DE102019128745A1 - Ultraschallschweißvorrichtung und Verfahren zum Ultraschallverschweißen von mindestens zwei Bauteilen - Google Patents

Ultraschallschweißvorrichtung und Verfahren zum Ultraschallverschweißen von mindestens zwei Bauteilen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallschweißvorrichtung (1), die einen Schallkopf (2) zum Erzeugen von mechanischen Schwingungen, mindestens eine Sonotrode (3), die mit dem Schallkopf (2) verbunden und eingerichtet ist, die mechanischen Schwingungen auf mindestens zwei zu verschweißende Bauteile (200, 201) zu übertragen, und einen Niederhalter (4) umfasst. Der Niederhalter (4) ist am Schallkopf (2) angeordnet und eingerichtet, die zu verschweißenden gegeneinander zu drücken, so dass die zu verschweißenden Bauteile (200, 201) lagefixiert sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ultraschallverschweißen von mindestens zwei Bauteilen (200, 201) mittels der Ultraschallschweißvorrichtung (1).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschallschweißvorrichtung und ein Verfahren zum Ultraschallschweißen von mindestens zwei Bauteilen unter Verwendung einer Ultraschallschweißvorrichtung.
  • Beim Ultraschallschweißen werden zwei oder mehrere Bauteile durch die Einleitung hochfrequenter (im Ultraschall-Frequenzbereich) mechanischer Schwingungen in die Bauteile verschweißt. Dazu wird eine Ultraschallschweißvorrichtung benutzt, die einen Schallkopf und eine Sonotrode aufweist. Der Schallkopf dient dazu, hochfrequente mechanische Schwingungen zu erzeugen, die dann über eine Sonotrode auf die zu verschweißenden Bauteile übertragen werden. Dadurch werden die Bauteile verschweißt. Zum Spannen bzw. Lagefixieren der zu verschweißenden Bauteile wird gemäß den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ein Spannrahmen benutzt.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue Art von Lagefixierung der zu verschweißenden Bauteile vorzuschlagen, durch welche Maß- und/oder Formabweichungen beim Endprodukt vermieden werden können.
  • Die Lösung dieser Aufgabe wird durch eine Ultraschallschweißvorrichtung gemäß der Merkmalskombination des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs und durch ein Verfahren zum Ultraschallverschweißen von mindestens zwei Bauteilen mittels der vorgeschlagenen Ultraschallschweißvorrichtung gemäß der Merkmalskombination des unabhängigen Verfahrensanspruchs erreicht.
  • Insbesondere wird die Lösung der vorgenannten Aufgabe durch eine Ultraschallschweißvorrichtung mit einem Schallkopf, mindestens einer Sonotrode und einem Niederhalter erreicht. Dabei ist der Schallkopf mit der Sonotrode verbunden und eingerichtet, mechanische Schwingungen (mit Frequenz im Ultraschallbereich) zu erzeugen. Weiterhin ist die Sonotrode eingerichtet, die durch den Schallkopf erzeugten mechanischen Schwingungen auf mindestens zwei zu verschweißende Bauteile zu übertragen. Der Niederhalter ist am Schallkopf angeordnet und eingerichtet, die zu verschweißenden Bauteile gegeneinander bzw. zusammen zu drücken, so dass die zu verschweißenden Bauteile lagefixiert sind.
  • Des Weiteren wird die vorgenannte Aufgabe durch ein Verfahren zum Ultraschallverschweißen von mindestens zwei Bauteilen mittels der vorgeschlagenen Ultraschallschweißvorrichtung gelöst. Gemäß dem Verfahren werden die zu verschweißenden Bauteile durch den Niederhalter gegeneinander- bzw. zusammengedrückt, so dass die zu verschweißenden Bauteile lagefixiert sind.
  • Durch das Vorsehen des Niederhalters als Teil der Ultraschallschweißvorrichtung kann eine stabile Lagefixierung der zu verschweißenden Bauteile erzielt werden. Insbesondere werden dadurch Klapperstellen bei den zu verschweißenden Bauteilen, d.h. Stoßstellen zwischen den Kontaktflächen der Bauteile, vermieden, denn die zu verschweißenden Bauteile werden durch den Niederhalter nicht weit weg von der Schweißstelle niedergehalten. Dies hat zur Folge, dass Maß- und/oder Formabweichungen beim Endprodukt aus den verschweißten Bauteilen reduziert oder eliminiert werden können. Die zu verschweißenden Bauteile sind dabei insbesondere zwischen der Stelle der Einleitung der Druckkraft auf die Bauteile durch den Niederhalter und einer Schweißstelle während des Ultraschallschweißens derart lagefixiert, dass die Bauteile insbesondere vollflächig aufeinanderliegen. Ferner wird der ganze Ultraschallschweißvorgang aufgrund der Integrierung des Niederhalters in der Ultraschallschweißvorrichtung vereinfacht, da das Ultraschallschweißen durch die Ultraschallschweißvorrichtung ohne zusätzliche Werkzeuge zum Lagefixieren der Bauteile durchgeführt werden kann. Insbesondere kann ein Spannrahmen entfallen.
  • Obwohl durch die vorgeschlagene Ultraschallschweißvorrichtung beim Ultraschallschweißen von mindestens zwei Bauteilen kein Spannrahmen zum Vermeiden von Lageabweichungen der Bauteile und dadurch auch von Maß- und/oder Formabweichungen beim Endprodukt erforderlich ist, kann trotzdem ein Spannrahmen zusätzlich zum Niederhalter der Ultraschallschweißvorrichtung verwendet werden, der die Bauteile an ihren Rändern spannt.
  • Als Ultraschallschweißen wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch ein Ultraschallschweißnietverfahren verstanden, d.h. ein Verfahren, bei dem sowohl ein Ultraschallschweißen als auch ein Nieten stattfindet.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die Ultraschallschweißvorrichtung insbesondere als eine Fügevorrichtung verstanden. Dabei können ferner der Schallkopf und die mindestens eine Sonotrode insbesondere als eine Vorrichtung zum Erzeugen und/oder Übertragen von Energie, insbesondere mechanischer und thermischer Energie, auf mindestens zwei zu fügende Bauteile verstanden werden. Der Niederhalter ist dabei an der Vorrichtung angeordnet und eingerichtet, die zu fügenden Bauteile gegeneinander zu drücken, so dass die zu fügenden Bauteile lagefixiert sind.
  • Insbesondere ist der Niederhalter eingerichtet, die zu verschweißenden Bauteile an einer Schweißstelle oder in unmittelbarer Nähe von einer Schweißstelle gegeneinander zu drücken, so dass die zu verschweißenden Bauteile lagefixiert sind.
  • Im Rahmen der Erfindung erfolgt ein Gegeneinanderdrücken der zu verschweißenden Bauteile in unmittelbarer Nähe von der Schweißstelle insbesondere, wenn ein lichter Minimalabstand zwischen einer Kontaktfläche des Niederhalters, über die mindestens eines der Bauteile vom Niederhalter kontaktierbar ist, und einer Kontaktfläche der Sonotrode, über die mindestens eines der Bauteile von der Sonotrode kontaktierbar ist, in einer zur Bewegungsachse der Sonotrode senkrechten Achse höchstens 20mm, bevorzugt höchstens 10mm, besonders bevorzugt höchstens 5mm, besonders bevorzugt höchstens 2mm, besonders bevorzugt höchstens 1 mm ist.
  • Die Bewegungsachse der Sonotrode ist vorzugsweise parallel zur Längsachse der Sonotrode.
  • Der Schallkopf umfasst vorzugsweise einen Konverter und/oder einen Booster.
  • Der Konverter, der im Rahmen der Erfindung auch als Schallwandler bezeichnet wird, dient insbesondere dazu, eine durch einen Generator bereitgestellte hochfrequente Spannung in mechanische Schwingungen umzuwandeln, indem insbesondere die Wirkungen der Piezoelektrizität genutzt werden. Dabei wandelt der Konverter insbesondere mittels piezokeramischer Bauteile die hochfrequente, elektrische Schwingung in eine mechanische Auslenkung gleicher Frequenz um. Die Ausgangsamplitude, die der Konverter bereitstellt, hängt vom Generator und den eingesetzten Piezokeramiken ab.
  • Der Booster, der im Rahmen der Erfindung auch als Amplitudentransformationsstück bezeichnet wird, dient insbesondere dazu, die vom Konverter bereitgestellte Amplitude der Schwingungen zu verändern und die amplitudenveränderten Schwingungen in die Sonotrode weiterzuleiten.
  • Die Sonotrode ist insbesondere ein Ultraschallschweißwerkzeug, das durch das Einleiten von hochfrequenten mechanischen Schwingungen in Resonanz versetzt wird. Da die Sonotrode mit dem Schallkopf, d.h. mit dem Konverter oder mit dem Booster, wenn der Schallkopf einen Booster aufweist, verbunden ist, dient die Sonotrode somit als das Bindeglied zwischen dem Schallkopf und den zu verschweißenden Bauteilen. Die Sonotrode kommt während des Verschweißens der Bauteile in direkten Kontakt mit zumindest einem der zu verschweißenden Bauteile. Somit dient die Sonotrode zum Übertragen sowohl der Schwingungsenergie als auch einer Anpresskraft auf die zu verschweißenden Bauteile bzw. die Schweißstelle.
  • Die Kontaktfläche der Sonotrode, über die mindestens eines der mindestens zwei zu verschweißenden Bauteile, insbesondere die mindestens zwei zu verscheißenden Bauteile, kontaktierbar ist/sind, kann vorzugsweise flach oder gewölbt sein. Andere Formen für die Kontaktfläche sind auch vorstellbar. So kann beispielsweise die Kontaktfläche der Sonotrode gewaffelt (Waffelsonotrode) oder geriffelt (Riffelsonotrode) sein.
  • Insbesondere kann mindestens eines der zu verschweißenden Bauteile einen Nietdom (auch: Schweißdom) aufweisen, der durch die Sonotrode zu einem Nietkopf formbar ist.
  • Es ist ferner möglich, dass zusätzlich oder alternativ zum Nietdom mindestens eines der zu verschweißenden Bauteile einen Energierichtungsgeber, beispielsweise eine, insbesondere spitze, Schweißrippe, aufweist. Die zu verschweißenden Bauteile sind über den Energierichtungsgeber miteinander verbindbar. Durch die Sonotrode ist der Energierichtungsgeber plastifizierbar, so dass die Bauteile miteinander verbindbar sind. Dazu kann bevorzugt eine Flachsonotrode, d.h. eine Sonotrode mit flacher Kontaktfläche, benutzt werden.
  • Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Niederhalter seitlich zur Sonotrode angeordnet.
  • Vorzugsweise umgibt der Niederhalter die Sonotrode in Umfangsrichtung teilweise, insbesondere zumindest 180 Grad, bevorzugt zumindest 200 Grad. Somit wird zumindest eine partielle Lagefixierung der zu verschweißenden Bauteile erreicht, die aber je nach Anwendung ausreichend sein kann, wobei der Niederhalter gleichzeitig kompakt und leicht ausgebildet sein kann. Somit können auch die erforderlichen Kräfte zum Bewegen des Niederhalters klein gehalten werden. Eine solche Ausbildung des Niederhalters kann insbesondere von Vorteil sein, wenn aufgrund begrenzter Zugänglichkeit zu der Schweißstelle keine vollständige umlaufende Lagefixierung der Bauteile möglich ist.
  • Insbesondere umgibt der Niederhalter die Sonotrode vollständig in Umfangsrichtung. Somit kann eine noch stabilere Lagefixierung der zu verschweißenden Bauteile ermöglicht werden. Dies kann beispielsweise von Vorteil sein, wenn die zu verschweißenden Bauteile eine relative hohe Dicke aufweisen.
  • Bevorzugt ist der Niederhalter hülsenförmig ausgebildet. Ein die Form einer Hülse aufweisender Niederhalter bedeutet im Rahmen der Erfindung insbesondere, dass der Niederhalter einen ringförmigen Querschnitt aufweist. Dabei kann ein Innenradius und/oder ein Außenradius des ringförmigen Querschnitts über die gesamte Länge des Niederhalters oder abschnittsweise konstant oder unterschiedlich sein.
  • So wird ein Niederhalter, der beispielsweise einen konischen oder einen abgestuften Bereich aufweist oder über seine gesamte Länge konisch ausgebildet ist, im Rahmen der Erfindung auch als hülsenförmig bezeichnet. Andere Formen sind allerdings auch vorstellbar. So kann der Niederhalter beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.
  • Die Hülse kann vorzugsweise seitlich offen sein und somit die Sonotrode teilweise umgeben. Alternativ kann die Hülse vollumfänglich geschlossen sein.
  • Der Niederhalter ist vorzugsweise am Schallkopf und relativ zum Schallkopf, insbesondere parallel zu einer Bewegungsachse der Sonotrode, bewegbar angeordnet. Somit kann der Niederhalter unabhängig von der Anordnung aus dem Schallkopf und der Sonotrode bzw. von der Sonotrode bewegt werden.
  • Dazu kann bevorzugt eine Niederhalter-Bewegungseinheit vorgesehen sein, die am Schallkopf angeordnet und eingerichtet ist, den Niederhalter zu bewegen. Die Niederhalter-Bewegungseinheit ist insbesondere zwischen dem Schallkopf und dem Niederhalter angeordnet. Insbesondere ist die Niederhalter-Bewegungseinheit eine Vorschubeinheit, die eingerichtet ist, den Niederhalter relativ zum Schallkopf zu verschieben. Die Niederhalter-Bewegungseinheit dient vorzugsweise ferner dazu die Druckkraft bereitzustellen, die erforderlich ist, um die zu verschweißenden Bauteile gegeneinanderzudrücken.
  • Insbesondere ist die Niederhalter-Bewegungseinheit eine Pneumatik- oder Hydrau likvorrichtung.
  • Vorzugsweise erstreckt sich der Niederhalter über mindestens 50% der Länge der Sonotrode. Die Länge der Sonotrode ist insbesondere als die Abmessung der Sonotrode entlang der Bewegungsachse der Sonotrode definiert.
  • Bevorzugt steht in einer Position des Niederhalters bzw. in einer zur Sonotrode relativen Position des Niederhalters eine Innenseite des Niederhalters mit einer Außenseite der Sonotrode zumindest teilweise im Kontakt. Vorzugsweise ist der Niederhalter derart ausgebildet, dass in einer Position des Niederhalters bzw. in einer zur Sonotrode relativen Position des Niederhalters der Niederhalter an seinem Innenumfang mit einem Außenumfang der Sonotrode zumindest teilweise im Kontakt steht. Dies erfolgt insbesondere, wenn sowohl der Niederhalter als auch die Sonotrode auf mindestens eines der Bauteile aufgesetzt sind.
  • Der Innenumfang des Niederhalters kann im Rahmen der Erfindung auch als Innenumfangsfläche bezeichnet werden. In analoger Weise kann im Rahmen der Erfindung der Außenumfang der Sonotrode auch als Außenumfangsfläche bezeichnet werden.
  • Vorzugsweise ist in einer Position des Niederhalters bzw. in einer zur Sonotrode relativen Position des Niederhalters eine Innenseite des Niederhalters, insbesondere teilweise oder über die gesamte Länge des Niederhalters, von einer Außenseite der Sonotrode, beabstandet. Vorzugsweise ist der Niederhalter derart ausgebildet, dass in einer Position des Niederhalters bzw. in einer zur Sonotrode relativen Position des Niederhalters sein Innenumfang, insbesondere teilweise oder über die gesamte Länge des Niederhalters, von einem Außenumfang der Sonotrode beabstandet ist. Dies erfolgt insbesondere, wenn sowohl der Niederhalter als auch die Sonotrode auf mindestens eines der zu verschweißenden Bauteile aufgesetzt sind.
  • Der Begriff „beabstandet“ bedeutet dabei im Rahmen der Erfindung, dass ein lichter Minimalabstand zwischen der Innenseite des Niederhalters und der Außenseite der Sonotrode, insbesondere der Innenumfangsfläche des Niederhalters und der Außenumfangsfläche der Sonotrode, ungleich Null ist.
  • Bevorzugt beträgt der lichte Minimalabstand zwischen der Innenseite des Niederhalters und der Außenseite der Sonotrode, insbesondere der Innenumfangsfläche des Niederhalters und der Außenumfangsfläche der Sonotrode, zwischen 1 mm (einschließlich) und 5 mm (einschließlich), besonders bevorzugt zwischen 1 mm (einschließlich) und 2 mm (einschließlich). Der lichte Minimalabstand wird dabei insbesondere in einer zur Längsachse und/oder Bewegungsachse der Sonotrode senkrechten Achse gemessen.
  • Der Hohlraum zwischen der Innenseite des Niederhalters und der Außenseite der Sonotrode, insbesondere der Innenumfangsfläche des Niederhalters und der Außenumfangsfläche der Sonotrode, kann vorzugsweise mit einem Wärmeleitgel oder einer Wärmeleitpaste zum Übertragen von Wärme von der Sonotrode auf den Niederhalter gefüllt sein. Durch das Wärmeleitgel oder die Wärmeleitpaste sind der Niederhalter und die Sonotrode thermisch kontaktiert.
  • Es ist von Vorteil, wenn der Niederhalter mindestens einen Kühlkanal für den Durchfluss eines Kühlmittels zum Kühlen der Sonotrode und/oder der Schweißstelle aufweist. Durch das Vorsehen des Kühlkanals im Niederhalter kann die durch das Ultraschallschweißen der Bauteile erzeugte Wärme von der Sonotrode und/oder der Schweißstelle durch das Kühlmittel abgeleitet werden, ohne dass es einer zusätzlichen Kühlvorrichtung bedarf. Somit wird eine kompakte Ultraschallschweißvorrichtung ermöglicht. Als Kühlmittel kann beispielsweise Luft, insbesondere gekühlte Druckluft, oder Stickstoff benutzt werden.
  • Der Kühlkanal weist vorzugsweise einen Bereich auf, der in einer Wandung des Niederhalters ausgebildet ist. Insbesondere kann der Kühlkanal vollständig in der Wandung des Niederhalters ausgebildet sein.
  • Zusätzlich oder alternativ zum Bereich in der Wandung des Niederhalters kann der Kühlkanal einen Bereich eines Hohlraums, insbesondere den kompletten Hohlraum, zwischen dem Niederhalter und der Sonotrode aufweisen. Insbesondere kann der Kühlkanal hohlzylinderförmig ausgebildet sein.
  • Vorzugsweise ist eine Mehrzahl von Kühlkanälen vorgesehen.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Kühlkanal mindestens eine Öffnung auf, durch die Kühlmittel auf die Schweißstelle strömbar ist. Somit wird die Schweißstelle schneller gekühlt. Dadurch kann die Dauer des Schweißvorgangs reduziert werden, was insbesondere von Vorteil ist, wenn ein erstes Bauteil mit einem zweiten Bauteil an mehreren Stellen oder mehrere Bauteile miteinander verbunden werden müssen.
  • Vorzugsweise kann die mindestens eine Öffnung in der Wandung, insbesondere in der Kontaktfläche und/oder in der Innenumfangsfläche des Niederhalters, ausgebildet sein.
  • Alternativ kann die mindestens eine Öffnung in vorteilhafter Weise eine Öffnung des Hohlraums zwischen dem Niederhalter und der Sonotrode sein.
  • Es ist ferner möglich, dass der Kühlkanal mindestens eine erste Öffnung in der Wandung, insbesondere in der Kontaktfläche und/oder der Innenumfangsfläche, des Niederhalters und mindestens eine zweite Öffnung aufweist, die als Öffnung des Hohlraums zwischen dem Niederhalter und der Sonotrode ausgebildet ist.
  • Nach einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung umfasst der Niederhalter eine Vorrichtung zum Versetzen des Kühlmittels in eine Drehbewegung. Somit wird eine verbesserte Kühlung der Sonotrode und/oder der Schweißstelle ermöglicht.
  • Die Vorrichtung zum Versetzen des Kühlmittels in eine Drehbewegung kann vorzugsweise den Bereich des Kühlkanals umfassen, der in der Wandung des Niederhalters ausgebildet ist, wobei der Bereich des Kühlkanals spiralförmig ausgebildet ist. Besonders bevorzugt umfasst die Vorrichtung zum Versetzen des Kühlmittels in eine Drehbewegung einen spiralförmigen Kühlkanal, der vollständig in der Wandung des Niederhalters ausgebildet ist.
  • Die Vorrichtung zum Versetzen des Kühlmittels in eine Drehbewegung kann alternativ oder zusätzlich eine spiralförmige Führung im Hohlraum zwischen dem Niederhalter und der Sonotrode, vorzugsweise an der Innenumfangsfläche des Niederhalters, aufweisen. Die spiralförmige Führung ist insbesondere als Nut in der Innenumfangsfläche des Niederhalters ausgebildet.
  • Vorzugsweise umfasst die Ultraschallschweißvorrichtung eine Schnittstelle am Schallkopf zum Anschließen an einer Bewegungseinheit. Die Bewegungseinheit kann eine Vorschubeinheit und/oder einen Bewegungsarm (auch: Roboterarm) aufweisen. Somit kann das Ultraschallschweißverfahren präzise durchgeführt und automatisiert werden.
  • Die Erfindung betrifft ferner einen Schweißautomaten (auch: Roboter) mit einer Bewegungseinheit, welche einen Bewegungsarm oder einen Bewegungsarm und eine Vorschubeinheit aufweist, wobei an der Bewegungseinheit eine zuvor beschriebene Ultraschallschweißvorrichtung angeschlossen ist.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens werden die zu verschweißenden Bauteile durch den Niederhalter gedrückt, bevor das Verschweißen der Bauteile durch die Sonotrode beginnt.
  • Insbesondere wird der Niederhalter zuerst auf mindestens eines der Bauteile aufgesetzt. In dieser Position drückt der Niederhalter die zu verschweißenden Bauteile gegeneinander. Nachdem sich der Niederhalter auf mindestens eines der Bauteile aufgesetzt hat, wird die Sonotrode auf mindestens eines der Bauteile, insbesondere das obere Bauteil, aufgesetzt. Danach wird die Sonotrode in Schwingung gesetzt, so dass die Bauteile verschweißt werden. Während des Ultraschallschweißens kann durch den Kühlkanal Kühlmittel gefördert werden, um die Sonotrode und/oder die Schweißstelle zu kühlen.
  • Nachdem die Sonotrode und die Schweißstelle ausreichend gekühlt sind und die Bauteile miteinander verbunden worden sind, können die Sonotrode und der Niederhalter, insbesondere gleichzeitig, von der Schweißstelle entfernt werden.
  • Die mit Bezug auf eine Ultraschallschweißvorrichtung beschriebene Idee des Vorsehens eines Niederhalters als Teil einer Fügevorrichtung zum Erzielen einer stabilen Lagefixierung der zu fügenden Bauteile während des Fügeverfahrens kann auch bei anderen Fügevorrichtungen, mittels deren andere Fügeverfahren außer Ultraschallschweißen durchgeführt werden können, Einsatz finden. Solche Fügeverfahren können beispielsweise das Warmnieten, das Heißstempelnieten und das Heißluftnieten sein.
  • So kann beispielsweise eine Fügevorrichtung als Nietvorrichtung ausgebildet sein und eine Vorrichtung zum Erzeugen und/oder Übertragen von mechanischer oder mechanischer und thermischer Energie umfassen, wobei Letztere einen Stempel, insbesondere einen Heizstempel beim Warmnieten oder einen Kaltstempel beim Heißstempelnieten oder Heißluftnieten, aufweist. Hierbei kann ein Niederhalter an der Vorrichtung, insbesondere am Stempel, angeordnet und eingerichtet sein, die zu fügenden bzw. zu vernietenden Bauteile gegeneinander zu drücken, so dass die zu fügenden bzw. zu vernietenden Bauteile lagefixiert sind.
  • Die mit Bezug auf die Ultraschallschweißvorrichtung beschriebenen Ausführungen des Niederhalters können auch bei der als Nietvorrichtung ausgebildeten Fügevorrichtung realisiert sein. Insbesondere umfasst der Niederhalter einen Kühlkanal für den Durchfluss eines Kühlmittels zum Kühlen des Stempels und/oder der Fügestelle bzw. Nietstelle.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Merkmale jeweils mit demselben Bezugszeichen bezeichnet sind. Es zeigen:
    • 1 eine schematische, vereinfachte Ansicht einer Ultraschallschweißvorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
    • 2 ein erstes Fügeteil, mit welchem ein zweites Fügeteil durch Ultraschallschweißen mittels der Ultraschallschweißvorrichtung verbunden ist, und
    • 3 eine schematische, vereinfachte Ansicht einer Ultraschallschweißvorrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 1 und 2 eine Ultraschallschweißvorrichtung 1 und ein Verfahren zum Ultraschallverschweißen von mindestens zwei Bauteilen mittels der Ultraschallschweißvorrichtung 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben.
  • Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Ultraschallschweißvorrichtung 1 einen Schallkopf 2, mindestens eine Sonotrode 3 und einen Niederhalter 4.
  • Dabei ist der Schallkopf 2 mit der Sonotrode 3 verbunden und eingerichtet, mechanische Schwingungen zu erzeugen.
  • Dazu umfasst der Schallkopf 2 einen Konverter 20 und einen Booster 21.
  • Der Konverter 20 dient dazu, eine durch einen Generator bereitgestellte hochfrequente Spannung in mechanische Schwingungen umzuwandeln.
  • Der Booster 21 dient dazu, die vom Konverter 20 bereitgestellte Amplitude der Schwingungen zu verändern und die amplitudenveränderten Schwingungen in die Sonotrode 3 weiterzuleiten.
  • Insbesondere ist die Sonotrode 3 mit dem Booster 21 direkt verbunden.
  • Weiterhin ist die Sonotrode 3 eingerichtet, die durch den Schallkopf 2 erzeugten mechanischen Schwingungen auf mindestens zwei zu verschweißende Bauteile 200, 201 zu übertragen.
  • Der Niederhalter 4 ist am Schallkopf 2, insbesondere am Booster 21, angeordnet und eingerichtet, die zu verschweißenden Bauteile 200, 201 zusammen zu drücken, so dass die zu verschweißenden Bauteile 200, 201 während des Ultraschallschweißvorgangs lagefixiert sind.
  • Der Niederhalter 4 ist am Schallkopf 2 und relativ zum Schallkopf 2 bewegbar angeordnet. Somit kann der Niederhalter 4 unabhängig von der Anordnung aus dem Schallkopf 2 und der Sonotrode 3 bzw. von der Sonotrode 3 bewegt werden.
  • Dazu ist eine Niederhalter-Bewegungseinheit 43 vorgesehen, die am Booster 2 angeordnet und eingerichtet ist, den Niederhalter 4 zu bewegen. Insbesondere ist die Niederhalter-Bewegungseinheit 43 eine Vorschubeinheit, die eingerichtet ist, den Niederhalter 4 relativ zum Schallkopf 2 parallel zu einer Bewegungsachse 101 der Sonotrode 3 zu verschieben. Ferner ist die Niederhalter-Bewegungseinheit 43 eingerichtet, die erforderliche Druckkraft bereitzustellen, mit der der Niederhalter 4 die zu verschweißenden Bauteile 200, 201 zusammendrücken kann.
  • Zum Anschließen des Niederhalters 4 an der Niederhalter-Bewegungseinheit 43 weist der Niederhalter 4 eine Schnittstelle 45 auf.
  • Weiterhin ist der Niederhalter 4 derart ausgebildet, dass in einer Position des Niederhalters 4 der Niederhalter 4 die Sonotrode 3 teilweise in Umfangsrichtung umgibt. Eine solche Position ist in 1 zu sehen.
  • Insbesondere ist der Niederhalter 4 hülsenförmig ausgebildet.
  • Der Niederhalter 4 weist ferner einen ersten Bereich 46, der konisch ausgebildet ist, und einen zweiten Bereich 47 auf, der einen konstanten ringförmigen Querschnitt über seine Länge hat. Der erste Bereich 46 und der zweite Bereich 47 sind direkt miteinander verbunden bzw. der Niederhalter 46 ist als einstückiges Element ausgebildet.
  • Vorzugsweise ist der Niederhalter 4 derart ausgebildet, dass in einer zur Sonotrode 3 relativen Position des Niederhalters 4 der Niederhalter 4 an seinem Innenumfang 40 mit einem Außenumfang 30 der Sonotrode 3 über die gesamte Länge des Niederhalters 4, d.h., über die gesamte Länge des ersten Bereichs 46 und des zweiten Bereichs 47 im Kontakt steht. Eine solche Position ist in 1 zu sehen.
  • Insbesondere ist der Niederhalter 4 derart ausgebildet, dass in einer zur Sonotrode 3 relativen Position des Niederhalters 4 ein lichter Minimalabstand zwischen dem Innenumfang 40 des Niederhalters 4 und dem Außenumfang 30 der Sonotrode 3 in einer zur Bewegungsachse 101 der Sonotrode 3 senkrechten Achse 102 über die gesamte Länge des Niederhalters 4 gleich Null ist.
  • Somit ist auch ist ein lichter Minimalabstand zwischen der Kontaktfläche 48 des Niederhalters 4, über die mindestens eines der zu verschweißenden Bauteile 200, 201 vom Niederhalter 4 kontaktierbar ist, und der Kontaktfläche 31 der Sonotrode 3, über die mindestens eines der zu verschweißenden Bauteile 200, 201 von der Sonotrode kontaktierbar ist, in einer zur Bewegungsachse 101 der Sonotrode 3 senkrechten Achse 102 gleich Null.
  • Es ist allerdings auch möglich, dass in einer zur Sonotrode 3 relativen Position des Niederhalters 4 der Innenumfang 40 des Niederhalters 4 und der Außenumfang 30 der Sonotrode 3 voneinander beabstandet sind. Der Hohlraum zwischen dem Innenumfang 40 des Niederhalters 4 und dem Außenumfang 30 der Sonotrode 3 kann in vorteilhafter Weise mit einem Wärmeleitgel bzw. einer Wärmeleitpaste zum Übertragen von Wärme von der Sonotrode 3 auf den Niederhalter 4 gefüllt sein. Dabei steht der Innenumfang 40 des Niederhalters 4 über das Wärmeleitgel bzw. die Wärmeleitpaste in mittelbarem Kontakt mit dem Außenumfang 30 der Sonotrode 3.
  • Aufgrund seines Aufbaus ist der Niederhalter 4 insbesondere eingerichtet, die zu verschweißenden Bauteile 200, 201 an der Schweißstelle 203 gegeneinander zu drücken.
  • Ferner erstreckt sich der Niederhalter 4 über mindestens 50% der Länge 100 der Sonotrode 3. Die Länge 100 der Sonotrode 2 ist als die Abmessung der Sonotrode 3 entlang deren Bewegungsachse 101 zu verstehen. Mit anderen Worten erstreckt sich die Sonotrode 3 in Richtung deren Bewegungsachse 101.
  • Ferner weist der Niederhalter 4 zwei Kühlkanäle 41 für den Durchfluss eines Kühlmittels zum Kühlen der Sonotrode 3 und der Schweißstelle 203 auf. Die Kühlkanäle 41 sind insbesondere in einer Wandung 49 des Niederhalters 4 ausgebildet. Ferner sind die Kühlkanäle 41 insbesondere im zweiten Bereich 47 des Niederhalters 4 ausgebildet. Aufgrund der zuvor beschriebenen Ausbildung des zweiten Bereichs 47 ist das Vorsehen der Kühlkanäle im zweiten Bereich 47 besonders vorteilhaft, da somit durch den Kontakt zwischen dem Niederhalter 4 und der Sonotrode 3 eine bessere Wärmeableitung erfolgen kann. Mit anderen Worten ist der zweite Bereich 47 des Niederhalters 4 mit der Sonotrode 3 in wärmeleitenden Kontakt bringbar.
  • Des Weiteren weist der Niederhalter 4 zwei Öffnungen 42 auf, die jeweils mit einem Kühlkanal 41 kommunizieren. Die Öffnungen 42 sind an einem Ende 44 des Niederhalters 4 vorgesehen. Durch die Öffnungen 42 ist Kühlmittel direkt auf die Schweißstelle 203 und daran vorbei strömbar.
  • Als Kühlmittel kann beispielsweise Luft, insbesondere gekühlte Druckluft, oder Stickstoff benutzt werden.
  • Es sei angemerkt, dass die Anzahl der Kühlkanäle 41 und/oder der Öffnungen 42 variieren kann. Es ist zum Beispiel möglich, dass nur ein Kühlkanal 41 vorgesehen ist, der wiederum beispielsweise mit einer, zwei oder mehreren Öffnungen 42 kommuniziert.
  • Ferner umfasst die Ultraschallschweißvorrichtung 1 eine Schnittstelle 22 am Schallkopf 20 zum Anschließen an einer Bewegungseinheit 5. Die Bewegungseinheit 5 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel eine Vorschubeinheit 50 zum Bewegen der Sonotrode 3 entlang der Bewegungsachse 101 und einen Bewegungsarm 60 eines Schweißautomaten 6, insbesondere einen Roboterarm eines Roboters, zum Bewegen der Anordnung aus der Vorschubeinheit 50 und der Ultraschallschweißvorrichtung 1. Somit kann die Ultraschallschweißvorrichtung 1 präzise und in automatisierter Weise bewegt werden.
  • In diesem Ausführungsbeispiel kommt die Sonotrode 3 während des Ultraschallschweißens der Bauteile 200, 201 in direktem Kontakt mit einem Nietdom 202 des Bauteils 201 und überträgt auf diesen die durch den Schallkopf erzeugten mechanischen Schwingungen. Aufgrund der übertragenen Schwingungsenergie als auch einer Anpresskraft, mit der die Sonotrode 3 den Nietdom 202 zur Bildung eines Nietkopfes drückt, werden die Bauteile 200, 201 verschweißt und vernietet.
  • In diesem Ausführungsbeispiel ist die Kontaktfläche 31 der Sonotrode 3 zum Bilden des Nietkopfes gewölbt ausgebildet. Es ist aber möglich, dass die Kontaktfläche 31 eine andere Form hat. Beispielsweise kann die Kontaktfläche 31 eben sein, wenn zwei Bauteile ohne zusätzliche Vernietung verschweißt werden müssen. Im Rahmen der Erfindung ist die Kontaktfläche 31 insbesondere auch als Schweißfläche bezeichnet.
  • Gemäß der bevorzugten Ausführung des Verfahrens werden die zu verschweißenden Bauteile 200, 201 durch den Niederhalter 4 zusammengedrückt, bevor das Verschweißen der Bauteile 200, 201 durch die Sonotrode 3 beginnt.
  • Insbesondere wird der Niederhalter 4 zuerst über die Niederhalter-Bewegungseinheit 43 auf das Bauteil 200 aufgesetzt. In dieser Position drückt der Niederhalter 4 das Bauteil 200 gegen das Bauteil 201. Danach wird die Sonotrode auf den Nietdom 202 aufgesetzt und wird in Schwingung gesetzt, so dass die Bauteile 200, 201 verschweißt werden können.
  • Während des Ultraschallschweißens wird durch die Kühlkanäle 41 Kühlmittel gefördert, um die Sonotrode 3 und die Schweißstelle 203, insbesondere über die Öffnungen 42, zu kühlen.
  • Nachdem die Sonotrode 3 und die Schweißstelle 203 ausreichend gekühlt sind und die Bauteile 200, 201 fest miteinander verbunden wurden, können die Sonotrode 3 und der Niederhalter 4, insbesondere gleichzeitig, von der Schweißstelle 203 wegbewegt werden.
  • Durch das Vorsehen des Niederhalters 4 bei der Ultraschallschweißvorrichtung 1 kann die Ultraschallschweißvorrichtung 1 sowohl zum Verschweißen als auch zum Lagefixieren der Bauteile 200, 201 dienen. Somit kann eine stabile Lagefixierung der zu verschweißenden Bauteile 200, 201 erzielt werden.
  • Insbesondere wenn die Bauteile 200, 201 an mehreren Stellen verschweißt werden müssen, birgt die Ultraschallschweißvorrichtung 1 den Vorteil, dass an allen Stellen der Abstand zwischen der Einleitung der Druckkraft durch den Niederhalter und der Schweißstelle konstant bleiben kann. Somit können kumulative Abweichungen vermieden werden.
  • In 2 sind ein erstes Fügeteil 301 und ein zweites Fügeteil 302 dargestellt, die über einen verschweißten Nietdom 304 unter Verwendung der Ultraschallschweißvorrichtung 1 miteinander verbunden wurden. Ferner ist in 2 ein unverschweißter Nietdom 305 eines dritten Fügeteils 303 gezeigt. Das dritte Fügeteil 303 kann auch unter Verwendung der Ultraschallschweißvorrichtung 1 mit dem ersten Fügeteil 301 verbunden werden.
  • 3 zeigt eine Ultraschallschweißvorrichtung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Hierbei sind in einer zur Sonotrode 3 relativen Position des Niederhalters 4 der Innenumfang 40 des Niederhalters 4 und der Außenumfang 30 der Sonotrode 3 voneinander beabstandet.
  • Insbesondere ist der Niederhalter 4 derart ausgebildet, dass in einer zur Sonotrode 3 relativen Position des Niederhalters 4 ein lichter Minimalabstand 103 zwischen dem Innenumfang 40 des Niederhalters 4 und dem Außenumfang 30 der Sonotrode 3 in einer zur Bewegungsachse 101 der Sonotrode 3 senkrechten Achse 102 über die gesamte Länge des Niederhalters 4 zwischen 1 mm (einschließlich) und 2 mm (einschließlich) beträgt.
  • Somit beträgt auch ein lichter Minimalabstand zwischen der Kontaktfläche 48 des Niederhalters 4 und der Kontaktfläche 31 der Sonotrode 3 in einer zur Bewegungsachse 101 der Sonotrode 3 senkrechten Achse 102 zwischen 1 mm (einschließlich) und 2 mm (einschließlich).
  • Wie die Ultraschallschweißvorrichtung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, weist der Niederhalter 4 auch bei der Ultraschallschweißvorrichtung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel einen Kühlkanal 41 für den Durchfluss eines Kühlmittels zum Kühlen der Sonotrode 3 und der Schweißstelle 203 auf.
  • Hierbei umfasst der Kühlkanal 41 allerdings einen ersten Bereich 411 und einen zweiten Bereich 412 auf, wobei der erste Bereich 411 ist in der Wandung 49 des Niederhalters 4 ausgebildet ist und der zweite Bereich 412 ein Bereich des Hohlraums, insbesondere der komplette Hohlraum, zwischen dem Niederhalter 4 und der Sonotrode 3 ist. Der erste Bereich 411 kommuniziert mit dem zweiten Bereich 412.
  • Insbesondere kann durch den ersten Bereich 411 des Kühlkanals 41 Kühlmittel in den Kühlkanal 41 eingeleitet werden. Das Kühlmittel strömt im zweiten Bereich 412 an der Sonotrode 3 entlang, wodurch die Sonotrode 3 und die Schweißstelle 203 gekühlt werden.
  • Ferner weist der zweite Bereich 412 eine Öffnung 42 auf. Durch die Öffnung 42 kann Kühlmittel direkt auf die Schweißstelle 203 (und auch an der Schweißstelle 203 vorbei) strömen, wodurch die Schweißstelle 203 direkt gekühlt werden kann.
  • Die Öffnung 42 weist insbesondere einen ersten Bereich an einem Umfang des Hohlraums zwischen dem Niederhalter 4 und der Sonotrode 3 auf. Ferner kann die Öffnung 42 einen zweiten Bereich an einer Stirnseite des Hohlraums zwischen dem Niederhalter 3 und der Sonotrode 3 umfassen.
  • Durch die Öffnung 42 kann das Kühlmittel aus dem Hohlraum zwischen dem Niederhalter 4 und der Sonotrode 3 entweichen, insbesondere wenn der Niederhalter 3 die zu verschweißenden Bauteile 200, 201 niederdrückt.
  • In diesem Ausführungsbeispiel umgibt der Niederhalter 3 teilweise die Sonotrode 4 über die gesamte Länge des Niederhalters 4.
  • Es ist aber auch möglich, dass der Niederhalter 4 die Sonotrode 3 über eine erste Länge, die kleiner als die gesamte Länge des Niederhalters 4 ist, vollumfänglich umgibt. Dabei ist der Niederhalter 4 über die erste Länge vollumfänglich geschlossen. Ferner umgibt dabei der Niederhalter 4 die Sonotrode 3 vorzugsweise über eine zweite Länge teilweise, insbesondere an einem der zu verschweißenden Bauteilen 200, 201 zugewandten Ende 44 des Niederhalters 4. Mit anderen Worten ist der Niederhalter 4 vorzugsweise über die zweite Länge in Umfangsrichtung teilweise offen. Somit kann das Kühlmittel durch den teilweise offenen Niederhalter 4 am Ende 44 entweichen. Dabei entspricht die Summe aus der ersten Länge und der zweiten Länge der gesamten Länge des Niederhalters. Insbesondere kann der Niederhalter 4 über die zweite Länge zinnenförmig ausgebildet sein.
  • Hinsichtlich des sonstigen Aufbaus sind die Ultraschallschweißvorrichtung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel und diejenige gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel gleich.
  • Neben der Beschreibung wird hinsichtlich der Offenbarung explizit auf die 1 bis 3 verwiesen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Ultraschallschweißvorrichtung
    2
    Schallkopf
    3
    Sonotrode
    4
    Niederhalter
    5
    Bewegungseinheit
    6
    Schweißautomat
    20
    Konverter
    21
    Booster
    22
    Schnittstelle
    30
    Außenumfang
    31
    Kontaktfläche
    40
    Innenumfang
    41
    Kühlkanal
    42
    Öffnung
    43
    Niederhalter-Bewegungseinheit
    44
    Ende
    45
    Schnittstelle
    46
    erster Bereich
    47
    zweiter Bereich
    48
    Kontaktfläche
    49
    Wandung
    50
    Vorschubeinheit
    60
    Bewegungsarm
    100
    Länge
    101
    Bewegungsachse
    102
    Achse
    103
    lichter Minimalabstand
    104
    lichter Minimalabstand
    200
    erstes Bauteil
    201
    zweites Bauteil
    202
    Nietdom
    203
    Schweißstelle
    301
    erstes Fügeteil
    302
    zweites Fügeteil
    303
    drittes Fügeteil
    304
    verschweißter Nietdom
    305
    unverschweißter Nietdom
    411
    erster Bereich
    412
    zweiter Bereich

Claims (12)

  1. Ultraschallschweißvorrichtung (1), umfassend: • einen Schallkopf (2) zum Erzeugen von mechanischen Schwingungen, • mindestens eine Sonotrode (3), die mit dem Schallkopf (2) verbunden und eingerichtet ist, die mechanischen Schwingungen auf mindestens zwei zu verschweißende Bauteile (200, 201) zu übertragen, und • einen Niederhalter (4), der am Schallkopf (2) angeordnet und eingerichtet ist, die zu verschweißenden Bauteile (200, 201) gegeneinander zu drücken, so dass die zu verschweißenden Bauteile (200, 201) lagefixiert sind.
  2. Ultraschallschweißvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der Niederhalter (4) die Sonotrode (3) in Umfangsrichtung zumindest teilweise umgibt.
  3. Ultraschallschweißvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Niederhalter (4) hülsenförmig ausgebildet ist.
  4. Ultraschallschweißvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Niederhalter (4) am Schallkopf (2) und relativ zum Schallkopf (2), insbesondere parallel zu einer Bewegungsachse (101) der Sonotrode (3), bewegbar angeordnet ist.
  5. Ultraschallschweißvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei sich der Niederhalter (4) über mindestens 50% der Länge (101) der Sonotrode (3) erstreckt.
  6. Ultraschallschweißvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Niederhalter (4) derart ausgebildet ist, dass in einer Position des Niederhalters (4) der Niederhalter (4) an seinem Innenumfang (40) mit einem Außenumfang (30) der Sonotrode (3) zumindest teilweise im Kontakt steht oder wobei der Niederhalter (4) derart ausgebildet ist, dass in einer Position des Niederhalters (4) der Innenumfang (40) des Niederhalters (4) vom Außenumfang (30) der Sonotrode (3) beabstandet ist.
  7. Ultraschallschweißvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Niederhalter (4) mindestens einen Kühlkanal (41) für den Durchfluss eines Kühlmittels zum Kühlen der Sonotrode (3) und/oder der Schweißstelle (203) aufweist.
  8. Ultraschallschweißvorrichtung (1) nach Anspruch 7, wobei der Kühlkanal (41) mindestens eine Öffnung (42) aufweist, durch die Kühlmittel auf die Schweißstelle (203) strömbar ist.
  9. Ultraschallschweißvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend eine Schnittstelle (22) am Schallkopf (2) zum Anschließen an einer Bewegungseinheit (5), welche einen Bewegungsarm (60) und/oder eine Vorschubeinheit (50) umfasst.
  10. Schweißautomat (6), umfassend eine Bewegungseinheit (5), die einen Bewegungsarm (60) oder einen Bewegungsarm (60) und eine Vorschubeinheit (50) aufweist, und an der eine Ultraschallschweißvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche angeschlossen ist.
  11. Verfahren zum Ultraschallverschweißen von mindestens zwei Bauteilen (200, 201) mittels der Ultraschallschweißvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die zu verschweißenden Bauteile (200, 201) durch den Niederhalter (4) gegeneinandergedrückt werden, so dass die zu verschweißenden Bauteile (200, 201) lagefixiert sind.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die zu verschweißenden Bauteile (200, 201) durch den Niederhalter (4) gedrückt werden, bevor das Verschweißen der Bauteile (200, 201) beginnt.
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