known and therefore does not have to be any closer are explained in detail.

Bei dem beschriebenen Verfahren ist nun vorgesehen, daß hierzu ein zweites Fügeteil 2 verwendet wird, welches an seiner beim Schweißvorgang dem ersten Fügeteil 1 zugewandten ersten Oberfläche 2' eine Anzahl von Vertiefungen 3 auf weist, welche - wie am besten aus den Fig. 2 bis 4 ersichtlich ist - von Materi alstegen 4 begrenzt sind.In the described method it is now provided that a second joining part 2 is used for this purpose, which on its first surface 2 'facing the first joining part 1 during the welding process has a number of depressions 3 which - as best shown in FIGS 4 can be seen - are limited by material webs 4 .

Wie nun wiederum am besten aus Fig. 1 ersichtlich ist, reichen die Vertiefungen 3 des Fügeteils 2 in ihrer Tiefe nicht von der ersten Oberfläche 2' bis zur zweiten Oberfläche 2" des zweiten Fügeteils 2, sondern besitzen eine geringere Tiefe als die Dicke d des zweiten Fügeteiles 2, so daß an der zweiten Oberfläche 2" des zweiten Fügeteils 2 im Bereich der Schweißstelle ST hinreichend Fügeteil-Materi al zur Verfügung steht, welches durch die von der Sonotrode 5 bewirkte Ultra schalleinwirkung erweicht oder geschmolzen werden kann.Referring now again be best seen from Fig. 1, are not sufficient, the recesses 3 of the joining member 2 in its depth from the first surface 2 'to the second surface 2 "of the second joining member 2, but have a smaller depth than the thickness d of second joining part 2 , so that on the second surface 2 "of the second joining part 2 in the area of the welding point ST there is sufficient joining material available which can be softened or melted by the ultrasound effect caused by the sonotrode 5 .

Wie am besten aus Fig. 1 ersichtlich ist, wird bevorzugt, daß die Vertiefungen 3 eine pyramidenstumpfförmige oder kegelstumpfförmige Form aufweisen, daß also deren offene Basisfläche in der ersten Oberfläche 2' des zweiten Fügeteils 2 grö ßer ist als der Durchmesser der Vertiefung 3 in ihrem an die zweite Oberfläche 2" des zweiten Fügeteils 2 angrenzenden anderem Ende. Eine derartige Ausgestal tung besitzt den Vorteil, daß hierdurch ein besonders effizienter Fluß des er weichten oder geschmolzenen Materials von der zweiten Oberfläche 2" zur er sten Oberfläche 2' des zweiten Fügeteils 2 durch die Vertiefungen 3 hindurch er möglicht wird. Es ist aber auch möglich, hohlzylindrische oder quaderförmig aus gestaltete Vertiefungen 3 oder Vertiefungen 3 mit einem ovalen oder polygonalen Querschnitt zu verwenden.As can best be seen from FIG. 1, it is preferred that the depressions 3 have a truncated pyramidal or frustoconical shape, that is to say that their open base area in the first surface 2 'of the second joining part 2 is larger than the diameter of the depression 3 in it to the second surface 2 "of the second joining part 2 adjoining other end. Such a configuration has the advantage that this results in a particularly efficient flow of the softened or melted material from the second surface 2 " to the first surface 2 'of the second joining part 2 through the wells 3 through it is possible. However, it is also possible to use hollow cylindrical or cuboidal recesses 3 or recesses 3 with an oval or polygonal cross section.

Nachdem das erste Fügeteil 1 und das derart ausgebildete Fügeteil 2 paßgenau auf der Teileaufnahme T aufeinander gelegt wurden, wird nun in bekannter Art und Weise die Sonotrode S zugestellt, so daß das zweite Fügeteil 2 durch die Sonotrode S im Bereich der Schweißstelle ST von den von der Sonotrode S ab gegebenen Ultraschallschwingungen beaufschlagt wird. Die Einwirkung des Ultraschalls auf die zweite Oberfläche 2" des zweiten Fügeteils 2 bewirkt, daß das Fügeteil-Material im Bereich der Schweißstelle ST und insbesondere das über den Vertiefungen 3 befindliche Fügeteil-Material geschmolzen oder zumin dest erweicht wird, so daß dieses Material in Folge der Druckbeaufschlagung durch die Sonotrode S über die Vertiefungen 3 zur zweiten Oberfläche 1' des er sten Fügeteils 1 geleitet und dort für den eigentlichen Verschweißvorgang zur Verfügung steht. Die die Vertiefungen 3 begrenzenden Stege 4 des zweites Fü geteils 2 wirken hierbei als Ultraschall-Übertragungselemente und bewirken, daß ein wesentlicher Teil der von der Sonotrode abgegebenen, nicht zum Erweichen oder Erschmelzen des vorstehend beschriebenen Fügeteil-Materialbereichs be nötigten Ultraschallenergie über diese Stege 4 zum ersten Fügeteil 1 geleitet werden wird, wodurch die zweite Oberfläche 1" des ersten Fügeteils 1 im Bereich der Schweißstelle ST angeschmolzen wird, so daß hierdurch eine zuverlässige Schweißverbindung erzielbar ist.After the first joining part 1 and the joining part 2 designed in this way have been placed on top of one another in a precisely fitting manner on the part receptacle T, the sonotrode S is now delivered in a known manner, so that the second joining part 2 through the sonotrode S in the area of the welding point ST from the the sonotrode S is acted upon from the given ultrasonic vibrations. The action of the ultrasound on the second surface 2 "of the second joining part 2 causes the joining part material in the area of the welding point ST and in particular the joining part material located above the depressions 3 to be melted or at least softened, so that this material is subsequently the pressure applied by the sonotrode S through the depressions 3 to the second surface 1 'of the first joining part 1 and there is available for the actual welding process. The webs 4 delimiting the depressions 3 of the second joining part 2 act here as ultrasound transmission elements and cause a substantial part of the ultrasound energy emitted by the sonotrode, which is not required to soften or melt the joining part material area described above, to be guided via these webs 4 to the first joining part 1 , whereby the second surface 1 "of the first joining part 1 in the area the welding point ST ang is melted, so that a reliable weld connection can be achieved.

In den Fig. 2 bis 4 ist jeweils eine Draufsicht auf eine erste Oberfläche 2' des zweiten Fügeteils 2 dargestellt, aus denen sich die hier gezeigten unterschiedli chen Ausbildungen des zweiten Fügeteils 2 mit den Vertiefungen 3 und den Ste gen 4 ergibt. Die Fig. 2 zeigt nun eine erste Ausführungsform des zweiten Füge teils 2, bei dem die Vertiefungen 3 im wesentlichen kreisförmig ausgebildet sind, wobei jede dieser kreisförmigen Vertiefungen 3 durch einen ebenfalls kreisförmi gen Steg 4 umgeben ist.In Figs. 2 to 4 is a plan view of a first surface 2 'of the second joining member 2 is shown in each case, from which the differing surfaces embodiments shown here, the second joining member 2 having the recesses 3 and the Ste results Gen 4. Fig. 2 now shows a first embodiment of the second joining part 2 , in which the recesses 3 are substantially circular, each of these circular recesses 3 being surrounded by a likewise circular web 4 .

Wie ebenfalls aus der Fig. 2 weiter erkennbar ist, kann noch optional vorgese hen sein, daß die Übertragung des Ultraschalls von der Sonotrode S auf die Oberfläche 1' des ersten Fügeteiles 1 zu Beginn des Schweißvorgangs nicht nur durch die Stege 4 erfolgt, sondern daß desweiteren vorgesehen ist, daß in einer oder mehreren Vertiefungen 3 des zweiten Fügeteils 2 ein weiteres Ultraschall- Übertragungselement 6, im hier gezeigten Fall ein im wesentlichen zentral ange ordnetes, stiftförmiges Ultraschall-Übertragungselement 6, vorhanden ist, wel ches durch einen entsprechenden stiftförmigen Materialvorsprung des zweiten Fügeteils 2 ausgebildet ist. Diese weiteren Ultraschall-Übertragungselemente be sitzen den Vorteil, daß zu Beginn des Schweißprozesses ein relativ hoher Anteil der von der Sonotrode S in das zweite Fügeteil 2 eingebrachten Ultraschall-Ener gie zum ersten Fügeteil 1 geleitet wird, was sich positiv auf die Schweißqualität auswirkt. Im weiteren Verlauf des Schweißprozesses wird dann die Ultraschall-E nergie zum ersten Fügeteil 1 im wesentlichen nur noch über die die Vertiefungen 3 begrenzenden Stege 4 übertragen, da das weitere Ultraschall-Übertragungse lement 6 ebenfalls erweicht oder geschmolzen wird.As can also be seen from FIG. 2, it can also be optional that the transmission of the ultrasound from the sonotrode S to the surface 1 'of the first joining part 1 at the beginning of the welding process is not only carried out by the webs 4 , but that it is further provided that in one or more recesses 3 of the second joining part 2, a further ultrasound transmission element 6 , in the case shown here is a substantially centrally arranged, pin-shaped ultrasound transmission element 6 , which is provided by a corresponding pin-shaped material projection of the second joining part 2 is formed. These further ultrasound transmission elements have the advantage that at the beginning of the welding process, a relatively high proportion of the ultrasound energy introduced by the sonotrode S into the second joining part 2 is passed to the first joining part 1 , which has a positive effect on the welding quality. In the further course of the welding process, the ultrasound energy to the first joining part 1 is then essentially transmitted only via the webs 4 delimiting the depressions 3 , since the further ultrasound transmission element 6 is likewise softened or melted.

Die Fig. 3 zeigt nun eine zweite Ausführungsform des zweiten Fügeteils 2. Hier bei ist vorgesehen, daß die Vertiefungen 3 im wesentlichen mit einer polygonalen Form, in dem hier gezeigten Fall als Sechseck, ausgebildet sind, die von einem polygonalen Steg 4, hier also von einem als Sechseck ausbildeten Steg 4, be grenzt sind. Desweiteren ist bei der in Fig. 3 dargestellten zweiten Ausführungs form wiederum vorgesehen, daß nicht nur die vorgenannten Stege 4 als Ultra schall-Übertragungselemente fungieren, sondern daß desweiteren noch die be reits anläßlich der Fig. 2 beschriebenen stiftförmigen Ultraschall-Übertragung selemente 6 sowie in diametraler Richtung verlaufende weitere Stege 7 zur - ins besondere anfänglichen - Übertragung des von der Sonotrode S emittierten Ultra schalls zur Oberfläche 1" des ersten Fügeteils 1 vorgesehen sind. Fig. 3 shows a second embodiment of the second joining member 2. It is provided here that the recesses 3 are essentially formed with a polygonal shape, in the case shown here as a hexagon, which are bordered by a polygonal web 4 , that is to say here by a web 4 designed as a hexagon. Furthermore, the second embodiment shown in FIG. 3 again provides that not only the aforementioned webs 4 function as ultrasound transmission elements, but also that the pin-shaped ultrasound transmission elements 6 already described on the basis of FIG. 2 and in diametrically directed further webs 7 for - in particular the initial - transmission of the ultrasound emitted by the sonotrode S to the surface 1 "of the first joining part 1 are provided.

In Fig. 4 ist nun eine dritte Ausführungsform des Fügeteils 2 vorgesehen, wel che ovale Vertiefungen 3 aufweist, die durch ebenfalls ovale Stege 4 begrenzt sind. Zur Verbesserung der Ultraschall-Übertragung - insbesondere zu Beginn des Schweißprozesses - von der Sonotrode S zum ersten Fügeteil 1 ist hierbei wiederum vorgesehen, daß in einer oder mehreren Vertiefungen 3 mindenstens ein weiteres Ultraschall-Übertragungselement 8 angeordnet ist, welches im hier gezeigten Fall als eine ovale Erhöhung ausgebildet ist.In Fig. 4, a third embodiment of the joining part 2 is now provided, which che oval depressions 3 , which are also limited by oval webs 4 . To improve the ultrasound transmission - in particular at the beginning of the welding process - from the sonotrode S to the first joining part 1, it is again provided that at least one further ultrasound transmission element 8 is arranged in one or more recesses 3 , which in the case shown here as one oval elevation is formed.

Claims

1. A method for connecting two joining parts ( 1 , 2 ), in which the second joining part ( 2 ) is placed on a surface ( 1 ") of the first joining part ( 1 ) and the two joining parts ( 1 , 2 ) in the region of a weld ( ST) are welded together by the action of ultrasound, characterized in that a second joining part ( 2 ) is placed on the first joining part ( 1 ), which in the area of the welding point (ST) on its first joining part ( 1 ) facing surface ( 2 ") has a number of depressions ( 3 ) that through these depressions ( 3 ) a material softened or melted by the ultrasonic vibrations emitted by the sonotrode ( 5 ) to the surface ( 1 ") of the first joining part ( 1 ) is transported.

2. The method according to claim 1, characterized in that the softened or melted joining material is provided by a superficial material area of the second joining part ( 2 ) lying over the one or more recesses ( 3 ) melted or softened and pressurized by second joining part ( 2 ) in the area of the weld (ST) is transported through the depressions ( 3 ) to the surface ( 1 ") of the first joining part ( 1 ).

3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that part of the ultrasound emitted by the sonotrode (S) via ultrasound transmission elements ( 4 ; 6 , 7 , 8 ) in the area of the weld (ST) to the surface ( 1st ") of the first joining part ( 1 ) is passed.

4. The method according to claim 3, characterized in that the transmission of the ultrasound emitted by the sonotrode (S) via the ultrasound transmission elements ( 4 ) substantially during the entire ultrasound exposure to the ultrasonic vibrations emitted by the sonotrode (S) requires.

5. The method according to any one of claims 3 or 4, characterized in that in addition to the transmission of the ultrasound by the ultrasound transmission elements ( 4 ) at the beginning of the welding process, the additional transmission by further ultrasound transmission elements ( 6 , 7 , 8 ) is carried out.

6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that as the at least one ultrasonic transmission element a Ver the recesses ( 3 ) delimiting material web ( 4 ) is used.

7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a pin-shaped ultrasound transmission element ( 6 ) is used as a further ultrasound transmission element arranged in at least one recess ( 3 ) ultrasound transmission element ( 6 ).

8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that as a further ultrasonic transmission element ( 6 ) at least one in the recess ( 3 ), preferably extending in a diametrical direction, wider rer web ( 7 ) is used.

9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one recess is used as the recess ( 3 ), the egg ne truncated cone-shaped, truncated pyramid, a hollow cylindrical or a cuboid shape or has an oval or polygonal cross-section.

10. joining part for an ultrasonic welding connection, characterized in that the joining part ( 2 ) in a first surface ( 2 ') has a number of recesses ( 3 ) through which a softened or melted joining part material from a second surface ( 2 ") of the joining part ( 2 ), which is opposite the recesses ( 3 ) having the surface ( 2 ') of the second joining part ( 2 ) ge, can be transported.

11. Joining part according to claim 10, characterized in that at least one recess ( 3 ) of the joining part ( 2 ) has a depth which is less than a thickness defined by the two surfaces ( 2 ', 2 ") of the joining part ( 2 ) ( d) the same.

12. Joining part according to one of claims 10 or 11, characterized in that at least one of the recesses ( 3 ) of a joining part ( 2 ) is covered by a joining part material layer.

13. Joining part according to one of the preceding claims, characterized in that at least one recess ( 3 ) of the joining part ( 2 ) has a frustoconical or truncated pyramid-shaped, hollow cylindrical or cuboid shape and has an oval or polygonal cross section.

14. Joining part according to one of the preceding claims, characterized in that the joining part ( 2 ) at least one ultrasonic transmission element ( 4 ; 6 , 7 , 8 ) for the transmission of on the second surface ( 2 ") of the joining part ( 2 ) initiated Ultrasound to the first surface ( 2 ').

15. Joining part according to claim 14, characterized in that at least one ultrasonic transmission element ( 4 ) as one or one of the recesses ( 3 ) delimiting material web ( 4 ) is formed.

16. Joining part according to one of the preceding claims, characterized in that in at least one recess ( 3 ) a further ultrasound transmission element ( 6 , 7 , 8 ) is arranged.

17. Joining part according to claim 16, characterized in that at least one of the further ultrasonic transmission elements is designed as a pin-shaped projection ( 6 ), an elevation ( 8 ) or as a web ( 7 ) arranged in the depression ( 3 ).