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
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
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
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:
Die Ambosseinrichtung
An dem Grundgerüst
Der Schwingungsgenerator
Der Schwingungsgenerator
Die Sonotrode
Die Halteeinrichtung
Hierzu weist die Halteeinrichtung
Der Stift besteht bevorzugt aus Gummi oder Kunststoff.The pin is preferably made of rubber or plastic.
Die Federeinrichtung
Die Federeinrichtung
Die Halteeinrichtung
Die Federeinrichtung
Die Außenführung
Die Feder
Die Feder
Bei der Feder
Die Feder
Die Innenführung
Die Innenführung
Der Stift
Der Stift
Das zweite Werkstück
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.
Die Ultraschallschweißvorrichtung
Der Mechanismus
Die Haltevorrichtung
Im Folgenden soll in einem ersten Verfahrensbeispiel der Betrieb der Ultraschallschweißvorrichtung
Das erste Werkstück
The
Das erste Werkstück
Das zweite Werkstück
Anschließend wird eine Ultraschallschwingung durch den Schwingungsgenerator
Nach der Verschweißung der Werkstücke
Die Halteeinrichtung
In einem zweiten Verfahrensbeispiel wird eine Ultraschallschweißvorrichtung
Das zweite Verfahrensbeispiel ist ähnlich zu dem ersten Verfahrensbeispiel. Jedoch wird die Haltevorrichtung
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