DE102007026707B3

DE102007026707B3 - Verfahren zum elektrisch leitenden Verbinden von Litzen sowie Ultraschallschweißvorrichtung

Info

Publication number: DE102007026707B3
Application number: DE102007026707A
Authority: DE
Inventors: Dieter Stroh; Heiko Stroh
Original assignee: Schunk Ultraschalltechnik GmbH
Current assignee: Schunk Ultraschalltechnik GmbH
Priority date: 2007-06-06
Filing date: 2007-06-06
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2027-06-07
Also published as: DE102007026707B8

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschallschweißvorrichtung sowie ein Verfahren zum elektrisch leitenden Verbinden von im Wesentlichen aus Aluminium bestehenden Einzeldrähte aufweisenden Litzen mit einem aus Metall bestehenden U-förmigen Träger mittels Ultraschallschweißens. Dabei wird als Soneinen Verlauf eines offenen Trapezes mit kurzem Basisschenkel als Bodenfläche aufweist. Während des Verschweißens kontaktieren die Litzen unmittelbar die Bodenfläche und die von dieser ausgehenden und zu dieser einen stumpfen Winkel einschließenden Seitenflächen, wobei Gesamtquerschnittsfläche FL der in den U-förmigen Träger eingelegten Litzen im verschweißten Zustand zur Querschnittsfläche FS des von der Bodenfläche und den Seitenflächen der Schweißfläche umgebenen Raums beträgt FS < FL < 2 FS.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum elektrisch leitenden Verbinden von im Wesentlichen aus Aluminium oder Aluminium-Legierungen bestehende Adern bzw. Einzeldrähte aufweisenden Litzen mit einem aus Metall bestehenden U-förmigen Träger mittels Ultraschallschweißens, wobei der Träger auf einer Gegenelektrode einer Ultraschallschweißvorrichtung angeordnet wird, die Litzen in den von Quer- und Seitenschenkeln begrenzten Raum des U-förmigen Trägers eingelegt und anschließend untereinander und mit dem Träger mittels einer in Ultraschallschwingung erregten Sonotrode verschweißt werden. Ferner nimmt die Erfindung Bezug auf eine Ultraschallschweißvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfassend eine Ultraschallschwingungen übertragende Sonotrode mit einem eine Schweißfläche aufweisenden Sonotrodenkopf, eine der Schweißfläche gegenüberliegende den U-förmigen Träger abstützende Gegenelektrode sowie vorzugsweise seitliche Begrenzungselemente mit Begrenzungsflächen begrenzen, zwischen denen sich der Sonotrodenkopf mit der Schweißfläche erstreckt.
Werden Litzen, die aus Einzeldrähten bzw. Adern aus Aluminium oder Aluminiummaterial bestehen, untereinander oder mit einem massiven Träger verschweißt, so hat sich in der Praxis gezeigt, dass die eingeleitete Schweißenergie dazu führt, dass das Aluminium in einem Umfang fließt, d. h. in die sogenannte teigige Phase übergeht, dass ein Anlegieren an die Sonotrodenfläche bzw. an die einen die Litzen aufnehmenden Verdichtungsraum seitlich begrenzenden Schieber erfolgt.
Um dies zu vermeiden, wurde vorgeschlagen, zwischen den Werkzeugen der Ultraschallschweißvorrichtung und den aus Aluminium bestehenden Litzen Zwischenfolien anzuordnen, die verhindern, dass ein unmittelbarer Kontakt mit den Schweißwerkzeugen erfolgt.
Von dem gleichen Gedanken macht die US 3,717,842 A Gebrauch, die sich auf ein Verfahren zum Verschweißen von Aluminium-Drähten mit einem U-förmigen Träger bezieht. Um die Schweißverbindung herzustellen, wird zunächst der Träger in bekannter Weise um den Aluminiumdraht gecrimpt, um sodann den Schweißvorgang einzuleiten. Hierbei befindet sich zwischen der Sonotrode und den Drähten der umgecrimpte Abschnitt des Trägers.
Sowohl das Einbringen einer Zwischenfolie als auch das zusätzliche Crimpen stellen verfahrenstechnische Nachteile dar, die insbesondere bei hochautomatisierten Schweißabläufen unerwünscht sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Ultraschallschweißvorrichtung zuvor beschriebener Art so weiterzubilden, dass aus Aluminium bestehende oder Aluminium enthaltende Litzen mit einem U-förmigen Massivteil verschweißt werden können, ohne dass Zwischenfolien erforderlich sind oder das Massivteil gecrimpt werden muss, um einen unmittelbaren Kontakt zwischen der Litze und den zum Verschweißen benötigten Werkzeugen zu vermeiden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe verfahrensmäßig dadurch gelöst, dass als Sonotrode eine solche verwendet wird, deren Schweißfläche einen Verlauf eines offenen Trapezes mit kurzem Basisschenkel als Bodenfläche aufweist, und dass während des Verschweißens die Bodenfläche mit den von dieser ausgehenden und zu dieser einen stumpfen Winkel α einschließenden Seitenflächen unmittelbar die Litzen kontaktieren, wobei Gesamtquer schnittsfläche F_L der in den U-förmigen Träger eingelegten Litzen im verschweißten Zustand zur Querschnittsfläche F_S des von der Bodenfläche und den Seitenflächen der Schweißfläche umgebenen Raums beträgt F_S < F_L < 2 F_S.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass dann, wenn ein erheblicher Teil der zu verschweißenden Drähte bzw. Adern der Litzen von den von der Schweißfläche der Sonotrode umgebenen und im Querschnitt ein gleichmäßiges Trapez bildenden Raum aufgenommen wird, ein Anlegieren an der Sonotrodenfläche unterbleibt. Ursächlich hierfür könnte sein, dass die beim Verdichten und Verschweißen der Litzen auftretenden Gesamtquerkräfte in erheblichem Umfang von den Seitenflächen der Sonotrode, also den Flanken des die Schweißfläche zur Verfügung stellenden Sonotrodenkopfes aufgenommen werden, so dass die außerhalb des von der Schweißfläche begrenzten Raums vorhandenen Litzen ungeachtet des beim Schweißen auftretenden Fließens an den Bereichen des Sonotrodenkopfes nicht anlegieren. Dies gilt auch für die außerhalb der dem Verlauf eines offenen gleichschenkligen Trapezes folgenden Schweißfläche verlaufenden Bereiche.
Eine weitere Erklärung dafür, dass innerhalb der den Querschnitt eines Trapezes bildenden Aufnahme des Sonotrodenkopfes ein Anlegieren nicht erfolgt, kann sein, dass in diesem Bereich die größte Relativbewegung gegeben ist, so dass auch dann, wenn bereichsweise ein Anschweißen erfolgen sollte, die Verbindung durch die Relativbewegung abgelöst wird.
Insbesondere wird ein Anlegieren an den beim Eintauchen in den U-förmigen Träger entlang dessen Seitenschenkeln verlaufenden Außenflächen des Sonotrodenkopfes dann vermieden, wenn der lichte Abstand der Seitenschenkel des U-förmigen Trägers, Breite der Sonotrode bzw. des Sonotrodenkopfes und die zu verschweißenden Adern in ihren Abmessungen derart aufeinander abgestimmt werden, dass beim Eintauchen der Sonotrode bzw. des Sonotrodenkopfs in den U-förmigen Trägern zum Verschweißen der Adern untereinander und mit dem Träger zwischen Innenfläche des jeweiligen Seitenschenkels des U-förmigen Trägers und zugewandter Außenfläche der Sonotrode bzw. des Sonotrodenkopfs ein Spalt mit der Breite S mit S ≤ ½ A_D besteht, wobei A_D Durchmesser der jeweiligen Adern der Litzen ist. Werden Litzen mit Adern unterschiedlicher Querschnitte ver schweißt, so sollte die Breite des Spaltes auf die Adern kleinsten Durchmessers ausgelegt werden.
Zwar ist es bekannt, üblicherweise aus Kupfer bestehende Litzen mit einem U-förmigen Träger zu verschweißen, bei dem die Sonotrode litzenseitig eine Schweißfläche aufweist, die einen konkavförmigen Verlauf zeigt, der an eine Trapezgeometrie angepasst sein kann ( DE 20 2004 010 775 U1 ). Durch diese Geometrie soll erreicht werden, dass die beim Verschweißen auftretenden Querkräfte reduziert werden, um ein Verbiegen der Seitenschenkel des U-förmigen Trägers zu minimieren. Die Dimensionierung der Schweißfläche der Sonotrode ist dabei derart gewählt, dass die Litzen im verschweißten Zustand einen Gesamtquerschnitt aufweisen, der ein Vielfaches der Querschnittsfläche des Raums ist, der von der Schweißfläche der Sonotrode begrenzt ist. Insbesondere soll durch die diesbezügliche Lehre auch erreicht werden, dass der Träger mit aus Kupfer bestehenden Litzen sicher verschweißt werden kann, die im verschweißten Zustand die Seitenschenkel des Trägers überragen.
Als Material für den U-förmigen Träger sollte zumindest eines aus der Gruppe SE-Cu58, SF-Cu, E-Cu58, CuNi3SiMg, CuFe2P, CuCrSiTi, CuZn37, CuSn6, CuSn8 verwendet werden. Die Bezeichnung der Materialien entspricht dabei der DIN-Norm.
Insbesondere ist vorgesehen, dass als Werkstoffe für den Träger ein federharter benutzt wird, der für höherwertige Steckverbinder geeignet ist. In diesem Fall sollte jedoch zumindest die litzenseitige Fläche des Trägers insbesondere mit Silber oder einem Silber enthaltenden Material z. B. durch Galvanisieren beschichtet sein.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Sonotrode verwendet wird, die litzenseitig einen U-förmigen Kopfabschnitt aufweist, der innenseitig die Schweißfläche mit der Bodenfläche und den unter den Winkel α verlaufenden Seitenflächen begrenzt, die Innenflächen von Seitenschenkeln des Kopfabschnitts sind, wobei der Sonotrodenkopf eine Breite B aufweist und die Seitenschenkel über der Bodenfläche mit einer Höhe T vorstehen mit 0,15 B ≤ T ≤ 0,30 B.
Des Weiteren sollte eine Sonotrode zum Einsatz gelangen, bei der der zwischen der Bodenfläche und der jeweilige Seitenfläche verlaufende Winkel α beträgt 125° ≤ α ≤ 145°.
Der die Litzen aufnehmende und von der Schweißfläche der Sonotrode umgebene Raum wird von Seitenschenkeln bzw. Stegen begrenzt, deren Stirnfläche parallel zur Bodenfläche verlaufen. Dabei sollte die Breite der jeweiligen Stirnfläche zwischen 0.25 mm und 1,5 mm betragen. Durch diese Dimensionierung ist gleichfalls sichergestellt, dass beim Schweißen ein Anlegieren des Aluminiums aufweisen.
Die Sonotrode bzw. der Sonotrodenkopf, der in den U-förmigen Träger, also das Massivteil eintaucht, kann eine Breite B zwischen 1 mm und 25 mm haben.
Eine Ultraschallschweißvorrichtung der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass die Schweißfläche einen Verlauf eines offenen gleichschenkligen Trapezes mit Bodenfläche und Seitenflächen aufweist, dass die Bodenfläche und die jeweilige Seitenfläche einen Winkel α mit 125° ≤ α ≤ 145° einschließt, dass die Seitenflächen innere Flächen von über der Bodenfläche mit einer Höhe T vorstehenden Schenkeln des Sonotrodenkopfes sind und den Sonotrodenkopf seitlich begrenzen und dass der Sonotrodenkopf eine Breite B aufweist, der sich zur Höhe T des von der Schweißfläche umgebenen Raums verhält wie 0,15 B ≤ T ≤ 0,30 B.
Die Schenkel des Sonotrodenkopfes weisen Stirnflächen auf, die parallel zu der Bodenfläche der Schweißfläche verlaufen und eine Breite A mit 0,25 mm ≤ A ≤ 1,5 mm aufweisen.
Ferner kann der in den U-förmigen Träger eintauchende Sonotrodenkopf eine Breite B mit 1 mm ≤ B ≤ 25 mm aufweisen.
Insbesondere ist vorgesehen, dass der U-förmige Träger aus zumindest einem Material der Gruppe SE-Cu58, SF-Cu, E-Cu58, CuNi3SiMg, CuFe2P, CuCrSiTi, CuZn37, CuSn6, CuSn8 besteht.
Besteht der U-förmige Träger aus einem federharten Werkstoff wie CuCrSiTi, so sollte dieser zumindest litzenseitig vorzugsweise mit Silber und einem Silber enthaltenden Material beschichtet sein.
Um eine eindeutige Positionierung des Trägers während des Verdichtens und Verschweißens der Litzen sicherzustellen, ist vorgesehen, dass jeweiliges seitliches Begrenzungselement trägerseitig eine Aussparung aufweist, die an die Höhe und Breite des Seitenschenkels zum Aufnehmen dieses beim Ultraschallschweißen angepasst ist.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergebne sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen – für sich und/oder in Kombination-, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
1 eine Anordnung einer Ultraschallschweißanlage in prinzipieller Darstellung,
2a, b Prinzipdarstellungen des Verdichtens und Verschweißens von Aluminiumlitzen mit einem U-förmigen Träger nach dem Stand der Technik,
3a–3c in prinzipieller Darstellung einen Crimp- und Schweißverlauf nach dem Stand der Technik,
4a, 4b in prinzipieller Darstellung das Verdichten und Verschweißen von Aluminiumlitzen mit einem U-förmigen Träger nach der Erfindung und
5 eine weitere Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäß zum Einsatz gelangenden Sonotrode.
In 1 ist rein prinzipiell eine Ultraschallschweißanlage dargestellt, in der aus Aluminium bestehende oder Aluminium enthaltende Litzen, d. h. deren feine Drähte oder Adern, mit einem Stanz-/Biegeteil in Form eines U-förmigen Massivträgers aus Metall verschweißt werden können. Die Anlage umfasst eine Ultraschallschweißvorrichtung oder -maschine 10, die in gewohnter Weise einen Konverter 12, ggfs. einen Booster 14 sowie eine Sonotrode 16 aufweist. Der Sonotrode 16, d. h. deren Kopf 18 und damit dessen Schweißfläche sind eine Gegenelektrode 20 – auch Amboss genannt – sowie Seitenschieber 21, 23 zugeordnet, um einen Verdichtungsraum zu umgeben.
Der Konverter 12 ist über eine Leitung 22 mit einem Generator 24 verbunden, der seinerseits über eine Leitung 26 zu einem Rechner 28 führt, über den eine Steuerung des Schweißprozesses erfolgt und in den Schweißparameter bzw. Querschnitt und Materialien der zu verschweißenden Litzen und Träger eingegeben bzw. entsprechende abgespeicherte Werte abgerufen werden können.
Nach dem Stand der Technik werden aus Aluminium bestehende Litzen, die aus einzelnen dünnen Drähten oder Äderchen 32, 34 bestehen, mittels einer Sonotrode 36 verschweißt, die eine plane Schweißfläche 38 aufweist. In der Schweißfläche können gewünschte Strukturen wie Wellen, Pyramiden oder Ähnliches ausgebildet sein. Um ein Anlegieren der Litze 30, d. h. deren Drähte 32, 34 an der Sonotrode 36 bzw. deren Schweißfläche 38 auszuschließen, sieht der Stand der Technik vor, dass auf die Litzen 30 eine Folie gelegt wird, durch die ein unmittelbarer Kontakt zwischen den Äderchen 32, 34 und der Schweißfläche 38 vermieden wird.
Werden diesbezügliche Zwischenfolien nicht eingebracht, so erfolgt ein Anlegieren des durch das Einleiten der Ultraschallschwingungen teigig werdenden Aluminiums, das folglich fließt. Dies soll aus einem Vergleich der 2a und 2b ersichtlich werden. So ist ein mit den Litzen 30 zu verschweißender U-förmiger Träger 40 auf einem Amboss 42 einer Ultraschallschweißmaschine angeordnet, wie diese prinzipiell der 1 zu entnehmen ist. Seitlich zu dem Träger 40 sind Seitenschieber 44, 46 verschiebbar angeordnet, die derart zu dem Träger 40 ausgerichtet werden, dass dieser von stufenförmigen Aussparungen 48, 50 mit seinen Seitenschenkeln 52, 54 aufgenommen ist, die über einen Querschenkel 56 verbunden sind, der auf dem Amboss 42 aufliegt.
Erfolgt nun ein Verdichten und Verschweißen durch Absenken der Sonotrode 36 und Erregung dieser, so fließt das Aluminiummaterial der Litzen 30 mit der Folge, dass dieses nicht nur an der Schweißfläche 38 anlegiert, sondern auch in den Spalt zwischen den Sonotrodenseitenflächen 58, 60 und den zugewandten Begrenzungsflächen 62, 64 der Seitenschieber 44, 46 eindringt und dort sowohl an den Flächen 62, 64 der Seitenschieber 44, 46 als auch an den Außenflächen 58, 60 der Sonotrode 36 anlegieren kann.
Um dieses Anlegieren zu vermeiden, schlägt die US 3,717,842 A vor, dass aus Aluminium bestehende Litzen 66 in einen U-förmigen Träger 68 eingebracht werden, dessen Seitenschenkel 70, 72 derart dimensioniert sind, dass diese zunächst um die Litzen 66 gecrimpt werden können (3b), um sodann beim Absenken einer Sonotrode 74, mittels der das Verschweißen der Litzen 66, d. h. deren dünnen Drähte mit dem gecrimpten Träger 70 erfolgt, deren Schweißfläche 76 nicht unmittelbar mit den Litzen 66 bzw. deren Drähten in Kontakt gelangt. Somit wird prinzipiell eine technische Lösung verwirklicht, wie diese bereits mit der Zwischenfolie gemäß den Erläuterungen in 2a und 2b verwirklicht wird.
Das Crimpen bzw. Einlegen von Zwischenfolie hat jedoch bei insbesondere hochautomatisierten in Produktionsabläufen durchzuführenden Schweißverfahren Nachteile, da hierdurch nicht nur Fehlerquellen entstehen, sondern eine Zeitverzögerung und damit Kostenerhöhung gegeben ist.
Um diese Nachteile zu vermeiden, sieht die erfindungsgemäße Lehre – entsprechend der Prinzipdarstellung in den 4a, 4b, 5, in denen grundsätzlich die den 2a, 2b zu entnehmenden Bezugzeichen für gleiche Elemente verwendet werden, – vor, dass eine Sonotrode einer üblichen Ultraschallschweißmaschine in ihrer Schweißfläche 80 derart ausgebildet wird, dass die das Anlegieren fördernden Querkräfte, die beim Verschweißen entstehen, von der Sonotrode 78 im erheblichen Umfang aufgenommen werden, so dass überraschenderweise ein Anlegieren nicht festzustellen ist.
Entsprechend der Darstellung der 2a, 2b wird auf dem Amboss 42 der U-förmige Träger 40 mit den Seitenschenkeln 52, 54 und dem Querschenkel 56 positioniert. Sodann wer den die Seitenschieber 44, 46 an den Träger 52 herangefahren, wobei aufgrund der stufenförmigen Aussparung 48, 50 in den Seitenbegrenzungsflächen 62, 64 die Querschenkel 52, 54 aufgenommen werden, so dass die Begrenzungsflächen 62, 64 außerhalb der Stufen 48, 50 nahezu fluchtend in die Innenflächen 82, 84 der Seitenschenkel 52, 54 des U-förmigen Trägers 40 übergehen.
Die in den Träger 40 eintauchende Sonotrode 78 bzw. deren Kopf weist erfindungsgemäß eine Schweißfläche 80 auf, die den Verlauf eines offenen gleichschenkligen Trapez mit kürzerer Bodenfläche 86 und Seitenflächen 88, 90 zeigt, wobei die jeweilige Seitenfläche 88, 90 zur Bodenfläche 86 einen Winkel α bzw. β + 90° einschließt, der sich beläuft auf 125° ≤ α ≤ 145°. Ferner weist die Schweißfläche 80 eine Tiefe T derart auf, dass der von den Seitenflächen 88, 90 und der Bodenfläche 86 begrenzte Raum 92 einen Querschnitt aufweist, der größer als der halbe Querschnitt F_L der Litzen 30, also der Adern 32, 34, im verschweißten Zustand ist, der in 4b prinzipiell dargestellt ist. Folglich ist die eine Trapezform aufweisende Fläche 97 der verschweißten Adern 32, 34 größer als die untere rechteckige Fläche 99.
Somit weist der Sonotrodenkopf im Bereich der Schweißfläche 80 eine U-Geometrie auf, deren Öffnung den Litzen 30 zugewandt ist.
Durch die erfindungsgemäße Lehre bzw. die angegebenen Dimensionierungen wird erreicht, dass die auf die Litzen 30 insgesamt einwirkenden Querkräfte erheblich reduziert werden, die durch das Absenken der Sonotrode 78 sowie bei ultraschallerregter Sonotrode 78 entstehen, mit der Folge, dass das fließende Aluminiummaterial, das eine teigige Phase aufweist, nicht dazu neigt, an der Schweißfläche 80 sowie an den Stirnflächen 94, 96 der Schenkel 98, 100 anzulegieren, die seitlich den von der Bodenfläche 86 und den Seitenflächen 88, 90 der Schweißfläche 80 umgebenden Raum 92 begrenzen. Folglich sind die Innenflächen der Schenkel oder Stege 98, 100 die Seitenflächen 88, 90 der Schweißfläche 80.
Dass ein Anlegieren des Aluminium an der Schweißfläche 80 nicht erfolgt, ist zusätzlich möglicherweise auch damit zu erklären, dass in diesem Bereich die größte Relativbewe gung zwischen den Adern 32, 34 und der Schweißfläche 80 auftreten, so dass auch dann, wenn ein momentanes Anlegieren erfolgen sollte, dieses aufgrund der Relativbewegung zerstört wird.
Ein Fließen des Aluminiums in den Spalt S zwischen der Außenfläche der Sonotrode 78 bzw. deren Kopf und den seitlichen Begrenzungsflächen 62, 64 der Seitenschieber 46, 48 wird zusätzlich dadurch verhindert, dass der lichte Abstand der Innenflächen 82, 84 des U-förmigen Trägers 40, also dessen Seitenschenkel 52, 54, der Querschnitt und damit der Durchmesser der einzelnen Adern 32, 34, die Breite B der Sonotrode 78 und folglich auch der Abstand der Seitenschieber 46, 48 derart aufeinander abgestimmt sind, dass sich eine Spaltbreite S ergibt, die kleiner als die Hälfte des Durchmessers A_D der jeweiligen zu verschweißenden Adern 32, 34 ist. Sofern Litzen 30 mit Adern unterschiedlichen Querschnitts verschweißt werden sollen, wird der Spalt S auf den Durchmesser der Adern kleinsten Querschnitts abgestimmt. Die Adern 34, 36 können Durchmesser im Bereich von 0,1 mm bis 1 mm aufweisen.
Die Höhe T des von der Schweißfläche 80 umgebenen Raums, also die Höhe der Schenkel 98, 100, die über der Bodenfläche 86 vorstehen, sollte sich zur Breite B der Sonotrode bzw. des Sonotrodenkopfes verhalten wie 0,15 B ≤ T ≤ 0,3 B. Die Breite des Sonotrodenkopfes, der in den U-förmigen Träger 40 eintaucht, liegt bevorzugterweise im Bereich zwischen 1 mm und 25 mm.
Des Weiteren sollte die Stirnfläche 94, 96 des jeweiligen Schenkels 98, 100 eine Breitenerstreckung zwischen den Seitenschenkeln 52, 54 des U-förmigen Trägers im Bereich zwischen 0,25 mm und 1,5 mm aufweisen. Auch durch diese Dimensionierung wird zusätzlich sichergestellt, dass ein Anlegieren des Aluminiums unterbleibt.
Als Materialien für den Träger 40 sollte eines aus der nachstehenden Gruppe ausgewählt werden: SE-Cu58, SF-Cu, E-Cu58, CuNi3SiMg, CuFe2P, CuCrSiTi, CuZn37, CuSn6, CuSn8. Die Bezeichnungen der Materialien entsprechen der DIN-Norm.
Für höherwertige Anschlüsse werden üblicherweise U-Träger aus federhartem Stahl wie CuCRSiTi benutzt.
Um aufgrund der unterschiedlichen Härtegrade von Aluminium und dem Trägermaterial sicherzustellen, dass ein stoffschlüssiges Verbinden erfolgt, sollte bevorzugterweise die Innenfläche des Trägers z. B. durch Galvanisieren mit vorzugsweise Silber bzw. einem Silber enthaltendem Material beschichtet sein.
Des Weiteren ergibt sich aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung der Sonotrode 78 und die vorgesehene Höhe T des von der Schweißfläche 80 umgebenden Raums der Vorteil, dass die Sonotrode 78 in erheblichem Umfang in den U-förmigen Träger 40 eintaucht, so dass infolgedessen die auf die Seitenschenkel 52, 54 einwirkenden Querkräfte mit der Folge reduziert werden, dass als Grundmaterial für den Träger 40 ein im Vergleich zum Stand der Technik weicheres Material benutzt werden kann. Die U-Form gestaltet den Träger 40 wesentlich biegesteifer.

Claims

Verfahren zum elektrisch leitenden Verbinden von im Wesentlichen aus Aluminium oder Aluminium-Legierungen bestehende Adern bzw. Einzeldrähte aufweisenden Litzen mit einem aus Metall bestehenden U-förmigen Träger mittels Ultraschallschweißens, wobei der Träger auf einer Gegenelektrode einer Ultraschallschweißvorrichtung angeordnet wird, die Litzen in den von Quer- und Seitenschenkeln begrenzten Raum des U-förmigen Trägers eingelegt und anschließend untereinander und mit dem Träger mittels einer in Ultraschallschwingung erregten Sonotrode verschweißt werden, dadurch gekennzeichnet, dass als Sonotrode eine solche verwendet wird, deren Schweißfläche einen Verlauf eines offenen Trapezes mit kurzem Basisschenkel als Bodenfläche aufweist, und dass während des Verschweißens die Bodenfläche mit den von dieser ausgehenden und zu dieser einen stumpfen Winkel α einschließenden Seitenflächen ummittelbar die Litzen kontaktiert, wobei die Gesamtquerschnittsfläche F_L der in den U-förmigen Träger eingelegten Litzen im verschweißten Zustand zur Querschnittsfläche F_S des von der Bodenfläche und den Seitenflächen der Schweißfläche umgebenen Raums beträgt F_S < F_L < 2 F_S.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der lichte Abstand der Seitenschenkel des U-förmigen Trägers, die Breite der Sonotrode und die zu verschweißenden Adern in ihren Abmessungen derart aufeinander abgestimmt werden, dass beim Eintauchen der Sonotrode in den U-förmigen Träger zum Verschweißen der Adern untereinander und mit dem Träger zwischen jeweiliger Innenfläche des Seitenschenkels des U-förmigen Trägers und zugewandter Außenfläche der Sonotrode ein Spalt einer Breite S mit S ≤ ½ A_D besteht, wobei A_D der Durchmesser der jeweiligen Adern der Litzen ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Verschweißen von Litzen mit Adern unterschiedlicher Durchmesser die Breite S des Spaltes auf die Adern kleinsten Durchmessers ausgelegt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für den U-förmigen Träger zumindest eines aus der Gruppe SE-Cu58, SF-Cu, E-Cu58, CuNi3SiMg, CUFe2P, CuCrSiTi, CuZn37, CuSn6, CuSn8 verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für den U-förmigen Träger ein federharter Werkstoff verwendet wird, der leiterseitig beschichtet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger leiterseitig mit Silber oder einem Silber enthaltenden Material vorzugsweise durch Galvanisieren beschichtet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sonotrode verwendet wird, die leiterseitig einen U-förmigen Kopfabschnitt aufweist, der innenseitig die Schweißfläche mit der Bodenfläche und den unter dem Winkel α verlaufenden Seitenflächen begrenzt, die Innenflächen von Seitenschenkeln des Kopfabschnitts sind, wobei die Sonotrode eine Breite B aufweist und die Seitenschenkel über der Bodenfläche mit einer Länge T vorstehen mit 0,15 B ≤ T ≤ 0,30 B.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sonotrode verwendet wird, bei der der zwischen der Bodenfläche und der jeweiligen Seitenfläche verlaufende Winkel α beträgt 125° ≤ α ≤ 145°.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sonotrode verwendet wird mit den Seitenschenkeln, deren Stirnflächen parallel zur Bodenfläche verlaufen, wobei die Breite A der jeweiligen Stirnfläche beträgt 0,25 mm ≤ A ≤ 1,5 mm.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sonotrode mit der Breite B verwendet wird mit 1 mm ≤ B ≤ 25 mm.
Ultraschallschweißvorrichtung (10) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, umfassend eine Ultraschallschwingungen übertragende Sonotrode (16, 78) mit einem eine Schweißfläche (80) aufweisenden Sonotrodenkopf, eine der Schweißfläche gegenüberliegende, den U-förmigen Träger (40) abstützende Gegenelektrode (42) sowie vorzugsweise seitliche Begrenzungselemente (46, 48) mit Begrenzungsflächen (62, 64), dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißfläche (80) einen Verlauf eines offenen gleichschenkligen Trapezes mit einer Bodenfläche (86) und Seitenflächen (88, 90) aufweist, dass die Bodenfläche und die jeweilige Seitenfläche einen Winkel α mit 125° ≤ α ≤ 145° ein schließen, dass die Seitenflächen innere Flächen von über der Bodenfläche mit einer Flöhe T vorstehenden Schenkeln (98, 100) des Sonotrodenkopfes (78) sind und den Sonotrodenkopf seitlich begrenzen und dass der Sonotrodenkopf eine Breite B aufweist, die sich zur Höhe T verhält wie 0,15 B ≤ T ≤ 0,30 B.
Ultraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der U-förmige Träger (40) aus zumindest einem Material der Gruppe SE-Cu58, SF-Cu, E-Cu58, CuNi3SiMg, CuFe2P, CuCrSiTi, CuZn37, CuSn6, CuSn8 besteht.
Ultraschallschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der U-förmige Träger (40) aus einem federharten Werkstoff besteht, der zumindest litzenseitig vorzugsweise mit Silber oder einem Silber enthaltenden Material beschichtet ist.
Ultraschallschweißvorrichtung nach einem der Anspruch 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel (98, 100) des Sonotrodenkopfs (78) Stirnflächen (94, 96) aufweisen, die parallel zu der Bodenfläche (86) der Schweißfläche (80) verlaufen, und dass jede Stirnfläche eine Breite A mit 0,25 mm ≤ A ≤ 1,5 mm aufweist.
Ultraschallschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der in den U-förmigen Träger (40) eintauchende Sonotrodenkopf (78) die Breite B mit 1 mm ≤ B ≤ 25 mm aufweist.
Ultraschallschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass jeweiliges seitliches Begrenzungselement (46, 48) trägerseitig eine Aussparung (48, 50) aufweist, die an die Höhe und Breite des Seitenschenkels (52, 54) des U-förmigen Trägers (40) zum Aufnehmen des Schenkels beim Ultraschallschweißen angepasst ist.