DE102006006344A1 - Ultrasonic welding device comprises a workpiece holder that acts as a mechanical vibratory system to support bond formation during welding - Google Patents

Ultrasonic welding device comprises a workpiece holder that acts as a mechanical vibratory system to support bond formation during welding Download PDF

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Karl-Heinz Dr. König
Stefan Hedemann
Michael Klohr
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Abstract

Ultrasonic welding device comprising a sonotrode (14) that transmits ultrasonic vibrations to a workpiece (16) between it and a workpiece holder (18) to form a bond at a weld site (20) comprises a workpiece holder that acts as a mechanical vibratory system to support bond formation during welding. Independent claims are also included for: (1) workpiece holder for use in an ultrasonic welding device as above; (2) designing a workpiece holder as above by optimizing its geometry by mathematical and/or measurement techniques.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Schweißvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to an ultrasonic welding apparatus according to the preamble of Claim 1.

Das Ultraschallschweißen ist ein seit langem bekanntes Fügeverfahren zur elektrischen Kontaktierung elektronischer Schaltkreise, zur Herstellung von Draht-Draht-Verbindungen sowie zur mechanischen Verbindung von massiven Kunststoff- und Metallkomponenten. Während des Schweißprozesses werden die zu verfügenden Werkstücke durch Reibungskräfte und plastische Verformung auf atomaren Abstand gebracht, so dass eine Festkörperschweißverbindung entsteht. Bei der Bearbeitung nur eines Werkstückes können die erzeugten Schwingungen auch dazu benutzt werden, das Werkstück zu verformen oder zu schneiden. Die mechanischen Schwingungen der Sonotrode werden in den bekannten Vorrichtungen von einem elektromechanischen, in der Regel aus einem piezoelektrischen Kristall bestehenden Konverter erzeugt, der von einem Ultraschallgenerator mit einem elektrischen Wechselstromkreis angeregt wird. Der Konverter schwingt dabei mit einer vorgegebenen Amplitude bei einer entsprechenden Ultraschall-Resonanzfrequenz, wobei ein typischer Wert z. B. 35 kHz für die Frequenz ist. Das aus Konverter und Sonotrode bestehende Schwinggebilde ist so eingerichtet, dass es ebenfalls in der oder nahe der Resonanzbedingung schwingt und die für die Bindungsbildung nötige Energie den zu fügenden Werkstücken zuführt. Als Gegenwerkzeug zu der Sonotrode ist ein Werkstückhalter vorgesehen, welcher gewöhnlich aus einem Amboss und einem Ambosshalter besteht, so dass sich auf das Werkstück oder die Werkstücke zwischen der Sonotrode und dem Amboss eine Klemmkraft ausüben lässt.The ultrasonic welding is a long-known joining process for electrical contacting of electronic circuits, to Production of wire-wire connections as well as mechanical connection of massive plastic and metal components. During the welding process will be the ones to have workpieces by friction forces and plastic deformation brought to atomic distance, so that a solid-state welding connection arises. When machining only one workpiece, the generated vibrations also be used to deform or cut the workpiece. The mechanical vibrations of the sonotrode are known in the art Devices of an electromechanical, usually one piezoelectric crystal existing converter generated by an ultrasonic generator with an electrical AC circuit is stimulated. The converter oscillates with a given Amplitude at a corresponding ultrasonic resonance frequency, where a typical value z. B. 35 kHz for the frequency. The end Converter and sonotrode existing vibrating structures is set up that it also vibrates in or near the resonance condition and the for the binding formation necessary Energy to be joined workpieces supplies. As a counter tool to the sonotrode is a workpiece holder which is usually provided made up of an anvil and an anvil holder, so that up the workpiece or the workpieces between the sonotrode and the anvil exert a clamping force.

Maßgebend für die Bindungsbildung während des Schweißprozesses ist die Relativbewegung zwischen den Werkstücken, der Sonotrode und dem Werkstückhalter in der Bindungsfläche, welche durch die Amplitude der Sonotrodenschwingung bestimmt wird. Aus dem Stand der Technik sind lediglich Vorrichtungen bekannt, bei welchen die mechanische Fixierung der Werkstücke über einen dynamisch passiven Werkstückhalter erfolgt, bei dessen Konstruktion man darauf abzielt, die Werkstücke möglichst stabil in einer Position zu halten. Bei diesen Vorrichtungen fließt der größte Teil der Schwingungsenergie durch die Bindungsstelle in den Werkstückhalter und weiter in dessen Verankerung und geht dadurch verloren.authoritative for the Bond formation during of the welding process is the relative movement between the workpieces, the sonotrode and the workpiece holder in the binding area, which is determined by the amplitude of the sonotrode vibration. From the prior art, only devices are known in which the mechanical fixation of the workpieces via a dynamically passive Workpiece holder takes place, the construction of which aims at the workpieces as possible stable in one position. Most of these devices flow the vibrational energy through the binding site in the workpiece holder and further in its anchoring and is thereby lost.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Ultraschall-Schweißvorrichtung anzugeben, bei welcher der Werkstückhalter so konstruiert wird, dass eine Prozessoptimierung beim Ultraschweißprozess insbesondere von metallischen und polymerbasierten Komponenten hinsichtlich der Stabilität der Bindungsbildung, der Güte der Schweißverbindung, der mechanischen und elektrischen Zuverlässigkeit und Langzeitstabilität als auch des Verschleißes von Ultraschallwerkzeugen bewirkt wird. Insbesondere soll die erfindungsgemäße Ultraschall-Schweißvorrichtung beim Ultraschallschweißen von Folienflachleitern (FFC, FPC) in der Automobilindustrie einsetzbar sein.task The invention is therefore an ultrasonic welding device indicate where the workpiece holder is constructed so that a process optimization in the ultrasonic welding process in particular of metallic and polymer-based components with regard to the stability of bond formation, the goodness the welded connection, the mechanical and electrical reliability and long-term stability as well of wear of ultrasonic tools is effected. In particular, the ultrasonic welding device according to the invention in ultrasonic welding of film flat conductors (FFC, FPC) can be used in the automotive industry.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mittels einer Ultraschall-Schweißvorrichtung mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.According to the invention this Task by means of an ultrasonic welding device with the in the claim 1 mentioned features solved.

Dadurch, dass der Werkstückhalter, insbesondere aufgrund seiner Geometrie und Massenverteilung, während des Schweißprozesses als mechanisches Schwingsystem wirkt, welches die Bindungsbildung an der Schweißstelle unterstützt, ist es vorteilhaft möglich, Ultraschallenergie, die ansonsten als Verlustleistung im Werkstückhalter in Wärmeenergie umgewandelt wird, in die Schweißstelle zurückzuführen, und so den Wirkungsgrad des Prozesses unmittelbar zu erhöhen. Die mittels Ultraschall in das Werkstück eingekoppelte mechanische Leistung wird ohne Modifikation der Schwingungsamplitude der Sonotrode erhöht.Thereby, that the workpiece holder, in particular due to its geometry and mass distribution, during the welding process acts as a mechanical vibration system, which the bond formation at the weld support it is advantageously possible Ultrasonic energy, otherwise as power dissipation in the workpiece holder converted into heat energy is, in the weld due, and thus immediately increasing the efficiency of the process. The by means of ultrasound coupled into the workpiece mechanical Performance is without modification of the vibration amplitude of the sonotrode elevated.

Durch die aktive Unterstützung der Bindungsbildung durch den Werkstückhalter ist

  • – eine Verkürzung der Schweiß- und damit der gesamten Prozesszeit,
  • – eine Reduzierung der Prozessparameter, insbesondere von Anpressdruck und Energie,
  • – eine Erhöhung der Standzeit von Ultraschallwerkzeugen infolge geringerer Belastung und
  • – eine Erhöhung der Prozesstoleranz bei kontaminierten und verschmutzten Werkstücken
erreichbar.By actively supporting bond formation through the workpiece holder
  • - a shortening of the welding and thus the entire process time,
  • A reduction of the process parameters, in particular of contact pressure and energy,
  • - An increase in the service life of ultrasonic tools due to lower load and
  • - An increase in the process tolerance for contaminated and contaminated workpieces
reachable.

Zwei Ausgestaltungen der Erfindung sind hierbei zu unterscheiden, wobei im Einzelfall in Abhängigkeit des herzustellenden Produktes zu entscheiden ist, welche der Ausgestaltungen vorzuziehen ist.Two Embodiments of the invention are to be distinguished here, wherein depending on individual case to decide the product to be produced, which of the embodiments is preferable.

Im ersten, speziellen Fall ist vorgesehen, dass das entstehende mechanische Schwingsystem eine Resonanzfrequenz aufweist, welche der Frequenz der Ultraschallschwingungen der Sonotrode im Wesentlichen entspricht. Dies bedeutet, dass bei geeigneter Wahl der Geometrie des Werkstückhalters dieser durch die Schwingungen der Sonotrode zu phasenverschobenen Resonanzschwingungen angeregt wird. Dies bietet sich besonders an, wenn große Amplituden der Relativbewegung an der Schweißstelle benötigt werden. Allerdings muss hier wegen einer etwaigen Resonanzüberhöhung eine vorsichtige Kontrolle des Schweißprozesses erfolgen.in the first, special case is provided that the resulting mechanical Oscillation system has a resonant frequency, which is the frequency the ultrasonic vibrations of the sonotrode substantially corresponds. This means that with a suitable choice of the geometry of the workpiece holder this phase-shifted by the vibrations of the sonotrode Resonant vibrations is excited. This is especially appropriate if big Amplitudes of relative movement at the weld are needed. However, must Here, because of any resonance overshoot a careful control of the welding process respectively.

Der zweite, allgemeinere Fall entspricht dem Nichtresonanzfall, in dem ebenfalls eine Verbesserung der Bindungsbildung erzielt wird, indem es zu einer Reflexion der in den Werkstückhalter induzierten Schwingungen und zu einer Konzentration der mechanischen Energie in der Spitze des Werkstückhalters nahe der Schweißstelle kommt. Dieser Effekt ist bei geeigneter Wahl der Geometrie des Werkstückhalters bei jeder Anregungsfrequenz vorhanden.Of the second, more general case corresponds to the non-resonant case in which also an improvement of bond formation is achieved by it is a reflection of the vibrations induced in the workpiece holder and to a concentration of mechanical energy in the top of the workpiece holder near the weld comes. This effect is with a suitable choice of the geometry of the workpiece holder present at every excitation frequency.

Insbesondere ist bevorzugt, dass der Werkstückhalter eine wulstartige Verdickung aufweist, welche als Reflektor für die von der Sonotrode erzeugten Ultraschallschwingungen wirkt.Especially it is preferred that the workpiece holder has a bead-like thickening, which serves as a reflector for the the sonotrode produces ultrasonic vibrations.

Der Werkstückhalter wird hierbei überwiegend schlank gestaltet, mit Ausnahme der wulstartigen Verdickung, welche eine vergrößerte Massenanhäufung in der Mitte des Werkstückhalter darstellt, an welcher die Ultraschallschwingungen reflektiert werden. Verschiedenste Ausführungen dieser Massenanhäufung sind denkbar, z. B. kugelförmig oder in der Form einer Scheibe.Of the Workpiece holder is here predominantly slender, with the exception of the bead-like thickening, which an increased mass accumulation in the middle of the workpiece holder represents, on which the ultrasonic vibrations are reflected. Different versions this mass accumulation are conceivable, for. B. spherical or in the form of a disc.

Die optimale Werkstückhalter-Form hängt stark von Werkstoff, Geometrie und Struktur der zu verbindenden Werkstücke ab. Dabei sind die Schwingeigenschaften der Werkstücke und der Sonotrode als konstant anzusehen, während die Eigenschaften des Werkstückhalters, insbesondere Material, Geometrie und Massenverteilung, und insbesondere die Massenverteilung entlang der Symmetrieachse im Falle einer zylindersymmetrischen Ausgestaltung des Werkstückhalters, als Variablen eines Optimierungsproblems behandelt werden.The optimal workpiece holder shape depends strongly of material, geometry and structure of the workpieces to be joined. The swinging properties of the workpieces and the sonotrode are constant to look at while the properties of the workpiece holder, in particular material, geometry and mass distribution, and in particular the mass distribution along the axis of symmetry in the case of a cylindrically symmetric Embodiment of the workpiece holder, treated as variables of an optimization problem.

Grundsätzlich ist es vorteilhaft, dass der Werkstückhalter im Wesentlichen aus homogenem Material angefertigt ist. Dadurch werden ungewünschte und schwer kontrollierbare Reflexionen an Materialgrenzflächen unterdrückt. Andererseits ist zumindest eine Ausführung vorgesehen, in welcher der Werkstückhalter einen Massenring aufweist, welcher axial verschiebbar ist, durch welchen eine Feinanpassung der Frequenz erfolgen kann, mit welcher der Werkstückhalter schwingt.Basically It is advantageous that the workpiece holder essentially made of homogeneous material. Thereby will be unwanted and difficult to control reflections at material interfaces suppressed. on the other hand is at least one execution provided in which the workpiece holder has a mass ring, which is axially displaceable, through which a fine adjustment the frequency can be done with which the workpiece holder swings.

Weiter ist bevorzugt, dass das mechanische Schwingsystem durch die Schwingungen der Sonotrode zu elliptischen Schwingungen anregbar ist. Im Werkstückhalter ergibt sich also eine überlagerte Schwingung mit vertikalen und horizontalen Anteilen. Um dies zu erreichen, müssen zumindest kleine Abweichungen in der Symmetrie bei der Konstruktion des Werkstückhalters vorgesehen sein. Durch die elliptischen Schwingungen kann ein Transport von Fremdpartikeln aus der Bindungszone induziert werden. Dies ist besonders beim Schweißen von stark verschmutzten Werkstoffen erwünscht.Further it is preferred that the mechanical vibration system by the vibrations the sonotrode is excitable to elliptical vibrations. In the workpiece holder So there is a superimposed oscillation with vertical and horizontal proportions. To achieve this, have to at least small deviations in the symmetry in the construction of the Workpiece holder be provided. Due to the elliptical vibrations can be a transport be induced by foreign particles from the binding zone. This is especially when welding desired from heavily contaminated materials.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Design eines geeigneten Werkstückhalters ist dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie des Werkstückhalters mathematisch und/oder messtechnisch optimiert wird, damit der Werkstückhalter während des Schweißprozesses in einer Form schwingt, welche die Bindungsbildung während der Schweißung aktiv unterstützt.The inventive method for the design of a suitable workpiece holder is characterized that the geometry of the workpiece holder is mathematically and / or metrologically optimized so that the workpiece holder while of the welding process vibrates in a form that enhances bond formation during the process welding actively supported.

Dabei ist bevorzugt, die optimale Form des Werkstückhalters in einem iterativen Prozess aus ingenieurwissenschaftlich mathematischen Verfahren, insbesondere durch Anwendung einer Finite-Elemente-Methode oder einer elektromechanischen Analogie, und schwingungstechnischer Analyse, insbesondere durch Laserinterferometrie, zu ermitteln. Insbesondere ist hierbei die Ankopplung und mechanische Fixierung des Werkstückhalters im Restsystem des Schweißautomaten mit entsprechenden Dämpfungs- und Federelementen zu berücksichtigen.there is preferred, the optimal shape of the workpiece holder in an iterative Process of engineering mathematical methods, in particular by applying a finite element method or an electromechanical analogy, and vibration analysis, in particular by laser interferometry, to investigate. In particular, in this case the coupling and mechanical Fixation of the workpiece holder in the remainder of the welding machine with corresponding damping and spring elements to be considered.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the others, in the subclaims mentioned features.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.The Invention will be described below in an embodiment with reference to the accompanying drawings explained in more detail.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Ultraschall-Schweißvorrichtung, 1 a side view of an ultrasonic welding device according to the invention,

2 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Werkstückhalters mit eingezeichneter Schwingungsamplitudenverteilung und 2 a side view of a workpiece holder according to the invention with marked vibration amplitude distribution and

3a, b eine Gegenüberstellung eines erfindungsgemäßen Werkstückhalters und einer analogen elektrischen Ersatzschaltung. 3a , b is a comparison of a workpiece holder according to the invention and an analog electrical equivalent circuit.

1 zeigt eine Seitenansicht einer insgesamt mit 100 bezeichneten Ultraschall-Schweißvorrichtung. Sie umfasst einen nicht dargestellten Wandler 10 zur Umwandlung elektrischer Schwingungen in Ultraschallschwingungen, der über einen ebenfalls nicht dargestellten Amplitudentransformator 12 mit einer Sonotrode 14 verbunden ist. Die Sonotrode 14 wird dabei in Längsschwingungen versetzt, wie dies durch den Doppelpfeil angedeutet ist. Ein Werkstück 16, bei dem es sich insbesondere um eine Materialbahn eines thermoplastischen Materials oder einen metallischen Leiter mit thermoplastischer Isolierung handelt, wird durch eine in der Figur nicht gezeigte Zuführungsvorrichtung zwischen der Sonotrode 14 und einem Werkstückhalter 18 durchgeführt, wobei es an einer Schweißstelle 20 zur Übertragung der Ultraschallschwingungen von der Sonotrode 14 in das Werkstück 16 kommt. Der Werkstückhalter 18 ist zylindersymmetrisch ausgestaltet und weist näherungsweise in der Mitte zwischen der Schweißstelle 20 und einer gegenüberliegenden Abschlussfläche 22, welche geeignet verankert ist, eine wulstartige Verdickung 24 auf, welche scheibenförmig ausgestaltet ist. Der Werkstückhalter 18 ist bevorzugt aus einem homogenen Material gefertigt und aus einem massiven Block gefräst. 1 shows a side view of a total with 100 designated ultrasonic welding device. It comprises a converter, not shown 10 for converting electrical vibrations into ultrasonic vibrations, via an amplitude transformer, also not shown 12 with a sonotrode 14 connected is. The sonotrode 14 is thereby set in longitudinal vibrations, as indicated by the double arrow. A workpiece 16 , which is in particular a material web of a thermoplastic material or a metallic conductor with thermoplastic insulation is, by a supply device, not shown in the figure, between the sonotrode 14 and a workpiece holder 18 carried out, it being at a weld 20 for transmitting the ultrasonic vibrations from the sonotrode 14 in the workpiece 16 comes. The workpiece holder 18 is designed cylindrically symmetrical and has approximately in the middle between the weld 20 and an opposite end surface 22 , which is suitably anchored, a bead-like thickening 24 on, which is designed disk-shaped. The workpiece holder 18 is preferably made of a homogeneous material and milled from a solid block.

Durch eine mathematisch und messtechnisch optimierte Geometrie des Werkstückhalters 18 wird dieser während des Schweißprozesses so zu Schwingungen angeregt, dass eine aktive Unterstützung des Schweißprozesses an der Schweißstelle 20 erfolgt. Hierbei führt der Werkstückhalter 18 in der lokalen Umgebung der Schweißstelle 20 Schwingungen mit linearen und elliptischen Anteilen aus, das heißt, es werden auch Schwingungsformen mit Komponenten senkrecht zur Schwingungsamplitude der aktive Sonotrode 14 angeregt. Durch die wulstartige Verdickung 24 kommt es zu einer geeigneten Reflexion der Ultraschallschwingungen in Richtung der Schweißstelle 20 und somit zu einer Konzentration der Schwingungsenergie an diesem Punkt.Through a mathematically and metrologically optimized geometry of the workpiece holder 18 During the welding process, it is induced to vibrate in such a way that it actively supports the welding process at the welding point 20 he follows. Here, the workpiece holder leads 18 in the local environment of the weld 20 Vibrations with linear and elliptical portions of, that is, there are also vibration modes with components perpendicular to the vibration amplitude of the active sonotrode 14 stimulated. Due to the bead-like thickening 24 There is a suitable reflection of the ultrasonic vibrations in the direction of the weld 20 and thus to a concentration of vibrational energy at that point.

2 zeigt eine Seitenansicht des Werkstückhalters 18 mit eingezeichneter Schwingungsamplitudenverteilung. Der dargestellte Werkstückhalter 18 ist hinsichtlich des Ultraschallschweißprozesses von Folienflachleitern (FFC) entwickelt und optimiert. Durch einen Positionssensor 26 wird die Schwingungsamplitude des Werkstückhalters 18 an verschiedenen, in der Figur durch fortlaufende Zahlen angedeuteten Messpunkten während eines Testbetriebes ermittelt. Die so ermittelten Schwingungsdaten dienen unmittelbar als Eingangsgrößen für eine dynamisch-mathematische Modellierung, durch welche eine Optimierung der Masseverteilung im Werkstückhalter 18 erfolgen soll. Alternativ können die Messdaten auch durch Laserinterferometrie an denselben Punkten ermittelt werden. Der Werkstückhalter 18 wird durch die Längsschwingungen der Sonotrode 14 ebenfalls zur Ausführung von Längsschwingungen angeregt, deren Amplitudenverteilung 28 angegeben ist. Außerdem werden senkrecht dazu Seitenschwingungen angeregt, deren Amplitudenverteilung 30 ebenfalls angegeben ist, wobei diese naturgemäß kleiner als die Amplitudenverteilung 28 ist. Beide Amplitudenverteilungen 28 und 30 zeigen an, dass die wulstartige Verdickung 24 als Reflektor wirkt, da die Schwingungsamplituden im Bereich zwischen der wulstartigen Verdickung 24 und der Abschlussfläche 22 erheblich geringer sind als im Bereich zwischen der wulstartigen Verdickung 24 und der Schweißstelle 20. Dies repräsentiert somit auch die Leistung, welche für den Schweißprozess unmittelbar verwendet werden kann und nicht durch die Abschlussfläche 22 abfließt und verloren geht. 2 shows a side view of the workpiece holder 18 with the vibration amplitude distribution shown. The illustrated workpiece holder 18 is developed and optimized with regard to the ultrasonic welding process of film flat conductors (FFC). Through a position sensor 26 becomes the vibration amplitude of the workpiece holder 18 determined at different, indicated in the figure by consecutive numbers measuring points during a test operation. The vibration data thus obtained serve directly as input variables for a dynamic mathematical modeling, by which an optimization of the mass distribution in the workpiece holder 18 should be done. Alternatively, the measured data can also be determined by laser interferometry at the same points. The workpiece holder 18 is due to the longitudinal vibrations of the sonotrode 14 also excited to execute longitudinal vibrations whose amplitude distribution 28 is specified. In addition, side oscillations are excited perpendicularly, their amplitude distribution 30 is also indicated, this being naturally smaller than the amplitude distribution 28 is. Both amplitude distributions 28 and 30 indicate that the bead-like thickening 24 acts as a reflector, since the vibration amplitudes in the area between the bead-like thickening 24 and the finish area 22 are considerably lower than in the area between the bead-like thickening 24 and the weld 20 , Thus, this also represents the power that can be used directly for the welding process and not through the termination surface 22 drains and gets lost.

3a, b zeigen eine Gegenüberstellung eines erfindungsgemäßen Werkstückhalters 18 und einer analogen elektrischen Ersatzschaltung, welche im Rahmen einer elektromechanischen Analogie angefertigt werden kann. Dabei entsprechen sich paarweise die Größen Kraft F 32 und Spannung U 36, sowie Geschwindigkeit v 34 und Strom I 38 in den beiden Modellen, wobei beachtet werden muss, dass im mechanischen Fall im Gegensatz zum elektromagnetischen Fall zwei Freiheitsgrade für die ausgeführten Schwingungen bestehen. Analog können in den beiden Modellen die mechanische Impedanz Zmech = F/v und die elektrische Impedanz Zelek = U/I berechnet werden. Zu bestimmen sind für den Werkstückhalter 18 die Leistung der reflektierten Welle 42 und der transmittierten Welle 44 in Abhängigkeit von der Leistung der von der Sonotrode 14 erzeugten, einfallenden Welle 40 (3a). Variabel ist dabei die mechanische Abschlussimpedanz, welche durch die Eigenschaften der wulstartigen Verdickung 24 bestimmt wird. Bei einer Anpassung der mechanischen Abschlussimpedanz wird die Leistung der transmittierten Welle minimiert, so dass mehr Energie für den Schweißprozess zur Verfügung steht. In den meisten praktischen Fällen wird ein bestimmtes Verhältnis von transmittierten zu reflektierten Wellen wünschenswert sein, welches man an die Prozessrandbedingungen im Einzelfall anpassen muss. 3a , b show a comparison of a workpiece holder according to the invention 18 and an analog electrical equivalent circuit, which can be made in the context of an electromechanical analogy. Here are pairs of sizes Kraft F 32 and voltage U 36 , as well as speed v 34 and current I 38 in the two models, it must be noted that in the mechanical case, in contrast to the electromagnetic case, there are two degrees of freedom for the vibrations performed. Analogously, the mechanical impedance Z mech = F / v and the electrical impedance Z elek = U / I can be calculated in the two models. To be determined are for the workpiece holder 18 the power of the reflected wave 42 and the transmitted wave 44 depending on the power of the sonotrode 14 generated, incident wave 40 ( 3a ). Variable is the mechanical termination impedance, which is due to the properties of the bead-like thickening 24 is determined. When adjusting the mechanical termination impedance, the power of the transmitted wave is minimized, so that more energy is available for the welding process. In most practical cases, a certain ratio of transmitted to reflected waves will be desirable, which one must adapt to the process boundary conditions in each case.

In der elektrischen Ersatzschaltung (3b) entspricht der mechanischen Abschlussimpedanz der wulstartigen Verdickung 24 der Bereich der elektrischen Abschlussimpedanz 46. Die mechanischen Eigenschaften des oberen Teils des Werkstückhalters 18 werden geeignet durch einen elektromagnetischen Schwingkreis 48 modelliert, welcher als dynamischer Energiespeicher wirkt. Die vom elektromagnetischen Schwingkreis 48 gespeicherte Energie hängt dabei von der Größe der anzupassenden elektrischen Abschlussimpedanz 46 ab.In the electrical equivalent circuit ( 3b ) corresponds to the mechanical terminating impedance of the bead-like thickening 24 the range of electrical termination impedance 46 , The mechanical properties of the upper part of the workpiece holder 18 become suitable by an electromagnetic resonant circuit 48 modeled, which acts as a dynamic energy storage. The of the electromagnetic resonant circuit 48 stored energy depends on the size of the electrical terminating impedance to be adjusted 46 from.

100100
Ultraschall-SchweißvorrichtungUltrasonic welding device
1010
Wandlerconverter
1212
Amplitudentransformatoramplitude transformer
1414
Sonotrodesonotrode
1616
Werkstückworkpiece
1818
WerkstückhalterWorkpiece holder
2020
Schweißstelleweld
2222
gegenüberliegende Abschlussfläche/Verankerungopposing End surface / anchor
2424
wulstartige Verdickungbead thickening
2626
Positionssensorposition sensor
2828
Amplitudenverteilung Längsschwingungenamplitude distribution longitudinal vibrations
3030
Amplitudenverteilung Seitenschwingungenamplitude distribution page vibrations
3232
Kraftforce
3434
Geschwindigkeitspeed
3636
Spannungtension
3838
Stromelectricity
4040
einfallende Welleincident wave
4242
reflektierte Wellereflected wave
4444
transmittierte Welletransmitted wave
4646
elektrische Abschlussimpedanzelectrical terminating impedance
4848
elektromagnetischer Schwingkreiselectromagnetic resonant circuit

Claims (14)

Ultraschall-Schweißvorrichtung, welche eine Ultraschall-Erzeugungseinrichtung mit einer Sonotrode und einen Werkstückhalter (18) umfasst, wobei von der Sonotrode während eines Schweißprozesses Ultraschallschwingungen auf ein zwischen der Sonotrode und dem Werkstückhalter befindliches Werkstück zum Zwecke einer Bindungsbildung an einer Schweißstelle im Werkstück übertragbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückhalter (18) während des Schweißprozesses als mechanisches Schwingsystem wirkt, welches die Bindungsbildung an der Schweißstelle (20) unterstützt.Ultrasonic welding device comprising an ultrasonic generating device with a sonotrode and a workpiece holder ( 18 ), wherein the sonotrode during a welding process ultrasonic vibrations on a befindlicher between the sonotrode and the workpiece holder workpiece for the purpose of bond formation at a weld in the workpiece are transferable, characterized in that the workpiece holder ( 18 ) acts during the welding process as a mechanical vibration system, which the bond formation at the weld ( 20 ) supported. Ultraschall-Schweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückhalter (18) eine Masseverteilung aufweist derart, dass der Werkstückhalter (18) während des Schweißprozesses als mechanisches Schwingsystem wirkt, welches die Bindungsbildung an der Schweißstelle (20) unterstützt.Ultrasonic welding device according to claim 1, characterized in that the workpiece holder ( 18 ) has a mass distribution such that the workpiece holder ( 18 ) acts during the welding process as a mechanical vibration system, which the bond formation at the weld ( 20 ) supported. Ultraschall-Schweißvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das entstehende mechanische Schwingsystem eine Resonanzfrequenz aufweist, welche der Frequenz der Ultraschallschwingungen im Wesentlichen entspricht.Ultrasonic welding device according to one of the previous claims, characterized in that the resulting mechanical vibration system has a resonant frequency which corresponds to the frequency of the ultrasonic vibrations in the Essentially corresponds. Ultraschall-Schweißvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückhalter (18) im Wesentlichen zylindersymmetrisch ist.Ultrasonic welding device according to one of the preceding claims, characterized in that the workpiece holder ( 18 ) is substantially cylindrically symmetric. Ultraschall-Schweißvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückhalter (18) im Wesentlichen aus homogenem Material angefertigt ist.Ultrasonic welding device according to one of the preceding claims, characterized in that the workpiece holder ( 18 ) is made essentially of homogeneous material. Ultraschall-Schweißvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückhalter (18) mindestens eine wulstartige Verdickung (24) aufweist, welche als Reflektor für die von der Sonotrode (14) erzeugten Ultraschallschwingungen wirkt.Ultrasonic welding device according to one of the preceding claims, characterized in that the workpiece holder ( 18 ) at least one bead-like thickening ( 24 ), which serves as a reflector for the sonotrode ( 14 ) generated ultrasonic vibrations acts. Ultraschall-Schweißvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückhalter (18) mindestens einen Massenring aufweist, welcher axial verschiebbar ist.Ultrasonic welding device according to one of the preceding claims, characterized in that the workpiece holder ( 18 ) has at least one mass ring, which is axially displaceable. Ultraschall-Schweißvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Schwingsystem durch die Schwingungen der Sonotrode (14) zu elliptischen Schwingungen anregbar ist.Ultrasonic welding device according to one of the preceding claims, characterized in that the mechanical vibration system by the vibrations of the sonotrode ( 14 ) is excitable to elliptical vibrations. Werkstückhalter zur Verwendung in einer Ultraschall-Schweißvorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche.Workpiece holder for use in an ultrasonic welding device ( 100 ) according to one of the preceding claims. Verfahren zum Design eines Werkstückhalters nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie des Werkstückhalters (18) mathematisch und/oder messtechnisch optimiert wird.Method for the design of a workpiece holder according to claim 9, characterized in that the geometry of the workpiece holder ( 18 ) is optimized mathematically and / or metrologically. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaften des entstehenden mechanischen Schwingsystems durch Anwendung einer Finite-Elemente-Methode berechnet werden.Method according to claim 10, characterized in that that the properties of the resulting mechanical vibration system be calculated by applying a finite element method. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaften des entstehenden mechanischen Schwingsystems durch die Analyse eines analogen Widerstandsnetzwerkes bestimmt werden.Method according to one of claims 10 to 11, characterized that the properties of the resulting mechanical vibration system through the analysis of an analog resistor network can be determined. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitudenverteilung im mechanischen Schwingsystem gemessen wird, insbesondere durch Laserinterferometrie.Method according to one of claims 10 to 12, characterized that measured the amplitude distribution in the mechanical vibration system is, in particular by laser interferometry. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein iteratives Verfahren angewendet wird, in welchem die Eigenschaften des mechanischen Schwingsystems abwechselnd berechnet und gemessen werden.Method according to one of claims 10 to 13, characterized that an iterative process is applied in which the properties of the mechanical vibration system alternately calculated and measured become.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104439683A (en) * 2014-12-09 2015-03-25 苏州科技学院 Single excitation ultrasonic elliptic vibration metal welding device
EP3271136B1 (en) 2015-03-16 2020-04-29 REHAU AG + Co Sonotrode for an ultrasound welding system and method for welding a connection element to a component

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2251521A1 (en) * 1972-10-20 1974-04-25 Dietrich Dipl Phys Leven Ultrasonic welding of plastics - by applying mechanical oscillations from transducers to both sides of the work piece
DE19906873A1 (en) * 1999-02-18 2000-08-24 Branson Ultraschall Ultrasonic welding device for joining layers of material, with two ultrasound units supplying ultrasonic energy to opposite sides simultaneously

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2251521A1 (en) * 1972-10-20 1974-04-25 Dietrich Dipl Phys Leven Ultrasonic welding of plastics - by applying mechanical oscillations from transducers to both sides of the work piece
DE19906873A1 (en) * 1999-02-18 2000-08-24 Branson Ultraschall Ultrasonic welding device for joining layers of material, with two ultrasound units supplying ultrasonic energy to opposite sides simultaneously

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104439683A (en) * 2014-12-09 2015-03-25 苏州科技学院 Single excitation ultrasonic elliptic vibration metal welding device
EP3271136B1 (en) 2015-03-16 2020-04-29 REHAU AG + Co Sonotrode for an ultrasound welding system and method for welding a connection element to a component
EP3271136B2 (en) † 2015-03-16 2023-04-19 REHAU Automotive SE & Co. KG Sonotrode for an ultrasound welding system and method for welding a connection element to a component

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