DE102013223166A1

DE102013223166A1 - Sonotrode zum Ultraschallschweißen, Ultraschallschweißanlage, Verfahren zum Ultraschallschweißen, sowie Schweißverbindung

Info

Publication number: DE102013223166A1
Application number: DE102013223166.0A
Authority: DE
Inventors: Clemens Stefanziosa; Oguzhan Eroglu
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-11-14
Filing date: 2013-11-14
Publication date: 2015-05-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sonotrode zum Ultraschallschweißen mit einer Kontaktfläche (120), und mindestens zwei Erhebungen (130), die von der Kontaktfläche (120) hervorstehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sonotrode zum Ultraschallschweißen, eine Ultraschallschweißanlage und ein Verfahren zum Ultraschallschweißen, welche insbesondere zum Schweißen von faserverstärkten Kunststoffen und endlosfaserverstärkten Kunststoffen geeignet sind, sowie eine Schweißverbindung an einem ultraschallgeschweißten Werkstück.
Thermoplastische Kunststoffe lassen sich durch den Einsatz von Ultraschall verschweißen. Hierzu wird von einem Generator eine Ultraschallfrequenz erzeugt, die an ein Schwingsystem weitergegeben wird. Das Schwingsystem kann z. B. aus einem Konverter, einem Amplitudentransformationsstück und einer Sonotrode bestehen. Der Konverter wandelt die Hochfrequenz des Generators in mechanische Schwingungen um. Über das Amplitudentransformationsstück wird die Schwingung an die Sonotrode weitergegeben und von dort auf das Werkstück übertragen. Hierzu wird die Sonotrode mit einer Kontaktfläche in Kontakt mit dem zu schweißenden Material gebracht. Durch Absorption der Schwingungen im Material des Werkstücks entsteht durch Grenzflächen- und Molekularreibung Wärme. Die Wärme führt zu einer Plastifizierung des Werkstoffs. Durch die gleichzeitige Druckbeaufschlagung mit anschließender Abkühlung erfolgt eine Materialverbindung der zu verschweißenden Bauteile, die in der Regel stoffschlüssig ist und in Abhängigkeit der Konstruktion auch stoff- und formschlüssig sein kann.
Bislang werden hierzu Flachsonotroden oder Einpunktsonotroden verwendet. Flachsonotroden koppeln den Schall über eine flache Kontaktfläche in das Bauteil ein. Jedoch haben sie den Nachteil, dass bauteilseitig vorgesehene Energierichtungsgeber, wie z. B. stegartige oder punktuelle Erhebungen, erforderlich sind, um eine definierte Schalleinkopplung zu gewährleisten. Flache Werkstücke ohne Energierichtungsgeber lassen sich hiermit nicht hinreichend genau und zuverlässig verbinden. Vielmehr käme es zu einer unkontrollierten Schalleinkopplung und somit zu Schweißstellen außerhalb der gewünschten Fügestelle.
Bei Einsatz einer Einpunktsonotrode, deren Kontaktfläche eine definierte Erhebung aufweist, die gezielt in das Werkstück eingepresst wird, kann zwar auf Energierichtungsgeber verzichtet werden. Jedoch weisen Einpunktsonotroden den Nachteil auf, dass der Schall nur über eine sehr kleine Fläche eingekoppelt wird. Hierdurch ergibt sich im Bauteil eine kleine, z. B. ringförmige Fügefläche um den Einstechpunkt der Erhebung.
Diese Nachteile sind besonders gravierend bei faserverstärkten Kunststoffen, insbesondere bei faserverstärkten Kunststoffen mit Endlosfasern, hier auch endlosfaserverstärkter Kunststoff genannt.
Faserverstärkte Kunststoffe oder auch Faserverbundkunststoffe beinhalten eine Masse (Matrix) und eine innere Bewehrung. Die Matrix besteht aus Kunststoff. Um eine Schweißeignung des Faserverbundwerkstoffs zu erzielen, wird ein thermoplastischer Kunststoff als Matrix verwendet, wie z. B. Polyphenylensulfid (PPS), Polyethylenterephthalat (PET), Polyetherketon (PEEK), Polyethersulfon (PES), Polyphthalamid (PPA), Polyamide (PA), etc. Die Bewehrung besteht üblicherweise aus Glas- und/oder Kohlenstofffasern. Endlosfasern haben eine Länge von mehr als 50 mm. Typischer Weise sind Endlosfasern so lang wie das Bauteil. Typischerweise reichen Endlosfasern von einer Bauteilkante zur nächsten bzw. gegenüberliegenden Bauteilkante und sind innerhalb des Bauteils nicht unterbrochen. Häufig sind die Endlosfasern gerichtet im Bauteil angeordnet.
Endlosfaserverstärkte Kunststoffe weisen sehr hohe Werkstofffestigkeiten und -steifigkeiten auf, die z. B. über denen von faserverstärkten Kunststoffen mit Kurzfasern (bis 1 mm Faserlänge) oder Langfasern (1 mm bis 50 mm Faserlänge) liegen. Jedoch stellen endlosfaserverstärkte Kunststoffe aufgrund dieser anderen Werkstoffeigenschaften auch gesteigerte Anforderungen an die Fügeverfahren. Beispielsweise weisen endlosfaserverstärkte Kunststoffe andere Schallabsorptionseigenschaften auf und die zum Schweißen erforderlichen Temperaturen sind z. B. höher, weshalb der Einsatz von herkömmlichen Sonotroden bei diesen Werkstoffen nicht zu befriedigenden Verbindungsstellen führt. Bei der Verwendung von Flachsonotroden kommt es zu Schalleinkopplungen an Stellen mit besonders hoher Flächenpressung, wie z. B. an den Bauteilkanten bzw. Rändern der Sonotrode und hierdurch bedingt zu fehlerhaften Schweißungen.
Ebenso liefert die Verwendung von Einpunktsonotroden in der Regel keine brauchbaren Schweißergebnisse, da die angebundene Fläche zu gering ist und die erforderlichen Festigkeiten der Schweißverbindung nicht erreicht werden.
Insbesondere für den Einsatz im Fahrzeugbau, z. B. für Fahrzeugstrukturteile aber auch für Innenraumbauteile, wie z. B. Türmodule oder Instrumententafeln, ist es notwendig Bauteile aus endlosfaserverstärkten Kunststoffen zuverlässig und dauerhaft mit der notwendigen Festigkeit miteinander verbinden zu können.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Sonotrode und eine Ultraschallschweißanlage sowie ein Verfahren anzugeben, mit der die voranstehend genannten Anforderungen an das Fügen von faserverstärkten Kunststoffen erfüllt werden können und die insbesondere zum Verschweißen von endlosfaserverstärkten Kunststoffen geeignet sind. Des Weiteren soll eine Schweißverbindung mit besonderer Eignung für Bauteile aus endlosfaserverstärkten Kunststoffen angegeben werden.
Hinsichtlich der Vorrichtungen wird diese Aufgabe gelöst durch eine Sonotrode mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch eine Ultraschallschweißanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe gelöst durch die Schritte nach Patentanspruch 12 und hinsichtlich der Schweißverbindung durch die Merkmale nach Patentanspruch 13. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen angegeben.
Die erfindungsgemäße Sonotrode weist dazu eine Kontaktfläche auf und mindestens zwei Erhebungen, die von der Kontaktfläche hervorstehen.
Die Schalleinkopplung erfolgt durch die mindestens zwei hervorstehenden Erhebungen bzw. Pins. Hierdurch wird eine ortsgenaue Schalleinkopplung gewährleistet, die weitgehend unabhängig von ggf. vorhandenen Bauteiltoleranzen oder Positionierungenauigkeiten ist. Somit lassen sich unerwünschte Schweißschlüsse in Randbereichen der Sonotrode und/oder des Bauteils bzw. Werkstücks vermeiden. Vorteilhafter Weise benötigen die zu verschweißenden Bauteile keine Energierichtungsgeber, so dass auch Flachmaterialien bzw. Plattenmaterialien verschweißt werden können.
Während des Schweißprozesses wird die Sonotrode so auf das Werkstück aufgesetzt, dass eine Mittellängsachse der Sonotrode senkrecht zur Oberfläche des Werkstücks verläuft. Die Schwingungseinkopplung erfolgt somit senkrecht in das Werkstück, d. h. die zu verschweißenden Bauteile, in Richtung der Mittellängsachse der Sonotrode.
Eine besonders gleichmäßige Einkopplung des Schalls in das Werkstück wird dadurch erreicht, dass die Erhebungen auf der Kontaktfläche der Sonotrode mit einem Abstand zur Mittellängsachse angeordnet sind, wobei alle Erhebungen den gleichen Abstand zur Mittellängsachse aufweisen. Der Abstand zur Mittellängsachse ist hierbei der Abstand von der Mitte der Erhebung zur Mittellängsachse. Vorzugsweise haben die Erhebungen einen Abstand im Bereich von 6 bis 9 mm zur Mittellängsachse, oder im Bereich von 7 mm bis 8 mm. Alternativ kann der Abstand jedoch auch andere Werte betragen.
Vorzugsweise sind die Erhebungen auf einem Kreis rund um die Mittellängsachse angeordnet. Weist die Sonotrode zwei Erhebungen auf, so liegen die zwei Erhebungen vorzugsweise auf einander gegenüberliegenden Punkten des Kreises. In dieser Ausgestaltung weisen die Erhebungen vorzugsweise einen Abstand von 12 mm bis 18 mm voneinander auf, alternativ einen Abstand von 14 mm bis 16 mm. Weist die Sonotrode drei, vier oder mehr Erhebungen auf, so sind die Erhebungen äquidistant auf dem Kreis angeordnet, d. h. sie haben zu den jeweils benachbarten Erhebungen den gleichen Abstand.
Im Bereich der Mittellängsachse weist die Kontaktfläche vorzugsweise keine Erhebung auf. Die innere Kontaktfläche, d. h. eine Kreisfläche, die zwischen den mindestens zwei Erhebungen angeordnet ist, z. B. mit einem Radius von 3,5 mm rund um die Mittellängsachse, ist in dieser Ausgestaltung somit frei von Erhebungen. Vorzugsweise ist die innere Kontaktfläche als im Wesentlichen ebene Fläche ausgebildet.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist die Sonotrode genau zwei Erhebungen auf. Hierdurch kann auch bei Positionierungenauigkeiten oder Fertigungstoleranzen gewährleistet werden, dass der Schall durch beide Erhebungen ortsgenau und gleichzeitig in das Bauteil übertragen wird.
Für die Anforderungen im Fahrzeugbau, insbesondere wenn an geraden bzw. ebenen Bauteilabschnitten geschweißt werden soll, eignet sich insbesondere eine Sonotrode, deren Kontaktfläche als ebene Fläche ausgebildet ist.
Die Erhebungen erstrecken sich vorzugsweise von der Kontaktfläche parallel zur Mittellängsachse der Sonotrode. Die Erhebungen haben somit einen Fuß, der an die Kontaktfläche angrenzt, sowie ein dem Fuß gegenüberliegendes freies Ende. Die Höhe der Sonotroden vom Fuß bis zum freien Ende ist abhängig von der zu verschweißenden Materialstärke und liegt z. B. im Bereich von 2,2 mm bis 5 mm für Materialstärken von 2 mm bis 4 mm, vorzugsweise ist die Höhe der Erhebung 3 mm für Materialstärken von 2,0 mm bis 2,5 mm.
Die Erhebungen können in einer Ausgestaltung eine konisch verjüngte Form aufweisen. Zum leichteren Absenken der Sonotrode in das Werkstück sowie zum leichteren Entfernen nach der Schweißung liegt der Konuswinkel vorzugsweise im Bereich von 15° bis 25°, besonders vorteilhaft beträgt der Winkel 16°.
Durch eine Ausgestaltung der Erhebungen, bei der diese an ihrem freien Ende vorzugsweise einen Durchmesser aufweisen, der im Bereich von 2,5 mm bis 4 mm, insbesondere im Bereich von 2,5 mm bis 3 mm liegt, wird eine ausreichende Schalleinbindung auch in endlosfaserverstärkte Kunststoffe bei gleichzeitiger reduzierter Faserbeschädigung ermöglicht. Zudem weisen Erhebungen mit o. g. Durchmesser auch bei den auftretenden Schweißtemperaturen die nötigen Standzeiten auf.
In einer Ausgestaltung wird ein besonders materialschonendes Schweißen von endlosfaserverstärkten Kunststoffen ermöglicht, wenn die Erhebungen an ihrem freien Ende eine abgeflachte Spitze aufweisen. Hierdurch kann eine Beschädigung der Endlosfasern während des Schweißvorgangs reduziert werden. Die abgeflachte Spitze der Erhebungen kann z. B. kegelförmig ausgebildet sein mit einem Spitzenwinkel β im Bereich von 150 < β < 170°, vorzugsweise β = 160°. Alternativ kann die abgeflachte Spitze auch durch eine Rundung ausgebildet sein, z. B. kann das freie Ende der Erhebung in Form eines Kugelsegments geformt sein.
Zur Reduzierung laufender Betriebskosten kann der Kopf der Sonotrode auswechselbar ausgeführt sein. Der Kopf der Sonotrode ist die Seite, welche in Kontakt mit dem zu schweißenden Bauteil tritt. Der Kopf der Sonotrode umfasst zumindest die Kontaktfläche sowie die von der Kontaktfläche hervorstehenden Erhebungen.
Weiterhin kann der Kopf der Sonotrode aus einem anderen Material ausgebildet sein, als der Rest der Sonotrode, z. B. kann für den Kopf der Sonotrode ein besonders widerstandsfähiges Material gewählt werden.
Die erfindungsgemäße Sonotrode eignet sich insbesondere zum Ultraschallschweißen von faserverstärkten Kunststoffen, insbesondere von endlosfaserverstärkten Kunststoffen.
Vorteilhafter Weise wird die Sonotrode zum Ultraschallschweißen im Fahrzeugbau verwendet. Insbesondere wird die Sonotrode eingesetzt zum Ultraschallschweißen von Strukturbauteilen oder von Innenraumbauteilen, wie z. B. Türmodulen, Instrumententafeln, Innenverkleidung etc. Die Strukturbauteile bzw. Innenraumbauteile sind vorzugsweise zumindest teilweise oder vollständig aus endlosfaserverstärkten Kunststoffen gefertigt.
Eine erfindungsgemäße Ultraschallschweißanlage weist einen Generator sowie ein Schwingsystem mit einer Sonotrode gemäß einer der voranstehend beschriebenen Ausgestaltungen auf. Das Schwingsystem beinhaltet zumindest einen Ultraschallkonverter und kann weiterhin ein Amplitudentransformationsstück aufweisen. Durch eine solche Ultraschallschweißanlage können die gleichen technischen Wirkungen und Vorteile erzielt werden, wie sie voranstehend für die Sonotrode beschrieben wurden.
Für das Verschweißen von endlosfaserverstärkten Kunststoffen arbeitet die Ultraschallschweißanlage vorzugsweise mit einer Frequenz im Bereich von 30 kHz bis 40 kHz. Die Sonotrode wird in eine Schwingung senkrecht zum Werkstück versetzt, wobei die Amplitude der Schwingung kleiner als 50 μm (Mikrometer) ist und z. B. vorzugsweise im Bereich von 10 bis 30 μm liegt.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Ultraschallschweißen angegeben, bei dem im Bereich einer Fügestelle eine stoffschlüssige Verbindung zwischen zumindest einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil hergestellt wird unter Verwendung einer Sonotrode gemäß einer der voranstehend beschriebenen Ausgestaltungen.
Genauer gesagt wird bei dem Verfahren das erste Bauteil zumindest teilweise überlappend über dem zweiten Bauteil angeordnet und die Sonotrode wird auf das erste Bauteil gepresst. Ultraschallschwingungen werden in die Sonotrode eingeleitet, wobei die Kontaktfläche der Sonotrode das erste Bauteil berührt und die zumindest zwei Erhebungen der Sonotrode in das erste Bauteil hineinreichen. Die Ultraschallschwingung wird abgeschaltet und die Sonotrode wird ohne Ultraschall zur Abkühlung des ersten und zweiten Bauteils niedergehalten. Anschließend wird die Sonotrode entfernt.
Das erste Bauteil ist vorzugsweise im Fügebereich, d. h. dem Bereich, in dem die Fügestelle ausgebildet werden soll, in Kontakt mit dem zweiten Bauteil.
Durch die Verwendung einer Sonotrode gemäß einer der voranstehend beschriebenen Ausgestaltungen können die für die Sonotrode beschriebenen technischen Wirkungen und Vorteile im Verfahren genutzt werden. Die Anpressung der Sonotrode erfolgt z. B. mit definiertem Vordruck. Die Einleitung der Ultraschallschwingungen erfolgt vorzugsweise longitudinal d. h. senkrecht zur Schweißebene. Die Sonotrode tritt zunächst über die zumindest zwei Erhebungen in Kontakt mit dem Bauteil. Die Schwingungen werden somit konzentriert und ortsgerichtet über die Erhebungen in das Bauteil eingeleitet. Aufgrund der durch Reibung entstehenden Materialerwärmung kommt es zur Ausbildung von Schmelzkeimzellen im ersten Bauteil angrenzend an die Erhebungen der Sonotrode. Durch die einsetzende Plastifizierung des Materials kann die Sonotrode weiter ins Werkstück abgesenkt werden bis die Kontaktfläche in Kontakt mit der Oberfläche des ersten Bauteils tritt. Die Schalleinleitung erfolgt nunmehr sowohl über die Erhebungen als auch über die Kontaktfläche. Zu diesem Zeitpunkt reichen die Erhebungen vorzugsweise bis in das zweite Bauteil hinein. Der plastifizierte Bereich breitet sich von den Keimzellen aus. Es ergibt sich insbesondere eine gute Anbindung des Zwischenbereichs, d. h. desjenigen Fügebereichs, der unter der inneren Kontaktfläche der Sonotrode liegt.
Nach dem Abschalten der Ultraschallschwingungen wird die Sonotrode zum Abkühlen bzw. Aushärten des Kunststoffmaterials unter Aufrechterhaltung des Anpressdrucks niedergehalten. Es bildet sich eine stoffschlüssige Verbindung an der Fügestelle zwischen erstem und zweitem Bauteil aus. Die Fügestelle weist z. B. im Wesentlichen die gleiche Grundfläche auf wie die Kontaktfläche der Sonotrode. Anschließend wird die Sonotrode entfernt.
Somit wird eine Schweißverbindung eines ultraschallgeschweißten Werkstücks bereitgestellt mit einem ersten Bauteil und zumindest einem zweiten Bauteil, wobei das erste Bauteil zumindest teilweise überlappend über dem zweiten Bauteil angeordnet ist. An der Fügestelle besteht eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem erstem und dem zweiten Bauteil, wobei das Werkstück zumindest eine erste und zweite Aussparung im ersten Bauteil oberhalb der Fügestelle aufweist.
Die Aussparungen erstrecken sich senkrecht zur Fügestelle. Vorzugsweise erstrecken sich die Aussparungen durch das erste Bauteil bis zur Fügestelle. Die zumindest erste und zweite Aussparung resultieren aus den Erhebungen der Sonotrode und können somit die gleiche Anordnung zueinander aufweisen, wie für die Erhebungen der Sonotrode beschrieben.
Die unter Verwendung der erfindungsgemäßen Sonotrode ausgebildete Schweißverbindung weist eine besonders hohe Stabilität auf. So konnten z. B. bei der Verschweißung zweier Bauteile aus endlosfaserverstärktem Kunststoff mit Wandstärken von 2,0 mm bis 2,5 mm konnten Abzugskräfte in Zugscherrichtung von 5 kN bis 10 kN (Kilonewton) erzielt werden. Diese Verbindung erfüllt z. B. die Anforderungen an eine Schweißverbindung für faserverstärkte bzw. endlosfaserverstärkte Kunststoffe für Strukturbauteile im Fahrzeugbau.
Vorzugsweise bestehen das erste und das zweite Bauteil aus einem faserverstärkten Kunststoff, insbesondere aus einem endlosfaserverstärkten Kunststoff. Alternativ kann auch nur eines der Bauteile aus einem faserverstärkten Kunststoff oder endlosfaserverstärkten Kunststoff bestehen. Weiterhin können lediglich Teilbereiche des ersten und/oder zweiten Bauteils einen faserverstärkten Kunststoff bzw. endlosfaserverstärkten Kunststoff aufweisen. Die stoffschlüssige Verbindung wird dann in diesem Teilbereich ausgebildet.
Insbesondere kann es sich bei den Bauteilen um Fahrzeugteile, insbesondere um Strukturbauteile oder um Innenraumbauteile handeln.
Mit anderen Worten sind bei einer Doppelpinsonotrode zur Steigerung der Fügefläche und des zu übertragenden Kraftpotentials zwei voreilende Elemente von einer ebenen Fläche umschlossen. Die beiden Pin-Elemente sind dabei für ein konzentriertes Aufschmelzen der Matrix am Berührpunkt Pin/Werkstückoberfläche verantwortlich. Nach dem vollständigen Eintauchen der beiden voreilenden Elemente setzt der flächige Teil der Sonotrode auf der Werkstückoberfläche auf und bewirkt ein weiteres Aufschmelzen der Zwischenschicht. Die Anzahl der benötigten Pin-Elemente ist abhängig von der Bauteil- bzw. Probengeometrie, der gewünschten Fügefläche, der Sonotrodengröße, dem Material und weiteren Prozessparametern. Optional sind die Kontaktflächen der Sonotrode austauschbar ausgeführt.
Aus dem großflächigen Aufschmelzen der Zwischenschicht resultiert eine größere Fügefläche und in weiterer Folge ein erhöhtes Kraftübertragungspotential. Durch die Pin-Elemente wird ein Aufschwingen bzw. Aufschmelzen des Materials an falscher Stelle – dies tritt z. B. ohne Energierichtungsgeber an mindestens einem Werkstück auf – vermieden. Pin-Elemente mit einem kleineren Durchmesser als beim klassischen Ultraschallschweißen reduzieren die Beschädigung des Faserverbundwerkstoffs. Durch eine Sonotrode mit austauschbarer Kontaktfläche kann bei Abnützungserscheinungen das Verschleißteil kostengünstig getauscht werden. Das Verschleißteil kann zudem aus einem anderen Werkstoff als die eigentliche Sonotrode hergestellt sein.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff ”kann” verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sonotrode gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 einen Schnittansicht durch den Kopf der Sonotrode aus 1;
2A einen Schnittansicht einer alternativen Ausgestaltung der Erhebungen auf der Kontaktfläche;
3 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Ultraschallschweißverbindung
1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sonotrode 10, auch Doppelpinsonotrode genannt. Die Sonotrode 10 weist einen Kopf 100 und ein hinteres Ende 110 auf. Am Kopf der Sonotrode ist eine Kontaktfläche 120 angeordnet. Die Kontaktfläche 120 ist als ebene Fläche ausgebildet. Die Kontaktfläche 120 hat eine im Wesentlichen rechteckige Form, wobei die beiden kurzen Seitenkanten 122 und 124 einen nach außen gebogenen Verlauf aufweisen.
Von der Kontaktfläche 120 stehen zwei Erhebungen bzw. Pins 130 hervor. Die zwei Erhebungen 130 sind beabstandet zueinander auf gegenüberliegenden Seiten einer Mittenlängsachse 140 der Sonotrode 10 angeordnet. Die Mittenlängsachse verläuft senkrecht zur Kontaktfläche 120 entlang der Längserstreckung der Sonotrode 10. Die zwei Erhebungen haben den gleichen Abstand A (s. 2) zu der Mittenlängsachse 140, d. h. die Mittellängsachse 140 halbiert den Abstand zwischen der ersten und zweiten Erhebung. Die zwei Erhebungen 130 sind auf der Mittellinie 126 der Kontaktfläche 120 angeordnet. Ringförmig um den Fuß der Erhebungen 130 ist jeweils eine Kavität bzw. Vertiefung 132 in der Kontaktfläche 120 ausgebildet.
Die Sonotrode 10 ist z. B. einstückig ausgebildet. In einer alternativen Ausführungsform, angedeutet durch die strichlierte Linie 150, kann jedoch der Kopf 100 der Sonotrode, welcher zumindest die Kontaktfläche 120 und die Erhebungen 130 umfasst, auch auswechselbar ausgestaltet sein kann. Die Befestigung eines solch auswechselbaren Verschleißteils kann mittels dem Fachmann bekannter Befestigungsvorrichtungen bzw. -mittel erfolgen. Weiterhin kann der Kopf 100 der Sonotrode auch aus einem anderen Material als die restliche Sonotrode ausgeführt sein, z. B. kann im Bereich des Kopfes 100 gehärtetes Material verwendet werden.
Die Sonotrode 10 kann z. B. mit einem Amplitudentrans-formationsstück und/oder einem Konverter einer Ultraschallschweißanlage verbunden werden. Hierzu ist die Sonotrode 10 an ihrem hinteren Ende 110 geeignet ausgebildet. Z. B. kann sie eine oder mehrere Spannflächen 112 aufweisen. Alternativ können auch anders geformte Flächen oder Befestigungselemente an der Sonotrode 10 vorgesehen sein um eine Verbindung mit der Ultraschallweißanlage herzustellen, wie z. B. mittels Gewinde.
Die erste und zweite Erhebung 130 weisen vorzugsweise die gleiche Form und Abmessung auf. Die Erhebungen 130 sind in Form eines nach oben verjüngten Konus ausgebildet.
Die Doppelpinsonotrode weist eine Kontaktfläche 120 mit einer Breite B von 18 mm und einer Länge L von 34 mm auf. Die Erhebungen bzw. Pins 130 haben an ihrem freien Ende einen Durchmesser D von 3 mm. Der Konuswinkel α der Erhebungen 130 beträgt 16°. Die Höhe H der Erhebungen beträgt 3 mm. Der Abstand der Erhebungen 130 voneinander beträgt 15 mm.
In 2 ist der Kopf der Sonotrode 10 in einer Schnittansicht entlang der Längsachse 126 der Kontaktfläche 120 gezeigt. Hier ist zu erkennen, dass das freie Ende 134 der Erhebungen 130 abgerundet ist, d. h. kugelsegmentförmig ausgebildet ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass beim Absenken der Sonotrode 10 in das Werkstück ein Verdrängen der Fasern ohne nennenswerte Beschädigung derselben erfolgt. In 2A sind Erhebungen 130A mit einer alternativen Ausgestaltung dargestellt, wonach das freie Ende 134A als Spitzkegel ausgebildet ist mit einem Kegelwinkel β von 160°.
Die Vertiefung 132, welche rund um den Fuß der Erhebung 130 bzw. 130A in der Kontaktfläche 120 angeordnet ist, weist eine ringförmige Form mit konkavem Querschnitt auf. Während des Schweißprozesses kann aufgeschmolzenes Material, das durch die Erhebungen 130 bzw. 130A und den Prozessdruck verdrängt wird, in die Vertiefungen 132 wandern und erkaltet dort als ringförmiger Wulst.
Zur Durchführung einer Schweißung wird die Sonotrode 10 mit den Erhebungen 130 auf dem Werkstück aufgesetzt und mit einem Vordruck auf dieses gepresst. Die Schalleinleitung in das Werkstück erfolgt gezielt durch die Erhebungen 130.
Bedingt durch die symmetrische Anordnung der Erhebungen 130 zur Mittellängsachse 140 der Sonotrode 10 erfolgt die Schalleinleitung vorzugsweise durch beide Erhebungen 130 gleichermaßen. Diese gezielte Schalleinleitung verhindert unerwünschte Nebenschlüsse im Randbereich der Kontaktfläche. Die Erhebungen fungieren im Werkstück als Keimzelle für die Schmelzung. Von dieser Keimzelle breiten sich die Schmelzzonen gezielt zu einander aus, wodurch insbesondere die zwischen den Erhebungen gelegene Fügefläche bzw. das Zwischengebiet 270 angebunden und mit aufgeschmolzen wird. Hierdurch wird die Gesamtfügefläche vergrößert. Die Kontaktfläche 120 tritt während der Schweißung vollständig in Kontakt mit dem Werkstück.
3 zeigt eine Ultraschallschweißverbindung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Schnittansicht eines Werkstücks 200. Das Werkstück besteht aus einem ersten Bauteil 210, das teilweise überlappend über einem zweiten Bauteil 220 angeordnet ist. Zwischen dem ersten Bauteil 210 und dem zweiten Bauteil 220 ist durch Ultraschallschweißung mit der Sonotrode 10 eine Fügestelle 230 ausgebildet worden. Im Bereich der Fügestelle 230 besteht ein Stoffschluss zwischen dem Material des ersten Bauteils 210 und dem Material des zweiten Bauteils 220. Die Flächenmaße der Fügestelle 230 entsprechen ungefähr denen der Kontaktfläche 120 der Sonotrode 10. Weiterhin sind in 3 Aussparungen 240 zu erkennen, die durch das Einpressen der Erhebungen 130 der Sonotrode 10 in das Werkstück 210 resultieren. Die Aussparungen 240 reichen vollständig durch das erste Bauteil 210 bis in das zweite Bauteil 220 hinein. Obwohl der Boden der Aussparungen in 3 als ebene Fläche dargestellt ist, kann der Boden der Aussparungen 240 ebenso eine konkave Form aufweisen. Z. B. kann die Aussparung 240 eine Form aufweisen, die im Wesentlichen der Außenkontur der Erhebung 130 der Sonotrode entspricht. Die Aussparungen 240 sind durch einen Randbereich 250 begrenzt, der Material beinhaltet, das während des Schweißvorgangs aufgeschmolzen wurde. An der Oberseite des ersten Bauteils 210 hat ein Teil dieses Materials, das von den Erhebungen 130 verdrängt wurde, einen ringförmigen Wulst 260 rund um die Aussparung 240 gebildet.
Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Sonotrode 10 wird während des Schweißvorgangs eine besonders gute Anbindung des Zwischengebiets 270 erzielt. Das Zwischengebiet 270 liegt zwischen den Aussparungen 240 im Bereich der Fügestelle 230. Durch die gute Anbindung des Zwischengebiets 270 breitet sich die Schmelzzone während des Schweißprozesses schnell von den Erhebungen 130 der Sonotrode (also den Aussparungen 240) bis in das Zwischengebiet aus. So kann im Zwischengebiet 270 die Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Bauteil 210 und 220 gewährleistet werden.
Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich.
Bezugszeichenliste

10: Sonotrode
100: Kopf
110: hinteres Ende
112: Spannfläche
120: Kontaktfläche
122, 124: kurze Seitenkante
126: Mittellinie
130, 130A: Erhebung
132: Vertiefung
134, 134A: freies Ende
140: Mittenlängsachse
150: Trennlinie
200: Werkstück
210, 220: Bauteile
230: Fügestelle
240: Aussparung
250: Randbereich
260: Wulst
270: Zwischengebiet
A: Abstand
B: Breite
D: Durchmesser
H: Höhe
L: Länge
α: Konuswinkel
β: Spitzenwinkel

Claims

Sonotrode zum Ultraschallschweißen mit: – einer Kontaktfläche (120), – mindestens zwei Erhebungen (130), die von der Kontaktfläche (120) hervorstehen.
Sonotrode nach Patentanspruch 1, mit – einer Mittellängsachse (140), bei der die mindestens zwei Erhebungen (130) mit dem gleichen Abstand (A) zur Mittellängsachse (130) angeordnet sind.
Sonotrode nach Patentanspruch 1 oder 2, die – genau zwei von der Kontaktfläche (120) hervorstehende Erhebungen (130) aufweist.
Sonotrode nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, bei der – die Kontaktfläche (120) im Bereich der Mittellängsachse (140) keine Erhebung aufweist.
Sonotrode nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, bei der – die Kontaktfläche (120) als ebene Fläche ausgebildet ist.
Sonotrode nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, bei der – jede der mindestens zwei Erhebungen (130) eine konisch verjüngte Form aufweist.
Sonotrode nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, bei der – das freie Ende (134; 134A) jeder der zumindest zwei Erhebungen (130) eine abgeflachte Spitze aufweist.
Sonotrode nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, bei der – der Kopf (100) der Sonotrode auswechselbar ist.
Sonotrode nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, – die zum Ultraschallschweißen von faserverstärkten Kunststoffen, insbesondere von endlosfaserverstärkten Kunststoffen verwendet wird.
Sonotrode nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, die zum Ultraschallschweißen von Fahrzeugteilen, insbesondere von Strukturbauteilen oder von Innenraumbauteilen verwendet wird.
Ultraschallschweißanlage mit – einem Generator und – einem Schwingsystem mit einer Sonotrode (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.
Verfahren zum Ultraschallschweißen, bei dem – eine stoffschlüssige Verbindung zwischen zumindest einem ersten Bauteil (210) und einem zweiten Bauteil (220) hergestellt wird unter Verwendung einer Sonotrode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
Schweißverbindung an einem ultraschallgeschweißten Werkstück mit – einem ersten Bauteil (210) und – zumindest einem zweiten Bauteil (220), wobei das erste Bauteil (210) zumindest teilweise überlappend über dem zweiten Bauteil (220) angeordnet ist, – einer Fügestelle (230), an der eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem erstem Bauteil (210) und dem zweiten Bauteil (220) besteht, und – zumindest zwei Aussparungen (240) im ersten Bauteil (210) oberhalb der Fügestelle (230).
Schweißverbindung nach Patentanspruch 13, bei der – das erste Bauteil (210) und/oder das zweite Bauteil (220) aus einem faserverstärkten Kunststoff, insbesondere einem endlosfaserverstärkten Kunststoff besteht.
Schweißverbindung nach einem der Patentansprüche 13 oder 14, bei der – das erste und zweite Bauteil (210, 220) Fahrzeugbauteile sind, insbesondere Strukturbauteile oder Innenraumbauteile.