DE102011084157B3 - Ultrasonic welding device and method for welding workpieces - Google Patents

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Abstract

Die Ultraschallschweißvorrichtung (1) weist eine Ambosseinrichtung (21) zum Halten eines ersten Werkstücks (31), einen Schwingungsgenerator (13) zum Erzeugen von mechanischen Schwingungen, eine Sonotrode (11), welche mit dem Schwingungsgenerator (13) mechanisch gekoppelt ist, zur Übertragung der mechanischen Schwingungen auf ein zweites Werkstück (32), und eine Halteeinrichtung (12) zum Halten des zweiten Werkstücks (32), auf. Die Halteeinrichtung (12) ist derart mit dem Schwingungsgenerator (13) mechanisch gekoppelt, dass bei Betrieb des Schwingungsgenerators (13) die Halteeinrichtung (12) synchron zu der Sonotrode (11) schwingt.The ultrasonic welding apparatus (1) has an anvil means (21) for holding a first workpiece (31), a vibration generator (13) for generating mechanical vibrations, a sonotrode (11) mechanically coupled to the vibration generator (13) for transmission the mechanical vibrations on a second workpiece (32), and a holding device (12) for holding the second workpiece (32), on. The holding device (12) is mechanically coupled to the vibration generator (13) such that during operation of the vibration generator (13), the holding device (12) oscillates synchronously with the sonotrode (11).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschallschweißvorrichtung und ein Verfahren zum Verschweißen von Werkstücken. The present invention relates to an ultrasonic welding apparatus and a method for welding workpieces.

Ultraschallschweißvorrichtungen dienen dem Verschweißen von Werkstücken mittels einer Ultraschallschwingung. Die Ultraschallschwingung wird von einem Schwingungsgenerator erzeugt und über eine Sonotrode auf ein zweites Werkstück übertragen. Das zweite Werkstück ist dabei mit einem ersten Werkstück in Kontakt, wobei das erste Werkstück durch einen Amboss am Mitschwingen gehindert wird. Im Bereich der Kontaktfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstück kommt es aufgrund von Reibungswärme zu einem starken Temperaturanstieg, welcher zu einer dauerhaften Schweißverbindung des ersten und des zweiten Werkstücks im Bereich der Kontaktfläche führt.Ultrasonic welding devices are used to weld workpieces by means of ultrasonic vibration. The ultrasonic vibration is generated by a vibration generator and transmitted via a sonotrode to a second workpiece. The second workpiece is in contact with a first workpiece, wherein the first workpiece is prevented from swinging by an anvil. In the area of the contact surface between the first and the second workpiece, due to frictional heat, a strong increase in temperature occurs, which leads to a permanent welded connection of the first and the second workpiece in the region of the contact surface.

Bei der oben beschriebenen Ultraschallschweißvorrichtung kann es jedoch zu Ungenauigkeiten hinsichtlich der relativen Lage der beiden verschweißten Werkstücke kommen.In the ultrasonic welding device described above, however, there may be inaccuracies in the relative position of the two welded workpieces.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Ultraschallschweißvorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb der Ultraschallschweißvorrichtung bereitzustellen, mit denen präzisere Schweißverbindungen ermöglicht werden. It is the object of the present invention to provide an ultrasonic welding apparatus and a method for operating the ultrasonic welding apparatus, with which more precise welded joints are made possible.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Ultraschallschweißvorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb der Ultraschallschweißvorrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. The object is achieved by an ultrasonic welding device and a method for operating the ultrasonic welding device according to the independent patent claims. Advantageous embodiments of the present invention are the subject of the dependent claims.

Eine Ultraschallschweißvorrichtung gemäß Anspruch 1 weist eine Ambosseinrichtung zum Halten eines ersten Werkstücks, einen Schwingungsgenerator zum Erzeugen von mechanischen Schwingungen und eine Sonotrode auf. Die Sonotrode ist mit dem Schwingungsgenerator mechanisch gekoppelt, zur Übertragung der mechanischen Schwingungen auf ein zweites Werkstück. Die Ultraschallschweißvorrichtung weist ferner eine Halteeinrichtung zum Halten des zweiten Werkstücks auf. Die Halteeinrichtung ist derart mit dem Schwingungsgenerator mechanisch gekoppelt, dass bei Betrieb des Schwingungsgenerators die Halteeinrichtung synchron zu der Sonotrode schwingt.An ultrasonic welding apparatus according to claim 1 comprises an anvil means for holding a first workpiece, a vibration generator for generating mechanical vibrations and a sonotrode. The sonotrode is mechanically coupled to the vibration generator for transmitting the mechanical vibrations to a second workpiece. The ultrasonic welding apparatus further comprises a holding device for holding the second workpiece. The holding device is mechanically coupled to the vibration generator such that, during operation of the vibration generator, the holding device oscillates synchronously with the sonotrode.

Bei den mechanischen Schwingungen handelt es sich vorzugsweise um Ultraschallschwingungen, welche von dem Schwingungsgenerator erzeugt werden. Die Sonotrode kann die Schwingungen von dem Schwingungsgenerator auf das zweite Werkstück übertragen und somit das zweite Werkstück in Schwingungen versetzen.The mechanical vibrations are preferably ultrasonic vibrations which are generated by the vibration generator. The sonotrode can transmit the vibrations from the vibration generator to the second workpiece and thus cause the second workpiece to vibrate.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Ungenauigkeiten bei der entstehenden Schweißverbindung, insbesondere hinsichtlich der relativen Lage der beiden verschweißten Werkstücke, häufig durch eine unpräzise Positionierung des zweiten Werkstücks vor dem Schweißvorgang und/oder ein Verrutschen des zweiten Werkstücks relativ zur Sonotrode während des Schweißvorgangs verursacht werden.The invention is based on the finding that inaccuracies in the resulting welded joint, in particular with regard to the relative position of the two welded workpieces, often caused by an imprecise positioning of the second workpiece before the welding process and / or slippage of the second workpiece relative to the sonotrode during the welding process become.

Gemäß der Erfindung kann deshalb mittels der Halteeinrichtung das zweite Werkstück relativ zur Sonotrode und zum ersten Werkstück in eine exakte und reproduzierbare Position gebracht werden. Ferner kann das zweite Werkstück während des Schweißvorgangs relativ zur Sonotrode in Position gehalten werden. Ein Verrutschen des zweiten Werkstücks relativ zu der Sonotrode während der Verschweißung wird hierdurch verhindert.According to the invention, the second workpiece can therefore be brought into an exact and reproducible position relative to the sonotrode and the first workpiece by means of the holding device. Further, the second workpiece may be held in position relative to the sonotrode during the welding operation. Slippage of the second workpiece relative to the sonotrode during welding is thereby prevented.

Die Halteeinrichtung gewährleistet somit eine exakte und reproduzierbare Verschweißung des ersten Werkstücks mit dem zweiten Werkstück. Damit wird eine präzisere Schweißverbindung ermöglicht.The holding device thus ensures an exact and reproducible welding of the first workpiece with the second workpiece. This allows a more precise welded connection.

In einer Ausgestaltung der Ultraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 2 ist die Halteeinrichtung derart ausgebildet, dass die Halteeinrichtung derart mit einer Struktur des zweiten Werkstücks in eine lösbare formschlüssige Verbindung gebracht werden kann, dass mindestens zwei mechanische Translationsfreiheitsgrade des zweiten Werkstücks blockiert werden können. In one embodiment of the ultrasonic welding device according to claim 2, the holding device is designed such that the holding device can be brought into a releasable positive connection with a structure of the second workpiece such that at least two mechanical translational degrees of freedom of the second workpiece can be blocked.

Unter einer Struktur ist hierbei eine Formgebung der Begrenzungsflächen (bspw. Erhebungen und Aussparungen) des zweiten Werkstücks zu verstehen. A structure here means a shaping of the boundary surfaces (for example elevations and recesses) of the second workpiece.

Die Halteeinrichtung ist – mit anderen Worten – derart ausgebildet, dass das zweite Werkstück relativ zu der Halteeinrichtung zumindest innerhalb der Schwingungsebene der Sonotrode fixiert werden kann. In other words, the holding device is designed such that the second workpiece can be fixed relative to the holding device at least within the oscillation plane of the sonotrode.

Hierdurch wird eine exakte und reproduzierbare Positionierung des zweiten Werkstücks relativ zu Sonotrode erreicht. Ferner wird eine ausreichende Fixierung des zweiten Werkstücks relativ zur Sonotrode während einer Verschweißung mit geringem Aufwand ermöglicht.As a result, an exact and reproducible positioning of the second workpiece is achieved relative to sonotrode. Furthermore, sufficient fixation of the second workpiece relative to the sonotrode during welding is made possible with little effort.

Eine Ultraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 3 weist einen Stift auf, welcher derart ausgebildet ist, dass der Stift zumindest teilweise in einer Aussparung des zweiten Werkstücks eingeführt werden kann. An ultrasonic welding apparatus according to claim 3 has a pin which is formed such that the pin can be at least partially inserted in a recess of the second workpiece.

Der Stift weist bevorzugt eine zylindrische Form auf. Der Stift kann jedoch auch eine beliebige andere Form aufweisen. Der Stift ist bevorzugt derart ausgebildet, dass er im Bereich des Einschubs vollflächig in einen lösbaren formschlüssigen Kontakt mit dem zweiten Werkstück gebracht werden kann. Durch die Verwendung eines solchen Stiftes kann auf einfache und kostengünstige Weise das zweite Werkstück relativ zur Sonotrode exakt und reproduzierbar positioniert und während einer Verschweißung ausreichend fixiert werden. The pin preferably has a cylindrical shape. However, the pin can also have any other shape. The pin is preferably designed such that it can be brought in the region of the insert over its entire surface in a detachable positive-locking contact with the second workpiece. By using such a pin, the second workpiece can be accurately and reproducibly positioned relative to the sonotrode in a simple and cost-effective manner and be sufficiently fixed during welding.

In einer Ausgestaltung der Ultraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 4 weist der Stift eine konische Form auf. Der Stift ist mittels einer Federeinrichtung derart federnd gelagert, dass der Stift mit einer Federkraft gegen das zweite Werkstück gedrückt werden kann. In one embodiment of the ultrasonic welding device according to claim 4, the pin has a conical shape. The pin is resiliently mounted by means of a spring device, that the pin can be pressed with a spring force against the second workpiece.

Die Federkraft wirkt hierbei bevorzugt parallel zu der Flächennormalen der Schwingungsebene des zweiten Werkstücks.The spring force preferably acts parallel to the surface normal of the vibration plane of the second workpiece.

Durch die Federeinrichtung kann der Stift in vorteilhafter Weise mit einer definierten und gleichmäßigen Kraft gegen das zweite Werkstück gedrückt werden. Hierdurch wird der Kontakt zwischen dem Stift und dem zweiten Werkstück auch während einer Verschweißung zuverlässig aufrechterhalten, wodurch eine ausreichende Fixierung des zweiten Werkstücks relativ zur Sonotrode erreicht wird. By the spring means, the pin can be pressed in an advantageous manner with a defined and uniform force against the second workpiece. As a result, the contact between the pin and the second workpiece is reliably maintained even during welding, whereby a sufficient fixation of the second workpiece is achieved relative to the sonotrode.

Ferner kann der Stift aufgrund der konischen Form mit unterschiedlichen Aussparungsgrößen und Aussparungsformen (bspw. rund, quadratisch, dreieckig) in eine formschlüssige Verbindung gebracht werden. Dies erlaubt größere Toleranzen bei der Fertigung des Stifts und der Aussparung.Furthermore, the pin can be brought into a positive connection due to the conical shape with different recess sizes and recess shapes (for example, round, square, triangular). This allows greater tolerances in the manufacture of the pin and the recess.

In einer Ausgestaltung der Ultraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 5 ist die Haltevorrichtung über die Sonotrode mit dem Schwingungsgenerator mechanisch gekoppelt.In one embodiment of the ultrasonic welding device according to claim 5, the holding device is mechanically coupled via the sonotrode with the vibration generator.

Die Haltevorrichtung ist somit direkt mit der Sonotrode verbunden. Hierdurch kann das zweite Werkstück mit einer hohen Genauigkeit relativ zu der Sonotrode positioniert werden. The holding device is thus connected directly to the sonotrode. As a result, the second workpiece can be positioned with high accuracy relative to the sonotrode.

Ferner wird die Schwingung der Sonotrode direkt auf die Haltevorrichtung übertragen werden. Die Synchronität der Schwingung der Haltevorrichtung zu der Schwingung der Sonotrode kann dadurch verbessert werden. Furthermore, the vibration of the sonotrode will be transmitted directly to the fixture. The synchronicity of the vibration of the holding device to the vibration of the sonotrode can thereby be improved.

In einer Ausgestaltung der Ultraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 6 ist die Haltevorrichtung derart ausgebildet, dass die Haltevorrichtung von dem zweiten Werkstück vor oder während eines Schweißvorgangs gelöst werden kann.In one embodiment of the ultrasonic welding device according to claim 6, the holding device is designed such that the holding device can be released from the second workpiece before or during a welding operation.

Als Schweißvorgang wird die Zeitspanne bezeichnet, während der die Schwingung der Sonotrode eine Wirkung auf die beiden Werkstücke entfaltet (Erwärmung und/oder Verschweißung der Werkstücke).The welding process is the period of time during which the vibration of the sonotrode has an effect on the two workpieces (heating and / or welding of the workpieces).

Das zweite Werkstück kann weiterhin vor dem Schweißvorgang von der Haltevorrichtung relativ zu Sonotrode exakt und reproduzierbar positioniert werden. Jedoch kann die Verbindung zwischen zweitem Werkstück und der Haltevorrichtung vor oder während dem Schweißvorgang gelöst werden, so dass das zweite Werkstück nur noch von der Sonotrode gehalten wird. The second workpiece can continue to be positioned accurately and reproducibly relative to the sonotrode before the welding operation of the holding device. However, the connection between the second workpiece and the holding device can be released before or during the welding process, so that the second workpiece is held only by the sonotrode.

Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn aufgrund des Haltens des zweiten Werkstückes durch die Haltevorrichtung während des Schweißvorgangs das zweite Werkstück aufgrund der verwendeten Ultraschallschwingungen deformiert werden kann. Ein exaktes und reproduzierbares Positionieren des zweiten Werkstückes vor dem Schweißvorgang ist jedoch weiterhin möglich. Die Zuverlässigkeit der Ultraschallschweißvorrichtung kann damit weiter erhöht werden.This is particularly advantageous if, due to the holding of the second workpiece by the holding device during the welding operation, the second workpiece can be deformed due to the ultrasonic vibrations used. However, an exact and reproducible positioning of the second workpiece before the welding process is still possible. The reliability of the ultrasonic welding device can thus be further increased.

In einem Verfahren nach Anspruch 7 zum Betrieb einer Ultraschallschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 wird das erste Werkstück derart in Verbindung mit der Ambosseinrichtung gebracht, dass das erste Werkstück von der Ambosseinrichtung gehalten wird. Das zweite Werkstück wird derart in Verbindung mit der Halteeinrichtung gebracht, dass das zweite Werkstück von der Halteeinrichtung gehalten wird und gleichzeitig zumindest teilweise mit der Sonotrode und dem ersten Werkstück in Kontakt steht. Daraufhin wird die Sonotrode durch den Schwingungsgenerator in Schwingung versetzt, so dass das erste Werkstück mit dem zweiten Werkstück im Bereich des Kontakts verschweißt wird. In a method according to claim 7 for operating an ultrasonic welding device according to one of claims 1 to 5, the first workpiece is brought into connection with the anvil device in such a way that the first workpiece is held by the anvil device. The second workpiece is brought into connection with the holding device such that the second workpiece is held by the holding device and at the same time at least partially in contact with the sonotrode and the first workpiece. The sonotrode is then caused to vibrate by the vibration generator, so that the first workpiece is welded to the second workpiece in the region of the contact.

Bezüglich der Vorteile wird auf die Ausführung zu den Ansprüchen 1 bis 5 verwiesen, welche in analoger Weise gelten.With regard to the advantages, reference is made to the embodiment of claims 1 to 5, which apply analogously.

In einem Verfahren nach Anspruch 8 ist die Haltevorrichtung derart ausgebildet, dass die Haltevorrichtung von dem zweiten Werkstück vor oder während des Schweißvorgangs gelöst werden kann und die Haltevorrichtung vor oder während des Schweißvorgangs von dem zweiten Werkstück gelöst wird.In a method according to claim 8, the holding device is designed such that the holding device can be released from the second workpiece before or during the welding operation and the holding device is released from the second workpiece before or during the welding operation.

Hinsichtlich der Vorteile wird auf die Ausführung zu dem Anspruch 6 verweisen, welcher in analoger Weise gültig ist.With regard to the advantages, reference is made to the embodiment of claim 6, which is valid in an analogous manner.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In the following the invention will be explained in more detail by means of embodiments with reference to the attached figures.

In den Figuren sind gezeigt: The figures show:

1 eine schematische Darstellung einer Ultraschallschweißvorrichtung mit zwei zu verschweißenden Werkstücken; 1 a schematic representation of an ultrasonic welding device with two workpieces to be welded;

2 eine schematische Darstellung (Vollschnitt) eines Stifts und eines Werkstücks; 2 a schematic representation (full section) of a pin and a workpiece;

3 eine schematische Darstellung einer Ultraschallschweißvorrichtung mit Federeinrichtung und zwei zu verschweißenden Werkstücken; 3 a schematic representation of an ultrasonic welding device with spring means and two workpieces to be welded;

4 eine schematische Darstellung (Vollschnitt) eines federnd gelagerten Stifts und eines Werkstücks; 4 a schematic representation (full section) of a spring-mounted pin and a workpiece;

5 eine schematische Darstellung einer Ultraschallschweißvorrichtung mit zwei zu verschweißenden Werkstücken. 5 a schematic representation of an ultrasonic welding device with two to be welded workpieces.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Ultraschallschweißvorrichtung 1 mit einem Grundgerüst 14, einem Schwingungsgenerator 13, einer Sonotrode 11, einer Halteeinrichtung 12 und einer Ambosseinrichtung 21. 1 shows a first embodiment of an ultrasonic welding device 1 with a skeleton 14 , a vibration generator 13 , a sonotrode 11 , a holding device 12 and an anvil device 21 ,

Die Ambosseinrichtung 21 dient als Auflage und Halterung für ein erstes Werkstück 31. Die Oberfläche der Ambosseinrichtung 21 kann aufgeraut sein oder eine Struktur aufweisen, um einen Kraftschluss mit dem ersten Werkstück 31 zu verstärken. Die Ambosseinrichtung 21 kann jedoch auch einen zusätzlichen Haltemechanismus aufweisen.The anvil device 21 serves as a support and holder for a first workpiece 31 , The surface of the anvil device 21 may be roughened or have a structure to a frictional connection with the first workpiece 31 to reinforce. The anvil device 21 however, it may also have an additional retention mechanism.

An dem Grundgerüst 14 ist der Schwingungsgenerator 13 befestigt. On the skeleton 14 is the vibration generator 13 attached.

Der Schwingungsgenerator 13 ist mit der Sonotrode 11 und der Halteeinrichtung 12 gekoppelt, so dass bei Betrieb des Schwingungsgenerators 13 die Halteeinrichtung 12 synchron zu der Sonotrode 11 schwingt.The vibration generator 13 is with the sonotrode 11 and the holding device 12 coupled, so that when operating the vibration generator 13 the holding device 12 synchronous to the sonotrode 11 swings.

Der Schwingungsgenerator 13 kann im Betrieb bevorzugt eine mechanische Ultraschallschwingung erzeugen (beispielsweise über einen piezoelektrischen Effekt).The vibration generator 13 may preferably generate a mechanical ultrasonic vibration during operation (for example via a piezoelectric effect).

Die Sonotrode 11 kann die erzeugten mechanischen Schwingungen des Schwingungsgenerators 13 auf ein zweites Werkstück 32 übertragen, so dass das zweite Werkstück 32 synchron mit der Sonotrode 11 in einer Schwingungsebene (x, y) schwingt. Die Übertragung der Schwingung erfolgt über eine kraftschlüssige Verbindung der Sonotrode 11 mit dem zweiten Werkstück 32. Zur Verstärkung des Kraftschlusses kann die Oberfläche der Sonotrode 11 im Bereich der Verbindung aufgeraut sein oder eine Struktur aufweisen.The sonotrode 11 can the generated mechanical vibrations of the vibration generator 13 on a second workpiece 32 transferred, leaving the second workpiece 32 synchronous with the sonotrode 11 vibrates in a plane of vibration (x, y). The transmission of the vibration via a non-positive connection of the sonotrode 11 with the second workpiece 32 , To strengthen the adhesion, the surface of the sonotrode 11 roughened in the region of the connection or have a structure.

Die Halteeinrichtung 12 kann das zweite Werkstück 32 halten, indem die Halteeinrichtung 12 mit einer Struktur des zweiten Werkstücks 32 in eine lösbare formschlüssige Verbindung gebracht wird. Da die Halteeinrichtung 12 synchron zu der Sonotrode 11 schwingt können relativ zur Sonotrode 11 mindestens zwei mechanische Translationsfreiheitsgrade des zweiten Werkstücks 32 innerhalb der Schwingungsebene (x, y) blockiert werden. The holding device 12 can the second workpiece 32 hold by the holding device 12 with a structure of the second workpiece 32 is brought into a releasable positive connection. As the holding device 12 synchronous to the sonotrode 11 can swing relative to the sonotrode 11 at least two mechanical translational degrees of freedom of the second workpiece 32 be blocked within the vibration plane (x, y).

Hierzu weist die Halteeinrichtung 12 vorzugsweise einen Stift 12a auf, welcher in 2 im Detail gezeigt wird.For this purpose, the holding device 12 preferably a pen 12a on which in 2 is shown in detail.

Der Stift besteht bevorzugt aus Gummi oder Kunststoff.The pin is preferably made of rubber or plastic.

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem zylindrischen Stift 12a, welcher teilweise in eine Aussparung des zweiten Werkstücks 32 formschlüssig eingeführt ist, so dass er im Bereich des Einschubs mit der Aussparung in lösbaren Kontakt steht. Das zweite Werkstück 32 ist somit relativ zum Stift 12a in zwei Translationsrichtungen innerhalb der Schwingungsebene (x, y) fixiert. 2 shows an embodiment with a cylindrical pin 12a , which partially into a recess of the second workpiece 32 is introduced in a form-fitting manner, so that it is in releasable contact with the recess in the region of the insert. The second workpiece 32 is thus relative to the pen 12a fixed in two directions of translation within the plane of oscillation (x, y).

3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Ultraschallschweißvorrichtung 1, welche im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel eine Federeinrichtung 15 und eine Halteeinrichtung 12 mit einem konischen Stift 12b aufweist. 3 shows a second embodiment of the ultrasonic welding device 1 , which in comparison to the first embodiment, a spring device 15 and a holding device 12 with a conical pin 12b having.

Die Federeinrichtung 15 ist zu einer Seite mit dem Schwingungsgenerator 13 und zu einer gegenüberliegenden Seite mit der Halteeinrichtung 12 mechanisch gekoppelt.The spring device 15 is to one side with the vibration generator 13 and to an opposite side with the holding device 12 mechanically coupled.

Die Federeinrichtung 15 ist bevorzugt derart ausgebildet, dass sie nicht in Resonanz mit einer gebräuchlichen Ultraschallschwingung des Schwingungsgenerators 13 steht.The spring device 15 is preferably formed such that it does not resonate with a conventional ultrasonic vibration of the vibration generator 13 stands.

Die Halteeinrichtung 12 ist über die Federeinrichtung 15 federnd gelagert und drückt mit einer Federkraft F der Federeinrichtung 15 gegen das zweite Werkstück 32.The holding device 12 is about the spring device 15 resiliently supported and presses with a spring force F of the spring device 15 against the second workpiece 32 ,

4 zeigt in einem Ausführungsbeispiel einen Vollschnitt durch die Federeinrichtung 15, der Haltevorrichtung 12 mit einem konischen Stift 12b und das zweite Werkstück 32. 4 shows in one embodiment a full section through the spring device 15 , the holding device 12 with a conical pin 12b and the second workpiece 32 ,

Die Federeinrichtung 15 weist eine Innenführung 17, eine Außenführung 16 und eine Feder 18 auf. The spring device 15 has an interior guide 17 , an outdoor tour 16 and a spring 18 on.

Die Außenführung 16 ist mit dem Schwingungsgenerator 13 und der Feder 18 mechanisch gekoppelt.The exterior guide 16 is with the vibration generator 13 and the spring 18 mechanically coupled.

Die Feder 18 ist mit der Innenführung 17 mechanisch gekoppelt. The feather 18 is with the inner guide 17 mechanically coupled.

Die Feder 18 wirkt mit der Federkraft F auf die Innenführung 17 ein.The feather 18 acts with the spring force F on the inner guide 17 one.

Bei der Feder 18 handelt es sich bevorzugt um eine Spiralfeder. Es kann sich jedoch auch um eine beliebige andere Art von Feder handeln (bspw. Elastomerfeder, Blattfeder). At the spring 18 it is preferably a coil spring. However, it may also be any other type of spring (eg. Elastomer spring, leaf spring).

Die Feder 18 kann bevorzugt eine Eigendämpfung oder ein zusätzlich dämpfendes Element aufweisen (Feder-Dämpfungs-System).The feather 18 may preferably have an internal damping or an additional damping element (spring-damping system).

Die Innenführung 17 ist innerhalb der Außenführung 16 angeordnet und über die Feder 18 federnd gelagert. Die Innenführung 17 ist ferner mit dem Stift 12b mechanisch gekoppelt.The inner guide 17 is within the outdoor tour 16 arranged and over the spring 18 spring-mounted. The inner guide 17 is also with the pen 12b mechanically coupled.

Die Innenführung 17 und der daran angekoppelte Stift 12b können somit parallel zur Symmetrieachse S entlang einer Innenwand der Außenführung 16 bewegt werden. The inner guide 17 and the pin attached to it 12b can thus parallel to the axis of symmetry S along an inner wall of the outer guide 16 to be moved.

Der Stift 12b weist eine konische Form auf, welche sich zu dem zweiten Werkstück 32 hin verjüngt. The pencil 12b has a conical shape, which is to the second workpiece 32 rejuvenated.

Der Stift 12b steht entlang einer Mantellinie (durch die Bezugszeichen 12b‘ angedeutet) in formschlüssigen Kontakt mit dem zweiten Werkstück 32. Der Stift 12b wird hierbei mit der Federkraft F gegen das zweite Werkstück 32 gedrückt.The pencil 12b is along a surface line (by the reference numerals 12b ' indicated) in positive contact with the second workpiece 32 , The pencil 12b is here with the spring force F against the second workpiece 32 pressed.

Das zweite Werkstück 32 weist bevorzugt eine zylinderförmige Aussparung auf. Die Aussparung kann jedoch auch eine beliebige andere Form aufweisen, beispielsweise quadratisch, dreieckig oder konisch.The second workpiece 32 preferably has a cylindrical recess. However, the recess may also have any other shape, for example, square, triangular or conical.

Der weitere Aufbau und die Funktionsweise des zweiten Ausführungsbeispiels ergeben sich in analoger Weise aus der Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels. The further construction and the mode of operation of the second exemplary embodiment result analogously from the description of the first exemplary embodiment.

5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Ultraschallschweißvorrichtung 1, bei dem im Gegensatz zu dem ersten Ausführungsbeispiel die Haltevorrichtung 12 über die Sonotrode 11 mit dem Schwingungsgenerator 13 mechanisch gekoppelt ist. 5 shows a third embodiment of an ultrasonic welding device 1 in which, in contrast to the first embodiment, the holding device 12 over the sonotrode 11 with the vibration generator 13 is mechanically coupled.

Die Ultraschallschweißvorrichtung 1 weist ferner einen Mechanismus 19 auf, welcher zwischen der Sonotrode 11 und dem Stift 12 angeordnet und mit diesen verbunden ist. The ultrasonic welding device 1 also has a mechanism 19 on which between the sonotrode 11 and the pen 12 arranged and connected to these.

Der Mechanismus 19 kann die Haltevorrichtung 12 von dem zweiten Werkstück 32 insbesondere vor oder während des Schweißvorgangs lösen. Hierzu kann der Mechanismus 32 den Stift 12 derart bewegen, dass der Stift 12 aus dem zweiten Werkstück 32 herausgeführt wird. Der Mechanismus 19 ist bevorzugt elektrisch steuerbar.The mechanism 19 can the holding device 12 from the second workpiece 32 especially before or during the welding process. This can be done by the mechanism 32 the pencil 12 move so that the pen 12 from the second workpiece 32 is led out. The mechanism 19 is preferably electrically controllable.

Die Haltevorrichtung 12 kann hierbei über den Mechanismus 19 bevorzugt starr mit der Sonotrode 11 verbunden werden. Der Mechanismus 19 kann jedoch auch ein Feder-Dämpfungssystem aufweisen, mit dem die Schwingungen der Sonotrode 11 kontrolliert gedämpft auf den Stift 12 übertragen werden können.The holding device 12 This can be done through the mechanism 19 preferably rigid with the sonotrode 11 get connected. The mechanism 19 However, may also have a spring-damping system, with which the vibrations of the sonotrode 11 controlled steamed on the pin 12 can be transmitted.

Im Folgenden soll in einem ersten Verfahrensbeispiel der Betrieb der Ultraschallschweißvorrichtung 1 erläutert werden:
Das erste Werkstück 31 und das zweite Werkstück 32 bestehen aus einem verschweißbaren Material, bevorzugt aus einem Metall oder Kunststoff.
In the following, in a first method example, the operation of the ultrasonic welding device 1 be explained:
The first workpiece 31 and the second workpiece 32 consist of a weldable material, preferably of a metal or plastic.

Das erste Werkstück 31 wird auf die Ambosseinrichtung 21 gelegt. Das erste Werkstück 31 steht dabei zumindest im zu verschweißenden Bereich d in vollflächigem Kontakt mit der Ambosseinrichtung 21 und kann hierdurch von der Ambosseinrichtung 21 zumindest zeitweise fixiert werden.The first workpiece 31 gets on the anvil device 21 placed. The first workpiece 31 stands at least in the area to be welded d in full-surface contact with the anvil device 21 and thereby can from the anvil device 21 be fixed at least temporarily.

Das zweite Werkstück 32 wird in die Halteeinrichtung 12 eingelegt und durch der Halteeinrichtung 12 (bzw. den Stift 12a, 12b) relativ zu der Sonotrode 11 ausgerichtet und gehalten. Das zweite Werkstück 32 steht dabei zumindest im zu verschweißenden Bereich d mit dem ersten Werkstück 31 und der Sonotrode 11 vollflächig in Kontakt.The second workpiece 32 gets into the holding device 12 inserted and by the holding device 12 (or the pen 12a . 12b ) relative to the sonotrode 11 aligned and held. The second workpiece 32 stands at least in the area to be welded d with the first workpiece 31 and the sonotrode 11 in full contact.

Anschließend wird eine Ultraschallschwingung durch den Schwingungsgenerator 13 erzeugt und der Schweißvorgang gestartet. Die Ultraschallschwingung wird über die Sonotrode 11 auf das zweite Werkstück 32 übertragen. Das zweite Werkstück 32 schwingt somit relativ zum ersten Werkstück 31 in der Schwingungsebene (x, y). Das erste Werkstück 31 kann von der Ambosseinrichtung 21 zumindest zeitweise am Mitschwingen gehindert werden. Durch die daraus resultierende Oberflächenreibung zwischen dem ersten Werkstück 31 und dem zweiten Werkstück 32 erwärmen sich die Werkstücke 31 und 32 im zu verschweißenden Bereich d. Die Ultraschallschwingung wird solange erzeugt, bis eine Verschweißung des ersten Werkstücks 31 mit dem zweiten Werkstück 32 erfolgt ist (beispielsweise durch eine Aufschmelzung der Oberflächen der Werkstücke 31 und 32 im Bereich d). Subsequently, an ultrasonic vibration by the vibration generator 13 generated and the welding process started. The ultrasonic vibration is via the sonotrode 11 on the second workpiece 32 transfer. The second workpiece 32 thus oscillates relative to the first workpiece 31 in the oscillation plane (x, y). The first workpiece 31 can from the anvil device 21 At least temporarily be prevented from swinging. Due to the resulting surface friction between the first workpiece 31 and the second workpiece 32 the workpieces heat up 31 and 32 in the area to be welded d. The ultrasonic vibration is generated until a welding of the first workpiece 31 with the second workpiece 32 takes place (for example, by melting the surfaces of the workpieces 31 and 32 in the area d).

Nach der Verschweißung der Werkstücke 31 und 32 wird der Schweißvorgang beendet, indem der Schwingungsgenerator 13 abgeschaltet wird, so dass die Ultraschallschwingung aufhören.After the welding of the workpieces 31 and 32 The welding process is terminated by the vibration generator 13 is switched off, so that the ultrasonic vibration stop.

Die Halteeinrichtung 12 hält während des gesamten Schweißvorgangs das zweite Werkstück 32 relativ zu der Sonotrode 11 in Position, wodurch eine präzisere Schweißverbindung hinsichtlich der Positionierung der beiden verschweißten Werkstücke relativ zueinander erreicht wird.The holding device 12 holds the second workpiece during the entire welding process 32 relative to the sonotrode 11 in position, whereby a more precise weld joint with respect to the positioning of the two welded workpieces is achieved relative to each other.

In einem zweiten Verfahrensbeispiel wird eine Ultraschallschweißvorrichtung 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel verwendet.In a second method example, an ultrasonic welding device 1 used according to the third embodiment.

Das zweite Verfahrensbeispiel ist ähnlich zu dem ersten Verfahrensbeispiel. Jedoch wird die Haltevorrichtung 12 vor oder während des Schweißvorgangs von dem zweiten Werkstück 32 über den Mechanismus 19 gelöst. Nach dem Lösen steht das zweite Werkstück 32 nicht mehr im Kontakt mit der Haltevorrichtung 12, so dass das zweite Werkstück 32 zumindest zeitweise während dem Schweißvorgang nur noch von der Sonotrode 11 gehalten wird. The second method example is similar to the first method example. However, the holding device becomes 12 before or during the welding operation of the second workpiece 32 about the mechanism 19 solved. After loosening stands the second workpiece 32 no longer in contact with the holding device 12 so that the second workpiece 32 at least temporarily during the welding process only from the sonotrode 11 is held.

Claims (8)

Ultraschallschweißvorrichtung (1) mit – einer Ambosseinrichtung (21) zum Halten eines ersten Werkstücks (31), – einem Schwingungsgenerator (13) zum Erzeugen von mechanischen Schwingungen, – einer Sonotrode (11), welche mit dem Schwingungsgenerator (13) mechanisch gekoppelt ist, zur Übertragung der mechanischen Schwingungen auf ein zweites Werkstück (32), – einer Halteeinrichtung (12) zum Halten des zweiten Werkstücks (32), wobei die Halteeinrichtung (12) derart mit dem Schwingungsgenerator (13) mechanisch gekoppelt ist, dass bei Betrieb des Schwingungsgenerators (13) die Halteeinrichtung (12) synchron zu der Sonotrode (11) schwingt.Ultrasonic welding device ( 1 ) with - an anvil device ( 21 ) for holding a first workpiece ( 31 ), - a vibration generator ( 13 ) for generating mechanical vibrations, - a sonotrode ( 11 ), which with the vibration generator ( 13 ) is mechanically coupled, for transmitting the mechanical vibrations to a second workpiece ( 32 ), - a holding device ( 12 ) for holding the second workpiece ( 32 ), wherein the holding device ( 12 ) in such a way with the vibration generator ( 13 ) is mechanically coupled, that during operation of the vibration generator ( 13 ) the holding device ( 12 ) in synchronism with the sonotrode ( 11 ) vibrates. Ultraschallschweißvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Halteeinrichtung (12) derart ausgebildet ist, dass die Halteeinrichtung (12) mit einer Struktur des zweiten Werkstücks (32) derart in eine formschlüssige Verbindung gebracht werden kann, dass mindestens zwei mechanische Translationsfreiheitsgrade (x, y) des zweiten Werkstücks (32) blockierbar sind.Ultrasonic welding device ( 1 ) according to claim 1, wherein the holding device ( 12 ) is designed such that the holding device ( 12 ) with a structure of the second workpiece ( 32 ) can be brought into a positive connection in such a way that at least two mechanical translational degrees of freedom (x, y) of the second workpiece ( 32 ) are blockable. Ultraschallschweißvorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei die Halteeinrichtung (12) einen Stift (12a, 12b) aufweist, welcher derart ausgebildet ist, dass der Stift (12a, 12b) zumindest teilweise in eine Aussparung des zweiten Werkstücks (32) einführbar ist.Ultrasonic welding device ( 1 ) according to claim 2, wherein the holding device ( 12 ) a pen ( 12a . 12b ), which is designed such that the pin ( 12a . 12b ) at least partially into a recess of the second workpiece ( 32 ) is insertable. Ultraschallschweißvorrichtung (1) nach Anspruch 3 mit einer Federeinrichtung (15), wobei der Stift (12b) eine konische Form aufweist und mittels der Federeinrichtung (15) derart federnd gelagert ist, dass der Stift (12b) mit einer Federkraft (F) gegen das zweite Werkstück (32) drückbar ist. Ultrasonic welding device ( 1 ) according to claim 3 with a spring device ( 15 ), whereby the pen ( 12b ) has a conical shape and by means of the spring device ( 15 ) is resiliently mounted such that the pin ( 12b ) with a spring force (F) against the second workpiece ( 32 ) is depressible. Ultraschallschweißvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Haltevorrichtung (12) über die Sonotrode (11) mit dem Schwingungsgenerator (13) mechanisch gekoppelt ist.Ultrasonic welding device ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, wherein the holding device ( 12 ) via the sonotrode ( 11 ) with the vibration generator ( 13 ) is mechanically coupled. Ultraschallschweißvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Haltevorrichtung (12) derart ausgebildet ist, dass die Haltevorrichtung von dem zweiten Werkstück (32) vor oder während eines Schweißvorgangs lösbar ist.Ultrasonic welding device ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, wherein the holding device ( 12 ) is formed such that the holding device of the second workpiece ( 32 ) before or during a welding process is solvable. Verfahren zum Betrieb einer Ultraschallschweißvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei – das erste Werkstück (31) derart in Verbindung mit der Ambosseinrichtung (21) gebracht wird, dass das erste Werkstück (31) von der Ambosseinrichtung (21) gehalten wird, – das zweite Werkstück (32) derart in Verbindung mit der Halteeinrichtung (12) gebracht wird, dass das zweite Werkstück (32) mittels der Halteeinrichtung (12) relativ zu der Sonotrode (11) positioniert und zumindest zeitweise gehalten wird, und zumindest teilweise mit dem ersten Werkstück (31) und der Sonotrode (11) in Kontakt steht, – ein Schweißvorgang gestartet wird, indem die Sonotrode (11) durch den Schwingungsgenerator (13) in Schwingung versetzt wird.Method for operating an ultrasonic welding device ( 1 ) according to one of claims 1 to 6, wherein - the first workpiece ( 31 ) in conjunction with the anvil device ( 21 ) is brought that the first workpiece ( 31 ) from the anvil device ( 21 ), - the second workpiece ( 32 ) in connection with the holding device ( 12 ) is brought that the second workpiece ( 32 ) by means of the holding device ( 12 ) relative to the sonotrode ( 11 ) is positioned and at least temporarily held, and at least partially with the first workpiece ( 31 ) and the sonotrode ( 11 ), - a welding process is started by the sonotrode ( 11 ) by the vibration generator ( 13 ) is vibrated. Verfahren zum Betrieb einer Ultraschallschweißvorrichtung (1) nach Anspruch 7, wobei die Haltevorrichtung (12) derart ausgebildet ist, dass die Haltevorrichtung von dem zweiten Werkstück (32) vor oder während des Schweißvorgangs gelöst werden kann und die Haltevorrichtung (12) vor oder während des Schweißvorgangs von dem zweiten Werkstück (32) gelöst wird.Method for operating an ultrasonic welding device ( 1 ) according to claim 7, wherein the holding device ( 12 ) is formed such that the holding device of the second workpiece ( 32 ) can be solved before or during the welding process and the holding device ( 12 ) before or during the welding operation of the second workpiece ( 32 ) is solved.
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