DE102016218512A1 - Verfahren zum Ultraschall-Punktschweißen von thermoplastischen Kunststoffbauteilen, Ultraschall-Punktschweißvorrichtung sowie Verwendung der Ultraschall-Punktschweißvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ultraschall-Punktschweißen, bei dem zwei miteinander zu fügende thermoplastische Bauteile im Bereich einer Fügezone in Kontakt miteinander gebracht und zwischen den Kontaktflächen einer Sonotrode (20) und eines Amboss (30) einer Ultraschallschweißvorrichtung (10) positioniert werden, mittels der Sonotrode (20) Ultraschallschwingungen in die Bauteile (40, 50) eingeleitet werden, wobei die Ambosskontaktfläche (AA) kleiner als die Sonotrodenkontaktfläche (AS) ist und die Kontaktflächen in einem vorgegebenen Flächenverhältnis (AS/AA) zueinander stehen, das derart gewählt ist, dass durch Aufbringen einer vorgegebenen vertikalen Ultraschallschwingung (U) und einer vorgegebenen Schweißkraft (K) ein periodischer Schlupf (S) zwischen den Bauteilen (40, 50) in der Fügezone erzeugt wird, aus der eine Erwärmung durch Reibung resultiert sowie eine Ultraschall-Punktschweißvorrichtung sowie deren Verwendung.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ultraschall-Punktschweißen von zwei thermoplastischen Kunststoffbauteilen, eine Ultraschall-Punktschweißvorrichtung sowie eine Verwendung der Ultraschall-Punktschweißvorrichtung.
• Thermoplastische Kunststoffe lassen sich mittels Ultraschall stoffschlüssig miteinander verschweißen. Beim Ultraschall-Punktschweißen werden die zu verschweißenden Bauteile an der Fügestelle überlappend angeordnet und zwischen einer Sonotrode und einem Amboss fixiert. Mittels der Sonotrode werden mechanische Vibrationen mit Ultraschallfrequenz begleitet von einer statischen Kraft, die auch als Schweißkraft bezeichnet wird, in die zu schweißenden Bauteile aufgebracht, wobei der Amboss als Gegenlager dient. Die Schwingungsrichtung liegt beim Kunststoff-Ultraschallschweißen senkrecht zur Schweißfläche. Durch Absorption der Schwingungen im Material der Bauteile entsteht durch Grenzflächen- und Molekularreibung Wärme. Die Wärme führt zu einer Plastifizierung des Werkstoffs. Durch die gleichzeitige Druckbeaufschlagung mit anschließender Abkühlung erfolgt eine stoffschlüssige Materialverbindung der zu verschweißenden Bauteile.
• Für das Ultraschallschweißen von Kunststoffen werden bislang Flachsonotroden oder Punktsonotroden verwendet. Flachsonotroden koppeln den Schall über eine flache Kontaktfläche in das Bauteil ein. Um eine definierte Schalleinkopplung zu gewährleisten, werden Flachsonotroden üblicherweise in Kombination mit Energierichtungsgebern in der Schweißzone eingesetzt. Diese Energierichtungsgeber werden z. B. als stegartige oder punktuelle Erhebungen an den Bauteilen vorgesehen oder als separate Fügeelemente in die Schweißzone eingebracht. So ist aus der Druckschrift DE 10 2014 111 253 A1 ein Verfahren bekannt, mit dem separate Energierichtungsgeber zwischen den zu fügenden Bauteilen positioniert werden können. Jedoch ist es insbesondere bei großen Bauteilen schwierig, die Energierichtungsgeber exakt zu positionieren bzw. mit den erforderlichen Details auszubilden.
• Weiterhin ist die Verwendung von Punktsonotroden bekannt, um eine gerichtete Schalleinkopplung zu erreichen. Eine Punktsonotrode weist eine mit dem Bauteil in Anlage kommende Kontaktfläche mit einer definierten Erhebung auf, welche in das Bauteil eingepresst wird. Hierdurch kann zwar auf Energierichtungsgeber verzichtet werden, jedoch ist nachteilig, dass die Schalleinkopplung über eine kleine Fläche erfolgt. Häufig ist die angebundene Fläche zu gering und die erforderlichen Festigkeiten der Schweißverbindung können nicht erreicht werden. Zudem erfolgt durch die Punktsonotrode eine Materialschädigung an der Einstechstelle, welche nicht nur einen optischen Nachteil, sondern insbesondere bei faserverstärkten Bauteilen auch weitere Nachteile, wie z. B. Festigkeits- oder Kontaktkorrosionsprobleme, mit sich bringen kann.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit zum Ultraschall-Punktschweißen anzugeben, die mindestens einen der genannten Nachteile nicht aufweist. Weiterhin soll ein Verfahren und eine Vorrichtung angegeben werden, womit eine hinsichtlich der Festigkeit und/oder dem optisches Erscheinungsbild verbesserte Fügeverbindung von thermoplastischen Kunststoffbauteilen erzielbar ist.
• Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung nach Patentanspruch 6. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. In einem Nebenaspekt betrifft die Erfindung weiterhin eine Verwendung der Vorrichtung.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Ultraschall-Punktschweißen werden zwei thermoplastische Bauteile im Bereich einer Fügezone in Kontakt miteinander gebracht und zwischen den Kontaktflächen einer Sonotrode und eines Amboss einer Ultraschallschweißvorrichtung positioniert. Mittels der Sonotrode werden Ultraschallschwingungen in die Bauteile eingeleitet. Erfindungsgemäß ist die Ambosskontaktfläche kleiner als die Sonotrodenkontaktfläche, wobei die Kontaktflächen in einem vorgegebenen Flächenverhältnis zueinander stehen, das derart gewählt ist, dass zwischen den Bauteilen durch Aufbringen einer vorgegebenen vertikalen Ultraschallschwingung und einer vorgegebenen Schweißkraft ein periodischer Schlupf in der Fügezone erzeugt wird, aus dem eine Erwärmung durch Reibung resultiert.
• Die Erfindung nutzt, dass die Bauteile aufgrund des vorgegebenen Flächenverhältnisses unter Einwirkung der Schweißkraft bzw. des Schweißdrucks und der Ultraschallschwingung eine elastische Verformung erfahren, welche für beide Bauteile unterschiedlich ist und so in der Fügezone bzw. Schweißzone zu einem Schlupf führt. Aufgrund des Schlupfes reiben die Bauteile aneinander. Diese Reibung entsteht unmittelbar im Bereich der Fügezone und trägt zu einem erheblichen bzw. überwiegenden Maß zur Bauteilerwärmung bei. Als Fügezone wird der Bereich der Bauteile bezeichnet, in dem der Schweißpunkt ausgebildet wird. Demgegenüber erfolgt bei herkömmlichen Ultraschallschweißverfahren für Kunststoffe die Bauteilerwärmung durch die periodische Kompression der Bauteile sowie die viskoelastische Umwandlung der Formänderungsenergie in Wärme.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wirkt die Erwärmung durch Reibung an der Grenzfläche zwischen den Bauteilen mit der Erwärmung durch innere Reibung zusammen und bewirkt, dass sich die Grenzfläche in der Schweißzone örtlich begrenzt und schnell mit z. B. einer Geschwindigkeit von bis zu 2000°C/sec aufheizt bis die Glasübergangstemperatur (einer amorphen Matrix) oder die Schmelztemperatur (einer thermoplastischen Matrix) erreicht ist. Gegenüber herkömmlichen Verfahren entsteht die Wärme direkt in der Schweißzone, weshalb die Bauteiloberflächen weniger thermisch belastet werden und Abdrücke durch die Sonotrode bzw. den Amboss vermieden werden können. Insbesondere kommt es durch die Reibungserwärmung zur Ausbildung eines ringförmigen Bereichs in der Schweißzone, in dem die Glasübergangstemperatur oder die Schmelztemperatur des Bauteilmaterials erreicht wird. Die Größe der Schweißfläche kann durch die Größe der Sonotrodenfläche sowie das Flächenverhältnis von Amboss- zu Sonotrodenkontaktfläche beeinflusst werden.
• Die Richtung der Ultraschallschwingung ist vertikal zur Kontaktfläche der Bauteile in der Fügezone, d. h. die Sonotrode schwingt longitudinal. Die Ultraschallschwingung erfolgt vorzugsweise mit einer Frequenz im Bereich von 20 bis 40 kHz und mit kleiner Amplitude von bis zu 100 μm.
• Vorteilhafter Weise kann das Verfahren in einer bevorzugten Ausgestaltung energierichtungsgeberfrei erfolgen, so dass die Bauteile im Bereich der Fügezone flächig aufeinander aufliegen. Zur gezielten Erwärmung der Bauteile werden weder von den Bauteilen hervorstehende Strukturen benötigt noch Energierichtungsgeber in Form von separaten Einlegebauteilen.
• Die Erwärmung der Schweißzone durch Reibung hängt bei vorgegebenem Material linear von dem Schweißdruck sowie dem Schlupf bzw. der Reibungsstrecke zwischen den Bauteilen ab. Der Schlupf wiederum wird durch die Dicke der Bauteile, das Verhältnis der Bauteildicken zueinander, die Schwingungsamplitude und das Flächenverhältnis von Sonotrodenkontaktfläche und Ambosskontaktfläche beeinflusst. Vorteilhafter Weise wird in einer Ausgestaltung das Flächenverhältnis von Sonotrodenkontaktfläche zu Ambosskontaktfläche in einem Bereich von 2,25 bis 4 gewählt, d. h. die Sonotrodenkontaktfläche ist 2,25 bis 4 mal so groß wie die Ambosskontaktfläche, wodurch sich gute Schweißparameter weitgehend unabhängig von den weiteren Parametern einstellen.
• Das Verfahren wird als Punktschweißung durchgeführt, wobei in einem einzigen Schweißvorgang ein einzelner Schweißpunkt oder auch mehrere Schweißpunkte ausgebildet werden können. Üblicherweise werden zum Verbinden der Bauteile mehrere Punktschweißungen durchgeführt, wobei die Schweißpunkte räumlich beabstandet zueinander angeordnet sind. Ebenso können die einzelnen Schweißpunkte einander überlappen, so dass in mehreren Schweißvorgängen eine durchgängige Schweißnaht ausgebildet werden kann.
• Unter einem „thermoplastischen Kunststoffbauteil” ist sowohl ein Bauteil zu verstehen, das aus thermoplastischem Kunststoff ausgebildet ist, als auch ein Bauteil aus einem thermoplastischen Kunststoffverbundmaterial, wie z. B. einem faserverstärkten Kunststoff mit thermoplastischer Matrix. Die Faserverstärkung kann z. B. durch Kohlenstoff-, Glas- oder Aramidfasern realisiert sein. Vorzugsweise ist das Bauteil mit Endlosfasern verstärkt, die sich von einem Bauteilende zum gegenüberliegenden Bauteilende erstrecken und gerichtet im Bauteil z. B. als Gewebe, angeordnet sind. Das thermoplastische Kunststoffbauteil ist vorzugsweise ein blechartiges Formteil, wobei der Begriff blechartig bedeuten soll, dass das Bauteil eine gegenüber der Bauteilbreite und -länge sehr viel geringere Materialdicke aufweist, insbesondere eine Materialdicke im Bereich von einem Millimeter bis sechs Millimeter und besonders bevorzugt im Bereich von einem Millimeter bis drei Millimeter. Vorzugsweise sind die thermoplastischen Bauteile Strukturbauteile für ein Fahrzeug. Sollen zwei Bauteile unterschiedlicher Dicke miteinander mit dem Verfahren verschweißt werden, so wird vorteilhafter Weise das Bauteil mit der größeren Materialdicke angrenzend an die Sonotrode positioniert.
• Die Kontaktflächen von Amboss und Sonotrode sind diejenigen Flächen, welche während der Schweißung in Kontakt mit den Bauteilen gelangen. Ihre Geometrie ist nicht auf eine bestimmte Form beschränkt. Es können runde oder eckige Flächen verwendet werden, wobei der Begriff „rund” auch von der Kreisform abweichende Flächen, wie z. B. Ellipsen o. ä., und der Begriff „eckig” drei- vier, oder mehreckige Formen umfassen soll, wobei die Ecken gerundet sein können. Amboss- und Kontaktfläche können die gleiche oder voneinander abweichende Formen aufweisen, so können z. B. runde Ambosskontaktfläche mit runder Sonotrodenkontaktfläche, eckige Ambosskontaktfläche mit runder Sonotrodenkontaktfläche oder andere Varianten miteinander kombiniert werden.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Kontaktflächen von Amboss und Sonotrode parallel zueinander und parallel zur Bauteilkontaktfläche in der Fügezone angeordnet. Eine exakte Einhaltung der Parallelität verhindert, dass sich Energie an den Kanten des Amboss konzentriert, was zu Aufschmelzungen an der Bauteiloberfläche und Abdrücken durch die Ambosskontaktfläche führen könnte.
• Um unerwünschte Oberflächenmarkierungen durch den Amboss oder die Sonotrode zu reduzieren oder vollständig zu vermeiden, sind in einer Ausgestaltung die Kontaktflächen von Sonotrode und Amboss als plane Flächen ausgebildet und können zur Verringerung der Oberflächenrauigkeit noch weiter behandelt, z. B. poliert sein.
• Weiterhin betrifft die Erfindung eine Ultraschall-Punktschweißvorrichtung mit einer Sonotrode und einem Amboss mit einander zugewandten Kontaktflächen, zwischen denen Bauteile positionierbar und mit einer Schweißkraft beaufschlagbar sind. Die Ambosskontaktfläche ist kleiner als die Sonotrodenkontaktfläche, wobei die Kontaktflächen in einem vorgegebenen Flächenverhältnis zueinander stehen, dass derart gewählt ist, dass zwischen den Bauteilen bei Aufbringen einer vorgegebenen vertikalen Ultraschallschwingung und einer vorgegebenen Schweißkraft ein periodischer Schlupf in der Fügezone und eine daraus resultierende Erwärmung durch Reibung in der Fügezone erzeugbar ist.
• Zur Einhaltung der Parallelität der Kontaktflächen zueinander ist in einer Ausgestaltung die Ambosskontaktfläche selbstausrichtend gestaltet. Hierzu kann die Ambosskontaktfläche beispielsweise verkippbar gegenüber einer Ambossbasis gelagert sein. Die selbstausrichtende Ambosskontaktfläche stellt eine gleichmäßige Druck- und Schwingungseinleitung auf der gesamten Auflagefläche zum Bauteil sicher.
• Die selbstausrichtende Ambossfläche ist vorzugsweise von der Kreisscheibe eines Kugelsegments gebildet, welches in einer Ambossbasis ortsfest, aber rotierbar gelagert ist.
• Die Ultraschall-Punktschweißvorrichtung kann insbesondere verwendet werden, um thermoplastische Kunststoffbauteile, insbesondere Strukturbauteile, mittels Punktschweißung stoffschlüssig zu verbinden. Da die Bauteile in Überlappanordnung ohne zusätzliche Energierichtungsgeber verschweißt werden können, eignet sich das Verfahren insbesondere für das Fügen großflächiger Strukturbauteile, die mittels Thermoformen hergestellt wurden.
• Bevorzugt wird die voranstehend beschriebene Ultraschall-Punktschweißvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet, so dass dieselben technischen Wirkungen und Vorteile erreicht werden, wie sie zum Verfahren beschrieben sind.
• Das erfindungsgemäße Verfahren weist eine Vielzahl von Vorteilen auf. Die Notwendigkeit von Energierichtungsgebern in der Grenzfläche zwischen den Bauteilen wird eliminiert. Es kann eine exzellente optische Qualität der äußeren Bauteiloberflächen an dem Schweißpunkt (sowohl auf der Ambossseite als auf der Sonotrodenseite) erzielt werden. Die Bauteiloberflächen bleiben nahezu unbeeinflusst von dem Schweißverfahren. Das Ausmaß von Oberflächenmarkierungen hängt von der Dicke der Flansche, der anfänglichen Oberflächentextur und den Schweißparametern ab. Das Verfahren lässt sich leicht mit verschiedenen bekannten Methoden steuern bzw. regeln und überwachen und ermöglicht einen hohen Automatisierbarkeitsgrad. Das lokale Erhitzen des Schweißpunktes führt zu kleinen Wärmeeinflusszonen. Zudem ist es möglich, Komponenten großer Strukturbauteile flexibel zu schweißen, ohne dass es offensichtliche Einschränkungen bzgl. Geometrie oder Größe gäbe. Die Notwendigkeit von komplizierten Fixiervorrichtungen und Formen für die geschweißten Teile entfällt. Die resultierenden Schweißungen weisen eine gute Festigkeit und exzellente Oberflächenqualität auf. Deshalb ist dieses Verfahren ebenfalls für Stellen geeignet, an denen das optische Erscheinungsbild wichtig ist. Das vorgeschlagene Verfahren wird auch als „Differential ultrasonic spot-welding (DUS) bezeichnet.
• Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich anhand der Zeichnung und 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 wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert. Darin zeigen:
• 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Ultraschall-Schweißvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
• 2 eine Schnittansicht A-A der Vorrichtung von 1,
• 3 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Bauteilverformung in der Schweißzone,
• 4 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Erwärmungszone durch Reibung,
• 5 eine beispielhafte FEM-Berechnung für die Schlupf- und Druckverteilung in der Schweißzone,
• 6 ein Vergleich des Energieeintrags in der Schweißzone für verschiedene Kontaktflächenverhältnisse,
• 7 die Abhängigkeit der Reibungsstrecke zwischen den Bauteilen vom Flächenverhältnis zwischen Sonotroden- und Ambosskontaktfläche und
• 8 beispielhafte Kombinationsmöglichkeiten für Amboss- und Sonotrodenkontaktflächen.
• 1 zeigt eine beispielhafte Ultraschall-Punktschweißvorrichtung in einer Seitenansicht. Die Ultraschall-Punktschweißvorrichtung 10 weist eine metallische Sonotrode 20 und einen metallischen Amboss 30 auf, zwischen denen zwei Bauteile 40 und 50 in Form von dünnwandigen thermoplastischen Kunststoffverbundbauteilen eingespannt sind. Über einen nicht dargestellten Generator wird eine Ultraschallfrequenz erzeugt, die an ein Schwingsystem weitergegeben wird. Das Schwingsystem kann z. B. aus einem Konverter, einem Amplitudentransformationsstück und einer Sonotrode bestehen, wobei in 1 lediglich die Sonotrode 20 dargestellt ist. 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 die Bauteile 40 und 50 übertragen. Die Richtung der Ultraschallschwingung (dargestellte durch den Pfeil U) liegt senkrecht zur Schweißgrenzfläche zwischen den Bauteilflanschen. Weiterhin kann mittels der Sonotrode 20 eine statische Schweißkraft K auf die Bauteile aufgeprägt werden. Zur Übertragung der Ultraschallschwingung U und der Schweißkraft K wird die Sonotrode 20 mit einer Sonotrodenkontaktfläche AS in Kontakt mit dem Bauteil 40 gebracht.
• Wie in den 1 und 2 gezeigt, sind die beiden Bauteile 40 und 50 an hierfür vorgesehenen Schweißflanschen 42, 52 überlappend angeordnet und liegen im Flanschbereich vollflächig aufeinander. Die Bauteilflansche 42, 52 sind zwischen die Sonotrode 20 und den Amboss 30 eingebracht. Der Amboss stellt ein Gegenlager zur Sonotrode 20 dar und liegt hierzu mit einer Ambosskontaktfläche AA an dem zweiten Bauteil 50 an. Ambosskontaktfläche AA und Sonotrodenkontaktfläche AS sind in dem dargestellten Beispiel kreisförmige Flächen und liegen einander mittig gegenüber.
• Die Kontaktfläche des Amboss AA ist kleiner als die Kontaktfläche der Sonotrode AS. Das Verhältnis dieser beiden Kontaktflächen (AS/AA > 1) ist in einem Wertebereich optimiert, der zu optimaler Erwärmung und Schweißpunktgröße führt. Dies wird nachfolgend noch näher erläutert.
• Um die Parallelität der Kontaktflächen sicherzustellen ist die Ambosskontaktfläche AS verkippbar und selbstausrichtend ausgeführt. Hierzu ist der Amboss 30, wie in der Schnittansicht A-A der Vorrichtung 10 in 2 dargestellt, zweiteilig ausgeführt mit einer Ambossbasis 32 und einem Ambosskontaktteil 34. Das Ambosskontaktteil 34 hat eine Kugelform, die einseitig durch die Ambosskontaktfläche AA abgeflacht ist. Die Ambosskontaktfläche bildet eine Kreisscheibe des Ambosskontaktteils 34. Das kugelsegmentförmige Ambosskontaktteil 34 ist in einer korrespondierenden Ausnehmung in der Ambossbasis 32 ortsfest aber rotierbar gelagert. Die Ambossbasis 32 ist mittels Schraubverbindung fest mit einer Halterung 36 verbunden. Eventuelle Abweichungen von einer Parallelität zwischen Ambosskontaktfläche AA und Sonotrodenkontaktfläche AS werden beim Aufbringen von Druck durch die Sonotrode 20 auf die Bauteile 40 und 50 durch eine Bewegung des kugelsegmentförmigen Ambosskontaktreils 34 korrigiert. Beobachtungen während der Experimente haben ergeben, dass Abweichungen von dieser Parallelität höchstwahrscheinlich zu einer Konzentration von Formänderungsenergie an den Kanten des Amboss führen, wodurch ein Anschmelzen des Bauteils 50 an der Oberfläche des Amboss 30 auftritt, gefolgt von einem Eindringen des Amboss 30 in das Bauteilmaterial. Dies führt zu einem verzögerten Schmelzen in der Schweißgrenzfläche und einem unerwartetem Fluss der Schmelzzone in nicht zentrierte Richtungen.
• Zusätzlich zu der Parallelität ist es vorteilhaft, dass die Kontaktflächen AA und AS des Amboss 30 und der Sonotrode 20 hochglanzpoliert sind um Oberflächenmarkierungen auf den geschweißten Bauteilen zu minimieren.
• 3 zeigt in einer schematische Darstellung, wie sich die Flansche 42 und 52 der Bauteile während des Schweißprozesses verformen, wobei die Verformung aus Gründen der besseren Veranschaulichung vereinfacht dargestellt ist. Die Sontrode 20 ist das schwingende Element, welches die Schwingung in die Bauteile 40 und 50 einkoppelt. Da die Sonotrodenkontaktfläche AS größer als die Ambosskontaktfläche AA ist, kommt es nicht nur zu einer periodischen Stauchung der Bauteile, wie dies bei herkömmlichem Kunststoff-Ultraschallschweißen üblich ist. Es ist dargestellt, dass beide Flansche 42, 52 sich infolge des aufgebrachten dynamischen und sinusförmigen Einklemmens krümmen bzw. biegen. Die Biegung ist zyklisch und hat eine Frequenz, die ähnlich der Ultraschallschwingung U ist. Eine FEM Analyse dieser Deformation zeigt, dass sich der Bauteilflansch 42 des Bauteils 40 und der Bauteilflansch 52 des Bauteils 50 mit unterschiedlichen Radien krümmen. Dementsprechend ist der Deformationsgrad der Bauteilflansche 42 und 52 an der sogenannten Schweißgrenzfläche 60 unterschiedlich. Die Oberfläche von Flansch 42 an der Schweißgrenzfläche 60 unterliegt einer Druckverformung und die Oberfläche von Flansch 52 unterliegt einer Zugverformung. Der Unterschied dieser zwei Deformationswerte erzeugt einen detektierbaren sinusförmigen Schlupf zwischen den aneinander angrenzenden Bauteiloberflächen mit der Frequenz der Ultraschallschwingung U. Dieser Schlupf S ist im Zentrum der Kontaktflächen (im Koordinatenursprung 0) minimal und steigt mit zunehmendem radialem Abstand X exponentiell an bis zu einem bestimmten Ort, dann sinkt er ab auf einen Gleichgewichtswert. 5 zeigt hierzu beispielhaft den Graph 100, welcher den Schlupf S über der radialen Entfernung X vom Mittelpunkt als gepunktete Linie darstellt.
• Die durch die Sonotrode 20 aufgebrachte statische Schweißkraft K erzeugt einen statischen Druck an der Schweißgrenzfläche 60. Zusammen mit der dynamischen Bewegung der Sonotrode 20 führt dies ebenfalls zu einem zyklischen dynamischen Druck P in den Grenzflächen, dargestellt durch den Graph 110 in 5. Die Oberflächen der Bauteils 40 und 50 berühren einander mit einem Reibkontakt. Der Schlupf unter Anwesenheit eines statischen und dynamischen Drucks verursacht eine Reibbewegung der Oberflächen aneinander mit einer Komponente quer zur Schwingungsrichtung. Diese Reibung wird als Coulombreibung betrachtet, demzufolge wird Energie in Wärme umgewandelt, welche eine Reiberwärmung der Grenzflächen verursacht.
• Die Reibung, welche durch den Schlupf erzeugt wird, zusammen mit der viskoelastischen Umwandlung von Formänderungsenergie, erwärmt die Grenzfläche lokal und schnell in der Fügezone bzw. Schweißzone mit einer Geschwindigkeit von bis zu 2000°C/sec bis die Glassübergangstemperatur (der amorphen Matrix) oder die Schmelztemperatur (der teilkristallinen Matrix) erreicht wird. An diesem Punkt stabilisiert sich die Temperatur und sowohl der Energie- als auch der Materialfluss verursachen, dass die Schmelzzone wächst. Die Schweißzone bildet sich lokal zwischen Sonotrode und Amboss an der Grenzfläche zwischen den beiden Bauteilen aus. Im Inneren der Bauteilflansche hingegen erfolgt die Erwärmung nur durch viskoelastische Umwandlung der sinusförmigen Formänderungsenergie, so dass die Schweißung üblicherweise längst beendet ist, bevor die internen Schichten die Übergangs- oder Schmelztemperaturen erreichen. Zu der Gesamterwärmung der Schweißzone trägt zudem auch die Reibung an den Kontaktflächen von Amboss und Sonotrode bei.
• 4 zeigt beispielhaft die ringförmige Zone 70, in der eine Reibungserwärmung hoher Intensität stattfindet, sowie den linsenförmigen Bereich 80, in dem bedingt durch das viskoelastische Materialverhalten lediglich eine Erwärmung geringer Intensität stattfindet.
• 6 zeigt beispielhaft eine grafische Darstellung, welche für verschiedene Kontaktflächenverhältnisse den Verlauf des Energieeintrags pro Zeiteinheit in die Schweißzone abbildet. Eine solche Darstellung ist beispielsweise geeignet, um das Flächenverhältnis von Ambosskontaktfläche zu Sonotrodenkontaktfläche zu optimieren. Zur Erzeugung der Daten wurden folgende Werte berücksichtigt:
• – Runde Kontaktflächen für die Sonotrode und den Amboss,
• – eine Flanschdicke von 2,3 mm für die Bauteile 40 und 50,
• – ein konstanter Sonotrodendurchmesser von 14 mm,
• – der Ambossdurchmesser wurde variiert von 7 mm bis 14 mm.
• 6 stellt den Energieeintrag pro Zeiteinheit E über der radialen Entfernung X vom Mittelpunkt der Kontaktflächen (oder auch Achsenursprung 0, s. 3) dar. Der größte Energieeintrag pro Zeiteinheit ist demnach bei einem Flächenverhältnis von AS/AA = 4 gegeben (Graph 120) und nimmt mit abnehmendem Flächenverhältnis ab bis zu einem Flächenverhältnis von AS/AA = 1 (Graph 130). Zur Bestimmung der Größe E, welche den Energieeintrag pro Zeiteinheit abbildet, wurde die Schwingungsamplitude berücksichtigt, welche in die Schweißzone eingebracht wird, die Amplitude des Schlupfes zwischen den Bauteilen und die Amplitude des Drucks in der Schweißzone.
• 7 zeigt Graphen zur Veranschaulichung der Abhängigkeit zwischen dem Bauteilschlupf und dem Flächenverhältnis von Sontroden- zu Ambosskontaktfläche. Dargestellt ist der Schlupf bzw. die Reibungsstrecke S zwischen den Bauteilen 40 und 50 über verschiedenen Flächenverhältnisse AS/AA für zwei verschiedene Sonotrodengrößen. Der Graph 140 zeigt den Verlauf für eine kreisförmige Sonotrodenkontaktfläche mit einem Durchmesser von 20 mm, der Graph 150 für eine kreisförmige Sonotrodenkontaktfläche mit 14 mm Durchmesser. Für ein Flächenverhältnis von AS/AA = 1 verschwindet der Bauteilschlupf nahezu vollständig. Oberhalb eines Flächenverhältnisses von AS/AA = 4 tritt möglicherweise ein Aufschmelzen des Bauteilwerkstoffs an der Ambosskontaktfläche auf. Unterhalb eines kritischen Wertes von 2,2 nimmt der Schlupf und die resultierende Reibung stark ab und der Schweißprozess wird ineffizient. Deshalb wird das Flächenverhältnis von Sonotrodenkontaktfläche zu Ambosskontaktfläche AS/AA vorzugsweise in einem Bereich von 2,25 bis 4 gewählt. Im Bereich dieser Flächenverhältnisse wird der erzielbare Bauteilschlupf nur geringfügig durch die Absolutgröße der Sonotrodenfläche beeinflusst.
• Obwohl das in den 1 und 2 gezeigte Ausführungsbeispiel eine kreisförmige Amboss- und Sonotrodenkontaktfläche zeigt, ist die Erfindung nicht auf eine bestimmte Kontaktflächenform oder Kombination beschränkt. 8 zeigt eine Matrix mit beispielhaften weiteren mögliche Formen und Kombinationen für die Amboss- und Sonotrodenkontaktflächen AA und AS. In Spalte I sind beispielhafte Sonotrodenkontaktflächen AS darstellt, die Spalten II und III zeigen jeweils beispielhafte Ambosskontaktflächen AA. Kontaktflächenformen, die in einer gemeinsamen Zeile IV, V oder VI dargestellt sind, können vorzugsweise miteinander kombiniert werden. Beispielsweise können runde mit runden Formen und eckige mit eckigen Formen ebenso kombiniert werden, wie rund mit eckigen Formen. Auch ist es denkbar einen Amboss mit mehr als einer Kontaktfläche zu verwenden, wie z. B. in Zeile IV, Spalte III dargestellt, welche einen Amboss mit zwei runden, gegenüber einer Basisfläche hervorstehenden Kontaktflächen zeigt.
• Bezugszeichenliste

10

Ultraschall-Punktschweißvorrichtung

20

Sonotrode

30

Amboss

32

Ambossbasis

34

Ambosskontaktteil

36

Halterung

40, 50

Bauteil

42, 52

Bauteilflansch

60

Schweißgrenzfläche

70

Zone mit Reibungserwärmung hoher Intensität

80

Bereich geringer Erwärmungsintensität

AA

Ambosskontaktfläche

AS

Sonotrodenkontaktfläche

AS/AA

Flächenverhältnis

E

Energieeintrag pro Zeiteinheit

K

Schweißkraft

U

Ultraschallschwingung

S

Schlupf

P

Druck

X

radiale Entfernung vom Mittelpunkt

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102014111253 A1 [0003]

Claims (10)

1. Verfahren zum Ultraschall-Punktschweißen, bei dem zwei miteinander zu fügende thermoplastische Bauteile im Bereich einer Fügezone in Kontakt miteinander gebracht und zwischen den Kontaktflächen einer Sonotrode (20) und eines Amboss (30) einer Ultraschallschweißvorrichtung (10) positioniert werden, mittels der Sonotrode (20) Ultraschallschwingungen in die Bauteile (40, 50) eingeleitet werden, wobei die Ambosskontaktfläche (AA) kleiner als die Sonotrodenkontaktfläche (AS) ist und die Kontaktflächen in einem vorgegebenen Flächenverhältnis (AS/AA) zueinander stehen, das derart gewählt ist, dass durch Aufbringen einer vorgegebenen vertikalen Ultraschallschwingung (U) und einer vorgegebenen Schweißkraft (K) ein periodischer Schlupf (S) zwischen den Bauteilen (40, 50) in der Fügezone erzeugt wird, aus der eine Erwärmung durch Reibung resultiert.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, das energierichtungsgeberfrei erfolgt.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem das Flächenverhältnis (AS/AA) von Sonotrodenkontaktfläche zu Ambosskontaktfläche in einem Bereich von 2,25 bis 4 gewählt ist.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Kontaktflächen von Amboss und Sonotrode parallel zueinander und parallel zur Bauteilkontaktfläche in der Fügezone angeordnet werden.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Kontaktflächen (AS, AA) von Sonotrode und Amboss als plane Flächen ausgebildet sind.
6. Ultraschall-Punktschweißvorrichtung mit einer Sonotrode (20) und einem Amboss (30) mit einander zugewandten Kontaktflächen, zwischen denen Bauteile (40, 50) positionierbar und mit einer Schweißkraft beaufschlagbar sind, wobei die Ambosskontaktfläche (AA) kleiner ist als die Sonotrodenkontaktfläche (AS), und die Kontaktflächen in einem vorgegebenen Flächenverhältnis (AS/AA) zueinander stehen, dass derart gewählt ist, dass zwischen den Bauteilen (40, 50) bei Aufbringen einer vorgegebenen vertikalen Ultraschallschwingung (U) und einer vorgegebenen Schweißkraft (K) ein periodischer Schlupf (S) in der Fügezone und eine daraus resultierende Erwärmung durch Reibung erzeugbar ist.
7. Ultraschallschweißvorrichtung nach Patentanspruch 6, bei der die Ambosskontaktfläche (AA) selbstausrichtend gestaltet ist.
8. Ultraschallschweißvorrichtung nach Patentanspruch 7, bei der die Ambosskontaktfläche (AA) von der Kreisscheibe eines Kugelsegments (34) gebildet wird, welches in einer Ambossbasis (32) ortsfest, aber rotierbar gelagert ist.
9. Ultraschallschweißvorrichtung nach einem der Patentansprüche 6 bis 8, wobei die Ambosskontaktfläche (AA) und die Sonotrodenkontaktfläche (AS) als plane Flächen ausgebildet sind.
10. Verwendung der Ultraschall-Punktschweißvorrichtung (10) nach einem der Patentansprüche 6 bis 9 zum Punktschweißen von zwei thermoplastischen Bauteilen.

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