DE102010015379A1

DE102010015379A1 - Verfahren und System zum optimierten Vibrationsschweißen

Info

Publication number: DE102010015379A1
Application number: DE102010015379A
Authority: DE
Inventors: Wayne W. Troy Cai; Roland J. Macomb Menassa; Alexander D. Troy Khakhalev
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-04-22
Filing date: 2010-04-19
Publication date: 2010-11-25
Anticipated expiration: 2030-04-20
Also published as: US20100270358A1; CN101898275A; US7810699B1; CN101898275B; DE102010015379B4

Abstract

Ein Verfahren zum Minimieren einer mechanischen Resonanz in einer Anordnung während der Bildung einer vibrationsgeschweißten Fügestelle darin umfasst das Positionieren von Werkstücken, sodass sie direkt benachbart zueinander sind, und das Erzeugen eines Satzes von Steuersignalen, die bewirken, dass ein oder mehrere Sonotrodenschweißköpfe vibriert/en. Eine Wellenformcharakteristik einer mechanischen Schwingung der Sonotrode(n) und des/r Schweißkopfes/köpfe wird variiert, um die mechanische Resonanz zu minieren, die in der Anordnung wie z. B. einer mehrzelligen Batterie für ein Fahrzeug stattfindet. Eine Vorrichtung zum Bilden der geschweißten Fügestelle umfasst zumindest eine Sonotrode, die einen Schweißkopf oder -köpfe aufweist, der/die integral darin gebildet ist/sind, und einen Schweißcontroller. Der Controller ist mit einem Umwandler, einer oder mehreren Sonotroden und einem oder mehreren Schweißkopfköpfen verbunden, wobei die mechanische Schwingung in der/den Sonotrode/n und dem/den Schweißkopf/köpfen stattfindet. Eine Variation der Steuersignale während der Bildung der geschweißten Fügestellen variiert eine Wellenformcharakteristik der mechanischen Schwingung und minimiert somit die mechanische Resonanz.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft allgemein den Prozess des Vibrationsschweißens und insbesondere ein Verfahren und ein System zum Herstellen einer vibrationsgeschweißten Fügestelle, die eine optimale Schweißqualität aufweist.
Hintergrund der Erfindung
Der Prozess des Vibrationsschweißens verwendet Schwingungen oder Vibrationen in einem speziellen Frequenzbereich, um benachbarte Kunststoff- oder Metallwerkstücke miteinander zu verkleben. Das Vibrationsschweißen kann beinhalten, dass ein Werkstück unter Druck bewegt wird während Schwingungen oder Vibrationen dadurch übertragen werden, um so über die Flächenreibung Wärme zu erzeugen, die das Werkstück schließlich verklebt oder verschmilzt. Ein Schweißwerkzeug, das alternativ als ein Schweißhorn oder eine Sonotrode bezeichnet wird, ist direkt mit einem Schweißkopf verbunden oder integral mit diesem gebildet. Der Schweißkopf kann eine oder mehrere Schweißknöpfe umfassen. Sowohl Kunststoff- als auch Metallvibrationsschweißprozesse sind für die Industrie von enormem Nutzen, z. B. beim Verschmelzen oder Verkleben von eingebauten Komponenten während der Fertigung eines Fahrzeuges.
Eine beispielhafte Fahrzeugvorrichtung, die mithilfe herkömmlicher Vibrationsschweißtechniken gefertigt werden kann, ist ein mehrzelliges Batteriemodul oder ein Batteriesatz. Solch eine Vorrichtung kann als Energie speichersystem für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, die das Betreiben von verschiedenen eingebauten (onboard) elektronischen Vorrichtungen und/oder für den Fahrzeugantrieb in einem Elektrohybridfahrzeug (HEV), einem Elektrofahrzeug (EV), einem Plug-in-Elektrohybridfahrzeug (PHEV) und dergleichen umfassen, jedoch nicht darauf beschränkt sind. Während herkömmliche Batteriebauarten wie z. B. alkalische, Volta'sche Säulen und Blei-Säure-Batterien während des letzten Jahrhunderts in unzähligen Haushalts- und industriellen Anwendungen verwendet wurden, haben sich entwickelnde Batterietypen wie z. B. Nickel/Cadmium-(NiCd), Nickel-Methallhydrid-(Ni-MH), Lithiumionen- und Lithiumionen/Polymer-Batterien, zum großen Teil auf Grund ihrer überlegenen Energiedichten, einen speziellen Nutzen für neu entstehende Fahrzeugantriebsanwendungen mit sich gebracht. Solche Batterien sind häufig, in Abhängigkeit von der speziellen Konfiguration des Fahrzeuges, entweder als Plug-in-Batterien oder onboard, während eines Nutzbremsereignisses, selektiv aufladbar.
Die Langzeiteffizienz, Zuverlässigkeit und Haltbarkeit einer mehrzelligen Batterie hängt überwiegend von der Festigkeit der geschweißten Verbindungen oder geschweißten Fügestellen zwischen den verschiedenen Zellen und zwischen den verschiedenen Komponenten ab, welche die mehrzellige Batterie bilden. Wie oben angeführt, können herkömmliche Vibrationsschweißtechniken verwendet werden, um die benötigten geschweißten Fügestellen in solch einer Batterie wie auch in verschiedenen anderen Fahrzeug- und Nichtfahrzeugkomponenten zu bilden. Allerdings können solche Verfahren in gewisser Hinsicht teilweise auf Grund von Faktoren wie z. B. einer mechanischen Resonanz beschränkt sein.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist hierin demgemäß ein Vibrationsschweißprozess oder -verfahren vorgesehen, welcher/s insbesondere eine vorbestimmte Variation zu einer mechanischen Schwingung oder einer Vibration beinhaltet, die auf den oder die Schweißkopf/köpfe einer oder mehrerer Sonotrode/n übertragen oder gelenkt wird. Die Variation hilft dabei, ein Niveau oder einen Betrag von mechanischer Resonanz in der zu schweißenden Komponente oder Anordnung zu minimieren oder sonst wie zu ändern. Zum Beispiel kann ein einziger Schweißkopf verwendet werden, um eine geschweißte Fügestelle zu bilden, während die Amplitude und/oder eine Frequenz und Wellenlänge einer Schwingung variiert werden und/oder während eine Phasenverschiebung in die Wellenform der mechanischen Schwingung eingeführt wird. Oder es können mehrere Schweißköpfe verwendet werden, um die geschweißte Fügestelle zu bilden, wobei ihre Vibrationen in im Wesentlichen gleichen und entgegengesetzten Richtungen synchronisiert sind, um dadurch ihre jeweiligen Kräfte und Momente auszugleichen. Selbst ohne solch eine Synchronisierung kann/können die Amplitude und/oder die Frequenz und Wellenlänge der mechanischen Schwingung variiert werden, wie oben angeführt. In jedem dieser Beispiele ist während des Vibrationsschweißens die mechanische Resonanz in der Anordnung minimiert.
Das Verfahren kann in einer großen Anzahl von Vibrationsschweißprozessen verwendet werden, wobei Flächen eines oder mehrerer Werkstücke mithilfe eines angewendeten Druckes und einer mechanischen Vibration oder Schwingung einschließlich Ultraschallschweißen, jedoch nicht darauf beschränkt, gefügt oder geschweißt werden. Ein/e beispielhafte/s vibrationsgeschweißte/s Produkt oder Anordnung ist ein mehrzelliges Batteriemodul oder ein Batteriesatz, das/der in einem HEV, PHEV, PEV oder an deren Fahrzeug zur Verwendung als eine Antriebsenergiequelle geeignet ist, wenngleich ein Fachmann auf dem Gebiet einsehen wird, dass der Bereich und die Art der Produkte, die es gibt und die aus der vorliegenden Erfindung einen Nutzen ziehen, nicht in dieser Weise begrenzt sind.
Im Verhältnis zu herkömmlichen Vibrationsschweißverfahren kann eine mechanische Resonanz wesentlich minimiert werden, indem eine Wellenformcharakteristik der mechanischen Schwingung eines oder mehrerer Schweißköpfe, der/die zum Bilden der geschweißten Fügestellen verwendet werden, modifiziert wird. Die Steuersignale, die von einem Schweißcontroller erzeugt werden, der integral mit einer Schweißenergieversorgung oder eine Vorrichtung separat von derselben sein kann, sind zunächst elektrischer Natur. Ein Umwandler wiederum wandelt die Signale von dem Controller in die mechanische Schwingung, d. h. die Aktivitäten/Bewegungen eines oder mehrerer Schweißköpfe einer Sonotrode oder mehrerer Sonotroden, um. Der Controller kann verwendet werden, um die Wellenformcharakteristika der mechanischen Schwingung, entweder gerichtet in Bezug auf eine Ebene der Werkstücke und/oder durch Ändern einer oder mehrerer von der Frequenz, der Amplitude und/oder der Wellenlänge der Schwingung, wie oben angeführt, einschließlich der Einführung einer Phasenverschiebung in einer beispielhaften Ausführungsform, zu variieren.
Zum Beispiel können mithilfe einer Vielzahl von Schweißköpfen, wobei jeder mit integral gebildeten Horntastern oder Schweißknöpfen verbunden ist, die Schweißköpfe dazu gebracht werden, bei einer vorbestimmen gleichmäßigen Frequenz und Amplitude zu vibrieren, während gleichzeitig die Richtung der Schwingung, z. B. in eine kreisförmige und/oder Vor-und-Zurück-/Auf-und-Ab-Richtung relativ zu einer Ebene der Werkstücke, verändert wird. Die Steuerung einer gleichen Anzahl von Schweißköp fen kann in einer beispielhaften Ausführungsform synchronisiert sein, um die Resonanzkräfte, die während des Vibrationsschweißens erzeugt werden, optimal auszugleichen. Die Schweißköpfe können nebeneinander positioniert sein oder können für eine zusätzliche Kompaktheit einer innerhalb des anderen eingebettet sein, ohne von dem vorgesehenen Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
Da die mechanische Resonanz in den geschweißten Teilen nicht augenblicklich mit der Einführung der Vibration in den Schweißkopf stattfindet, sondern sich vielmehr im Lauf der Zeit zu einer tolerierbaren Schwelle bildet, kann eine weitere Variation der Steuersignale über eine Phasenverschiebung vorgesehen sein, die in die Wellenform der mechanischen Schwingung eingeführt wird. Die Phasenverschiebung kann vor dem Zeitpunkt eingeführt werden, zu welchem zu erwarten ist, dass sich eine mechanische Resonanz über der tolerierbaren Schwelle bildet, und somit dabei hilft, der Entstehung der mechanischen Resonanz in der Anordnung, die geschweißt wird, zuvorzukommen oder dieselbe zu vereiteln. Für denselben oder einen ähnlichen Resonanz vereitelnden Effekt kann die mechanische Schwingung periodisch unterbrochen und neu gestartet werden. Gleichermaßen könnten die Amplituden und/oder die Frequenz/Wellenlänge der Schwingung variiert werden und/oder die Wellenform der mechanischen Schwingung periodisch gedämpft werden, die gedämpfte Wellenform in einer Phasenverschiebung beendet werden, auf die unmittelbar eine erhöhte Amplitude oder eine beliebige Kombination dieser Wellenformeffekte folgt.
Es ist insbesondere ein Verfahren zum Bilden einer vibrationsgeschweißten Fügestelle in einer Komponente oder Anordnung vorgesehen, welches umfasst, dass Steuersignale von einem Schweißcontroller an einen Umwandler übertragen werden, der mechanisch mit zumindest einem Schweißkopf verbunden ist. In den Schweißköpfen findet eine vorbestimmte mechanische Vibration oder eine Schwingung statt, die dabei unterstützt, die vibrationsgeschweißte Fügestelle zu bilden, wenn sie in Verbindung mit einer angewendeten Kraft verwendet wird, wie oben angeführt. Das Verfahren umfasst, dass die Steuersignale variiert werden, um eine oder mehrere Charakteristika der mechanischen Schwingung während der Bildung der vibrationsgeschweißten Fügestelle zu modifizieren, um dadurch die mechanische Resonanz in der geschweißten Fügestelle und der geschweißten Anordnung zu minimieren oder zu ändern.
Es ist auch eine Vorrichtung zum Bilden einer vibrationsgeschweißten Fügestelle zwischen Werkstücken in einer Anordnung vorgesehen, die einen oder mehrere Schweißköpfe umfasst, welche schließlich in Ansprechen auf einen Satz von Steuersignalen vibrieren oder schwingen. Ein/e feststehende/r Vorrichtung oder Amboss kann ein Werkstück stützen, während ein weiteres Werkstück darauf positioniert ist. Die Charakteristika der mechanischen Schwingung können während der Bildung der vibrationsgeschweißten Fügestelle variiert werden, um eine mechanische Resonanz in der Anordnung zu minimieren oder zu verhindern.
Die oben stehenden Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der besten Arten, die Erfindung auszuführen, in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ohne weiteres verständlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Veranschaulichung in Seitenansicht eines Vibrationsschweißsystems, das gemäß der Erfindung verwendbar ist;
2 ist eine schematische perspektivische Veranschaulichung eines beispielhaften Schweißkopfes, der eine Vielzahl von Schweißknöpfen aufweist;
3 ist eine schematische perspektivische Veranschaulichung eines Satzes von Schweißköpfen, die zum Schweißen einer mehrzelligen Batterieeinheit gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform verwendet werden;
4 ist eine schematische perspektivische Veranschaulichung eines weiteren beispielhaften Satzes von Schweißköpfen;
5A ist eine beispielhafte mechanische Schwingungswellenform zur Verwendung mit einem Schweißkopf des Systems von 1;
5B ist eine alternative Ausführungsform der mechanischen Schwingungswellenform von 5A; und
5C ist eine weitere alternative Ausführungsform der mechanischen Schwingungswellenform der 5A und 5B.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugsziffern gleiche Komponenten bezeichnen, und beginnend mit 1, ist ein/e Vibrationsschweißvorrichtung oder -system geeignet, die mechanische Resonanz, die in einer mithilfe des Systems 10 vibrationsgeschweißten Anordnung auftritt, zu minimieren oder zu ändern. Das System 10 umfasst eine Schweißleistungsversorgung (PS) 12, die betrieben wird, um die Quellenleistung in eine zum Vibrationsschweißen verwendbare Form überzuführen. Wie der Fachmann einsehen wird, kann eine Leistungsversorgung, die zum Vibrationsschweißen verwendet wird, wie z. B. die Leistungsversorgung 12 von 1, mit jeder geeigneten Energiequelle, wie z. B. einer 50–60 Hz Wandsteckdose elektrisch verbunden sein.
Die Leistungsquelle 12 kann einen Schweißcontroller (C) 12A umfassen, der üblicherweise, jedoch nicht notwendigerweise, integral innerhalb der Leistungsversorgung 12 umfasst ist. Die Leistungsversorgung 12 wird betrieben, um die Quellenenleistung in ein Ausgangssignal, d. h. ein elektrisches Steuersignal (Pfeil i_C), zu überführen, das eine oder mehrere vorbestimmte Wellenformcharakteristika aufweist, die gut zur Verwendung beim Vibrationsschweißen geeignet ist/sind, wie z. B., in Abhängigkeit von der speziellen Anwendung, einige Hertz (Hz) bis ungefähr 40 kHz oder viel höhere Frequenzen.
Das elektrische Steuersignal (Pfeil i_C) wird von der Leistungsversorgung 12, oder genauer von dem Schweißcontroller 12A, an einen Umwandler (CONV) 13 übertragen, der die erforderliche mechanische Struktur zum Produzieren einer mechanischen Vibration oder Schwingung (Pfeil i_O) eines Schweißkopfes 18A aufweist, welcher mit einem/r Schweißhorn oder Sonotrode (S) 18 integral gebildet ist, wobei die mechanische Schwingung (Pfeil i_O) in Ansprechen auf das Steuersignal (Pfeil i_C) erzeugt wird. Innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung ist die mechanische Schwingung (Pfeil i_O) durch die verschiedenen Wellenformcharakteristika davon im Hinblick sowohl auf die Richtung der Schwingung als auch die Amplitude und Frequenz/Wellenlänge beschrieben. Die mechanische Schwingung (Pfeil i_O) kann eine allgemein periodische Wellenform wie z. B. eine Sinus welle, eine Rechteckwelle, eine Dreieckwelle etc. definieren oder beschreiben.
Das System 10 kann auch einen Verstärker (B) 16 umfassen, der geeignet ist, die Amplitude der Vibration zu verstärken und/oder die Richtung einer Kraft (Pfeil F) zu ändern, wie unten stehend beschrieben. Das heißt, die mechanische Schwingung (Pfeil i_O) kann anfänglich eine relativ niedrige Amplitude, z. B. einen Bruchteil eines Mikrometers bis zu einigen Millimetern, aufweisen, die dann über den Verstärker 16 verstärkt werden kann, um die mechanische Schwingung zu produzieren (Pfeil i_O). Die mechanische Schwingung (Pfeil i_O) wird wiederum auf den Schweißkopf 18A übertragen, wobei die Sonotrode 18 und der Schweißkopf 18A direkt mit dem Verstärker 16 gekoppelt oder verbunden sind.
Der Schweißkopf 18A, der funktionell mit der Sonotrode 18 verbunden oder mit dieser integral gebildet ist, ist die eigentliche vibrierende oder schwingende Vorrichtung, die in dem System 10 verwendet wird, um eine vibrationsgeschweißte Fügestelle in Verbindung mit einer angewendeten Kraft (Pfeil F) zu bilden, die in 1 als eine beispielhafte vertikale Kraft gezeigt ist. Die angewendete Kraft (Pfeil F) kann eine Kraft sein, die durch einen äußeren Mechanismus (nicht gezeigt) angewendet wird, und/oder kann durch den Verstärker 16 angewendet werden. Es wird eine geschweißte Fügestelle in der Nähe einer Grenzfläche 17 zwischen jedem der Werkstücke 22 oder zwischen angrenzenden oder schweißbaren Flächen eines einzigen Werkstückes gebildet.
Jeder Schweißkopf 18A ist direkt an einem oder mehreren Schweißknöpfen 20 angebracht oder integral damit gebildet, der/die mit den eigentlichen Flächen in Kontakt tritt/treten, die mit den Werkstücken 22 während der Bildung der vibrationsgeschweißten Fügestelle an oder entlang der Grenzfläche 17 in Kontakt stehen. Die Werkflächen 25 der Schweißknöpfe 20 können Rändelungen oder Zähne umfassen, um eine ausreichende Griffigkeit an den Werkstücken 22 vorzusehen. Um den Vibrationsschweißprozess zu erleichtern, kann/können ein oder mehrere Werkstücke 22 auf einer feststehenden Fläche oder einem Amboss 21 positioniert sein.
Unter Bezugnahme auf 2 kann ein beispielhafter Satz von Werkstücken 22 mithilfe von Vibrationsschweißen verklebt, verschmolzen oder gefügt werden. In der beispielhaften Ausführungsform von 2 kann ein einziger Schweißkopf 18A einer Sonotrode 18 (siehe 1) zum Schwingen oder Vibrieren gebracht werden, während eine Wellenformcharakteristik in der Form einer Amplitude und/oder Frequenz und Wellenlänge durch den Schweißcontroller 12A variiert werden kann, um die mechanische Resonanz in jeder Komponenten, die geschweißt wird, zu minimieren. Das heißt, die Wellenformcharakteristikvariationen, die unten stehend mit Bezug auf die 5A–C erklärt sind, können verwendet werden, um die mechanische Resonanz in einer geschweißten Anordnung zu minimieren. Die Werkstücke 22 können ein Satz von benachbarten Flächen wie z. B. ein Metallblech von der Art sein, das bei der Herstellung von Fahrzeugtüren und Tafelanordnungen verwendet wird, oder irgendein anderer Satz von Metall- oder Kunststoffflächen, die zum Verkleben mittels Vibrationsschweißen, ob fahrzeugtechnisch oder anderweitig, geeignet sind. Der Schweißkopf 18A ist mit einer Vielzahl Knöpfen 20 versehen, wie oben angeführt. Während ein einziger Schweißkopf 18A mit drei Knöpfen 20 gezeigt ist, kann die Anzahl der Knöpfe 20 variieren, ohne von dem vorgesehenen Schutzumfang der Erfindung in dieser speziellen Ausführungsform abzuweichen.
Wie der Fachmann einsehen wird, kann der Schweißkopf 18A dazu gebracht werden, dass er relativ zu einer Ebene der Werkstücke 22 in einer vorbestimmten linearen Richtung schwingt oder vibriert, wie durch die entsprechenden horizontalen und vertikalen Pfeile D und E angegeben. Gleichermaßen kann bewirkt werden, dass die Richtung der Vibration des Schweißkopfes 18A im oder gegen den Uhrzeigersinn, z. B. in einem teilweisen oder vollständigen Grad von Bewegung in jede Drehrichtung, stattfindet, wie jeweils durch die Pfeile BB und B angegeben. Der Schweißkopf 18A von 2 kann wie untenstehend dargelegt gesteuert werden, um die geschweißten Fügestellen 26 in einer optimalen Weise zu bilden.
Unter Bezugnahme auf die 3 und 4 können die Werkstücke 22 der 1 und 2 auch als Werkstücke 122 ausgeführt sein, die einen Satz von Fahnen 38A, 38B einer mehrzelligen Batterieeinheit 30 aufweisen, wie oben allgemein beschrieben. Rein beispielhaft könnte die Batterieeinheit 30 ausreichend dimensioniert sein, um die erforderliche Spannung zum Betreiben eines Elektrofahrzeuges oder eines Hybrid-Benzin-/Elektrofahrzeuges, wie z. B., in Abhängigkeit von der geforderten Anwendung, ungefähr 300 bis 400 Volt oder einen anderen Spannungsbereich, bereitzustellen. Ein längliches Verbindungselement 32 kann aus einem geeigneten leitfähigen Material aufgebaut sein. Das Verbindungselement 32 kann geformt, dimensioniert und/oder anderweitig ausgebildet sein, um eine längliche Schiene oder eine Sammelschiene zu bilden und kann an einer Verbinderplatte (nicht gezeigt) der Batterieeinheit 30 befestigt sein. Der Einfachheit halber sind in den 3 und 4 nur die Abschnitte der Batterieeinheit 30 gezeigt, die sich über einer imaginären Ebene 36 erstrecken.
Die Batterieeinheit 30 kann eine Vielzahl von Batteriezellen (nicht gezeigt) umfassen, die in Abhängigkeit von der vorgesehenen Anwendung als eine beliebige einer Anzahl von verschiedenen Bauarten, z. B. Lithiumionen, Lithiumionen/Polymer, Nickel-Metallhydrid, Nickel/Cadmium etc. ausgeführt sind. Jede Zelle der Batterieeinheit 30 umfasst eine/n positiv geladenen Anschluss oder Fahne 38A und eine/n negativ geladene/n Anschluss oder Fahne 38B. Die speziellen Fahnen 38A, 38B, die positiv und negativ geladen sind, können hinsichtlich der in den 3 und 4 gezeigten Konfiguration umgedreht sein, d. h. die Fahnen 38A sind negativ geladen und die Fahnen 38B positiv geladen, ohne von dem vorgesehenen Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Unabhängig von ihren jeweiligen Ladungen sind die Fahnen 38A, 38B Elektrodenerweiterungen einer Zelle (nicht gezeigt), von denen jede intern an die verschiedenen Anoden und Kathoden geschweißt ist, die diese Zelle umfasst, wie der Fachmann einsehen wird.
Wie in den 3 und 4 gezeigt, können die positiv geladenen Fahnen 38A unmittelbar benachbart zueinander wie auch zu einer Seitenwand 37 des Verbindungselements 32 oder eines anderen Verbindungselements angeordnet sein, das eine andere, jedoch geeignete Konfiguration aufweist. Die Fahnen 38A werden dann vibrationsgeschweißt, verschmolzen oder anderweitig aneinander und an das Verbindungselement 32 gefügt, um eine oder mehrere geschweißte Fügestellen 26 zu bilden (siehe 2). Ebenso können die negativ geladenen Fahnen 38B unmittelbar benachbart zueinander wie auch zu dem Verbindungselement 32 oder einem anderen geeigneten Verbindungselement angeordnet sein. Die Fahnen 38B werden dann miteinander und mit dem Verbindungselement 32 vibrationsverschweißt, um eine weitere geschweißte Fügestelle 26 zu bilden (siehe 2), die aus der Perspektive der 3 und 4 nicht sichtbar ist, die aber im Wesentlichen mit den geschweißten Fügestellen 26 in der Nähe der Fahnen 38A identisch ist.
In der beispielhaften Ausführungsform, die in 3 gezeigt ist, kann eine gerade Anzahl von Schweißköpfen 118A jeweils eine gleiche Anzahl von Knöpfen 20 umfassen, um im Wesentlichen eine Kraft und ein Moment auszugleichen, welche während der Bildung der vibrationsgeschweißten Fügestelle übertragen werden. Die Richtung der Bewegung der Vibration der Schweißköpfe 118A kann synchronisiert sein, d. h., in im Wesentlichen gleichen und entgegengesetzten Richtungen angewendet werden, um die erforderliche Variation in der mechanischen Schwingung (Pfeil i_O von 1) bereitzustellen. Wenngleich in 3 ein Paar Schweißköpfe 118A gezeigt ist, kann jede beliebige gerade Anzahl von Schweißköpfen 118A von verschiedenen unabhängig oder voneinander abhängig steuerbaren Sonotroden gemäß dieser speziellen Ausführungsform verwendet werden, wobei die Kräfte, die durch jeden Schweißkopf 118A erzeugt werden, im Wesentlichen durch einen entsprechenden Schweißkopf 118A aufgehoben oder ausgeglichen werden. Die Richtung der Vibration eines jeden Schweißkopfes 118A kann, wie oben angeführt, unabhängig oder voneinander abhängig in einer linearen Vor-und-Zurück-Richtung, wie durch die Pfeile D und E angegeben, wie auch in einer Dreh- oder kreisförmigen Richtung, wie durch die Pfeile B und BB angegeben, gesteuert sein.
In der beispielhaften Ausführungsform von 4, kann für eine zusätzliche Kompaktheit ein Schweißkopf 318A innerhalb eines oder innen liegend von einem Satz/es von Schweißköpfen 218A positioniert oder eingebettet sein, wie gezeigt. Die Vibration der Schweißköpfe 218A, 318A kann je nach Bedarf unabhängig oder voneinander abhängig gesteuert und variiert sein. Die Schweißköpfe 218A können miteinander verbunden sein, um eine einheitliche Struktur zu bilden, wie als Phantom gezeigt, um einen Kanal 34 zu definieren, in welchen die Schweißköpfe 318A passen können, wie allgemein durch den Pfeil E angegeben.
Unter Bezugnahme auf 5A und mit Bezug auf die Struktur der 1–4, kann die mechanische Schwingung (Pfeil i_O von 1), die auf die Schweißköpfe 18A, 118A, 218A und 318A übertragen wird, wie oben mit Bezug auf die 1-4 beschrieben, eine periodische Wellenform produzieren, die hierin nachfolgend beispielhaft als eine sinusförmige Wellenform oder Sinuswelle 50 dargestellt ist und eine Frequenz, Amplitude und Wellenlänge aufweist, wie gezeigt. Allerdings können auch beliebige andere Rechteck-, Dreieck- oder andere periodische Wellenformen verwendet werden, ohne von dem vorgesehenen Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Die Amplitude (A) repräsentiert den Betrag der Verschiebung der Knöpfe 20 relativ zu der Ebene der Werkstücke 22. Zum Beispiel kann die Amplitude, die durch den Verstärker 16 von 1 übertragen wird, auf ungefähr 20 Mikrometer oder ein beliebiges anderes gewünschtes Niveau festgelegt und in der Ausführungsform von 5A konstant gehalten werden.
Eine Variation in der mechanischen Schwingung (Pfeil i_O) kann dann zumindest teilweise dadurch erreicht werden, dass eine Phasenverschiebung in die Sinuswelle 50 an den Punkten 54 eingeführt wird, und/oder wie bei 52 als Phantom gezeigt, dass die Übertragung der Sinuswelle 50 für eine kalibrierte Zeitspanne vorübergehend unterbrochen oder beendet und dann mit der Phasenverschiebung bei den Punkten 54 wieder aufgenommen wird. Die Ausführungsform von 5A ist mit einer festen Spitzenamplitude (A) gezeigt, allerdings kann die Amplitude (A) auch variiert werden, wie in 5B gezeigt, um die mechanische Resonanz in den Werkstücken 22 weiter zu ändern oder zu minimieren.
Unter Bezugnahme auf 5B weist eine weitere Sinuswelle 150 eine variierte Amplitude auf. Die Sinuswelle 150 kann eine Periode 58 mit einer festen Amplitude und Wellenlänge, gefolgt von einem gedämpften Ab schnitt 60 umfassen, welcher an einem Punkt 54 in einer Phasenverschiebung enden kann, wie oben stehend mit Bezug auf 5A beschrieben. Auf den Punkt 54 kann eine Periode 62 mit einer erhöhten Amplitude relativ zu jener der Perioden 58 und 60 folgen, wonach eine Periode 64 mit einer wieder stabilen Amplitude und Wellenlänge folgt. Die Reihenfolge der Perioden 58, 60, 62 und 64 kann variieren, ohne von dem vorgesehenen Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, und es ist nicht unbedingt erforderlich, dass jede Periode 58, 60, 62 und 64 umfasst ist, um einen gewünschten Betrag von Variation zu produzieren, vorausgesetzt, dass eine ausreichende Variation in der mechanischen Schwingung (Pfeil i_O) in der Sinuswelle 150 erzielt wird.
Unter Bezugnahme auf 5C kann eine weitere Sinuswelle 250 eine stabile oder gleichmäßige Amplitude, jedoch mit einer variierten Wellenlänge umfassen. Zum Beispiel kann die Sinuswelle 250 mit einer festen Amplitude (A) und einer ersten Wellenlänge λ1 über eine erste Periode 66 übertragen werden, gefolgt von einer Periode 68, über welche dieselbe Amplitude (A) aufrechterhalten wird, allerdings mit einer zweiten Wellenlänge (λ2), die von der ersten Wellenlänge (λ1) verschieden ist. Während die erste Wellenlänge (λ1) in 5C kürzer gezeigt ist als die zweite Wellenlänge λ2, kann die zweite Wellenlänge (λ2) kürzer sein als die erste Wellenlänge (λ1), oder die Wellenlängen (λ1, λ2) können über die Zeit variiert werden, um die gewünschte Variation zur Vereitelung der mechanischen Resonanz zu produzieren. Ebenso kann die Sinuswelle 250 mithilfe einer beliebigen der oben mit Bezug auf die 5A und 5B dargelegten Variationen, d. h. einer Phasenverschiebung, Amplitudenvariation, Signal- oder Wellenformdämpfung und/oder -unterbrechung etc., modifiziert werden.
Mithilfe des Verfahrens und der Vorrichtung, die oben dargelegt sind, kann eine durch Ultraschallschweiß- und andere Vibrationsschweißpro zesse verursachte mechanische Resonanz minimiert werden, um eine vibrationsgeschweißte Fügestelle mit optimalen Qualitäten, insbesondere in Bezug auf die Schweißeffizienz und -festigkeit und die Langzeit-Haltbarkeit des Systems, vorzusehen. Steuersignale, die schließlich als eine Vibration in einen Schweißkopf oder mehrere Schweißköpfe eingegeben werden, können variiert werden, während unabhängig oder voneinander abhängig steuerbare Schweißköpfe verwendet werden können, um Resonanzkräfte, die in den Werkstücken stattfinden, zu kompensieren oder auszugleichen. Es können für die verschiedenen Schweißköpfe auch verschiedene Wellenformen und/oder Schweißschemen verwendet werden, um die Schweißqualität weiter zu optimieren, wie z. B. durch Minimieren der Fälle von Ablösung oder Schwächung zwischen Werkstücken wie z. B. zwischen den benachbarten Fahnen von Batteriefahnen in einer mehrzelligen Fahrzeugbatterie oder irgendeiner anderen vibrationsgeschweißten Struktur.
Während die besten Arten, die Erfindung auszuführen, im Detail beschrieben wurden, wird ein Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht, verschiedene alternative Ausgestaltungen und Ausführungsformen erkennen, um die Erfindung innerhalb des Schutzumfanges der beiliegenden Ansprüche praktisch umzusetzen.

Claims

Verfahren zum Minimieren einer mechanischen Resonanz in einer Anordnung während der Bildung einer vibrationsgeschweißten Fügestelle darin, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Satz von Steuersignalen mithilfe eines Schweißcontrollers erzeugt wird; die Steuersignale mithilfe eines Umwandlers in eine im Wesentlichen periodische mechanische Schwingung umgewandelt werden, wobei die mechanische Schwingung eine Vielzahl von Wellenformcharakteristika aufweist, die eine Richtung, eine Amplitude, eine Frequenz und eine Wellenlänge umfassen; die mechanische Schwingung von dem Umwandler auf zumindest einen Schweißkopf übertragen wird, sodass die mechanische Schwingung in dem Schweißkopf stattfindet; und die Steuersignale variiert werden, um dadurch zumindest eine von der Vielzahl der Wellenformcharakteristika während der Bildung der Vibrationsschweißfügestelle zu variieren und dadurch einen Betrag der mechanischen Resonanz in der Anordnung zu ändern; wobei die mechanische Schwingung in Verbindung mit einem angewendeten Druck verwendet wird, um dadurch die vibrationsgeschweißte Fügestelle zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Variieren der Steuersignale umfasst, dass die Richtung der mechanischen Schwingung in Bezug auf eine Ebene der Werkstücke variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mechanische Schwingung eine im Wesentlichen periodische Welle ist, und wobei das Variieren der Steuersignale umfasst, dass zumindest eine von der Amplitude, der Frequenz und der Wellenlänge der periodischen Welle variiert wird, wobei insbesondere das Variieren zumindest einer von der Amplitude, der Frequenz und der Wellenlänge der periodischen Welle zumindest eines von: einem Einführen einer Phasenverschiebung in die periodische Welle, einem Dämpfen der periodischen Welle und einem Unterbrechen der periodischen Welle umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Übertragen der mechanischen Schwingung umfasst, dass: gleichzeitig eine erste mechanische Schwingung auf einen ersten Schweißkopf und eine zweite mechanische Schwingung auf einen zweiten Schweißkopf, der benachbart zu dem ersten Schweißkopf positioniert ist, übertragen wird, wobei insbesondere der erste und der zweite Schweißkopf in einer von einer unabhängigen und einer voneinander abhängigen Weise steuerbar sind, um dadurch Resonanzkräfte, die von jedem von dem ersten und dem zweiten Schweißkopf erzeugt werden, im Wesentlichen auszugleichen oder aufzuheben.
Verfahren nach Anspruch 1, welches einen ersten, einen zweiten und einen dritten Schweißkopf umfasst, wobei das Verfahren ferner umfasst, dass: der erste Schweißkopf in einen Kanal eingebettet wird, der durch den zweiten und den dritten Schweißkopf definiert ist.
Verfahren zum Minimieren einer mechanischen Resonanz in einer mehrzelligen Batterieeinheit während der Bildung einer vibrationsgeschweißten Fügestelle in der Batterieeinheit, wobei das Verfahren umfasst, dass: mehrere leitfähige Fahnen der Batterieeinheit benachbart zueinander positioniert werden; ein Satz von Steuersignalen mithilfe eines Schweißcontrollers erzeugt wird; die Steuersignale mithilfe eines Umwandlers in eine im Wesentlichen periodische mechanische Schwingung umgewandelt werden, wobei die mechanische Schwingung eine Vielzahl von Wellenformcharakteristika aufweist, die eine Richtung, eine Amplitude, eine Frequenz und eine Wellenlänge umfassen; die mechanische Schwingung an eine Sonotrode übertragen wird, die zumindest einen Schweißkopf aufweist, um dadurch in der Sonotrode und in dem Schweißkopf eine vorbestimmte Schwingung zu produzieren; und zumindest eine der Wellenformcharakteristika variiert wird, um dadurch einen Betrag der mechanischen Resonanz zu ändern, die in der mehrzelligen Batterieeinheit während der Bildung der vibrationsgeschweißten Fügestelle stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 6, welches einen ersten, einen zweiten und einen dritten Schweißkopf umfasst, wobei das Verfahren ferner umfasst, dass: der erste Schweißkopf in einen Kanal eingebettet wird, der durch den zweiten und den dritten Schweißkopf definiert ist; wobei insbesondere der zweite und der dritte Schweißkopf direkt miteinander verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 6, welches eine Vielzahl von Schweißköpfen umfasst, wobei jeder der Schweißköpfe relativ zu den anderen unabhängig steuerbar ist, und/oder wobei das Variieren zumindest einer der Wellenformcharakteristika der mechanischen Schwingung umfasst, dass eine Drehrichtung der Schwingung relativ zu einer Ebene der Fahnen variiert wird, und/oder wobei die mechanische Schwingung eine Sinuswelle ist, und/oder wobei das Variieren zumindest einer der Wellenformcharakteristika umfasst, dass zumindest eines von: einer Phasenverschiebung, einer Amplitudenänderung, einer Amplitudendämpfung und einer Frequenzänderung in die mechanische Schwingung einführt wird.
System zum Bilden einer vibrationsgeschweißten Fügestelle zwischen benachbarten Flächen von zumindest einem Werkstück in einer geschweißten Anordnung, wobei die Vorrichtung umfasst: zumindest eine Sonotrode, welche zumindest einen direkt mit dieser verbundenen Schweißkopf aufweist, wobei die Sonotrode und der Schweißkopf ausgebildet sind, um in Ansprechen auf eine mechanische Schwingung zu schwingen; und einen Schweißcontroller, der geeignet ist, einen Satz von Steuersignalen zu erzeugen, um die mechanische Schwingung zu produzieren; wobei die Steuersignale während der Bildung der vibrationsgeschweißten Fügestelle selektiv variiert werden können, um zumindest eine Wellenformcharakteristik der mechanischen Schwingung zu verändern und somit einen Betrag einer mechanischen Resonanz zu ändern, die in der geschweißten Anordnung durch eine Schwingung der Sonotrode und des Schweißkopfes stattfindet, und wobei die zumindest eine Wellenformcharakteristik eine von einer Richtung, einer Amplitude, einer Frequenz und einer Wellenlänge der mechanischen Schwingung umfasst.
System nach Anspruch 9, wobei die mechanische Schwingung eine periodische Welle ist und wobei der Satz von Steuersignalen durch zumindest eines von: einem Einführen einer Phasenverschiebung in die periodische Welle, einem Unterbrechen der periodischen Welle und einem Dämpfen der periodischen Welle selektiv variiert werden kann, und/oder wobei der zumindest eine Schweißkopf eine gerade Anzahl von im Wesentlichen identischen Schweißköpfen einschließlich eines ersten Schweißkopfes, der benachbart zu einem zweiten Schweißkopf positioniert ist, umfasst, sodass eine Schwingung des ersten und des zweiten Schweißkopfes eine Kraft und ein Moment, die auf die Komponente während der Bildung der vibrationsgeschweißten Fügestelle übertragen werden, im Wesentlichen ausgleicht, und/oder wobei die Werkstücke leitfähige Fahnen einer mehrzelligen Fahrzeugbatterieeinheit umfassen.