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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Vibrationsschweißsysteme und Werkstücke, die unter Verwendung von Vibrationsschweißsystemen verbunden sind.
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HINTERGRUND
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Bei einem Vibrationsschweißverfahren werden benachbarte Flächen eines eingespannten Werkstücks durch die kontrollierte Aufbringung von Vibrationsenergie auf das Werkstück miteinander verbunden. Die Übertragung von Vibrationsenergie erzeugt Oberflächenreibung und Wärme entlang der Schnittstellenflächen des Werkstücks. Die Wärme erweicht die Materialien der Schnittstellenflächen, die letztlich die Flächen miteinander verbinden, wodurch eine Schweißverbindung oder Schweißnahtstelle gebildet wird.
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Bekannte Vibrationsschweißsysteme, z. B. Ultraschallschweißsysteme, beinhalten verschiedene miteinander verbundene Schweißwerkzeuge. Primär unter diesen Werkzeugen sind eine schwingende Sonotrode/Schweißhorn und eine Ambossanordnung. Die Ambossanordnung kann einen Ambosskörper und eine Rückplatte beinhalten, wobei letztere mit einem Stützelement, wie einem Rahmen, einem Strahl oder einem Roboter, verschraubt ist. Das Werkstück wird zwischen dem Horn und dem Ambosskörper eingespannt. Das Schweißhorn schwingt bei einer kalibrierten Frequenz als Reaktion auf ein Eingangssignal. Der Ambosskörper wirkt als Reaktionsfläche zum schwingenden Horn.
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Bekannte Verfahren und Prozesse zum Verbinden von Kabeln, die aus hochfesten Werkstoffen zu Substraten gefertigt sind, und verbindende Kabel, Formgedächtnislegierungen (SMAs) zu Substraten gebildet sind, beinhalten das Crimpen, um gewellte Verbindungen zu bilden, welche die Zugfestigkeit, die Ermüdungslebensdauer und den elektrischen Widerstand der Kabel beeinträchtigen können. Andere bekannte Verfahren zum Fügen, z. B. wärmebasierte Schweißverfahren, können die charakteristischen Eigenschaften der SMA-Kabel verringern.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein Werkstück ist beschrieben und beinhaltet ein Substrat, ein Kabel und ein Abdeckstück. Ein Abschnitt des Kabels ist unter Verwendung eines Vibrationsschweißwerkzeugs mit dem Substrat verbunden, und das Abdeckstück ist während des Fügens zwischen dem Abschnitt des Kabels und dem Vibrationsschweißwerkzeug angeordnet.
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Die vorstehenden sowie andere Funktionen und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bestmöglichen praktischen Umsetzung der Erfindung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen hervor.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Darstellung einer Seitenansicht einer Ausführungsform eines Werkstücks, das einen Teil eines Kabels beinhaltet, das mit einem Substrat verbunden ist, wobei ein Abdeckstück und ein zugehöriges Schwingungsschweißsystem gemäß der Offenbarung angeordnet ist;
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2 ist eine schematische isometrische Darstellung einer Ausführungsform eines Werkstücks, die einen Teil des mit dem Substrat verbundenen Kabels in einer Wickelanordnung beinhaltet, wobei das Abdeckstück in gemäß der Offenbarung angeordnet ist;
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3 ist eine schematische isometrische Darstellung einer Ausführungsform eines Werkstücks, die einen Teil des mit dem Substrat verbundenen Kabels in einer Überlappungsanordnung beinhaltet, wobei das Abdeckstück überlappend angeordnet ist, wobei der Teil des Kabels in einem Kanal angeordnet ist, der gemäß der Offenbarung in der Oberfläche des Substrats ausgebildet ist;
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s4 ist eine schematische isometrische Darstellung einer Ausführungsform eines Werkstücks, die einen Teil des mit dem Substrat verbundenen Kabels in einer Wickelanordnung beinhaltet, wobei das Abdeckstück überlappend angeordnet ist, worin der Teil des Kabels in die Form eines Hakens vor dem Vibrationsschweißen des Kabels an das Substrat gemäß der Offenbarung geformt wird;
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5 ist eine schematische isometrische Darstellung einer Ausführungsform eines Werkstücks, die einen Teil des mit dem Substrat verbundenen Kabels in einer Wickelanordnung mit dem Abdeckstück beinhaltet, worin das Abdeckstück eine zylindrisch geformte rohrförmige Ummantelung ist und der Teil des Kabels vor dem Vibrationsschweißen gemäß der Offenbarung angeordnet ist;
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6 ist eine schematische isometrische Darstellung einer Ausführungsform eines Werkstücks, das den Endabschnitt eines ersten Kabels beinhaltet, das mit einem Endabschnitt des zweiten Kabels in einer Stoßanordnung verbunden ist, einschließlich eines Abdeckstücks in Form einer rohrförmigen Ummantelung, und worin die Endabschnitte des ersten und des zweiten Kabels gemäß der Offenbarung in das Abdeckstück eingeführt werden; und
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7 ist eine schematische isometrische Darstellung einer Ausführungsform eines Werkstücks, das den Endabschnitt eines ersten Kabels beinhaltet, das mit einem Endabschnitt des zweiten Kabels in einer Wickelanordnung mit dem Abdeckstück verbunden ist, worin das Abdeckstück eine zylindrisch geformte rohrförmige Hülle ist und worin die Endabschnitte des ersten und des zweiten Kabels gemäß der Offenbarung in das Abdeckstück eingeführt werden.
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BESCHREIBUNG
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Die Komponenten der offenbarten Ausführungsformen, die hierin beschrieben und veranschaulicht sind, können in einer Vielfalt von verschiedenen Konfigurationen angeordnet und konstruiert sein. Daher ist die folgende ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen nicht dazu gedacht, den Umfang der Offenbarung wie sie beansprucht wird einzuschränken, sondern sie ist lediglich repräsentativ für mögliche Ausführungsformen davon. Obwohl zahlreiche spezielle Einzelheiten in der folgenden Beschreibung offengelegt werden, um ein gründliches Verständnis der hierin offenbarten Ausführungsformen bereitzustellen, können zudem einige Ausführungsformen ohne einige oder alle diese Details in die Praxis umgesetzt werden. Darüber hinaus wurde der Klarheit halber bestimmtes technisches Material, das im Stand der Technik bekannt ist, nicht im Detail beschrieben, um ein unnötiges Verschleiern der Offenbarung zu vermeiden.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, worin sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Komponenten beziehen, zeigt 1 schematisch ein Werkstück 20 einschließlich eines Teils eines Kabels 24 mit einem Abdeckstück 26, das mit einem Substrat 22 überzogen und verbunden ist, und ein zugehöriges Schwingungsschweißsystem 10. Das Abdeckstück 26 ist vorteilhafterweise zwischen dem Abschnitt des Kabels 24 und einem Schweißkissen 15 eines Schweißhorns 14 des Vibrationsschweißsystems 10 angeordnet. Der Abschnitt des Kabels 24 kann in einer Ausführungsform ein Endabschnitt des Kabels 24 sein. Alternativ kann der Abschnitt des Kabels 24 jede geeignete Stelle entlang einer Länge des Kabels 24 sein. Das Vibrationsschweißsystem 10 kann, wie hierin beschrieben, verwendet werden, um den Abschnitt des Kabels 24 und des Abdeckstücks 26 mit dem Substrat 22 zu verbinden.
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In einer Ausführungsform ist das Kabel 24 ein einzelner Drahtstrang, der aus einem hochfesten Stahl gefertigt ist, der vorzugsweise auch ein hohes Elastizitätsmodul aufweist. Alternativ besteht das Kabel 24 aus mehreren Drahtdrähten, die aus einem Stahl mit hoher Zugfestigkeit hergestellt sind. Alternativ ist das Kabel 24 ein einzelner Drahtstrang, der aus einem Formgedächtnislegierungsmaterial (SMA) hergestellt ist. Alternativ besteht das Kabel 24 aus mehreren Strängen des SMA-Drahtes. SMA-Materialien sind thermomechanische Materialien, die Energie zwischen mechanischen und thermischen Bereichen umwandeln. Beispiele für SMA können Nitinol, Kupfer-Zink-Aluminium-Nickel, Kupfer-Aluminium-Nickel, Eisen-Mangan-Silizium und Nickel-Titan-Legierungen beinhalten. SMA-Materialeigenschaften können sich auch in Reaktion auf die Anwendung von elektromagnetischen Feldern ändern und daher ein angelegtes Feld beinhalten. Die Materialeigenschaften von SMA-Material können sich dauerhaft in Reaktion auf die Einwirkung erhöhter Temperaturen verändern, einschließlich z. B. Temperaturen, die bei bekannten Metallschweißverfahren, wie verschiedenen Formen des Lichtbogenschweißens, erreicht werden.
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Das Substrat 22 kann jede geeignete Vorrichtung sein, die aus einem Material hergestellt ist, mit dem das Kabel 24 verbunden werden soll. Das Substrat 22 kann eine Plattenform, eine zylindrische Form oder eine andere geeignete Form aufweisen. Das Substrat 22 kann aus Aluminium, Kupfer, Stahl, thermoplastischen Polymeren oder einem anderen geeigneten Material gebildet sein. Wie unter Bezugnahme auf 1 ist eine Schweißfläche 23 des Substrats 22 eben.
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Das Abdeckstück 26 kann in einer Ausführungsform, und wie dargestellt, in Form einer Materialplatte vorliegen. Alternativ kann das Abdeckstück 26 in Form eines dünnen, flexiblen Folienelements vorliegen, das mehrfach um Kabeleinrichtungen gewickelt werden kann, wie dies unter Bezugnahme auf 7 gezeigt. Das Abdeckstück 26 kann aus jedem geeigneten Material hergestellt sein und ist vorzugsweise das gleiche Material, wie das Substrat, z. B. Aluminium, Kupfer, Stahl, thermoplastische Polymere oder ein anderes geeignetes Material. Das Abdeckstück 26 kann flach, gewellt sein oder eine andere geeignete Oberflächenkonfiguration aufweisen. Das Abdeckstück 26 ist zwischen dem Abschnitt des Kabels 24 und einem Schweißkissen 15 eines Schweißhorns 14 des Vibrationsschweißsystems 10 angeordnet. Als solches werden ausgewählte Ausstattungsmerkmale des Abdeckstücks 26, einschließlich seiner Dicke, ausgewählt, um eine mechanische Beschädigung an dem Teil des Kabels 24 zu verhindern oder zu minimieren, die durch die Bewegung des Schweißkissens 15 des Schweißhorns 14 während des Betriebs des Vibrationsschweißsystems 10 induziert werden können.
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Das Vibrationsschweißsystem 10 ist zum Bilden von vibrationsgeschweißten Verbindungen unter Verwendung von Vibrationsenergie, z. B. Ultraschall-Vibrationsenergie, konfiguriert. Das Vibrationsschweißsystem 10 beinhaltet in einer Ausführungsform ein Stellglied in Form des Schweißhorns 14, eines beweglichen Kopfes 13 und einer Ambossanordnung 12. Das Schweißhorn 14 kann auch als schwingende Sonotrode bezeichnet werden. Das Vibrationsschweißsystem 10 arbeitet vorzugsweise in einem Ultraschallfrequenzbereich, obwohl andere Schwingungsfrequenzbereiche verwendet werden können, ohne vom beabsichtigten Umfang der hierin beschriebenen Konzepte abzuweichen.
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Die Ambossanordnung 12 stellt eine relativ statische Metallmasse bereit, die ausreicht, um dem Schweißhorn 14 während des Betriebs des Vibrationsschweißsystems 10 entgegenzuwirken. Der bewegliche Kopf 13 ist angeordnet, um als Teil des Schweißprozesses um Druck auf das Werkstück 20 auszuüben und gegen den Ambosskörper 12 zu pressen. Das Schweißhorn 14 kann in einer Ausführungsform in den beweglichen Kopf 13 eingebaut werden, oder das Schweißhorn 14 kann alternativ eine separate Struktur vom beweglichen Kopf 13 aufweisen.
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Das Schweißhorn 14 kann eine oder mehrere Schweißkissen 15 beinhalten, die so angeordnet sind, dass sie dem zu verschweißenden Werkstück 20 zugewandt sind. Das Schweißkissen 15 kann eine gerändelte Oberfläche aufweisen, die erhöhte Stöße oder Rippen oder eine andere geeignete Oberflächenkonfiguration aufweist. Die Oberfläche des Schweißkissens 15 berührt das Werkstück 20 während des Vibrationsschweißvorgangs physikalisch. Der Ambosskörper 12 kann ebenfalls ähnliche Ambosskissen 25 aufweisen. Das Schweißkissen 15 und die Ambossauflage 25 dienen zum Greifen des Werkstücks 20 während des Vibrationsschweißvorgangs.
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Das Schweißhorn 14 koppelt mit einem Booster 17 und einem piezoelektrischen Stapel 16 eine Steuerung 11 ist operativ mit dem piezoelektrischen Stapel 16 verbunden. Der piezoelektrische Stapel 16 ist eine Vibrationsenergie-Eingabevorrichtung. Das Schweißhorn 14 kann durch Aktivieren des piezoelektrischen Stapels 16, in Reaktion auf ein sinusförmiges oder ein anderes wiederholtes Oszillationssignal, das von der Steuerung 11 bereitgestellt wird, vibrieren. Wie auf dem Gebiet der Technik verstanden wird, sind piezoelektrische Materialien elektromechanische Materialien, die Energie zwischen mechanischen und elektrischen Bereichen umwandelt. Piezoelektrische Materialien können kristalline Strukturen oder Keramiken sein, die ein Ausgangsspannungssignal als Reaktion auf eine mechanische Belastung erzeugen. Dieser Effekt tritt auch umgekehrt auf, d.h. eine mechanische Verschiebung oder Dehnung wird in Reaktion auf eine feste oder oszillierende Spannungseingabe induziert, die an ein piezoelektrisches Probenmaterial angelegt wird. So kann beispielsweise das Aktivieren eines gegebenen piezoelektrischen Materials zu einer Dimensionsänderung von etwa 0,1% für Piezokeramiken und etwa 1% für Piezo-Polymere führen. Als solches kann der piezoelektrische Stapel 16 in Reaktion auf das wiederholte Oszillationssignal, das von der Steuerung 11 bereitgestellt wird, vibrieren, und die Vibration kann durch den Booster 17 zum Schweißkissen 15 des Schweißhorns 14 ausgebreitet werden. Die Richtung der induzierten Vibration ist durch Pfeil 19 angezeigt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform kann ein Verfahren zum Verbinden des Kabels 24 mit dem Substrat 22 das Positionieren eines Teils des Kabels 24 auf eine Oberfläche des Substrats 22 beinhalten, einschließlich des Zwischenabschnitts des Abdeckstücks 26 des Teils des Kabels 24. Das Substrat 22, der Abschnitt des Kabels 24 und das Abdeckstück 26 können auf dem Amboss 12 des Vibrationsschweißsystems 10 platziert werden, sodass das Abdeckteil 26 zwischen dem Kabel 24 und dem Schweißkissen 15 angeordnet ist, das an dem Schweißhorn 14 des Vibrationsschweißsystems 10 befestigt ist. Eine Druckkraft kann durch den beweglichen Kopf 13 auf das Substrat 22, den Abschnitt des Kabels 24 und das Abdeckstück 26 induziert werden, um die vorgenannten Stücke in der Nähe zueinander zu platzieren. Das Schweißhorn 14 des Vibrationsschweißsystems 10 kann zum Aufbringen der Ultraschallvibrationsenergie auf das Abdeckstück 26 aktiviert werden, um das Substrat 22, das Kabel 24 und das Abdeckteil 26 in einer Niedertemperaturumgebung mechanisch zu verbinden.
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2 ist eine schematische isometrische Darstellung einer Ausführungsform eines Werkstücks 120, das einen Abschnitt eines Kabels 124 beinhaltet, der mit einer Oberfläche 123 eines Substrats 122 verbunden werden soll, wobei eine Ausführungsform des Vibrationsschweißsystems 10 verwendet wird, die unter Bezugnahme auf 1 beschrieben ist. Das Werkstück 120 beinhaltet den Abschnitt des Kabels 124, der mit dem Substrat 122 in einer Überlappungsanordnung verbunden ist, wobei ein Abdeckstück 126 überlappend angeordnet ist, um zwischen dem Abschnitt des Kabels 124 und dem Schweißhorn 14 des Vibrationsschweißsystems 10 zwischenzuschalten. Eine exemplarische Stelle für das Vibrationsschweißen ist durch das Element 130 angezeigt.
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3 ist eine schematische isometrische Darstellung einer Ausführungsform eines Werkstücks 220, das einen Abschnitt eines Kabels 224 beinhaltet, der mit einer Oberfläche 223 eines Substrats 222 verbunden werden soll, wobei eine Ausführungsform des Vibrationsschweißsystems 10 verwendet wird, die unter Bezugnahme auf 1 beschrieben ist. Das Werkstück 220 beinhaltet den Abschnitt des mit dem Substrat 222 verbundenen Kabels 224 in einer Überlappungsanordnung, wobei ein Abdeckstück 226 überlappend angeordnet ist, worin der Abschnitt des Kabels 224 in einem Kanal 228 angeordnet ist, der in der Oberfläche des Substrats 222 ausgebildet ist. Das Abdeckstück 226 ist positioniert, um zwischen dem Abschnitt des Kabels 224 und dem Schweißhorn 14 des Vibrationsschweißsystems 10 einzugreifen. Eine exemplarische Stelle für das Vibrationsschweißen ist durch das Element 230 angezeigt.
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4 ist eine schematische isometrische Darstellung einer Ausführungsform eines Werkstücks 320, das einen Abschnitt eines Kabels 324 beinhaltet, der mit einer Oberfläche 323 eines Substrats 322 verbunden werden soll, wobei eine Ausführungsform des Vibrationsschweißsystems 10 verwendet wird, die unter Bezugnahme auf 1 beschrieben ist. Das Werkstück 320 beinhaltet den Abschnitt des mit dem Substrat 322 verbundenen Kabels 324 in einer Überlappungsanordnung, wobei ein Abdeckstück 326 überlappend angeordnet ist, worin der Abschnitt des Kabels 324 vor dem Vibrationsschweißen in die Form eines Hakens 325 gebildet ist. Das Abdeckstück 326 ist positioniert, um zwischen dem Abschnitt des Kabels 324 und dem Schweißhorn 14 des Vibrationsschweißsystems 10 einzugreifen. Eine exemplarische Stelle für das Vibrationsschweißen ist durch das Element 330 angezeigt.
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5 ist eine schematische isometrische Darstellung einer Ausführungsform eines Werkstücks 420, das einen Abschnitt eines Kabels 424 beinhaltet, der mit einer Oberfläche 423 eines Substrats 422 verbunden werden soll, wobei eine Ausführungsform des Vibrationsschweißsystems 10 verwendet wird, die unter Bezugnahme auf 1 beschrieben ist. Das Werkstück 420 beinhaltet den Abschnitt des Kabels 424, der mit dem Substrat 422 in einer Überlappungsanordnung mit einem Abdeckstück 426 verbunden ist, worin das Abdeckstück 426 eine zylindrisch geformte rohrförmige Ummantelung mit einem hohlen Mittelabschnitt aufweist und der Abschnitt des Kabels 424 innerhalb des hohlen Mittelabschnitts vor dem Vibrationsschweißen angeordnet ist. Das Abdeckstück 426 ist positioniert, um zwischen dem Abschnitt des Kabels 424 und dem Schweißhorn 14 des Vibrationsschweißsystems 10 einzugreifen. Eine exemplarische Stelle für das Vibrationsschweißen ist durch das Element 430 angezeigt.
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6 ist eine schematische isometrische Darstellung einer Ausführungsform eines Werkstücks 520, das unter Verwendung einer Ausführungsform des unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Vibrationsschweißsystems 10 verbunden werden kann. Das Werkstück 520 beinhaltet einen Endabschnitt eines ersten Kabels 524, das mit einem Endabschnitt des zweiten Kabels 525 unter Verwendung eines Abdeckstücks 526 in einer Stoßanordnung 528 verbunden ist. In einer Ausführungsform ist das Abdeckstück 526 eine zylindrisch geformte rohrförmige Hülle und Endabschnitte des ersten und zweiten Kabels 524, 525 sind in gegenüberliegende Enden des Abdeckstücks 526 eingesetzt. Das Abdeckstück 526 ist positioniert, um zwischen dem Endabschnitt des Kabels 524, 525 und dem Schweißhorn 14 des Vibrationsschweißsystems 10 einzugreifen. Eine exemplarische Stelle für das Vibrationsschweißen ist durch das Element 530 angezeigt.
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7 ist eine schematische isometrische Darstellung einer Ausführungsform eines Werkstücks 620, das unter Verwendung einer Ausführungsform des unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Vibrationsschweißsystems 10 verbunden werden kann. Das Werkstück 620 beinhaltet einen Endabschnitt eines ersten Kabels 624, das mit einem Endabschnitt eines zweiten Kabels 625 unter Verwendung eines Abdeckstücks 626 in einer Stoßanordnung 628 verbunden ist. In einer Ausführungsform befinden sich die Endabschnitte des ersten und des zweiten Kabels 624, 625 auf zwei verschiedenen Kabeln. Alternativ sind die Endabschnitte des ersten und des zweiten Kabels 624, 625 erste und zweite Enden des gleichen Kabels, wodurch eine kontinuierliche Schleife des Kabels gebildet wird. In einer Ausführungsform ist das Abdeckstück 626 eine zylindrisch geformte rohrförmige Hülle und Endabschnitte des ersten und zweiten Kabels 624, 625 sind in gegenüberliegende Enden des Abdeckstücks 626 eingesetzt. Alternativ kann das Abdeckstück 626 in Form eines dünnen, flexiblen Folienelements vorliegen, das mehrmals um die Endabschnitte des ersten und des zweiten Kabels 624, 625 gewickelt ist. Das Abdeckstück 626 ist positioniert, um zwischen dem Endabschnitt des Kabels 624, 625 und dem Schweißhorn 14 des Vibrationsschweißsystems 10 einzugreifen. Eine exemplarische Stelle für das Vibrationsschweißen ist durch das Element 630 angezeigt.
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Der hierin beschriebene Schweißvorgang und die resultierenden Schweißverbindungen bieten vorteilhafterweise eine qualitativ hochwertige Verbindung von Hochmodulkabeln und SMA-Kabeln zu Substraten und zu anderen Drahtkabeln, die Vibrationsschweißtechniken einsetzen, die das Heißschweißen erleichtern, um die SMA-Eigenschaften zu bewahren. Darüber hinaus können derartige Schweißkonfigurationen eine Kerbbildung im Kabel verhindern, die durch verwendete Rändelmuster an der Schweißspitze verursacht werden können. Als solches kann die Langlebigkeit der Schweißnähte, zusammen mit höheren Standzeiten der Werkzeuge, verlängert werden. Dies dient auch dazu, den erforderlichen Bauraum zu reduzieren und damit die Möglichkeit der Implementierung von SMA-Sensoren oder Stellglieder zu erhöhen.
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Während die besten Arten zur Ausführung der Erfindung ausführlich beschrieben wurden, werden die mit der hierin beschriebenen Technik vertrauten Fachleute diverse alternative Ausgestaltungen und Ausführungen erkennen, mit denen die Erfindung im Rahmen der nachfolgend aufgeführten Patentansprüche ausgeführt werden kann.
