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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ultraschallschweißen von metallischen Fügepartnern, insbesondere aufweisend unterschiedliche Metalle, mit einer Sonotrode, die in eine Ultraschallschwingung versetzt wird und mit einem Gegenkörper, sodass die Fügepartner zwischen der Sonotrode und dem Gegenkörper mit einer Schweißprozesskraft aufeinander gedrückt werden.
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STAND DER TECHNIK
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Beim Ultraschallschweißen von Mischverbindungen werden beispielsweise Stahlwerkstoffe mit Aluminiumwerkstoffen verschweißt. Derartige Schweißverbindungen, die mit Ultraschallschweißverfahren hergestellt werden, finden in der Automobilindustrie Anwendung, beispielsweise sind sogenannte Stahleinlagen bekannt, die mit Aluminiumblechen durch ein Ultraschallschweißen verbunden werden. Oftmals wird dabei der Stahlwerkstoff hochfest gewählt, und beim Aufsetzen der Sonotrode kann es zu einem erhöhten Verschleiß kommen, wenn sich durch die Ultraschallanregung eine Relativbewegung zwischen der Sonotrode und dem Fügepartner ergibt, auf dem die Sonotrode aufsetzt und der aus einem hochfesten Stahlwerkstoff ausgebildet ist.
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Beispielhaft zeigt 1 einen bekannten Aufbau, um ein Verfahren zum Ultraschallschweißen von metallischen Fügepartnern 1 und 2 auszuführen. Das Ultraschallschweißen erfolgt mittels einer Sonotrode 3, die in eine Ultraschallschwingung versetzt wird, und die Sonotrode 3 drückt die Fügepartner 1 und 2 mit einer Schweißprozesskraft gegen einen Gegenkörper 4, der auch als Amboss bezeichnet wird. Um ein Rutschen der Sonotrode 3 über der Rückseite des ersten Fügepartners 1 zu vermeiden, kann die Sonotrode mit einer Oberflächenstrukturierung 10 ausgeführt werden, beispielsweise mit einer Riffelung. Dadurch kann die Ultraschallschwingung von der Sonotrode 3 verbessert auf den ersten Fügepartner 1 übertragen werden, weist der Fügepartner 1 jedoch einen metallischen Werkstoff hoher Härte auf, ist ein Rutschen zwischen der Sonotrode 3 und dem ersten Fügepartner 1 auch mit einer Riffelung nicht vollständig zu vermeiden. Im Ergebnis verschleißt die Sonotrode 3 vorzeitig, was es zu vermeiden gilt.
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Die
DE 10 2010 004 407 A1 zeigt beispielhaft einen Aufbau zur Ausführung eines Ultraschallschweißverfahrens, und zur Verbesserung des Verfahrens wird die Sonotrode in ihrer Längsrichtung durch eine Abstützung geführt. Dadurch wird sichergestellt, dass sich kein übermäßiger Verschleiß der Sonotrode ergibt. Die Abstützung kann aus einer Keramik, aus einer Invar-Legierung oder aus einem gehärteten Stahl bestehen. Diese Materialien sind sehr verschleißfest und besitzen bei geeigneter Schmierung gegenüber der Sonotrode einen vernachlässigbaren Reibungskoeffizienten. Eine Schmierung ist dabei auf den Bereich zwischen der Sonotrode und dem Abstützelement begrenzt.
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Die
US 2011/0143161 A1 offenbart Vorschläge zur Verbesserung eines Ultraschallschweißverfahrens, und zur Herstellung der Schweißverbindung wird vorgeschlagen, dass die Grenzfläche zwischen den zu verschweißenden Fügepartnern Bereiche aufweist, die nicht verschweißt sind. Hierfür werden dünne Materialschichten auf der Oberfläche wenigstens eines der Fügepartner aufgebracht, die eine lokale Verschweißung verhindern. Dadurch soll eine Coulombsche Dämpfung erzeugt werden, um die Übertragung von Schwingungen zu verringern, sodass die Relativbewegung zwischen den Fügepartnern verstärkt wird. Ein Sonotrodenverschleiß wird dadurch jedoch nicht direkt minimiert.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung eines Verfahrens zum Ultraschallschweißen, bei dem der Verschleiß einer Sonotrode minimiert wird. Insbesondere soll ein Rutschen zwischen dem an die Sonotrode angrenzenden Fügepartner und der Sonotrode minimiert oder sogar vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch die Verwendung eines Schmierstoffes gemäß Anspruch 10. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung schlägt zur Lösung der Aufgabe vor, dass das Verfahren wenigstens die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen der Fügepartner; Einbringen eines Schmierstoffes zwischen die Fügepartner; Aufeinanderdrücken der Fügepartner mit der Schweißprozesskraft und Einleiten der Ultraschallschwingung mittels der Sonotrode in einen der Fügepartner.
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Kern der Erfindung ist die Schmierung des Kontaktbereiches zwischen den Fügepartnern, in welchem die Schweißverbindung gebildet werden soll. Die Reibung zwischen den Fügepartnern wird durch das Einbringen des Schmierstoffes reduziert, sodass sich auch die Kräfte in Richtung der Schwingungsbewegung der Sonotrode quer zur Richtung der Schweißprozesskraft reduzieren, die von der Sonotrode auf den sonotrodenseitigen Fügepartner übertragen werden müssen. Die Reibung zwischen den Fügepartnern wird von einer Festkörperreibung in eine Flüssigreibung gewandelt, die geringere Reibwerte ermöglicht. Der Schmierstoff wird dabei mit einer Menge in den Fügespalt eingebracht, sodass mit dem Aufbringen der Schweißprozesskraft und mit dem Einleiten der Ultraschallschwingung mittels der Sonotrode der Schmierstoff aus der Fügezone verdrängt wird, und sodass anschließend die Schweißverbindung hergestellt werden kann. Insbesondere wird der Schmierstoff mit einer Viskosität gewählt, der die Verdrängung des Schmierstoffes aus der Fügezone ermöglicht.
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Das Einbringen des Schmierstoffes kann auf verschiedene Weise erfolgen. Beispielsweise kann der Schmierstoff vor dem Aufeinanderlegen und vor Aufbringung der Schweißprozesskraft auf die Fügeoberfläche wenigstens eines der beiden Fügepartner aufgebracht werden. Das Aufbringen des Schmierstoffes auf die wenigstens eine Fügeoberfläche kann beispielsweise durch eine Sprüheinrichtung vorgenommen werden. Auch ist es denkbar, dass das Einbringen des Schmierstoffes durch ein Aufstempeln auf eine Fügeoberfläche mittels eines Stempels erfolgt, abhängig davon, welche Konsistenz der Schmierstoff hat. Denkbar sind Flüssigschmierstoffe, Festschmierstoffe, konsistente Schmierstoffe oder pulverförmige Schmierstoffe.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Schmierstoff auch durch ein Beölen einer Fügeoberfläche wenigstens eines der Fügepartner aufgebracht werden. Auch ist es denkbar, dass der Schmierstoff durch ein Eintauchen wenigstens eines der Fügepartner in ein Schmierstoff-Tauchbad auf die Fügeoberfläche aufgebracht wird. Schließlich kann der Schmierstoff auch als Trockenschmierstoff gewählt werden, sodass das Aufbringen des Schmierstoffs durch einen Trockenschmierstoff auf die Fügeoberfläche erfolgt, wobei der Trockenschmierstoff selbstklebend oder selbsthaltend auf der Fügeoberfläche aufgebracht werden sollte.
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Die Erfindung richtet sich weiterhin auf die Verwendung eines Schmierstoffes zur Ausführung eines Verfahrens zum Ultraschallschweißen von metallischen Fügepartnern, insbesondere aufweisend unterschiedliche Metalle, mit einer Sonotrode, die in eine Ultraschallschwingung versetzt wird und mit einem Gegenkörper, sodass die Fügepartner zwischen der Sonotrode und dem Gegenkörper mit einer Schweißprozesskraft aufeinandergedrückt werden, wobei zunächst die Fügepartner bereitgestellt werden, und es erfolgt das Einbringen des Schmierstoffes zwischen die Fügepartner, gefolgt durch ein Aufeinanderdrücken der Fügepartner mit der Schweißprozesskraft und schließlich erfolgt das Einleiten der Ultraschallschwingung mittels der Sonotrode in einen der Fügepartner.
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AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
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1 eine schematische Ansicht eines Aufbaus zur Ausführung eines Ultraschall-Schweißverfahrens gemäß dem Stand der Technik,
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2 beispielhaft das Aufbringen eines erfindungsgemäßen Schmierstoffes auf wenigstens einen der beiden Fügepartner mit einer Sprüheinrichtung,
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3 den schematischen Aufbau zur Ausführung des Ultraschall-Schweißverfahrens mit einer Aufbringung eines Schmierstoffes mittels eines Stempels und
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4 ein Diagramm, das den Reibungskoeffizienten μ über der Zeit zeigt, wobei die Zeit die Schweißzeit wiedergibt, während der die Schweißprozesskraft aufgebracht und die Ultraschallschwingung in die Sonotrode eingebracht wird.
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1 zeigt einen bekannten Aufbau zur Ausführung eines Verfahrens zum Ultraschallschweißen mit einem ersten Fügepartner 1 mit einem zweiten Fügepartner 2, mit einer Sonotrode 3 und mit einem Gegenkörper 4. Über die Sonotrode 3 wird eine Schweißprozesskraft F aufgebracht, durch die die Fügepartner 1 und 2 gegen den Gegenkörper 4 aufeinandergepresst werden. Der Gegenkörper 4 wird dabei auch als Amboss bezeichnet, und kann ruhend angeordnet sein. Die Fügepartner 1 und 2 sind beispielhaft als Bleche dargestellt und können metallische Werkstoffe unterschiedlicher Güte oder Klassifikation aufweisen, beispielsweise einen Stahlwerkstoff oder einen Aluminiumwerkstoff. Wird die Sonotrode 3 eingeschaltet und wird eine Ultraschallschwingung erzeugt, so schwingt wenigstens ein vorderer Teil der Sonotrode 3, mit dem diese auf den ersten Fügepartner 1 aufgedrückt wird. Um die in der Regel planare Ultraschallschwingung, siehe Pfeile, von dem Sonotrodenkopf der Sonotrode 3 auf den ersten Fügepartner 1 zu übertragen, sind Oberflächenstrukturierungen 10 bekannt, sodass der Reibungskoeffizient zwischen dem Kopf der Sonotrode 3 und dem ersten Fügepartner 1 minimiert wird. Schließlich entsteht eine Schweißverbindung in dem Kontaktbereich zwischen dem ersten Fügepartner 1 und dem zweiten Fügepartner 2, sodass die Schweißprozesskraft F anschließend wieder entnommen werden kann, wenn der Schweißvorgang beendet ist. Ausgehend von dieser an sich bekannten Anordnung zum Ultraschallschweißen zeigen die weiteren 2 und 3 Möglichkeiten zum erfindungsgemäßen Aufbringen eines Schmierstoffes auf wenigstens einen der Fügepartner 1, 2.
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2 zeigt die Anordnung gemäß 1 mit getrennt voneinander angeordneten Fügepartnern 1 und 2, und über eine Sprüheinrichtung 8 wird Schmierstoff 5 auf die Fügeoberfläche 6 des ersten Fügepartners 1 aufgebracht. Wie durch eine Schattenansicht gezeigt, kann mit der gleichen Sprüheinrichtung 8 auch alternativ oder zusätzlich Schmierstoff 5 auf die Fügeoberfläche 7 des zweiten Fügepartners 2 aufgebracht werden. Werden die beiden Fügepartner 1 und 2 aufeinander gebracht, so verbleibt der Schmierstoff 5 in der Fügezone zwischen den Fügeoberflächen 6 und 7, und wird anschließend die Schweißprozesskraft F zwischen der Sonotrode 3 und dem Gegenkörper 4 aufgebracht, und wird die Ultraschallschwingung eingeleitet, so wandert der Schmierstoff 5 allmählich aus der Fügezone, und es kann auf gewöhnliche Weise eine Ultraschall-Schweißverbindung zwischen den beiden Fügeoberflächen 6 und 7 hergestellt werden.
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3 zeigt eine alternative Möglichkeit zur Aufbringung des Schmierstoffes 5 auf wenigstens eine der Fügeoberflächen 6 oder 7, wobei beispielhaft der Schmierstoff 5 auf die Fügeoberfläche 7 aufgestempelt wird. Hierzu dient ein Stempel 9, der automatisch über ein Handhabungssystem oder manuell bedient werden kann. Anschließend wird der Stempel 9 entnommen, und der auf wenigstens eine der Fügeoberflächen 6, 7 aufgebrachte Schmierstoff 5, in der Ansicht noch anhaftend an der Oberfläche des Stempels 9 gezeigt, verbleibt auch nach Aufbringung einer Schweißprozesskraft F zwischen der Sonotrode 3 und dem Gegenkörper 4 zwischen den Fügeoberflächen 6, 7.
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4 zeigt ein Diagramm, das einen Reibungskoeffizienten μ über einer Schweißzeit t darstellt. Gezeigt ist mit dem Verlauf I die Größe des Reibungskoeffizienten zweier trocken aufeinander reibender Fügepartner aus metallischem Werkstoff. Zu Beginn muss die Haftreibung überwunden werden, wodurch der Reibungskoeffizient I hohe Werte aufweist. Dies geschieht bis zu einem Zeitpunkt einer minimalen Reibung, in der der Verlauf des Reibungskoeffizienten I ein Minimum aufweist. Bis zu diesem Zeitpunkt wird das Material plastifiziert und der Reibungskoeffizient I sinkt. Ab dem Zeitpunkt des minimalen Reibungskoeffizienten steigt dieser aufgrund der entstehenden Schweißverbindung wieder leicht an. Der Verlauf des Reibungskoeffizienten II entsteht bei einer erfindungsgemäßen Schmierung der Fügeoberflächen 6, 7 zwischen den Fügepartnern 1, 2, und zu Beginn des Prozessverlaufes verhindert der Schmierstoff bereits den direkten Kontakt der beiden Fügeoberflächen 6, 7, wodurch sich ein deutlich geringerer Reibungskoeffizient II ergibt. Dabei muss die Haftreibung nicht mehr überwunden werden, da die Fügepartner beim ersten Kontakt schon eine hohe Relativgeschwindigkeit zueinander aufweisen. Bis zu einem Zeitpunkt des minimalen Reibungskoeffizienten II, übereinstimmend mit dem Reibungskoeffizienten I, steigt der Reibungskoeffizient ebenfalls wieder an, da der Schmierstoff durch die Ultraschallbewegung aus der Fügezone heraus transportiert wird. Gleichzeitig beginnt die Plastifizierung der Kontaktflächen der Fügeteile.
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Der Verlauf III zeigt den Reibungskoeffizienten des Schmierstoffes bis zu einem Zeitpunkt des Zwischenmaximums des Reibungskoeffizienten II, wonach kein Schmierstoff mehr im Fügespalt mehr vorhanden ist, dargestellt durch den Verlauf III‘ des Reibungskoeffizienten.
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Der Schmierstoff wird erfindungsgemäß entweder auf dem sonotrodenseitigen Fügepartner oder auf dem gegenkörperseitigen Fügepartner aufgebracht. Der Schmierstoff wird zum Beispiel durch einen Stempel aufgebracht, aufgesprüht, oder einer der Fügepartner wird in den Schmierstoff getaucht. Außerdem kann mit geölten Blechen gearbeitet werden, eine Reinigung der Oberfläche und ein erneutes Aufbringen eines Schmierstoffes sind in diesem Fall nicht mehr nötig. Es können Festschmierstoffe, konsistente Schmierstoffe oder flüssige Schmierstoffe verwendet werden.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiven Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erster Fügepartner
- 2
- zweiter Fügepartner
- 3
- Sonotrode
- 4
- Gegenkörper
- 5
- Schmierstoff
- 6
- Fügeoberfläche
- 7
- Fügeoberfläche
- 8
- Sprüheinrichtung
- 9
- Stempel
- 10
- Oberflächenstrukturierung
- F
- Schweißprozesskraft
- μ
- Reibungskoeffizient
- t
- Schweißzeit
- I
- Verlauf Reibungskoeffizient trocken
- II
- Verlauf Reibungskoeffizient geschmiert
- III
- Verlauf Reibungskoeffizient Schmiermittel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010004407 A1 [0004]
- US 2011/0143161 A1 [0005]
