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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft die Beseitigung von Werkzeugadhäsion in einem Ultraschallschweißprozess.
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HINTERGRUND
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Bei Ultraschallschweißprozessen werden Metall- oder Plastikwerkstücke zwischen einem Schweißhorn/einer Sonotrode und einem Amboss zusammengeklemmt. Beide dieser Schweißwerkzeuge umfassen gerändelte Schweißkontaktstellen, welche die geklemmten Werkstücke sicher greifen. Reibung entlang der Verbindungsoberflächen der Werkstücke in Reaktion auf die Vibrationsenergie von der Sonotrode erzeugt letztendlich erhebliche Mengen an Wärme. Die erzeugte Wärme produziert letztendlich einen Schweißstellenpunkt oder -saum. Aufhebung der Klemmkraft ermöglicht es, die Schweißkontaktstellen zu separieren und von den Werkstücken zu lösen. Allerdings können manchmal die Schweißkontaktstellen an den Oberflächen der Werkstücke anhaften. Abhängig von der Stärke der Adhäsion können die Schweißstellenqualität und die Prozesseffizienz beeinflusst sein.
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Ein Schweißsystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus der
DE 10 2013 222 876 A1 bekannt. Ferner sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Reduzierung der Adhäsion einer Sonotrode an einem Werkstück in der
US 2003/0066863 A1 offenbart.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Schweißsystem zu schaffen, welches sich zum Schweißen unterschiedlicher Metallwerkstücke eignet.
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Zur Lösung der Aufgabe ist ein Schweißsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein Schweißsystem ist hierin offenbart, das für zwei primäre Mechanismen zum Reduzieren der Oberflächenadhäsion sorgt, d. h. mechanische Entfernung/Beseitigung eines Oberflächenrückstands auf dem Schweißwerkzeug und Reduzierung/Beseitigung von unerwünschten chemischen Reaktionen, wie zum Beispiel zwischen Kupfer und Aluminium, unter Benutzung von kolloidalem Siliziumdioxid oder anderem geeignetem Material. Gemäß einer bestimmten Ausführungsform umfasst das Schweißsystem ein Schweißhorn oder eine Sonotrode, die eine Vielzahl von Schweißkontaktstellen aufweist. Das Schweißsystem umfasst auch einen Reinigungsblock und eine Steuerung, die mit der Sonotrode in Verbindung steht. Die Steuerung ist programmiert, um die Sonotrode periodisch anzuweisen, an den Reinigungsblock zu klemmen, und Ultraschallenergie für eine kalibrierte Dauer in den Reinigungsblock zu übertragen, die ausreichend ist, um Restmengen eines Metalls von einer Oberfläche der Schweißkontaktstellen zu entfernen.
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Die Steuerung kann programmiert sein, um die Anzahl der Schweißzyklen zu zählen und um nach einer kalibrierten Anzahl derartiger Schweißzyklen periodisch ein Klemmen der Sonotrode an den Reinigungsblock anzuweisen.
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Erfindungsgemäß ist der Reinigungsblock ein Metallbarren, welcher mit einem polymerischen Oberflächenmaterial beschichtet ist. Gemäß einer möglichen Ausführungsform kann der Reinigungsblock ein Aluminiumbarren sein und das polymerisches Oberflächenmaterial kann zum Beispiel ein poröser Polyethylensiliziumdioxid- oder poröser Polyethylenaluminiumoxidverbund sein, welcher auf den Aluminiumbarren laminiert ist.
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Das erfindungsgemäße Schweißsystem umfasst ferner eine Auftragungsstation, welche dazu benutzt wird, eine dünne Opferschicht eines Antiadhäsionsmaterials, z. B. kolloidales Siliziumdioxid, auf die Schweißkontaktstellen aufzutragen. Bei einer derartigen Ausführungsform ist die Steuerung programmiert, um einen Übergang vom Schweißen eines Metallwerkstückes eines ersten Metalls zum Schweißen eines Metallwerkstückes eines unterschiedlichen zweiten Metalls zu detektieren, wobei das zweite Metall unterschiedlich zu und reaktiv mit dem ersten Metall ist. Eine derartige beispielhafte Metallpaarung ist Aluminium und Kupfer.
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Die Steuerung bewegt die Sonotrode bei Detektion des Übergangs zu der Auftragungsstation und weist die Auftragung des Antiadhäsionsmaterials auf die Schweißkontaktstellen als Opferschicht an. Die Steuerung weist auch die Bewegung der Sonotrode von der Auftragungsstation zu dem zweiten Metallwerkstück an und weist danach die Vibration der Sonotrode mit einer kalibrierten Frequenz für eine Dauer an, die ausreichend ist, um eine Schweißstelle an dem Werkstück des zweiten Metalls zu bilden.
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Die Auftragungsstation kann einen Schwamm umfassen, der mit dem Antiadhäsionsmaterial gesättigt ist. Bei einer derartigen Ausführungsform kann die Steuerung programmiert sein, um die Auftragung des Antiadhäsionsmaterials auf die Schweißkontaktstellen durch Anweisen der Ausübung einer Kraft auf die Sonotrode anzuweisen, die ausreichend ist, um die Schweißkontaktstellen in direkten Kontakt mit dem gesättigten Schwamm zu bringen.
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Alternativ kann die Auftragungsstation eine Sprühdüse in Fluidverbindung mit einer Fluidpumpe umfassen, in welchem Fall die Steuerung die Auftragung des Antiadhäsionsmaterials auf die Schweißkontaktstellen durch Anweisen einer Zirkulation des Antiadhäsionsmaterials zu der Sprühdüse durch die Fluidpumpe anweist.
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Ein Verfahren zum Reduzieren von Werkzeugadhäsion in einem Ultraschallschweißsystem, das eine Sonotrode mit einer Vielzahl von Schweißkontaktstellen, einen Reinigungsblock und eine Steuerung aufweist, ist auch offenbart. Das Verfahren umfasst das Ermitteln einer Vervollständigung einer Schwellenwertanzahl von Schweißzyklen durch die Steuerung und dann das Klemmen der Sonotrode an den Reinigungsblock durch Anweisungen von der Steuerung in Reaktion auf die Vervollständigung der Schwellenwertanzahl der Schweißzyklen. Das Verfahren umfasst das Übertragen von Ultraschallenergie von der geklemmten Sonotrode in den Reinigungsblock für eine kalibrierte Dauer, die ausreichend ist, um Restmengen eines vorbestimmten Metalls von den Schweißkontaktstellen zu entfernen.
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Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung sind leicht aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich, wenn diese im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Seitenansichtdarstellung eines beispielhaften Vibrationsschweißsystems, das eine Sonotrode mit einer Opferschicht aufweist, wie hierin dargelegt ist.
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1A ist eine schematische Darstellung einer optionalen Auftragungsstation vom Sprühtyp für die Benutzung in dem Vibrationsschweißsystem, das in 1 gezeigt ist.
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2 ist eine schematische perspektivische Seitenansicht eines beispielhaften Batteriemoduls, das Metallstreifen und Verbindungsbauteile aus unterschiedlichen Materialien aufweist, die durch das Vibrationsschweißsystem von 1 zusammengefügt werden können.
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3 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zum Ausbilden einer Schweißstelle durch das Vibrationsschweißlsystem, das in 1 gezeigt ist, beschreibt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Bezug nehmend auf die Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Komponenten beziehen, und beginnend mit 1, ist ein Schweißsystem 10 schematisch in 1 gezeigt. Das Schweißsystem 10 benutzt eine Schweißanordnung 12, d. h. Schweißwerkzeuge in der Form eines Schweißhorns/einer Sonotrode 14 und einen Amboss 16, um einen Satz von Werkstücken 40 zu schweißen, die in 1 unten rechts gezeigt sind. Die Werkstücke 40 sind hier und in 2 als ein Teil eines beispielhaften Batteriemoduls dargestellt. Allerdings können andere Metallwerkstücke 40 durch das Schweißsystem 10 geschweißt werden, ohne von dem beabsichtigten erfinderischen Rahmen abzuweichen.
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Das Schweißsystem 10, wie hierin beschrieben, wird dazu benutzt, um mittels Ultraschall die Werkstücke 40 zu schweißen, um gerändelte Schweißkontaktstellen 21 und/oder 23 der Sonotrode 14 beziehungsweise des Ambosses 16 periodisch zu reinigen und optional während des Prozesses eine dünne Opferschicht 17 auf eine Oberfläche der Schweißkontaktstellen 21 und/oder 23 aufzutragen, so dass Oberflächenadhäsion an die Werkstücke 40 reduziert oder beseitigt wird. Derartige Oberflächenadhäsion kann, wie vorstehend erwähnt ist, die Qualität der resultierenden Schweißstelle nachteilig beeinflussen und/oder kann die Prozesseffizienz beeinflussen. Zum Beispiel wird, wenn eine gerändelte oder texturierte Schweißkontaktstelle 21 der Sonotrode 14 oder eine Schweißkontaktstelle 23 des Ambosses 16 an dem Werkstück 40 anhaftet, normalerweise ein zusätzlicher Schritt benötigt, um das Werkstück 40 freizugeben. In einigen Fällen wird eine zusätzliche Kraft auf die Sonotrode 14 oder das Werkstück 40 ausgeübt, was wiederum das Aussehen der Schweißstelle beeinträchtigen und/oder das Werkstück 40 deformieren kann. Die vorliegende Herangehensweise versucht daher das Auftreten oder die Stärke einer derartigen Werkzeugadhäsion zu reduzieren oder zu beseitigen. Ein beispielhaftes Verfahren 100 zum Schweißen des Werkstücks 40 ist nachfolgend im Detail mit Bezug auf 3 beschrieben.
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Das Schweißsystem 10, das in 1 gezeigt ist, kann eine Schweißsteuerung 20 umfassen, die an eine 50–60 Hz Steckdose oder andere geeignete Energieversorgung (nicht dargestellt) elektrisch angeschlossen sein kann. Die Schweißsteuerung 20 kann zum Beispiel Spannungsgleichrichter, Transformatoren, Wechselrichter und/oder andere Hardware umfassen, die gemeinsam den Quellenstrom, unabhängig von seiner Art, in ein geeignetes periodisches Signal umwandelt. Zum Beispiel weisen beim Ultraschallschweißen derartige periodische Signale eine Frequenz von ungefähr 20–40 kHz auf, allerdings kann dieser Bereich mit der jeweiligen Schweißanwendung variieren.
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Das Schweißsystem 10 kann auch einen Umwandler 22 umfassen, der eine mechanische Struktur aufweist, die ausreichend ist, um in Reaktion auf die Steuerungssignale eine mechanische Vibration der Sonotrode 14 zu produzieren. Die Schweißkontaktstellen 21 weisen jeweils ein ausreichend texturiertes Rändelmuster auf, das zum Greifen und Halten der Werkstücke 40 geeignet ist, wann immer die Werkstücke 40 mit einer kalibrierten Klemmkraft zwischen der Sonotrode 14 und dem Amboss 16 zusammengeklemmt sind. Der Amboss 16 umfasst typischerweise die Schweißkontaktstelle 23 mit einem ähnlichen Rändelmuster wie das der Schweißkontaktstelle 21. Ein Antreiber 18, z. B. ein Verstärker, wird typischerweise benutzt, um die Amplitude einer beliebigen, von der Schweißsteuerung 20 angewiesenen, mechanischen Vibration zu erhöhen, falls erforderlich.
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Das Schweißsystem 10 kann auch eine Hauptsteuerung 25 (C) umfassen, die mit der Schweißsteuerung 20 in Verbindung steht oder in die Schweißsteuerung 20 integriert ist. Die Hauptsteuerung 25 kann als eine Rechnervorrichtung ausgeführt sein, die einen Prozessor P und einen Speicher M aufweist. Ein Teil des Speichers M ist real und nicht-flüchtig, z. B. ein optisches oder magnetisches Medium. Der Speicher M kann auch einen Arbeitsspeicher (RAM) und einen elektrisch lösch/programmierbaren Festwertspeicher (EEPROM) umfassen. Die Steuerung 25 umfasst auch einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, Analog-zu-Digital-(A/D-) und Digital-zu-Analog-(A/D-)Schaltkreise, Eingabe/Ausgabeschaltkreise und -vorrichtungen, und Signalkonditionierungs- und Pufferschaltkreise. Beliebige Algorithmen oder rechnerausführbarer Code, der in der Steuerung 25 residiert oder durch diese zugänglich ist, einen beliebigen Code oder Anweisungen umfassend, die zum Durchführen des Verfahrens 100 von 3 notwendig sind, können im Speicher M gespeichert sein und automatisch durch den Prozessor P ausgeführt werden, um mittels Ultraschall die Werkstücke 40 zu schweißen, wie nachstehend erklärt wird. Wie auch nachstehend erklärt wird, kann ein Positionssensor 35 dazu benutzt werden, um eine Position der Sonotrode 14 zu messen, wobei die gemessene Position (Pfeil P14) als Teil des Verfahrens 100 als ein Signal an die Steuerung 25 übermittelt wird.
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Es wird hierin postuliert, dass die Werkzeugadhäsion größtenteils in der Reaktivität der Restmetallmaterialien an den Schweißkontaktstellen 21 begründet ist. Bei einer beispielhaften Kupfer-Aluminium-Ausführungsform kann zum Beispiel das Beschichten der Schweißkontaktstellen 21 mit der Opferschicht 17 oder das Reinigen der Schweißkontaktstellen 21 vor beliebigem Schweißen von Aluminiumwerkstücken und unmittelbar nach dem Schweißen von Kupferwerkstücken die Adhäsion reduzieren. Die Herangehensweise kann auf das Schweißen von anderen ungleichen Materialpaaren erweitert werden, wie es diejenigen leicht verstehen werden, die durchschnittlich fachkundig sind. Zur anschaulichen Konsistenz werden nachfolgend Kupfer und Aluminium als beispielhafte Metalle beschrieben, ohne das Schweißsystem 10 von 1 auf das Schweißen derartiger Metalle einzuschränken.
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Das Schweißsystem 10 von 1 kann eine Reinigungsstation 60 umfassen, die schematisch in 1 links gezeigt ist, wobei die Reinigungsstation 60 einen Reinigungsblock 62 aufweist, der an einer Basis 64 angebracht oder gesichert ist. Der Reinigungsblock 62 kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen zum Beispiel aus einer festen Platte, einem Barren oder einem Block aus Aluminium oder einen Verbund aus Aluminium, Siliziumpolymeren, Siliziumdioxid, Keramik, Glasfasern, Metallwolle, fabrizierten Kontaktstellen, Schleifkontaktstellen, Kohlefasern oder dergleichen konstruiert sein. Das Material, das als Reinigungsblock 62 benutzt wird, sollte ausreichend duktil sein, so dass es nicht die Schweißkontaktstellen 21, 23 abträgt, und gleichzeitig auch ausreichend widerstandsfähig gegenüber Beschädigung von der Sonotrode 14 und dem Amboss 16 bleibt. Der Reinigungsblock 62 kann mit einer Reinigungsschicht 63 beschichtet sein. Zum Beispiel kann die Reinigungsschicht 63 auf den Reinigungsblock 62 aufgetragen, angebracht oder laminiert sein, um eine Reinigungskontaktstelle zu bilden, welche die Reinigungstätigkeit erleichtert. Zum Beispiel kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ein Polymermaterial, wie zum Beispiel poröses Polyethylensiliziumdioxid oder poröses Polyethylenaluminiumoxid, als die Reinigungsschicht 63 direkt auf einen Aluminiumbarren laminiert sein. Verunreinigungen, Metallrückstände oder Verschmutzungen auf den Schweißkontaktstellen 21 und/oder 23 werden dadurch in der Reinigungsschicht 63 gefangen, was wiederum die Adhäsion reduziert.
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Die Hauptsteuerung 25 von 1 kann programmiert sein, um durch die Steuerungssignale (Pfeil 11) periodisch eine Bewegung der Sonotrode 14 zu dem Reinigungsblock 62 anzuweisen und um eine Übertragung von Ultraschallenergie von der Sonotrode 14 in den Reinigungsblock 62 anzuweisen, um dadurch Restmengen von Metall von den Schweißkontaktstellen 21 zu entfernen. Die Steuerung 25 kann die Anzahl der Schweißzyklen zählen und periodisch, wie zum Beispiel einmal pro kalibrierte Anzahl von Schweißzyklen, eine Bewegung der Schweißanordnung 12 zu der Reinigungsstation 60 anweisen, wie durch den doppelköpfigen Pfeil C angedeutet ist. Die Steuerung 25 kann dann die Sonotrode 14 und den Amboss 16 anweisen, an den Reinigungsblock 62 zu klemmen, wie durch den doppelköpfigen Pfeil A angedeutet ist.
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Um eine derartige Bewegung durchzuführen, kann die Schweißanordnung 12 mit einem Linear- und/oder Drehaktuator (nicht dargestellt) ausgestattet sein, der auf Positionssteuerungsanweisungen reagiert, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Sobald fest geklemmt, kann die Hauptsteuerung 25 die Übertragung von Ultraschallschweißenergie durch die Sonotrode 14 für eine kalibrierte Dauer anweisen, so dass die Ultraschallschweißenergie von der Sonotrode 14 direkt in den Reinigungsblock 62 abgegeben wird. Diese Tätigkeit ist dazu gedacht, durch periodische leichte Abrasion durch den Reinigungsblock 62 jegliches Restkupfer oder anderes Metallmaterial zu entfernen, das auf der Sonotrode 14 vorliegt.
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Gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform kann eine optionale Opferschicht 17 während des Prozesses beim Wechseln vom Schweißen einer Sorte eines Metallmaterials, z. B. Kupfer, zum Schweißen eines anderen Metalls, wie zum Beispiel Aluminium, auf die Schweißkontaktstellen 21 oder die Sonotrode 14 aufgetragen werden. Die Auftragung der Opferschicht 17 kann über automatisiertes oder manuelles Aufsprühen, wie nachstehend mit Bezug auf 1A beschrieben wird, oder alternativ durch Schwabbeln, Rollen, Schwämmen, Stampfen und dergleichen erfolgen. Die Verwendung der Opferschicht 17, wie hierin beschrieben, ermöglicht es, eine einzelne Sonotrode 14 zu benutzen, wenn unterschiedliche Arten von Metall geschweißt werden. Typischerweise erfordert das Ultraschallschweißen von ungleichen Metallen die Benutzung von zwei unterschiedlichen Sonotroden 14, um unerwünschte Werkzeugadhäsion zu vermeiden. Zum Beispiel kann eine Sonotrode 14 dazu benutzt werden, um Kupferwerkstücke zu schweißen, wie zum Beispiel Streifen einer in 2 gezeigten Batterie, und eine unterschiedliche Sonotrode 14 kann dazu benutzt werden, um alle Aluminiumwerkstücke zu schweißen. Die Sonotrode 14, die in diesem Beispiel dazu benutzt wird, um Aluminiumwerkstücke zu schweißen, kann dazu neigen, an den Aluminiumwerkstücken anzuhaften, wenn sie zuerst dazu benutzt wird, um Kupferwerkstücke zu schweißen.
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Als Teil des Verfahrens 100 können die Schweißkontaktstellen 21 der Sonotrode 14 von 1 während des Prozesses mit der Opferschicht 17 behandelt werden. Das spezifische Material, das für die Opferschicht 17 ausgewählt wird, hängt von den unterschiedlichen Metallen ab, die geschweißt werden. Zum Beispiel können die Werkstücke 40 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ein verlängertes, U-förmiges Aluminiumverbindungsbauteil umfassen, das einen Boden 41, Kupferzellenstreifen 42 und Aluminiumzellenstreifen 44 aufweist. Eine Verbindungsplatte 29 eines Batteriemoduls ist gezeigt, um anzudeuten, dass derartige Zellenstreifen 42 und 44 Elektrodenfortsätze der Batteriezellen sind, die innerhalb eines Batteriegehäuses (nicht dargestellt) untergebracht sind. Wenn die Materialien der Werkstücke 40 Kupfer und Aluminium sind, kann kolloidales Siliziumdioxid als Opferschicht 17 benutzt werden. Dieses besondere Material ist wirksam dabei, die Reaktivität von Restkupfer und den Aluminiumwerkstücken auf einen Grad unterhalb eines kalibrierten Adhäsionsschwellenwerts zu reduzieren. Andere Materialien können benutzt werden, vorausgesetzt sie reduzieren vergleichsweise ausreichend die Reaktivität der zwei benutzten Metalle.
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Die vorstehend beschriebene Hauptsteuerung 25 weist, z. B. durch Übertragung von Steuersignalen (Pfeile 11) über einen geeigneten Netzwerkpfad an die Schweißsteuerung 20 und letztendlich an ein Antriebssystem 12D der Schweißanordnung 12, eine Bewegung der Schweißanordnung 12 zu den Werkstücken 40 an, wobei eine derartige Bewegung durch einen doppelköpfigen Pfeil B in 1 oben rechts angedeutet ist. Die Sonotrode 14 klemmt an den Amboss 16, wie durch den doppelköpfigen Pfeil A angedeutet ist. In der in 1 dargestellten Position ist die Sonotrode 14 an ein Auftragungsgerät 30 an einer Auftragungsstation 50 geklemmt. In dieser Position sind in Reaktion auf die Steuerungssignale (Pfeile 11) die Schweißkontaktstellen 21 der Sonotrode 14, die benachbart zu dem Auftragungsgerät 30 sind, temporär und leicht an das Auftragungsgerät 30 angepresst.
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Das Auftragungsgerät 30 kann gemäß einer möglichen Ausführung als ein Schwamm oder anderes absorbierendes Material ausgeführt sein, das mit einem vorbestimmten Antiadhäsionsmaterial 33 in einer wässrigen Form vorbenetzt ist, welches letztendlich die Opferschicht 17 bildet. Zum Beispiel kann ein Vorrat 32 vorgesehen sein, der das Antiadhäsionsmaterial 33 in einer Gel- oder Flüssigform beinhaltet. Das Auftragungsgerät 30 kann bei dieser Ausführungsform eine beliebige feuchtigkeitszurückhaltende Struktur sein, die das Antiadhäsionsmaterial 33 von dem Vorrat 32 aufnehmen kann, wie zum Beispiel durch Saugen oder durch Kapillarität, um dadurch eine ausreichende Sättigung des Auftragungsgeräts 30 zum Benetzen der Schweißkontaktstellen 21 aufrecht zu erhalten. Alternativ kann auf den Vorrat 32 verzichtet werden und das Auftragungsgerät 30 zu einem geeigneten Grad periodisch mit dem vorbestimmten Antiadhäsionsmaterial 33 getränkt werden.
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Man kann sich andere Ausführungsformen vorstellen, wie zum Beispiel eine weiche Verbundschicht oder Schichten eines trockenen Films aus demselben oder einem ähnlichen Antiadhäsionsmaterial 33. Das heißt, die Auftragungsstation kann einen festen Block oder eine Matrix umfassen, die mit dem Antiadhäsionsmaterial 33 beschichtet ist. Die Steuerung 25 kann die Auftragung des Antiadhäsionsmaterials 33 auf die Schweißkontaktstellen 21 durch Anweisen der Ausübung einer Kraft auf die Sonotrode 14 anweisen, die ausreichend ist, um die Schweißkontaktstellen 21 mit einem derartigen festen Block oder Matrix in Kontakt zu bringen.
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Beispielsweise kann das Antiadhäsionsmaterial 33 zuerst in wässriger Form auf einen festen Block oder eine Matrix aufgetragen werden und dann trocknen gelassen werden. Ein Aluminiumblock mit einer angerauten Oberfläche kann als eine Basis benutzt werden, auf den das Antiadhäsionsmaterial 33 aufzutragen ist. Der Block oder die Matrix können ein beliebiges Material sein, das geeignet ist, um die Opferschicht 17 beizubehalten, so dass die Opferschicht 17 nicht leicht nach wenigen Benutzungen abblättert.
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Anstelle eines festen Blocks oder einer Matrix könnte das vorbestimmte Antiadhäsionsmaterial 33 für denselben Effekt auf ein poröses Material aufgetragen werden, wie zum Beispiel einen metallischen oder einen polymerischen Schaum mit offenen Zellen oder ein faseriges strukturiertes Material. Bei jeder dieser Ausführungsformen würde die Auftragungsstation 50 innerhalb der Reichweite der Sonotrode 14 lokalisiert sein, um eine periodische Neuauftragung der Opferschicht 17 auf die Schweißkontaktstellen 21 oder andere geeignete Teile des Schweißsystems 10 oder optional auf die Werkstücke 40 zu gestatten.
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Kurz Bezug nehmend auf 1A kann die Auftragungsstation 50 von 1 als eine alternative Auftragungsstation 150 konstruiert sein. Bei einer derartigen Ausführungsform kann eine kleine Fluidpumpe 36 das Antiadhäsionsmaterial 33 aus dem Vorrat 32 ziehen und das Antiadhäsionsmaterial 33 zu einer Sprühdüse 38 zirkulieren. Druck, der durch die Fluidpumpe 36 geliefert wird, verursacht, dass das Antiadhäsionsmaterial 33 in einem konzentrierten Sprühmuster 39 auf die Schweißkontaktstellen 21 der Sonotrode 14 ausgestoßen wird. Die Sprühdüse 38 kann konfiguriert sein, um nur einen feinen Sprühstrahl auf die Fläche der Schweißstellen abzugeben, um so Übersprühen zu minimieren.
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Bezug nehmend auf 1 und 2 können die Werkstücke 40 in einer beispielhaften Ausführungsform einen Teil eines mehrzelligen Batteriemoduls darstellen, das Zellenstreifen 42 und 44 mit entgegengesetzter Ladung aufweist. Zum Beispiel können die Zellenstreifen 44 aus Aluminium konstruiert sein und die Kathode oder positiven Streifen bereitstellen, wohingegen Zellenstreifen 42 aus Kupfer die Anode oder negativen Streifen bereitstellen können. Ein Paar der Zellenstreifen 42, 44 können an den jeweiligen Seiten eines verlängerten U-förmigen Verbindungsbauteils 49 positioniert sein, das typischerweise aus Kupfer konstruiert ist. Für veranschaulichende Einfachheit ist nur ein Teil des beispielhaften Batteriemoduls gezeigt, jedoch kann das Batteriemodul als Ganzes eine ausgedehnte Reihe von Verbindungsbauteilen 49 umfassen, die nebeneinander in einer oder mehreren Reihen angeordnet sind und jeweils einen Boden 41 und parallele Seitenwände 43 aufweisen.
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Jedes Verbindungsbauteil 49 verbindet entgegengesetzt geladene Zellenstreifen 42, 44 von benachbarten Batteriezellen, wobei die Zellenstreifen 42, 44 individuelle Elektrodenfortsätze einer gegebenen Batteriezelle ausbilden. Jeder Zellenstreifen 42, 44 ist unterhalb einer Verbindungsplatte 29 des Batteriemoduls, d. h. eines Kunststoff- oder Metallgehäuses des Batteriemoduls, von innen an die verschiedenen Anoden oder Kathoden geschweißt, welche die jeweilige Batteriezelle umfassen, wie von denjenigen wohlverstanden wird, die durchschnittlich fachkundig sind.
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Während sich die Schweißanordnung 12 von 1 über die Werkstücke 40 hinweg bewegt, kann die Hauptsteuerung 25 das Schweißen nur der Kupferstreifen, d. h. der Zellenstreifen 42, an das Verbindungsbauteil 49 anweisen, um Kupferschweißstellen 47 zu bilden, zum Beispiel zwei pro Seitenwand 43, wie in 1 gezeigt ist. Dieser Prozess kann, wie vorstehend erklärt, Restmengen von Kupfer auf den Schweißkontaktstellen 21 der Sonotrode 14 hinterlassen, die wiederum mit dem Aluminium der Zellenstreifen 44 reagieren können, wenn zum Schweißen der Aluminiumschweißstellen 144 gewechselt wird. Die Auftragung der Opferschicht 17 auf die Schweißkontaktstellen 21 beim Übergang vom Schweißen der Kupferschweißstellen 47 ist daher dazu gedacht, die Stärke jeglicher Adhäsion der Sonotrode 14 an die Werkstücke 40 in dem Bereich der Aluminiumschweißstellen 144 zu reduzieren. Während, wie in 2 gezeigt ist, eine optionale zusätzliche Opferschicht 170 direkt auf die Zellenstreifen 44 aufgetragen werden kann, ist das Beschichten der Schweißkontaktstellen 21 ausreichend, um die Reaktivität zu reduzieren. Die zusätzliche Opferschicht 170 könnte in einigen Ausführungsformen dazu benutzt werden, um die Schweißkontaktstellen 21 auch ohne die Opferschicht 17 bereitzustellen.
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Zum Beispiel können nach dem Schweißen einer Reihe von Kupferschweißstellen 47 ungefähr 35 μg von Restkupfer auf einer gegebenen Schweißkontaktstelle 21, die nicht mit der vorstehend beschriebenen Opferschicht 17 versehen wurde, überbleiben. Dies kann um mindestens 50% durch eine dünne Beschichtung mit dem Antiadhäsionsmaterial 33 reduziert werden, egal ob derartiges Material während der Zeit des Schweißens trocknen gelassen wird oder nass bleibt. Abermals das Kupfer-Aluminium Beispiel benutzend, korrelieren Reduzierungen des Restkupfers auf ungefähr 16 μg mit wenigen Gelegenheiten zur Adhäsion. Für die Prozesseffizienz kann die Auftragung der Operschicht 17 bei einem Übergang zu dem unähnlichen Metall stattfinden, z. B. einem Übergang von Kupferschweißen zu Aluminiumschweißen, anstatt mit jeder Schweißung eines Aluminiumzellenstreifens 44. Ein beispielhaftes Verfahren 100 wird nun mit Bezug auf 3 beschrieben.
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Das Verfahren 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform beginnt mit Schritt 102, in welchem die Hauptsteuerung 25 von 1 die Bewegung der Sonotrode 14 zu den Werkstücken 40 anweist, um einen Vibrationsschweißprozess zu beginnen. Das Verfahren 100 schreitet dann fort zu Schritt 104.
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Bei Schritt 104 weist die Hauptsteuerung 25 das Schweißen eines Satzes von Werkstücken (WP1) eines ersten Metalls, z. B. Kupfer, durch die Steuerungssignale (Pfeil 11) an. Das Verfahren 100 schreitet mit jeder abgeschlossenen Schweißung der ersten Metallsorte fort zu Schritt 106, bei dem die Hauptsteuerung 25 ermittelt, ob mehr Zellenstreifen derselben Metallsorte übrig sind, um geschweißt zu werden. Zum Beispiel ermittelt die Hauptsteuerung 25, wenn ein Werkstück 40 in der Form eines Batteriemoduls benutzt wird, das sechzehn Verbindungsbauteile 49 aufweist, ob alle Verbindungsbauteile 49 an die Zellenstreifen geschweißt wurden, die aus derselben Metallsorte konstruiert sind.
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Alternativ kann das Schweißsystem 10 den in 1 gezeigten Sensor 35 umfassen, d. h. einen Positionssensor, der eine Position der Sonotrode 14 misst und die gemessene Position als das Positionssignal (Pfeil P14) an die Hauptsteuerung 25 überträgt. Bei einer derartigen Ausführungsform kann die Hauptsteuerung programmiert sein, um den Wert des Positionssignals (Pfeil P14) mit einer bekannten letzten Schweißposition des Batteriemoduls, zu dem die Werkstücke 40 gehören, zu vergleichen, um einen Übergang vom Schweißen der Werkstücke 40 des ersten Metalls, hier Kupfer, zum Schweißen der Werkstücke eines zweiten Metalls, z. B. Aluminium, zu detektieren, wobei abermals das zweite Metall unterschiedlich zu und reaktiv mit dem ersten Metall ist. Schritte 104 und 106 werden wiederholt, bis alle Werkstücke 40 desselben ersten Metalls geschweißt sind und schreitet dann fort zum optionalen Schritt 108.
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Schritt 108 hat das Bewegen der Sonotrode 14 zu der Auftragungsstation 50 zur Folge, z. B. durch Übertragung der Steuerungssignale (Pfeil 11) an das Antriebssystem 12D. Sobald sie an der Auftragungsstation 50 richtig positioniert ist, ein Zustand, der durch Erfassen der Position der Schweißanordnung 12 und Steuern der Position über geschlossene Regelkreissteuerungen, die aus dem Stand der Technik wohlbekannt sind, ermittelt werden kann, schreitet das Verfahren 100 fort zu Schritt 110.
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Der optionale Schritt 110 hat das Auftragen des Antiadhäsionsmaterials 33 auf die Schweißkontaktstellen 21 zur Folge. Schritt 110 kann in verschiedenen Ausführungsformen das Anweisen eines Anpressens der Sonotrode 14 gegen ein vorbenetztes Auftragungsgerät 30, wie vorstehend beschrieben, oder das Aufsprühen des Antiadhäsionsmaterials 33 direkt auf die Schweißkontaktstellen 21, wie in 1A gezeigt, umfassen. Alternativ kann für denselben Effekt das Antiadhäsionsmaterial 33 durch eine feste Schicht, wie zum Beispiel dünne Bleche derselben Materialsorte, die an einem Schaumblock angebracht ist, oder eine Pulverbeschichtung, die in ein Fasermaschennetzwerk eingeschlossen ist, ersetzt werden. Sobald die Schweißkontaktstellen 21 beschichtet oder anderweitig mit dem Antiadhäsionsmaterial 33 versehen wurden, das dazu benutzt wird, die Opferschicht 17 auszubilden, kann die Steuerung 25 einen Zähler hochzählen. Das Verfahren 100 schreitet dann zu Schritt 112 fort.
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Bei Schritt 112 schweißt die Sonotrode 14 die Werkstücke (WP2) eines zweiten Materials, z. B. Aluminium. Das zweite Metall unterscheidet sich von dem ersten Metall von Schritt 104, wobei das erste Metall zu einem gewissen Grad mit dem zweiten Metall reaktiv ist. Schritt 112 dauert an, bis alle Werkstücke 40 des zweiten Metalls an das Verbindungsbauteil 49 geschweißt sind, worauf an diesem Punkt das Verfahren 100 zu Schritt 113 fortschreitet.
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Der optionale Schritt 113 hat das Bestimmen zur Folge, ob die Schweißkontaktstellen 21 eine kalibrierte Anzahl (N = CAL) von Malen mit dem Antiadhäsionsmaterial 33 beschichtet wurden. Zum Beispiel kann die Hauptsteuerung 25 mit jeder Auftragung einen Zähler (N) hochzählen, wie vorstehend in Schritt 110 angemerkt wurde. Wenn der Wert von N einen kalibrierten ganzzahligen Zählerstand übersteigt, schreitet das Verfahren 100 fort zu Schritt 114. Andernfalls wiederholt sich das Verfahren 100 bei Schritt 102.
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Bei Schritt 114 weist die Hauptsteuerung 25 periodisch eine Bewegung der Sonotrode 14 zu der Reinigungsstation 60 von 1 an, z. B. einmal pro kalibrierte Anzahl von Schweißzyklen. Das Verfahren 100 schreitet fort zu Schritt 116, sobald die Sonotrode 14 richtig an der Reinigungsstation 60 positioniert ist. Wie auch bei den Schritten 102 und 108, kann Schritt 114 durch die Steuerung 25 eine Regelung der Position der Schweißanordnung 12 zu einem bekannten Zielort der Reinigungsstation zur Folge haben.
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Bei Schritt 116 führt die Steuerung 25 eine Reinigungssteuertätigkeit (EXEC CA) aus, um Restmaterial der Werkstücke 40 zu entfernen, die bei Schritt 104 geschweißt wurden, z. B. Kupfer. Schritt 116 kann das Anpressen der Schweißkontaktstellen 21 an den Reinigungsblock 62 und das Veranlassen der Sonotrode 14, mit einer kalibrierten Ultraschall- oder anderen geeigneten Reinigungsfrequenz zu vibrieren, umfassen. Dies wiederum löst den Rückstand von den Schweißkontaktstellen 21, ohne die Schweißkontaktstellen 21 abzutragen. Da die Sonotrode 14 als Ganzes typischerweise aus einem harten Stahl in Werkzeugqualität konstruiert ist, sollten die Materialien des Reinigungsblocks 62 relativ weich und daher nicht abrasiv in Bezug auf die Schweißkontaktstellen 21 sein. Wie vorstehend erwähnt, ist Aluminium ein mögliches Material zum Konstruieren des Reinigungsblocks 62. Ein poröser Polyethylensiliziumdioxid- oder ein poröser Polyethylenaluminiumoxidverbund kann auf einen Aluminiumbarren laminiert sein, um die in 1 gezeigte Schicht 63 auszubilden, wobei die Schicht 63 benutzt wird, um einen Rückstand von den Schweißkontaktstellen 21 zu lösen. Wie in 1 gezeigt ist, kann die Schicht 63 auf beiden Seiten des Reinigungsblocks 62 vorliegen. Dies ermöglicht es, die Schweißkontaktstellen 21 und 23 bei Bedarf simultan zu reinigen. Ebenso wie die Metalle, die in dem Werkstück 40 benutzt werden, können die Materialien, welche verwendet werden, um die Schichten 63 aufzubauen, unterschiedlich sein, d. h. wobei die Materialien entsprechend dem jeweiligen Metall gewählt werden, das benutzt wird. Das Verfahren 100 schreitet fort zu Schritt 102, sobald Schritt 116 für eine ausreichende Dauer angedauert hat.
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Entsprechend sind das Schweißsystem 10 von 1 und das Verfahren 100 von 3 dazu gedacht, das Auftreten und/oder die Stärke der Oberflächenadhäsion der Sonotrode 14 an die Werkstücke 40 zu reduzieren, speziell durch die Reduzierung der Reaktivität eines Restmetalls, wie zum Beispiel Kupfer, mit einen anderen Metall, wie zum Beispiel Aluminium. Beim Schweißen von Batteriezellen aus unterschiedlichen Materialien ermöglicht das Verfahren 100 die Benutzung einer einzelnen Sonotrode 14 für alle Schweißstellen, im Gegensatz zu dem relativ zeitaufwändigen Prozess die Sonotrode 14 nach Vervollständigung der Kupferschweißstellen zu wechseln. Das Verfahren 100 kann auch die Ausschussrate von einem beliebigen Ultraschallschweißprozess reduzieren und gleichzeitig die Prozesseffizienz optimieren.
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Während die besten Weisen zum Ausführen der Offenbarung im Detail beschrieben wurden, werden diejenigen, die mit dem Gebiet vertraut sind, das diese Offenbarung betrifft, verschiedene alternative Ausführungen und Ausführungsformen erkennen, die in den Rahmen der beigefügten Ansprüche fallen.
