DE102020112956A1

DE102020112956A1 - Ultraschallschweißbares Bauteil, Bauteilpaarung und Baukasten mit derartigen Bauteilen

Info

Publication number: DE102020112956A1
Application number: DE102020112956.4A
Authority: DE
Inventors: Kai Güttinger
Original assignee: Illinois Tool Works Inc
Current assignee: Illinois Tool Works Inc
Priority date: 2020-05-13
Filing date: 2020-05-13
Publication date: 2021-11-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil (20) mit mindestens einem Schweißabschnitt (22), der zum Ultraschallschweißen ausgebildet und vorbereitet ist. Erfindungsgemäß weist der Schweißabschnitt (22) eine dreidimensionale und eigenkomplementäre Fügestruktur (25) auf. Die Erfindung richtet sich auch auf eine Bauteilpaarung und einen Baukasten von Bauteilen (20).

Description

Die Erfindung betrifft ein ultraschallschweißbares Bauteil, eine Bauteilpaarung und einen Baukasten mit derartigen Bauteilen.
Es ist bekannt, Bauteile aus thermoplastischen Kunststoff oder Kunststoffen mit thermoplastischen Eigenschaften oder Metallen mittels Ultraschall zu Verschweißen. Beim Ultraschallschweißen wird ein erstes Bauteil 1, das mit einem zweiten Bauteil 2 zu verschweißen ist, über an sich bekannte Mittel in eine hochfrequente Schwingung 3 im Ultraschall-Frequenzbereich versetzt und in einer Zustellrichtung 4 entlang einer Fügeachse 8 auf das zweite Bauteil 2 zu bewegt, bis es auf eine Fügeebene 5 trifft, die zwischen den beiden Bauteilen 1, 2, genauer gesagt durch die dem ersten, bewegten Bauteil 1 zugewandte Stirnfläche des zweiten, feststehenden Bauteils 2 definiert ist (1A). Bei Kunststoffen ist die Schwingung 3 ist im Wesentlichen eine longitudinale Schwingung, deren Schwingungsrichtung parallel zu der Fügeachse 8 bzw. orthogonal zu der Fügeebene 5 verläuft. Wenn das erste Bauteil 1 das zweite Bauteil 2 und damit die Fügeebene 5 erreicht, werden beide Bauteile 1, 2 in der Fügezone aufgeschmolzen. Genauer gesagt werden, wenn zwischen den Stirnflächen der beiden Bauteile 1, 2 in der Fügeebene 5 nur noch ein kleiner Spalt besteht, werden die Schwingungen reflektiert, und es entsteht eine stehende Welle, deren Energie die Moleküle in den Stirnflächen der Bauteile 1, 2 anregt und diese damit aufschmelzen. Wenn dann ein vorbestimmter Zustellweg oder eine vorbestimmte Fügezeit erreicht ist, wird die Schwingung 3 beendet, dadurch endet der Energieeintrag, die Fügezone kühlt sich ab und erstarrt. Auf diese Weise können die Bauteil 1, 2 stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Herkömmlicherweise wird an dem ersten Bauteil 1 ein Energierichtungsgeber 6 verwendet, um die Energie anfänglich zu konzentrieren. Der Energierichtungsgeber 6 kann typischerweise in Zustellrichtung 4 verjüngt sein, etwa in Form eines Kegels, dessen Spitze auf eine Fläche des zweiten Bauteils 2 trifft. Falls das zweite Bauteil eine Erhebung 7 aufweist, kann das erste Bauteil einen um die Erhebung 7 passende Ring- oder Rohrstruktur aufweisen, die sich zum Ende hin verjüngt und so gleichzeitig als Zentrierung wie auch als Energierichtungsgeber 6 wirken kann (1B). Beim Verschweißen von metallischen Bauteilen ist zu beachten, dass hier die Schwingung in der Regel quer zur Fügeachse 8, also parallel zur Fügeebene 5 verläuft und die Energieübertragung im Wesentlichen durch Reibung erzeugt wird.
Ultraschall-Schweißverbindungen sind gerade für thermoplastische Kunststoffe bzw. Kunststoffe mit thermoplastischen Eigenschaften gut geeignet, sie weisen kurze Prozesszeiten, geringen Schmutzeintrag ins Rohr, hohe Prozess-Sicherheit, Verbindungsgüte, Festigkeit und Reproduzierbarkeit auf. Besonders für Rohrverbindungen eignen sich Ultraschall-Schweißverbindungen, da sich mit dem Prinzip des Stoffschlusses vollkommen dichte Verbindungen realisieren lassen. Weitere Zusatzstoffe oder Lösemittel werden nicht benötigt, der Verbund ist sortenrein und gut rezyklierbar.
Da das erste Bauteil 1 den Energierichtungsgeber und das zweite Bauteil 2 eine Geometrie aufweist, die den Energierichtungsgeber 6 des ersten Bauteils 1 aufnimmt, also in der Regel komplementär dazu ist, ist die Fügerichtung, d.h. das Bauteil, welches die Vibration empfängt, festgelegt und sind die Kombinationsmöglichkeiten von Bauteilen untereinander beschränkt. Da ferner die Fügestruktur achsensymmetrisch ist, ist bei Bauteilen, welche in einer bestimmten Drehlage zueinander zu verbinden sind, die Ausrichtung vor der Verschweißung schwierig.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht also darin, die Anwendungsmöglichkeiten die Durchführung des Ultraschallschweißens zu verbessern. Eine Teilaufgabe der Erfindung kann darin bestehen, Kombinationsmöglichkeiten von Bauteilen untereinander zu erweitern. Eine weitere Teilaufgabe der Erfindung kann darin bestehen, die Verschweißung von der Fügerichtung unabhängig zu machen. Eine weitere Teilaufgabe der Erfindung kann darin bestehen, die Ausrichtung der zu verschweißenden Bauteile zueinander zu erleichtern.
Die Aufgabe wird wenigstens in Teilaspekten durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die Aufgabe wird wenigstens in Teilaspekten durch ein Prüfverfahren und eine Prüfvorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen bilden die Gegenstände der Unteransprüche.
Ein Gesichtspunkt der Erfindung betrifft ein Bauteil mit mindestens einem Schweißabschnitt, der zum Ultraschallschweißen ausgebildet und vorbereitet ist, wobei der Schweißabschnitt eine dreidimensionale und eigenkomplementäre Fügestruktur aufweist. Eine Fügestruktur ist im Sinne der Erfindung eine Struktur, die dazu ausgelegt und ausgebildet ist, beim Ultraschallschweißen mit einer Fügestruktur an einem weiteren Bauteil, mit welchem das Bauteil verschweißt werden soll, so zusammenzuwirken, dass die Bauteile gefügt werden können. Dreidimensional ist im Sinne der Erfindung so zu verstehen, dass die Struktur eine räumliche Ausdehnung aufweist, also insbesondere nicht nur aus einer planen Fläche besteht. Mit anderen Worten, die Fügestruktur weist Strukturelemente auf, die sich auch in axialer Richtung oder Fügerichtung wie auch orthogonal dazu, etwa in radialer und zirkumferenter Richtung oder zwei Raumrichtungen quer zur Fügerichtung, erstrecken. Eigenkomplementär ist die Fügestruktur im Sinne der Erfindung dann, wenn das andere Bauteil dieselbe Fügestruktur aufweisen kann, um mit dem Bauteil gefügt zu werden. Das heißt insbesondere, dass die Bauteile so miteinander gefügt werden können, dass Strukturelemente der Fügestruktur an einem Bauteil in negative Strukturelemente der Fügestruktur an dem anderen Bauteil ragen oder diese ausfüllen können und umgekehrt. Anders ausgedrückt kann ein Abbild der Fügestruktur, das durch Drehen der Fügestruktur um eine zu einer Fügerichtung senkrechte Achse um 180° entsteht, im Wesentlichen ein Negativ der Fügestruktur sein. Mit einer solchen Fügestruktur ist an einem Ultraschallschweißteil eine Fügegeometrie oder Schweißvorbereitung vorgesehen, die seitenaustauschbar ist. Da die aufeinander treffenden Fügestrukturen identisch sind, kann jede Seite aktiv sein, also mit einer Ultraschallvibration erregt werden, oder passiv sein.
In Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die Fügestruktur drehsymmetrisch mit einer endlichen Zähligkeit von mindestens 2 ist. Die Zähligkeit kann allgemein durch n = 360° / φ ausgedrückt werden, wobei n die Zähligkeit ist und φ der Wiederholwinkel in Grad ist, wenn der Vollkreis durch einen Winkelwert von 360° definiert ist. Der Wiederholwinkel φ der Fügestruktur ist derjenige Winkel, der von einer eigenkomplementären und sich in Umfangsrichtung wiederholenden Anordnung von Strukturelementen überstrichen wird. Eine Zähligkeit von 1 bedeutet, dass sich eine Anordnung erst nach einem Vollkreis mit sich selbst deckt, und ist somit nicht drehsymmetrisch im engeren Sinn. Eigenkomplementär im Sinne des Erfindungsgesichtspunkts kann auch eine Struktur mit eine Zähligkeit von 1 sein. Je höher die Zähligkeit, umso größer ist die Anzahl möglicher relativer Drehlagen der Bauteile zueinander um die Fügeachse. Bevorzugt sind geradzahlige Zähligkeiten wie etwa 2, 4, 8 oder 12 oder andere. Es sind auch ungerade Zähligkeiten wie 3, 5, oder 7 oder mehr denkbar. Mit der Zähligkeit können definierte Drehlagen der zu verschweißenden Rohrbauteile zueinander rasterartig verwirklicht werden. Die Ausrichtung der Bauteile im Hinblick auf die Drehlage kann dadurch besonders erleichtert werden.
In Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Bauteil ein Rohrbauteil ist und der Schweißabschnitt ein Rohrende ist. Im Sinne der Anmeldung umfasst die Begrifflichkeit der Rohr- oder Ringförmigkeit einen über den Umfang geschlossenen Querschnitt, der grundsätzlich sowohl rund als auch oval, polygonal oder unregelmäßig sein kann, soweit sich aus dem Zusammenhang nichts anderes ergibt. Ein Rohrbauteil ist somit im Sinne der Erfindung ein Bauteil, das wenigstens abschnittweise hohl mit einer im Querschnitt umlaufenden Wand ist und wenigstens ein offenes Ende aufweist. Ein Rohrbauteil kann beispielsweise ein einfaches gerades oder gekrümmtes Rohr mit zwei offenen Rohrenden, ein Durchflusselement wie etwa eine Armatur, ein Filter, Hahn oder dergleichen, ein Gerät, Gehäuse oder Behälter mit mindestens einem Rohrende, das beispielsweise als Zu- oder Abfluss dienen kann, eine Gehäuse- oder Behälterhälfte oder ein Gehäuse- oder Behälterteilabschnitt oder auch ein Blindrohr oder Blinddeckel mit nur einem offenen Ende sein, aber diese Aufzählung ist nicht als abschließend zu verstehen. Das Rohrbauteil kann ein Teil einer Baugruppe oder einer komplexen Verrohrung sein. Ein Rohrende ist im Sinne der Erfindung ein axiales Ende einer über den Umfang geschlossenen Struktur.
Das Bauteil oder zumindest der Schweißabschnitt des Bauteils kann bevorzugt aus einem thermoplastischen Kunststoff oder einem Kunststoff mit thermoplastischen Eigenschaften hergestellt sein. Derartige Kunststoffe eignen sich besonders gut für das Ultraschallschweißen, da sie bei Energieeintrag auf- und verschmelzen können.
In Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die Fügestruktur eine im Wesentlichen ebene Stirnfläche und darin ausgebildeten Erhebungen und Vertiefungen aufweist, wobei die Anordnung von Erhebungen und Vertiefungen eigenkomplementär ist. Die wesentliche Ebenheit der Stirnfläche bezieht sich hier auf die makroskopische Größenordnung. Eine Mikrostruktur in der Stirnfläche, die wesentlich unterhalb der Größenordnung der Erhebungen und Vertiefungen angesiedelt ist, etwa eine Oberflächenrauigkeit, oder randseitige Anfasungen etc., sollen damit nicht ausgeschlossen werden und können gegebenenfalls die Energieeinleitung noch weiter verbessern. Mit dieser Fügestruktur kann die Stirnfläche eine Schweißebene definieren bzw. als Schweiß- oder Schmelzzone dienen, und die Erhebungen können als Zentrierkörper dienen, die an den Vertiefungen ausrichtbar sind. Das heißt, eine Verschmelzung findet in erster Linie zwischen den Stirnflächen zweier Bauteile statt. Eine gewisse Verschmelzung zwischen den Erhebungen und Vertiefungen ist nicht ausgeschlossen, insbesondere wenn Gipfelflächen der Erhebungen auf Grundflächen der Vertiefungen treffen, und kann die Verbindung noch stabiler machen, muss aber nicht vorgesehen sein. Gegebenenfalls kann eine solche sekundäre Verschmelzung gezielt vermieden werden, um die Verschweißung auf die ebenen Stirnflächen zu konzentrieren. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Vertiefungen tiefer oder in einen Freiraum münden, der von der Stirnfläche aus weiter reicht, als die Erhebungen hoch sind. Damit kann sichergestellt werden, dass die Stirnflächen der gefügten Bauteile aufeinandertreffen und bei Aufbringen einer Ultraschallvibration der zum Verschweißen erforderliche Energieeintrag und die damit verbundene Aufschmelzung der Fügezonen sowie der erforderliche Zustellweg erreicht werden können.
In Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die Erhebungen und Vertiefungen in der planen Stirnfläche entlang einer oder mehrerer Kreislinien abwechselnd ausgebildet sind, wobei aufeinanderfolgende Erhebungen und Vertiefungen im Querschnitt komplementär sind. Die Erhebungen können dabei kreisringsegmentförmig ausgebildet sein, also in radialer Richtung zylindersegmentartige Flanken aufweisen. Je nach Zähligkeit können die Erhebungen mehr oder weniger langgestreckte Laschen sein. Die komplementären Vertiefungen können dann entsprechende Taschen sein. Vorzugsweise weisen die Erhebungen plane Gipfelflächen auf und weisen die Vertiefungen plane Grundflächen auf. Wie schon erwähnt, können die Vertiefungen aber auch in einem Hohlraum münden. Im Querschnitt komplementär heißt, dass jede der Erhebungen im Querschnitt zu einer der Vertiefungen passt, wobei die Erhebungen und Vertiefungen aber unterschiedliche axiale Längen aufweisen können (aber nicht müssen), wie ebenfalls schon erwähnt.
In Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die plane Stirnfläche zusammenhängend ist. Damit kann eine geschlossene Schweißnaht gebildet werden, was insbesondere bei verschweißten Rohrbauteilen die Dichtigkeit der Schweißnaht sicherstellen kann.
In Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein kreisringförmiger Abschnitt der planen Stirnfläche verbleibt. Der verbleibende Abschnitt ist also von Erhebungen und Vertiefungen frei. Damit wird eine Schmelz- und Verbindungszone (Schweißnaht) von glattem Verlauf mit definiertem Durchmesser und definierter Wandstärke geschaffen.
In Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass in Umfangsrichtung zwischen den Erhebungen und Vertiefung jeweils ein stegartiger Abschnitt der planen Stirnfläche verbleibt, der mit dem kreisringförmigen Abschnitt verbunden ist. Es können somit auch radial von dem kreisringförmigen Abschnitt ausgehende, stegartige Schmelzzonen geschaffen werden, welche zur Stabilität der Verbindung beitragen können.
Für die Lage der Erhebungen und Vertiefungen in radialer Richtung der Stirnfläche sind vielfältige Gestaltungen denkbar. Die Erhebungen und Vertiefungen können entlang einem Innenrand oder einem Außenrand der Stirnfläche ausgebildet sein. Im ersteren Fall verbleibt der kreisringförmige Abschnitt am Außenrand, im letzteren Fall am Innenrand. Es können auch Erhebungen und Vertiefungen sowohl entlang dem Innenrand als auch entlang dem Außenrand der Stirnfläche ausgebildet sein, sodass der kreisringförmige Abschnitt der Stirnfläche zwischen der inneren und der äußeren Gruppe von Erhebungen und Vertiefungen verbleibt. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Erhebungen am Innenrand jeweils Vertiefungen am Außenrand gegenüberliegen. Die Erhebungen und Vertiefungen können auch entlang einer Linie innerhalb der Stirnfläche ausgebildet sein, sodass zwei kreisringförmige Abschnitte der Stirnfläche verbleiben können, die durch radiale Abschnitte verbunden sein können. Dies kann bei Verschweißung eine Doppelnaht erzeugen, die besondere Sicherheit im Hinblick auf die Festigkeit und Dichtigkeit bereitstellen kann.
In Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die Erhebungen und Vertiefungen auf Spiel oder mit Übergangspassung zueinander dimensioniert sind, wobei die Flanken der Erhebungen vorzugsweise zu ihren Gipfelflächen hin angefast sind. Dies ermöglicht ein kräftefreies Positionieren und zuverlässiges Zentrieren der Bauteile, wobei die Fase das Einfädeln am Anfang des Fügens erleichtern kann. Eine ausgeprägte Pressung zwischen den Flanken der Erhebungen und Vertiefungen ist vorzugsweise zu vermeiden, um den Eintrag von Reibungswärme in den Flanken zu minimieren und damit ein unerwünschtes Aufschmelzen im Bereich zwischen den Flanken zu verhindern. Damit kann eine Konzentration der Schwingungsenergie auf die Schmelz- und Fügezone erreicht werden.
In Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass radial außerhalb der Fügestruktur eine im Axialschnitt hakenförmige Aufnahmestruktur ausgebildet ist, die von der Stirnfläche axial zurückgesetzt ist und sich zu der Stirnfläche hin öffnet. Beispielsweise kann die Aufnahmestruktur einen nach außen weisenden Radialsteg, der von der Stirnfläche axial zurückgesetzt ist, und einen von dem Radialsteg aus in axialer Richtung zu der Stirnfläche hin weisenden Mantelsteg aufweisen, sodass sich eine in axialer Richtung offene Ringnut ausbildet. Die Aufnahmestruktur kann in Umfangsrichtung geschlossen oder unterbrochen sein. Wenn zwei solche Bauteile verschweißt werden, kann die Aufnahmestruktur ein Ringbauteil wie etwa einen Abschlussring aufnehmen, der nur durch Zerstören der Aufnahmestruktur entfernt werden kann. Ein solcher Abschlussring kann die Schweißnaht von außen verdecken und so zu einem glatten und gefälligen Erscheinungsbild des Schweißteils beitragen. Der Abschlussring kann auch als Kennring dienen und beispielsweise eine Bauteilnummer, eine Herstellerbezeichnung, eine Serienkennung, eine Größenkodierung (beispielsweise farbliche Kodierung von Rohrweiten), eine Kodierung des Einsatzzwecks (beispielsweise farbliche Kodierung für unterschiedliche Fluide wie etwa Sauerstoff, Stickstoff, Wasser, Öl, Kühlmittel etc.) einen Normungshinweis, einen Schutz- oder Lizenzierungshinweis tragen oder andere Informationen enthalten. In Weiterbildungen kann der Abschlussring auch eine Montagestruktur zu Anbringung von oder an anderen Strukturen aufweisen. Beispielsweise kann eine solche Montagestruktur einen Arm mit einer Buchse aufweisen, die beispielsweise als Anschlussring dienen können, um etwa mehrere Leitungen als Cluster zusammenfassen zu können.
In weiteren Ausführungsformen kann alternativ oder zusätzlich auch radial innerhalb der Fügestruktur eine Aufnahmestruktur vorgesehen sein, um auch dort einen Abschlussring aufzunehmen. Ein solcher innen liegender Abschlussring kann der Vermeidung von Verschmutzung des Rohrinnenbereichs durch aufgeschmolzenes Material oder auch einer glatteren Rohrinnenoberfläche im Bereich der Fügeebene dienen.
Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft eine Bauteilpaarung von zwei Bauteilen mit jeweils mindestens einem Schweißabschnitt, der zum Ultraschallschweißen ausgebildet und vorbereitet ist und der jeweils eine dreidimensionale Fügestruktur aufweist, wobei die Fügestrukturen der Bauteile identisch und zueinander komplementär sind. Die Bauteile sind vorzugsweise wie oben beschrieben ausgebildet. Dabei kann ein Ringbauteil vorgesehen sein, welches in im Axialschnitt hakenförmigen Aufnahmestrukturen, die radial außerhalb und/oder radial innerhalb der Fügestruktur jedes der zwei Bauteile ausgebildet sind, von einer Fügeebene jeweils axial zurückgesetzt sind und sich in axialer Richtung zu der Fügeebene hin öffnen, aufgenommen oder aufnehmbar ist. Aufgenommen bzw. aufnehmbar ist in diesem Zusammenhang so zu verstehen, dass ein Ringbauteil beim Fügen zweier Bauteile in die Aufnahmestruktur eingelegt werden kann, das Zufahren der Bauteile nicht behindert und im verschweißten Zustand der Bauteile von den Aufnahmeabschnitten der beiden Bauteile gemeinsam verliersicher gehalten wird.
Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft einen Baukasten von Bauteilen wenigstens zweierlei verschiedener Art, wobei jedes Bauteil mindestens einen Schweißabschnitt aufweist, der zur Ultraschallschweißung vorbereitet ist und eine dreidimensionale Fügestruktur aufweist, wobei die Fügestrukturen an jedem Bauteil identisch und zueinander komplementär sind. Die Bauteile sind vorzugsweise wie oben beschrieben ausgebildet. Wenn alle Rohrbauteile des Baukastens die gleiche Fügestruktur aufweisen, können alle Rohrbauteile untereinander kombiniert werden und von jeder Seite aus durch Ultraschallschweißen verschweißt werden. Auch kann immer die gleiche oder nur eine vergleichsweise geringe Anzahl von Sonotroden und Supporten verwendet werden, was den maschinellen Aufwand reduziert. Der Baukasten kann auch Abschluss- oder Kennringe aufweisen, die in Aufnahmestrukturen der Bauteile eingelegt und beim Verschweißen mit den Bauteilen verbunden werden können. Genauer gesagt, wenigstens zwei Arten der Bauteile des Baukastens können jeweils im Axialschnitt hakenförmigen Aufnahmestrukturen, die radial außerhalb und/oder radial innerhalb der Fügestruktur des jeweiligen Bauteils ausgebildet sind, von einer Fügeebene jeweils axial zurückgesetzt sind und sich in axialer Richtung zu der Fügeebene hin öffnen, aufweisen, und der Baukasten kann ferner wenigstens eine Art von Ringbauteilen aufweist, die durch die gegenüberliegenden Aufnahmeabschnitte von zwei Bauteilen des Baukastens aufnehmbar sind.
Vom Erfindungsgedanken umfasst sind auch ein Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile durch Ultraschallschweißen, wobei die Bauteile erfindungsgemäß ausgebildet sind, und ein Bauteil, das durch ein solches Verfahren hergestellt ist.
Weitere Merkmale, Vorteile und Aufgaben der Erfindung werden aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen ersichtlich werden. In den Zeichnungen ist bzw. sind:

1A, 1B eine schematische Darstellung zweier Bauteile beim Ultraschallschweißen mit jeweils unterschiedlichen Varianten der Bauteilgestaltung;
2A, 2B zwei Rohrbauteile mit einer Fügestruktur nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in gegenüberliegender Positionierung zum Ultraschallschweißen in perspektivischer Seitenansicht und in Seitenansicht;
2C ein Rohrbauteil von 2A, 2B in perspektivischer Vorderansicht;
3A-3C die Fügestruktur des Rohrbauteils von 2A-2C in perspektivischer, (stirnseitiger bzw. axialer) Vorder- und (radialer) Seitenansicht;
4A eine Paarung zweier Rohrbauteile in einer zugefahrenen Position beim Ultraschallschweißen im Axialschnitt gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4B, 4C die Paarung von 4A nach dem Verschweißen in (axialer) Draufsicht und Axialschnitt;
4D-4F die gefügten Fügestrukturen der Rohrbauteile der Paarung von 4A-4C nach dem Verschweißen in Seiten-, Querschnitts- und perspektivischer Ansicht;
5 ein Bauteil, das durch Ultraschallschweißen zweier Rohrbauteile nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;
6 eine perspektivische Darstellung eines Rohrbauteils nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7A eine durch Ultraschallschweißen hergestellte Verbindung zweier Rohrbauteile nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einem Ringbauteil; und
7B ein Bauteil mit der Ultraschallschweißverbindung von 7A.

Die Figuren sind als rein schematisch zu verstehen, ohne eine Beschränkung auf bestimmte Winkel- oder Dimensionsverhältnisse zu implizieren, es sei denn, es wäre ausdrücklich so beschrieben. Zur vereinfachten Beschreibung und ohne eine Beschränkung auf eine Orientierung im Raum zu implizieren wird im Zusammenhang mit einem beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Richtung, von welcher aus eine Prüfkraft ausgeübt wird, als vertikal oben, die entgegengesetzte Richtung als vertikal unten, eine Richtung in Verlängerung einer senkrechten Verbindung von Achsen zweier Führungsstangen einer Parallelführung als seitlich, eine Richtung senkrecht zur seitlichen Richtung und der vertikalen Richtung zu einer Schnittstelleneinheit hin als vorn und die entgegengesetzte Richtung als hinten angesehen, dies ist aber völlig willkürlich und dient nur der Veranschaulichung.
Die Erfindung macht von dem oben im Grundsatz beschriebenen und in 1A, 1B schematisch dargestellten Verfahren Gebrauch. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind zu verschweißende Bauteile 20, 20 Rohrbauteile mit einem Rohrabschnitt 21, der an einem Rohrende in einem Schweißabschnitt 22 endet (2A, 2B). Die Bauteile 20, 20 können aus einem Thermoplast oder einem Kunststoff mit thermoplastischen Eigenschaften, etwa einem Elastomer, hergestellt sein. Alternativ können die Bauteil 20, 20 auch aus anderen Werkstoffen hergestellt sein, die zum Ultraschallschweißen geeignet sind. Der Schweißabschnitt 22 ist zum Ultraschallschweißen ausgebildet und vorbereitet. Hierzu weist der Schweißabschnitt 22 eine Ringstufe 23 und eine Stützstruktur 24, an der eine Fügestruktur 25 ausgebildet ist, auf. Die Ringstufe 23 ist zur Aufnahme in einer Sonotrode oder ein Gegenlager derart ausgebildet, dass ein auf die Ringstufe 23 entlang der Fügeachse 8 ausgeübter Druck über die Stützstruktur 24 in eine Schweißfläche des Schweißabschnitts 22 geleitet werden kann.
Die Fügestruktur 25 weist einen Steg 26 auf, der eine im Wesentlichen ebene Stirnfläche 27 aufweist (2C). Die Stirnfläche 27 dient als Schweißzone, die bei Aufbringen einer Ultraschallschwingung durch das Gegenstück aufschmilzt. Von der Stirnfläche ragen mehrere Erhebungen 28, die in diesem Ausführungsbeispiel im Querschnitt kreissegmentförmig ausgebildet und auf zwei konzentrischen Kreislinien angeordnet sind. In Umfangsrichtung wechseln sich die Erhebungen 28 mit Vertiefungen 29 ab, die in die Stirnfläche 27 eingetieft sind. Zusätzlich sind in diesem Ausführungsbeispiel die Erhebungen 28 und Vertiefungen 29 wechselständig, sodass auch in radialer Richtung eine Erhebung 28 stets von einer Vertiefung 29 gefolgt wird.
Die Fügestruktur 25 ist somit eine dreidimensionale Struktur, die in radialer, zirkumferenter und axialer Richtung ausgeprägte Strukturelemente aufweist ( 3C). Die Anordnung von Vertiefungen 28 und 29 ist ferner eigenkomplementär, das heißt, wenn ein Duplikat der Fügestruktur 25 in einer zu der Stirnfläche 27 parallelen Ebene um 180° gekippt wird, sodass sich zwei gleiche Fügestrukturen 25, 25 gegenüberstehen (vgl. 2A), gibt es wenigstens eine Drehlage um die Fügeachse 8, in welcher das (identische) Duplikat der Fügestruktur 25 auch dessen Negativ in dem Sinne ist, dass die Erhebungen 28 und Vertiefungen 29 der Fügestruktur 25 und ihres Duplikats so ineinandergreifen, dass die Stirnflächen 27 aufeinander liegen können. Mit anderen Worten, die Fügestruktur 25 ist selbst eigenkomplementär.
Wenn also die zwei beliebige Bauteile 20, 20 identische Fügestrukturen 25 aufweisen, können diese so miteinander gefügt werden können, dass Strukturelemente der Fügestruktur 25 an einem Bauteil 20 in negative Strukturelemente der Fügestruktur 25 an dem anderen Bauteil 20 ragen oder diese ausfüllen können und umgekehrt. Mit einer solchen Fügestruktur 25 ist an einem Ultraschallschweißteil eine Fügegeometrie oder Schweißvorbereitung vorgesehen, die seitenaustauschbar ist. Da die aufeinander treffenden Fügestrukturen identisch sind, kann jede Seite aktiv sein, also mit einer Ultraschallvibration erregt werden, oder passiv sein. Dies kann fertigungstechnisch oder prozesstechnisch weitere Flexibilität ermöglichen.
Bei der Fügestruktur 25 dieses Ausführungsbeispiels bildet eine Anordnung aus einer Erhebung 28 und einer Vertiefung 29 auf einem äußeren Kreis und einer Erhebung 28 und einer Vertiefung 29 auf einem inneren Kreis ein Segment 30, das einen Wiederholwinkel 31 abdeckt (3B). Der Wiederholwinkel 31 beträgt in diesem Beispiel 45°. Das Segment 30 wiederholt sich auf einem Umkreis von 360° acht mal. Mit anderen Worten, die Fügestruktur 25 ist drehsymmetrisch um die Fügeachse 8 mit einer Zähligkeit von n=8.
Wie schon erwähnt, sind die Erhebungen 28 und Vertiefungen 29 entlang zwei konzentrischen Kreisen in der Stirnfläche 27 ausgebildet. Zwischen den Erhebungen 28 und Vertiefungen 29 verbleibt somit ein zusammenhängender, kreisringförmiger Abschnitt 32 der Stirnfläche 27, der somit eine geschlossene Schweißnaht ausbilden kann (3B). In Umfangsrichtung bleibt zwischen einer Erhebung 28 und einer Vertiefung 29 jeweils ein stegartiger Abschnitt 33 der Stirnfläche 27 bestehen, der die Schweißnaht im Querschnitt weiter vergrößern und versteifen kann.
Die Erhebungen 28 weisen Flanken 34 auf, und die Vertiefungen 29 weisen Gegenflanken 35 auf (3B). Die Maße der Flanken 34 und Gegenflanken 35 sind vorzugsweise als Übergangspassung oder mit minimalem Spiel ausgeführt. Sie sind insbesondere eng genug, um eine hinreichende radiale Zentrierung der Bauteile 20, 20 zu ermöglichen, aber weit genug, um ein Klemmen beim Fügen und übermäßige Reibung beim Aufbringen der Hochfrequenzvibration zwischen den Flanken 34 und Gegenflanken 35 zu vermeiden. In Umfangsrichtung können die Vertiefungen 29 und Erhebungen 28 mit größerem Spiel ausgeführt sein, um das Fügen weiter zu erleichtern. Als weitere Erleichterung des Zentrierens in den Vertiefungen 29 können Gipfelflächen 36 der Erhebungen 28 mit Fasen 37 versehen sein (3C).
Für die wirkungsvolle Verschweißung an den Stirnflächen 27 ist es vorteilhaft, wenn die Gipfelflächen 36 der Erhebungen 28 ohne Tiefenanschlag in den Vertiefungen 29 aufgenommen werden. Die Vertiefungen 29 können daher in einem Freistich münden oder so tief sein, dass die Vertiefungen 28 nicht auf einen Grund der Vertiefungen 28 stoßen. Allgemein kann gesagt werden, dass eine Gipfelhöhe 38 der Erhöhungen 28 kleiner sein soll als eine Senktiefe 39 in den Vertiefungen 29, jeweils gemessen von der Stirnfläche 27 aus.
Zur Verschweißung bilden zwei Bauteile 20, 20 eine Bauteilanordnung 40 (4A, 4B). Zu diesem Zweck wird ein Bauteil 20, das hier als erstes Bauteil 41 definiert wird, in einer Sonotrode 43 aufgenommen, und wird ein Bauteil 20, das hier als zweites Bauteil 42 definiert wird, in einem Gegenlager (Support) 44 aufgenommen. Dabei ruhen jeweilige Ambossflächen 45, 46 der Sonotrode 43 bzw. des Gegenlagers 44 auf Druckflächen der jeweiligen Ringstufen 23 der Bauteile 41, 42, und die Rohrabschnitte 21 der Bauteile 41, 42 ragen jeweils in einen Hohlraum 47, 48 der Sonotrode 43 bzw. des Gegenlagers 44. Die Bauteile 41, 42 werden in eine Drehlage um die Fügeachse 8 gebracht, in der jeweilige Erhöhungen 28 des einen Bauteils 41, 42 in jeweilige Vertiefungen 29 des anderen Bauteils 42, 41 ragen können (4C bis 4F). Die Sonotrode 43 mit dem ersten Bauteil 41 wird entlang der Fügeachse 8 auf das Gegenlager 44 mit dem zweiten Bauteil 42 gefahren, bis die jeweiligen Schweißabschnitte 22 an den Stirnflächen 27, d.h. in der Fügeebene 5, aneinanderliegen. Mit Aufbringen einer hochfrequenten Vibration schmelzen die Schweißabschnitte 22 an den Stirnflächen 27 auf und bilden eine Verschmelzungszone 49. Die Verschmelzungszone 49 verläuft entlang der Stirnflächen 27 der Fügestrukturen 25 der Bauteile 41, 42.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines Ausführungsbeispiels mit einfachen Rohrbauteilen erläutert, nämlich zweier Rohrmanschetten 20 (41, 42), um das Prinzip der Erfindung deutlich zu machen. Die erfindungsgemäße Fügestruktur 25 kann an jedwedem Bauteil 20 mit einem Schweißabschnitt 22, der zum Ultraschallschweißen ausgebildet und vorbereitet ist, vorgesehen sein.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann ein Bauteil (Schweißteil) 50 durch Ultraschallschweißen zweier Bauteile 51, 52 hergestellt sein (5). Das erste Bauteil 51 kann dabei beispielsweise ein Überdruckventil sein, und das zweite Bauteil 52 kann ein Verbindungsstück sein, beide Bauteile 51, 52 können als Rohrbauteile verstanden werden. Das Verbindungsstück 52 kann beispielsweise einen Geräteanschluss 53 zum Anschluss an ein Gerät, einen Schlauchanschluss 54 zum Anschluss an einen Schlauch und einen Seitenabgang 55 mit Schweißabschnitt 22 aufweisen. Das Ventilgehäuse 51 kann einen Ventilsatz beherbergen und an einem Ende einen Schlauchanschluss 56 und am anderen Ende einen Schweißabschnitt 22 aufweisen. Beide Bauteile 51, 52 sind Rohrbauteile. In diesem Ausführungsbeispiel kann der Schweißabschnitt 22 des ersten Bauteils (Ventilgehäuses) 51 eine Ringstufe 23 wie zuvor beschrieben aufweisen. Das zweite Bauteil (Verbindungsstück) 52 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine solche Ringstufe nicht auf. Allerdings weisen die Schweißabschnitte 22 beider Bauteile 51, 52 die gleiche Fügestruktur 25 wie zuvor beschrieben auf. Die Bauteile 51, 52 bilden somit eine Bauteilpaarung im Sinne der Erfindung. Aus Kostengründen ist es vorzuziehen, mit möglichst wenigen unterschiedlichen Sonotroden für mehrere Arten von Bauteilen auszukommen. Das Verbindungsstück 52 kann aufgrund seiner Form nicht in einer Standard-Sonotrode aufgenommen werden, das Ventilgehäuse 51 jedoch schon. Da beide Bauteile 51, 52 die gleiche Fügestruktur 25 aufweisen, die keine Richtungspräferenz aufweist, ist es für das Ultraschallschweißen grundsätzlich unerheblich, welches Bauteil als aktives Bauteil dient. Daher kann ohne weiteres das Ventilgehäuse 51 als das aktive Bauteil verwendet werden.
So können ganze Systeme von Bauteilen in Form eines Baukastens aufgebaut werden, wobei die Bauteile von unterschiedlichster Form und Funktion sein können, wenn nur ihre jeweiligen Schweißabschnitte 22 mit jeweils identischen Fügestrukturen 25 versehen sind. In einem solchen Baukasten ist jedes Bauteil mit jedem anderen per Ultraschall verschweißbar, und jedes Bauteil kann je nach Zweckmäßigkeit als aktives oder passives Bauteil dienen.
Natürlich können auch mehrere Baukästen für unterschiedliche Größenbereiche oder Formenklassen gebildet werden. Beispielsweise können Rohrbauteile, nach Querschnittsgröße ihres Schweißabschnitts gestaffelt, entsprechenden Baukästen jeweils einer Form und Größe ihrer Fügestruktur zugeordnet sein. Ein Bauteil mit mehreren Schweißabschnitten kann auch mehreren Baukästen unterschiedlicher Größen- oder Formenklassen angehören. Zweckmäßig definiert eine Klasse auch einen bestimmten Mindest- und Höchstquerschnitt des jeweiligen Bauteils bzw. Rohrabschnitts, um groteske Größenverhältnisse zu vermeiden.
Es ist insbesondere bei durchströmten Rohrabschnitten zweckmäßig, wenn die Fügestruktur 25 einen größeren Querschnitt aufweist als das zu verschweißende Rohrende, sodass eine Einschnürung des Strömungskanals vermieden werden kann. Ein Bauteil 60 mit einem Rohrabschnitt 21 kann beispielsweise einen Erweiterungsabschnitt 62 aufweisen, der ein vergleichsweise enges Rohrende 61 mit einem vergleichsweise weiten Schweißabschnitt 22, also einer vergleichsweise weiten Stützstruktur 24 zum Stützen einer vergleichsweise weiten Fügestruktur 25 verbindet (6).
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen zwei Bauteile 20, die jeweils die Fügestruktur 25 wie oben beschrieben aufweisen, radial außerhalb der Fügestruktur 25 jeweils eine Aufnahmestruktur 70 zur Aufnahme eines Ringbauteils 71 auf ( 7A). Das Ringbauteil 71 kann beispielsweise ein Abschluss- oder Kennring sein, der zur optischen und physischen Abdeckung der Verschmelzungszone 49 nach außen dienen kann. Die Aufnahmestruktur 70 ist von der Fügeebene 5 jeweils axial zurückgesetzt und weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen radial nach außen weisenden Steg 72 und eine darin ausgebildete, zur Fügeebene 5 hin offene Ringnut 73 auf. Das Ringbauteil 71 kann beidseitig axiale Laschen 74 aufweisen, die zur Aufnahme in den Ringnuten 73 dimensioniert sind.
Eine axiale Länge des Ringbauteils 71 ist so dimensioniert, dass sie in etwa einem Abstand der axialen Nutgründe der Nuten 73 zweier verschweißter Bauteile 20, 20 entspricht. Ein gewisses Längenspiel kann sicherstellen, dass die Stirnflächen 27 der Fügestrukturen 25 aufeinander stoßen und miteinander verschweißt werden können, um die Verschmelzungszone 49 auszubilden. Gleichzeitig kann die Nut 73 dafür sorgen, dass die Aufnahmestruktur 70 das Ringbauteil 71 nach Fertigstellung der Verschweißung sicher aufgenommen wird und nur durch Zerstören der Aufnahmestruktur 70 oder des Ringbauteils 71 selbst wieder entfernt werden kann. Ferner kann das Ringbauteil 71 eine Stärke aufweisen, die in etwa einer radialen Höhe der Stege 72 entspricht. So kann eine in etwa glatte Außenfläche erzeugt werden.
Ein Bauteil 75, das durch Verschweißen zweier solcher Bauteile 20, 20, hier auch als erstes und zweites Bauteil 76, 77 definiert, hergestellt wird, kann ein solches Ringbauteil 71 tragen (7B). Das Ringbauteil 71 kann verschiedene Zwecke erfüllen, wie etwa die Kennzeichnung des Bauteils 75 mit einem Herstellerzeichen (wie dargestellt), und/oder mit anderen Information wie etwa einer Bauteilnummer, einer Serienkennung, einer Größenkodierung (beispielsweise farbliche Kodierung von Rohrweiten), einer Kodierung des Einsatzzwecks (beispielsweise farbliche Kodierung für unterschiedliche Fluide wie etwa Sauerstoff, Stickstoff, Wasser, Öl, Kühlmittel etc.) einem Normungshinweis, einem Schutz- oder Lizenzierungshinweis oder dergleichen. In weiteren, nicht näher dargestellten Ausführungsbeispielen kann das Ringbauteil 71 auch eine Montagestruktur zu Anbringung von oder an anderen Strukturen aufweisen. Beispielsweise kann eine solche Montagestruktur einen Arm mit einer Buchse aufweisen, die beispielsweise als Anschlussring dienen können, um etwa mehrere Leitungen als Cluster zusammenfassen zu können.
In weiteren Ausführungsbeispielen kann alternativ oder zusätzlich auch radial innerhalb der Fügestruktur eine Aufnahmestruktur vorgesehen sein, um auch dort ein Ringbauteil wie etwa einen Abschlussring aufzunehmen. Ein solcher innen liegender Abschlussring kann der Vermeidung von Verschmutzung des Rohrinnenbereichs durch aufgeschmolzenes Material oder auch einer glatteren Rohrinnenoberfläche im Bereich der Fügeebene dienen. Auch kann mit einem innen liegenden Abschlussring ein innerer Rohrdurchmesser unabhängig vom Querschnitt der Fügestruktur 25 festgelegt werden.
Das Ringbauteil 71 kann Teil eines Baukastensystems wie vorstehend beschrieben bilden. Dabei kann der Baukasten unterschiedliche Ringbauteile 71 für unterschiedliche Zwecke enthalten.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen und Varianten (die auch als Abwandlungen, Weiterbildungen, Alternativen oder Optionen bezeichnet sein können) beschrieben. Die Erfindung selbst wird durch die beigefügten Ansprüche definiert. Die Darstellung und Beschreibung der Ausführungsbeispiele dient der Erläuterung und dem Verständnis der beanspruchten Erfindung. Einzelmerkmale eines Ausführungsbeispiels oder seiner Varianten können mit jedem anderen Ausführungsbeispiel oder diesbezüglichen Variante kombiniert werden und sollen auch in diesem Sinne als offenbart gelten, auch wenn sie in dem Zusammenhang nicht ausdrücklich beschrieben sind, es sei denn, dies wäre aus technischen oder physikalischen Gründen offensichtlich unmöglich oder sinnlos. Umgekehrt schränken Einzelmerkmale eines Ausführungsbeispiels oder seiner Varianten eine Erfindung nicht ein und können weggelassen werden, sofern die verbleibende Merkmalskombination eine technische Aufgabe löst. Insbesondere kann jede Zusammenstellung von hier beschriebenen Einzelmerkmalen, die eine technische Aufgabe in nicht naheliegender Weise löst, einen eigenen Erfindungsgegenstand bilden.
Zu verschweißende Bauteile sind vorstehend als Rohrbauteile beschrieben worden, die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern kann auf alle Arten von durch Ultraschallschweißen zu verbindenden Bauteilen angewendet werden. Beispielsweise können auch monolithische Bauteile die beschriebene Fügestruktur aufweisen. Der Schweißabschnitt mit der Fügestruktur muss auch nicht an einem Rohrabschnitt vorgesehen sein, sondern kann auch an einer geschlossenen Wand eines Bauteils vorgesehen sein. Rohrabschnitte von Rohrbauteilen und ihre Schweißabschnitte sind vorstehend als im Querschnitt kreisrund beschrieben worden, die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern kann auf alle Arten von Rohrquerschnitten und Formen von Schweißabschnitten, z.B. oval, quadratisch, rechteckig, allgemein polygonal oder unregelmäßig, mit scharfen oder gerundeten Ecken, angewendet werden.
Die Erfindung wurde anhand eines Beispiels beschrieben, bei welchem die Fügestruktur 25 drehsymmetrisch mit einer Zähligkeit von n=8 ist (vgl. 3B). Die Erfindung ist auf diesen Wert der Zähligkeit wie auch überhaupt auf eine Drehsymmetrie nicht beschränkt. Auch eine (im strengen Sinn nicht drehsymmetrische) Struktur der Zähligkeit n=1 kann erfindungsgemäß sein. Ein Beispiel für eine solche Struktur könnte, in Abweichung von der Darstellung in 3B, eine einzige Erhebung 28 über etwa einen halben Vollkreis, in Umfangsrichtung gefolgt von einer einzigen Vertiefung 29 über etwa einen halben Vollkreis, welche ein Negativ der Erhebung 28 ist, sein.
Ferner wurde die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, in denen die Fügestruktur 25 eine dreidimensionale Struktur ist, die in radialer, zirkumferenter und axialer Richtung ausgeprägte Strukturelemente aufweist. Grundsätzlich können die Strukturelemente neben der axialen Richtung auch in zwei linearen Raumrichtungen quer zur Fügeachse 8 ausgeprägt sein.
In den beschriebenen Ausführungsbeispielen kann der verbleibende Teil der Stirnflächen 27, also der kreisringförmige Abschnitt 32 und die stegartigen Abschnitt 33 so klein, insbesondere schmal sein, dass bereits dadurch eine Energierichtungswirkung erzielt werden kann. Diese ist ebenfalls richtungsunabhängig, also unabhängig davon, welches der Bauteile 20 als aktives und welches als passives Bauteil verwendet wird. Es sind also insbesondere keine speziellen Energierichtungsgeber mehr erforderlich. Dies schließt jedoch nicht aus, dass in Weiterentwicklungen in der an sich ebenen Stirnfläche 27 zusätzliche Energierichtstrukturen ausgebildet sein können, die sich aus der Stirnfläche 27 erheben. In einem solchen Fall wären diese Energierichtungsstrukturen auch in eigenkomplementärer Weise mit gleicher Zähligkeit oder einem ganzzahligen Vielfachen der Zähligkeit der oben beschriebenen Fügestruktur aus Erhebungen 28 und Vertiefungen 29 anzuordnen.
Bezugszeichenliste

1: Erstes, zweites Bauteil
3: Ultraschall-Vibration
4: Zustellrichtung bzw. Fügerichtung
5: Fügeebene
6: Energierichtungsgeber
7: Absatz
8: Fügeachse
20: Bauteil (Rohrbauteil)
21: Rohrabschnitt
22: Schweißabschnitt (Rohrende)
23: Ringstufe
24: Stützstruktur
25: Fügestruktur
26: Steg (Ringsteg)
27: Stirnfläche
28: Erhebung (Lasche)
29: Vertiefung (Tasche)
30: Segment
31: Wiederholwinkel
32: kreisringförmiger Abschnitt
33: stegartiger Abschnitt
34: Flanke
35: Gegenflanke
36: Gipfelfläche
37: Fase
38: Gipfelhöhe
39: Senktiefe
40: Paarung
41: Erstes Bauteil
42: Zweites Bauteil
43: Sonotrode
44: Gegenlager (Support)
45, 46: Ambossfläche
47, 48: Hohlraum
49: Verschmelzungszone
50: Bauteil
51: Erstes Bauteil (Ventilgehäuse)
52: Zweites Bauteil (Verbindungsstück)
53: Geräteanschluss
54: Schlauchanschluss
55: Seitenabgang
56: Schlauchanschluss
60: Bauteil (Rohrbauteil)
61: Rohrende
62: Erweiterungsabschnitt
70: Aufnahmestruktur
71: Ringbauteil (Abschluss- oder Kennring)
72: Steg
73: Nut
75: Bauteil
76, 77: Erstes, zweites Bauteil

Die vorstehende Liste ist integraler Bestandteil der Beschreibung.

Claims

Bauteil (20; 41, 42; 51, 52; 76, 77) mit mindestens einem Schweißabschnitt (22), der zum Ultraschallschweißen ausgebildet und vorbereitet ist, wobei der Schweißabschnitt (22) eine dreidimensionale und eigenkomplementäre Fügestruktur (25) aufweist.
Bauteil (20; 41, 42; 51, 52; 76, 77) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügestruktur (25) drehsymmetrisch mit einer endlichen Zähligkeit von mindestens 2 ist.
Bauteil (20; 41, 42; 51, 52; 76, 77) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (20; 41, 42; 51, 52; 76, 77) ein Rohrbauteil ist und der Schweißabschnitt (22) ein Rohrende ist.
Bauteil (20; 41, 42; 51, 52; 76, 77) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügestruktur (25) eine im Wesentlichen ebene Stirnfläche (27) und darin ausgebildete Erhebungen (28) und Vertiefungen (29) aufweist, wobei die Anordnung von Erhebungen (28) und Vertiefungen (29) eigenkomplementär ist.
Bauteil (20; 41, 42; 51, 52; 76, 77) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (28) und Vertiefungen (29) in der im Wesentlichen ebenen Stirnfläche (27) entlang einer oder mehrerer geschlossener, vorzugweise ringförmiger Linien, insbesondere Kreislinien, abwechselnd ausgebildet sind, wobei aufeinanderfolgende Erhebungen (28) und Vertiefungen (29) im Querschnitt komplementär sind, wobei vorzugsweise die Erhebungen (28) im Querschnitt kreisringsegmentförmig ausgebildet und/oder die Erhebungen (28) plane Gipfelflächen (36) aufweisen und/oder die Vertiefungen (29) plane Grundflächen aufweisen.
Bauteil (20; 41, 42; 51, 52; 76, 77) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die plane Stirnfläche (27) zusammenhängend ist, wobei insbesondere wenigstens ein kreisringförmiger Abschnitt (32) der planen Stirnfläche (27) verbleibt.
Bauteil (20; 41, 42; 51, 52; 76, 77) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Umfangsrichtung zwischen den Erhebungen (28) und Vertiefungen (29) jeweils ein stegartiger Abschnitt (33) der planen Stirnfläche (27) verbleibt, der mit dem kreisringförmigen Abschnitt (32) verbunden ist.
Bauteil (20; 41, 42; 51, 52; 76, 77) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass radial außerhalb und/oder radial innerhalb der Fügestruktur (25) eine im Axialschnitt hakenförmige Aufnahmestruktur (70) ausgebildet ist, die von einer Fügeebene (5) axial zurückgesetzt ist und sich in axialer Richtung (8) zu der Fügeebene (5) hin öffnet.
Bauteilpaarung (40) von zwei Bauteilen (20; 41, 42; 51, 52; 76, 77) mit jeweils mindestens einem Schweißabschnitt (22), der zum Ultraschallschweißen ausgebildet und vorbereitet ist und der jeweils eine dreidimensionale Fügestruktur (25) aufweist, wobei die Fügestrukturen (25) der Bauteile (20; 41, 42; 51, 52; 76, 77) identisch und zueinander komplementär sind, wobei die Bauteile (20; 41, 42; 51, 52; 76, 77) vorzugsweise gemäß einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildet sind, wobei vorzugsweise ein Ringbauteil (71) vorgesehen ist, welches in im Axialschnitt hakenförmigen Aufnahmestrukturen (70), die radial außerhalb und/oder radial innerhalb der Fügestruktur (25) jedes der zwei Bauteile (20; 41, 42; 51, 52; 76, 77) ausgebildet sind, von einer Fügeebene (5) jeweils axial zurückgesetzt sind und sich in axialer Richtung (8) zu der Fügeebene (5) hin öffnen, aufgenommen ist.
Baukasten von Bauteilen (20; 41, 42; 51, 52; 76, 77) wenigstens zweierlei verschiedener Art, wobei jedes Bauteil (20; 41, 42; 51, 52; 76, 77) mindestens einen Schweißabschnitt (22) aufweist, der zur Ultraschallschweißung vorbereitet ist und eine dreidimensionale Fügestruktur (25) aufweist, wobei die Fügestrukturen (25) an jedem Bauteil (20; 41, 42; 51, 52; 76, 77) identisch und zueinander komplementär sind, wobei jedes der Bauteile (20; 41, 42; 51, 52; 76, 77) vorzugsweise gemäß einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildet sind, wobei vorzugsweise wenigstens zwei Arten der Bauteile (20; 41, 42; 51, 52; 76, 77) jeweils im Axialschnitt hakenförmigen Aufnahmestrukturen (70), die radial außerhalb und/oder radial innerhalb der Fügestruktur (25) des jeweiligen Bauteils (20; 41, 42; 51, 52; 76, 77) ausgebildet sind, von einer Fügeebene (5) jeweils axial zurückgesetzt sind und sich in axialer Richtung (8) zu der Fügeebene (5) hin öffnen, aufweisen und der Baukasten ferner wenigstens eine Art von Ringbauteilen (71) aufweist, die durch die gegenüberliegenden Aufnahmeabschnitte (70) von zwei Bauteilen (20; 41, 42; 51, 52; 76, 77) des Baukastens aufnehmbar sind.