DE10160496A1 - Sonotrode für eine Ultraschall-Schweißanlage - Google Patents

Sonotrode für eine Ultraschall-Schweißanlage

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sonotrode für eine Ultraschall-Schweißanlage mit einem Ultraschall-Generator, der hochfrequente elektrische Energie an einen Konverter leitet, dieser die Energie in mechanische Schwingungen umwandelt und gegebenenfalls über einen Booster an eine Sonotrode (2) leitet, wobei die Sonotrode (2) mit einer Kontaktfläche (3) ausgebildet ist. DOLLAR A Zur Vermeidung störender Einfallstellen wird vorgeschlagen, dass auf der Kontaktfläche (3) Zapfen (1) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sonotrode für eine Ultraschall-Schweißanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Schweißen ist eine Vereinigung von Werkstoffen unter Wärme und Druck.
Die Wärme wird hierbei folgendermaßen erzeugt:
Ein Generator liefert hochfrequente (z. B. 35 kHz) elektrische Energie, welche im Schallwandler (Konverter) mittels Piezoelementen in mechanische Längsschwin­ gungen umgewandelt werden.
Diese hochfrequenten Schwingungen werden gegebenenfalls über einen Booster an eine Sonotrode übertragen und bewirken durch innere Reibung eine Aufhei­ zung des zu verschweißenden Kunststoffs. Die Sonotrode wird hierbei mit den zu verschweißenden Teilen in Verbindung gebracht.
Der thermoplastische Kunststoff wird beim Anlegen der Sonotrode verflüssigt. Beim Abkühlen unter Druck entsteht eine Verbindung, welche Kräfte übertragen kann.
Je nach Kunststoff unterscheidet man z. B. zwischen "Fernfeldschweißen" (ge­ eignet nur für harte, spröde Kunststoffe mit geringem mechanischen Verlustfak­ tor), bei dem die hochfrequente Schwingung mit geringen Verlusten durch das Formteil hindurch zur Schweißstelle geleitet wird. Im Gegensatz dazu gibt es das "Nahfeldschweißen" oder "Kontaktschweißen", bei dem der Abstand zwischen Schalleinleitung und Schweißstelle gering ist, da die Schwingung im weichen Kunststoff schnell abgedämpft wird.
Bei der flächigen Verschweißung mittels Ultraschall wird eine Wärmeenergie (z. B. 300 . . . 1200 Ws am Generator) pro Schweißstelle lokal in den Kunststoff eingebracht.
Problematisch sind dabei Einfallstellen, welche sich auf der, der Verschweißung gegenüberliegenden Seite (z. B. lackierte Sichtfläche eines Stoßfängers für Kraftfahrzeuge) bilden.
Beim Ultraschallschweißen z. B. von Schließteilen in die Stoßfänger-Außenhaut eines PKW wird heute üblicherweise mittels eines Schweißdomes (Rippe), auf den eine geschlitzte Lasche aufgeschoben wird, durch Nieten des Domes (pilz­ förmiger Wulst) eine kraftschlüssige Verbindung erzielt.
Durch designbedingte Fugen, Kanten etc. war es bisher möglich, Rippen mit an die Außenhaut anzuspritzen, ohne dass die resultierenden Einfallstellen störend auffielen.
Wenn Rippen nicht möglich waren, wurde mit sog. "Flachsonotroden" "direkt", also flächig verschweißt.
Dabei ergeben sich störende Einfallstellen, welche vom Kunden normalerweise nicht akzeptiert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Sonotrode für eine Ultraschall- Schweißanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu verbessern, dass störende Einfallstellen vermieden werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass auf der Kontaktfläche Zapfen angeordnet sind. Somit geschieht die Energieeinbringung nicht mehr über die Kontaktfläche, sondern über die Zapfen In bevorzugter Ausführungsform sind diese kegelförmig ausgebildet, wodurch ein leichteres Einstechen in den Werkstoff ermöglicht ist.
Die Konizität der Zapfen liegt im Bereich 5° bis 20°, vorteilhafterweise ca. 10° zur Spitze hin.
Bevorzugt liegt die Länge der Zapfen geometrieabhängig bei zwei zu verschwei­ ßenden Bauteilen der Wandstärken von 2,7 und 3,6 mm zwischen 4 und 5 mm, vorzugsweise bei 4,3 mm.
In bevorzugter Ausführungsform sind auf der Kontaktfläche der Sonotrode zu­ mindest zwei parallele Reihen von Zapfen angeordnet. Alternativ sind drei paral­ lele Reihen von Zapfen vorgesehen, wobei die beiden äußeren Reihen acht Zapfen und die innerste Reihe aus neun Zapfen besteht. Grundsätzlich ist jede Ausführung einsetzbar, bei der die Zapfen in der Draufsicht symmetrisch zu zwei zueinander senkrechten Achsen angeordnet sind.
Bevorzugt weist die Spitze der Zapfen einen in Längsrichtung symmetrischen dreieckigen Querschnitt auf mit einem Spitzenwinkel α von 60° < α < 150°, bevor­ zugt α = 120°.
Vorteilhafterweise wird die Sonotrode zum Schweißen von thermoplastischen Kunststoffen verwendet, insbesondere zum Verschweißen von Außenteilen von Kraftfahrzeugen, wie Stoßfänger mit ihren Innenteilen, also Bauteile mit opti­ schen Anforderungen und dazugehörige Anbau- und Versteifungselemente.
Besonders vorteilhaft erweist es sich im Hinblick auf die Problematik der Einfall­ stellen, wenn die Teile vor dem Schweißen lackiert werden.
Aus Versuchen mit verschiedenen Sonotrodenformen hat sich ergeben, dass ei­ ne bestimmte Sonotrodenform, sog. "Fakirsonotrode" vorteilhafte Eigenschaften in Bezug auf die oben genannte Einfallstellenproblematik bietet. Versuche mit dieser Form ergaben durchweg die besten optischen Ergebnisse.
Die erfindungsgemäße Geometrie der Sonotrode besteht aus einer Vielzahl von kleinen Zapfen, welche eine Konizität (hier: ca. 10°) aufweisen (leichtes Entfor­ men beim Herausfahren der Sonotrode), sowie eine Spitze (begünstigt das An­ schmelzen). Durch die vielen kleinen Spitzen wird die benötigte Wärmeenergie besonders schonend bzw. gut verteilt in den Kunststoff eingebracht, was in ge­ ringen Einfallstellen resultiert. Die Länge der Zapfen wurde für die zu verschwei­ ßenden Wandstärken (2,7 mm auf 3,6 mm) in einem Versuch ermittelt. Günstig war hierbei die Zapfenlänge 4,3 mm.
Nachfolgend einige Beispiele mit einer erfindungsgemäßen Sonotrode.
Einfluss der Reihenfolge von Schweißen und Lackieren:
Beim Schweißen von unlackierten Teilen der Wandstärken (2,7/3,0 mm) wurden Abzugskräfte von (270 ±30) N erreicht. Die anschließend lackierte Oberfläche zeigte schwache Einfallstellen.
Diese Einfallstellen konnten deutlich minimiert werden, wenn (bei ansonsten glei­ chen Bedingungen) eine lackierte Probeplatte verschweißt wurde. Allerdings sollte die zu verschweißende Seite frei von Lackspuren sein, um die Verschwei­ ßung nicht zu beeinträchtigen. Um die lackierte Oberfläche nicht zu beschädigen, sollte die Vorrichtung entsprechend ausgepolstert sein.
Es ist festzustellen, dass ein vorheriges Lackieren sich positiv auf die optische Qualität der Sichtfläche im Hinblick auf Einfallstellen auswirkt. Die Erklärung hierfür dürfte in der Wärmeeinwirkung beim Lackieren liegen.
Diese Erklärung konnte in einem Versuch, bei dem ein vorher getempertes Teil verschweißt wurde und mit einem ungetempert verschweißtem Teil verglichen wurde, bestätigt werden: Der Einfall beim getemperten Teil ist geringer als beim ungetemperten, allerdings nicht unbedingt in dem Maße, wie beim lackierten Teil. Vermutlich hat die Lackschicht ebenfalls eine positive Wirkung bei der Reduzie­ rung der Einfallstellen.
Einfluss der Wandstärke:
Eine Erhöhung der Wandstärke der Stoßfänger von 3,0 mm auf 3,6 mm verrin­ gerte die Einfallstellen deutlich:
Für einen Schweißversuch mit einer Fakirsonotrode, Wandstärken von (2,7/3,6 mm) und dem Verschweißen der unlackierten Teile konnten Abzugskräfte von (300 ±40) N gemessen werden. Die anschließend lackierten Probeplatten zeigten nahezu keine Einfallstellen mehr.
Einfluss der Zapfenlänge/Eintauchtiefe:
Ausgehend von der ursprünglichen Fakirsonotrode (Zapfenlänge 3 mm) wurde eine Fakirsonotrode mit kürzeren Zapfen (Zapfenlänge 3,4 mm) angefertigt, um zu untersuchen, ob auf diese Weise eine Verminderung der Einfallstellen zu er­ reichen ist.
Dabei stellte sich heraus, dass mit dieser kurzen Zapfenlänge eine zuverlässige Verschweißung (Wandstärken (2,7/3,0, Abzugskraft <200 N) nur zu erreichen ist, wenn die Sonotrode komplett abgesenkt wird, d. h. die gesamte Sonotrode zeichnet sich im Bauteil ab. Hierbei wird sehr viel Energie (<700 Ws) in den Kunststoff eingebracht; die Einfallstellen sind stark ausgeprägt. Günstiger sind also lange Zapfen, da hierbei der Sonotrodengrund die zu verschweißenden Platten nicht berührt; es zeichnen sich nur die Zapfen ab. Nur etwa halb soviel Energie (um 300 Ws) wird bei ansonsten gleichen Bedingungen benötigt, um die Bauteile zu verschweißen und die Einfallstellen sind weniger ausgeprägt.
Für eine ausreichende Verschweißung (Abzugskraft <200 N) ist es also nicht er­ forderlich, die Sonotrode bis zum Zapfengrund abzusenken. Der Anpressdruck kann allein über die Niederhalter aufgebracht werden. Dies wird bei der sog. "Tiefenabschaltung" ausgenutzt, hierbei wird der Ultraschall abgeschaltet, sobald die Sonotrode eine definierte Tiefe erreicht hat.
Weitere Merkmale ergeben sich aus den Figuren, die nachfolgend beschreiben sind. Es zeigt:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Sonotrode,
Fig. 2 einen einzelnen Zapfen der Sonotrode und
Fig. 3 eine Ansicht der Kontaktfläche der Sonotrode.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Sonotrode 2, auch Fakirsonotrode genannt. Diese Sonotrode ist - nicht gezeigt - über gegebenenfalls einem Booster mit dem Schallwandler (Konverter) einer Ultraschall-Schweißanlage verbunden.
Die Kontaktfläche 3 der Sonotrode 2 weist drei Reihen von Zapfen 1 auf, wobei die innerste Reihe neun Zapfen 1 aufweist und die beiden äußersten Reihen je­ weils acht Zapfen 1.
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf die Kontaktfläche 3 mit den einzelnen Zapfen 1 der Sonotrode 2.
Fig. 2 zeigt einen einzelnen Zapfen. Die Zapfenlänge ist mit h bezeichnet. Der Zapfen 1 ist kegelförmig ausgebildet, wobei sich der Zapfen 1 zur Spitze hin um ca. 10° verjüngt. Die Spitze 4 des Zapfens 1 weist einen pyramidenförmigen Querschnitt auf mit einem Spitzenwinkel α von 120°. Der an der Kontaktfläche 2 sich befindliche Fuß des Zapfens 1 hat einen Durchmesser von d2 = 2,0 mm, und der Durchmesser an der Spitze 4 beträgt d1 = 1,4 mm.

Claims (8)

1. Sonotrode für eine Ultraschall-Schweißanlage mit einem Ultraschall- Generator, der hochfrequente elektrische Energie an einen Konverter feitet, dieser die Energie in mechanische Schwingungen umwandelt und gegebe­ nenfalls über einen Booster an eine Sonotrode (2) leitet, wobei die Sonotro­ de (2) mit einer Kontaktfläche (3) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Kontaktfläche (3) Zapfen (1) angeordnet sind.
2. Sonotrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zapfen (1) kegelförmig ausgebildet sind.
3. Sonotrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Konizität der Zapfen (1) zwischen 5° und 20°, bevorzugt ca. 10° zur Spitze hin be­ trägt.
4. Sonotrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (h) der Zapfen (1) geometrieabhängig bei zwei zu ver­ schweißenden Bauteilen der Wandstärken 2, 7 und 3,6 mm zwischen 4 und 5 mm, vorzugsweise 4,3 mm beträgt.
5. Sonotrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zapfen in der Draufsicht achsensymmetrisch zu zwei zueinander senkrechten Achsen angeordnet sind, z. B. in 3 parallelen Reihen mit außen acht Zapfen und neuen Zapfen in der Mitte.
6. Sonotrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze (4) der Zapfen (1) einen in Längsrichtung symmetrischen dreieckigen Querschnitt aufweist, mit einem Spitzenwinkel α von 60° < α < 150°, bevorzugt α = 120°.
7. Sonotrode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (2) zum Schweißen von thermoplastischen Kunststoffen verwendet wird, insbesondere zum Verschweißen von Außenteilen von Kraftfahrzeugen, wie Stoßfänger mit ihren Innenteilen, also Bauteile mit op­ tischen Anforderungen und dazugehörige Anbau- und Versteifungselemen­ te.
8. Verfahren zum Schweißen von Kunststoffteilen mit einer Sonotrode (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile vor dem Schweißen lackiert werden.
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