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Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Fixieren eines Bauteils zum stoffschlüssigen Fügen mit einer Klemmeinrichtung zum kraftschlüssigen Fixieren eines Bauteils und mit einem Amboss zur Anlage eines Bauteils an einer Anlagefläche des Ambosses, wobei die Klemmeinrichtung dazu eingerichtet und angeordnet ist, ein zu fügendes Bauteil kraftschlüssig so zu fixieren, dass ein zu fügender Bereich des Bauteils an der Anlagefläche des Ambosses anliegt.
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Derartige Werkzeuge werden beim Ultraschallschweißen, beispielsweise von Stromschienen und Anschlusselementen, verwendet, um eines der miteinander zu fügende Bauteile zu fixieren. Ein Abschnitt eines Bauteils wird dazu in die Klemmeinrichtung eingespannt, so dass der zu fügende Bereich des Bauteils an der Anlagefläche des Ambosses anliegt. An den zu fügenden Bereich des Bauteils wird ein mit diesem zu verschweißendes weiteres Bauteil angesetzt und mit einem Ultraschallschweißkopf verschweißt.
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Da das fixierte Bauteil flächig an der Anlagefläche des Ambosses anliegt, kann es durch die mit dem Ultraschallschweißkopf eingebrachte Fügeenergie zu einer unerwünschten Anschweißung des Bauteils an den Amboss kommen. Derartige Anschweißungen führen zu einem schnelleren Verschleiß des Ambosses, so dass dieser häufiger ausgetauscht werden müssen. Darüber hinaus führen diese Anschweißungen auch zu einer Beschädigung des betreffenden Bauteils.
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Dies ist besonders problematisch bei beschichteten, insbesondere vernickelten Bauteilen, da das beim Anschweißen gelöste Nickel den Amboss angreift und eine Beschädigung der Beschichtung dazu führt, dass diese ihre Funktion, bei Nickel zum Beispiel den Korrosionsschutz, teilweise verliert.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Werkzeug, ein System und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem diese Nachteile reduziert oder sogar vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird bei einem Werkzeug zum Fixieren eines Bauteils zum stoffschlüssigen Fügen mit einer Klemmeinrichtung zum kraftschlüssigen Fixieren eines Bauteils und mit einem Amboss zur Anlage eines Bauteils an einer Anlagefläche des Ambosses, wobei die Klemmeinrichtung dazu eingerichtet und angeordnet ist, ein zu fügendes Bauteil kraftschlüssig so zu fixieren, dass ein zu fügender Bereich des Bauteils an der Anlagefläche des Ambosses anliegt, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Amboss einen Ambosskörper mit einer Aufnahme aufweist, in die ein Anlageelement einsetzbar oder eingesetzt ist, so dass eine Fläche des Anlageelements die Anlagefläche des Ambosses bildet.
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Auf diese Weise kann die Beschaffenheit der Anlagefläche durch Verwenden eines geeigneten Anlageelements optimiert werden, so dass ein Anschweißen eines Bauteils an die Anlagefläche weitgehend oder vollständig verhindert werden kann. Weiterhin kann die Anlagefläche bei Verschleiß durch Austausch des Anlageelements einfach und kostengünstig erneuert werden, ohne dass ein Austausch des gesamten Ambosses erforderlich ist.
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Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch ein System zum stoffschlüssigen Fügen, insbesondere zum Ultraschallschweißen, mit einem Gerät zum stoffschlüssigen Fügen, insbesondere einem Ultraschallschweißgerät, und mit dem zuvor beschriebenen Werkzeug oder einer Ausführungsform davon zum Fixieren eines Bauteils zum stoffschlüssigen Fügen des Bauteils mit dem Gerät zum stoffschlüssigen Fügen.
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Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen, insbesondere zum Ultraschallschweißen, bei dem ein stoffschlüssig zu fügendes Bauteil mit dem zuvor beschriebenen Werkzeug oder einer Ausführungsform davon fixiert wird, wobei das Bauteil so mit der Klemmeinrichtung des Werkzeugs fixiert wird, dass ein zu fügender Bereich des Bauteils an der Anlagefläche anliegt und bei dem das fixierte Bauteil in dem zu fügenden Bereich stoffschlüssig gefügt, insbesondere ultraschallgeschweißt wird, insbesondere mit einem weiteren Bauteil.
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Bei dem Bauteil handelt es sich vorzugsweise um einen Flachleiter, insbesondere um eine Stromschiene, oder um ein Anschlusselement, insbesondere zum Anschluss an einen Flachleiter bzw. eine Stromschiene.
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Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen des Werkzeugs, des Systems und des Verfahrens beschrieben, wobei die einzelnen Ausführungsformen jeweils unabhängig voneinander für das Werkzeug, das System und für das Verfahren gelten. Zudem sind die Ausführungsformen untereinander kombinierbar.
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Bei einer Ausführungsform besteht der Ambosskörper aus Metall, insbesondere Hartmetall. Auf diese Weise weist der Ambosskörper eine ausreichende Festigkeit auf. Gleichzeitig besteht bei einem Ambosskörper aus Metall ohne Anlageelement besonders das Problem eines unerwünschten Anschweißens, so dass die Verwendung eines Anlageelements besonders bei einem solchen Ambosskörper vorteilhaft ist.
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Bei einer Ausführungsform besteht das Anlageelement zumindest an der Anlagefläche aus einem anderen Material als der Ambosskörper. Das Anlageelement kann insbesondere vollständig aus dem anderen Material bestehen. Auf diese Weise kann das Material des Anlageelements so ausgewählt werden, um ein Anschweißen möglichst zu verhindern.
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Vorzugsweise wird für das Anlageelement ein thermisch träges Material verhindet. So weist das Material des Anlageelements gegenüber dem Material des Ambosskörpers vorzugsweise eine geringere thermische Leitfähigkeit auf. Auf diese Weise kann eine durch die Fügeenergie bewirkte Erwärmung des Anlageelements reduziert werden, wodurch sich die Wahrscheinlichkeit eines Anschweißens reduzieren lässt. Zusätzlich oder alternativ weist das Material des Anlageelements gegenüber dem Material des Ambosskörpers einen höheren Schmelzpunkt auf. Auch auf diese Weise kann die Wahrscheinlichkeit eines Anschweißens eines Bauteils an das Anlageelement reduziert werden.
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Das Material des Anlageelements ist vorzugsweise nicht metallisch. Auch auf diese Weise kann die Wahrscheinlichkeit eines Anschweißens reduziert werden.
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Das Material des Anlageelements weist vorzugsweise eine gegenüber dem Ambosskörper höhere Härte auf. Auf diese Weise wird die Verschleißfestigkeit des Anlageelements erhöht. Eine hohe Härte kann zum Beispiel durch die Verwendung eines Anlageelements aus polykristallinem Diamant erreicht werden.
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Das Anlageelement weist vorzugsweise eine gegenüber der Oberflächengüte des Ambosskörpers höhere Oberflächengüte auf. So ist die Oberfläche des Anlageelements vorzugsweise so beschaffen, dass sie gegenüber der Oberfläche des Ambosskörpers eine geringere gemittelte Rautiefe Rz, bestimmt nach DIN ISO 4287/1, aufweist. Durch eine solche glattere Oberfläche des Anlageelements kann die Wahrscheinlichkeit eines Anschweißens reduziert werden.
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Bei einer Ausführungsform besteht das Anlageelement zumindest an der Anlagefläche aus polykristallinem Diamant oder aus einer Keramik. Das Anlageelement kann auch vollständig aus polykristallinem Diamant oder aus einer Keramik bestehen. Es hat sich in Versuchen gezeigt, dass derartige Anlageelemente eine gute Verschleißfestigkeit aufweisen und ein unerwünschtes Anschweißen eines Bauteils zuverlässig verhindern. Die unter Verwendung eines solchen Anlageelements geschweißten Bauteile wurden durch die Anlageelemente zudem nicht beschädigt. Insbesondere konnten mit einem solchen Anlageelement beschichtete Bauteile ohne Beschädigung der Beschichtung ultraschallgeschweißt werden.
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Bei einer Ausführungsform weist das Anlageelement einen Anlageelementkörper mit einer Beschichtung aus Keramik oder Carbon (Carbonbeschichtung) auf, die die Anlagefläche bildet. Der Anlageelementkörper kann beispielsweise aus Metall bestehen. Auf diese Weise lassen sich die Herstellungskosten der Anlageelemente reduzieren.
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Bei einer Ausführungsform weist die Klemmeinrichtung ein Paar Klemmbacken auf. Auf diese Weise kann ein zu fügendes Bauteil sicher fixiert werden. Die Klemmeinrichtung, insbesondere die Klemmbacken, sind vorzugsweise neben dem Amboss angeordnet und besonders bevorzugt mit diesem verbunden. Auf diese Weise können die Klemmbacken ein Bauteil sicher so fixieren, dass der zu fügende Bereich des Bauteils an der Anlagefläche anliegt.
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Weitere Vorteile und Merkmale des Werkzeugs, des Systems und des Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird.
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In der Zeichnung zeigen
- 1a-b ein Ausführungsbeispiel des Werkzeugs sowie ein Ausführungsbeispiel des Systems und
- 2 einen ersten Schritt eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens,
- 3a-b einen zweiten Schritt des Ausführungsbeispiels des Verfahrens.
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1a-b zeigen ein Ausführungsbeispiel des Werkzeugs zum Fixieren eines Bauteils zum stoffschlüssigen Fügen und ein Ausführungsbeispiel des Systems zum stoffschlüssigen Fügen mit einem solchen Werkzeug in schematischer Darstellung. 1a zeigt eine Aufsicht und 1b eine Schnittdarstellung entsprechend der in 1a mit „Ib“ bezeichneten Schnittebene.
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Das Werkzeug 2 umfasst eine Klemmeinrichtung 4 mit zwei gegenüberliegend angeordneten Klemmbacken 6, 8 aus Metall, die sich über einen Aktuator (Pfeil 9), zum Beispiel über eine Hydraulik, einen Motor oder eine manuelle Anstellung aufeinander zu bewegen lassen, um ein Bauteil zwischen sich einzuklemmen und so zu fixieren.
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Das Werkzeug 2 umfasst weiterhin einen Amboss 10 mit einem Ambosskörper 12 aus Metall, insbesondere Hartmetall, und einer darin eingelassenen Aufnahme 14 in Form einer Vertiefung, in die ein Anlageelement 16 eingesetzt ist, so dass eine Fläche 18 des Anlageelements 16 eine Anlagefläche 20 des Ambosses 10 für einen zu fügenden Bereich eines mit der Klemmeinrichtung 4 fixierten Bauteils bildet. Zu diesem Zweck sind die Aufnahme 14 und damit das Anlageelement 16 neben den Klemmbacken 6, 8 der Klemmeinrichtung 4 angeordnet.
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Das Anlageelement 16 besteht vorzugsweise aus polykristallinem Diamant oder aus Keramik. Alternativ kann das Anlageelement 16 auch aus einem mit einer Keramik- oder Carbonbeschichtung versehenen Anlageelementkörper, zum Beispiel einem Anlageelementkörper aus Metall, bestehen. Auf diese Weise weist die Anlagefläche 20 eine Beschaffenheit auf, die ein unerwünschtes Anschweißen eines zu fügenden Bauteils an die Anlagefläche 20 und damit eine Beschädigung der Anlagefläche 20 oder des Bauteils verhindert.
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Das Anlageelement 16 ist im vorliegenden Beispiel lose in der Aufnahme 14 angeordnet und kann auf diese Weise bei Verschleiß leicht gewechselt werden. Um eine Bewegung des Anlageelements 16 zum Ambosskörper 12 zu verhindern, ist die äußere Form des Anlageelements 16 an die Innenkontur der Aufnahme 14 angepasst.
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Der Ambosskörper 12 ist über Schrauben 26 fest mit einer Seite der Klemmeinrichtung 4 verbunden und dadurch in einer festen Position zur Klemmeinrichtung 4 fixiert.
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Das Werkzeug 2 wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel zusammen mit einem Gerät 28 zum Ultraschallschweißen eingesetzt. Das Werkzeug 2 und das Gerät 28 zum Ultraschallschweißen können zum Beispiel an ein gemeinsames Werkzeuggerüst (nicht dargestellt) montiert sein, wobei der Ultraschallschweißkopf 30 des Geräts 28 zum Schweißen eines Bauteils im Bereich der Anlagefläche 20 auf das Werkzeug 2 abgesenkt werden kann (Pfeil 31). Das Werkzeug 2 und das Gerät 28 zum Ultraschallschweißen bilden, optional zusammen mit dem vorzugsweise vorgesehenen Gerüst, ein System 32 zum Ultraschallschweißen.
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Anhand der 2 und 3a-b wird nun ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum stoffschlüssigen Fügen mit dem Werkzeug 2 bzw. dem System 32 beschrieben. 2 und 3a zeigen jeweils eine Aufsicht und 3b eine Schnittansicht entsprechend der in 3a mit „IIIb“ bezeichneten Schnittebene.
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2 zeigt in Aufsicht das Werkzeug 2 aus 1, wobei ein erstes Bauteil 40 in Form eines Flachleiters oder eines Anschlusselements so in die Klemmeinrichtung 4 eingespannt ist, dass ein zu fügender Bereich 42 des ersten Bauteils 40 an der Anlagefläche 20 anliegt, die durch die Fläche 18 des Anlageelements 16 gebildet wird.
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Wie in 3a-b dargestellt, wird an das auf diese Weise fixierte erste Bauteil 40 ein zweites Bauteil 44 in Form eines Flachleiters angelegt, so dass der zu fügende Bereich 42 mit dem damit zu verbindenden Bereich 46 des zweiten Bauteils 44 in Kontakt ist. Sodann wird das zweite Bauteil 44 im Bereich 46 mit dem Ultraschallschweißkopf 30 des Geräts 28 zum Ultraschallschweißen kontaktiert und die beiden Bauteile 40, 44 werden durch die über den Ultraschallschweißkopf 30 eingebrachte Fügeenergie miteinander verschweißt.
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Aufgrund der Beschaffenheit des Anlageelements 16 wird bei diesem Ultraschallschweißvorgang ein unerwünschtes Anschweißen des ersten Bauteils 40 an das Anlageelement 16 vermieden. Dadurch unterliegt das Anlageelement 16 nur geringem Verschleiß. Darüber hinaus wird eine Beschädigung des ersten Bauteils 40 bzw. einer etwaigen Beschichtung des Bauteils 40, zum Beispiel einer Nickelbeschichtung zum Korrosionsschutz, vermieden. Da es nicht zum Anschweißen an das Anlageelement 16 kommt, können die verschweißten Bauteile 40, 44 nach dem Ultraschallschweißvorgang und anschließendem Lösen der Klemmeinrichtung 4 ohne Aufwand entfernt werden.
