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Verweis auf verwendete Anmeldungen
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Diese
Anmeldung ist eine Continuation-Anmeldung der US-Patentanmeldung Nr. 11/837,702, die
am 13.08.2007 eingereicht wurde und den Zeitrang der am 01.09.2006
eingereichten US-Provisional-Anmeldung Nr.
60/842,131 beansprucht. Die Offenbarungen der obigen Anmeldungen
sind hier durch Bezugnahme eingebunden.
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Staatliche Rechte
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Die
US-Regierung hat eine kostenlose Lizenz an dieser Erfindung und
hat unter gewissen Umständen das
Recht Anderen Lizenzen unter angemessenen Bedingungen zu geben,
wie diese durch die Vertragsbedingungen von NIST ATP #70NANB3H3015
vorgegeben sind, die von dem Handelsministerium der USA anerkannt
sind.
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschall-Schweißvorrichtung
und ein Verfahren und bevorzugter eine Ultraschall-Schweißvorrichtung
und ein Verfahren zum Schweißen
durch Schwingungen, die in einer zu der Werkstück-Oberfläche parallelen Richtung aufgebracht
werden und auch als Scher-Wellen-Schwingungen bekannt sind.
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Hintergrund der Erfindung
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Eine
Ausführung
einer typischen Ultraschall-Metall-Schweißvorrichtung 100 ist
in 1 dargestellt. Typische Komponenten von Ultraschall-Metall-Schweißvorrichtungen 100 umfassen
einen Ultraschallwandler 102, einen Verstärker 104 und
eine Sonotrode 106. Der Verstärker 104 ist mit dem
Wandler 102 sowie der Sonotrode 106 über polare
Halterungen (nicht dargestellt) verbunden, die an äußeren Umfangsrändern an
gegenüberliegenden
Enden eines Zylinders 105 befestigt sind. Elektrische Energie
aus einer Energieversorgung 101 mit einer Frequenz von
20–60
kHz wird in mechanische Energie durch den Ultraschallwandler 102 umgewandelt.
Der Ultraschallwandler 102, der Verstärker 104 und die Sonotrode 106 sind
alle mechanisch eingestellt, um an die elektrische Eingangsfrequenz
der Energieversorgung angepasst zu sein. Die mechanische Energie,
die in dem Ultraschallwandler 102 umgewandelt wird, wird
zu einer Schweißlast 108 (wie
zwei Metallstücke 112, 114)
durch den Verstärker 104 und
die Sonotrode 106 (die typischerweise ½-Wellen-Axial-Resonanzwerkzeuge
sind) übertragen.
Der Verstärker 104 und
die Sonotrode 106 führen
die Funktionen der Übertragung
der mechanischen Energie sowie der Umwandlung der mechanischen Schwingungen
von dem Ultraschallwandler 102 mit einem Stellfaktor durch.
Die Stellfaktoren des Verstärkers
reichen typischerweise von 1:0,5 bis 1:2. Die Stellfaktoren der
Sonotrode reichen typischerweise von 1:1 bis 1:3. Die Stellfaktoren
des Verstärkers
und der Sonotrode haben eine Ausgangsamplitude (von dem Ultraschallwandler 102)
von 20 μm
Spitze-Spitze und wirken als vergrößernder oder verkleinernder
Faktor auf diese Amplitude.
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Die
mechanische Schwingung, die auf eine Sonotrodenspitze 110 wirkt,
ist die Bewegung, die die Tätigkeit
des Zusammenschweißens
von Metall aus führt.
Im Wesentlichen wird eine axiale Versetzung durch den Ultraschallwandler 102 erzeugt,
die im Betrag durch den Verstärker 104 modifiziert
wird und dann im Betrag durch die Sonotrode 106 erneut
modifiziert wird. Die Metallstücke 112, 114,
die zusammenzuschweißen
sind, sind benachbart zu der Schweißspitze (Sonotrodenspitze 110)
angeordnet. Wenn eine senkrechte Kraft (durch Pfeile 116 gezeigt)
auf eine Schweiß-Baugruppe 118 (Ultraschallwandler 102,
Verstärker 104 und
Sonotrode 106) aufgebracht wird, kommt die Sonotrodenspitze 110 in
Kontakt mit dem oberen Metallstück 112,
das zu schweißen
ist. Die axialen Schwingungen der Sonotrode 106 werden
nun Scher-Schwingungen an dem oberen Metallstück 112. Wenn die Schweiß-Klemmkraft 116 erhöht wird,
werden die Scher-Schwingungen
verstärkt
zu dem oberen Metallstück 112 übertragen,
was zur Folge hat, dass sich dieses rückwärts und vorwärts bewegt.
Ein Schweiß-Amboss 120 erdet
das untere Metallstück 114.
Die Rückwärts- und Vorwärtsbewegung des
oberen Metallstücks 112 relativ
zu dem unteren Metallstück 114 schrubbt
die Oxide und Verunreinigungen von den Oberflächen der Metallstücke 112, 114 weg,
die in Kontakt miteinander stehen. Nach einer Zeitdauer unter dieser
Scher-Bewegung und der Klemmkraft wird das Metallmaterial in dem
Schweißgebiet
zwischen den Metallstücken 112, 114 durcheinandergebracht
und es wird schließlich
gebunden.
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Die
Amplitudenhöhe,
die an der Sonotrodenspitze 110 benötigt wird, ist typischerweise
eine Funktion des Materials, das geschweißt wird, und der Zeit, die
zur Bindung erforderlich ist. Die Verwendung einer größeren Schweißamplitude
an der Sonotrodenspitze 110 bewirkt, dass mehr elektrische
Energie in dem Ultraschallwandler 102 umzuwandeln ist,
und führt
dazu, dass Schweißmaterial
schneller gebunden wird. Der Einsatz einer geringeren Amplitude
an der Schweißspitze 110 bewirkt,
dass weniger elektrische Energie in dem Ultraschallwandler 102 umzuwandeln
ist, und führt
dazu, dass die Bindung des Schweißmaterials länger dauert.
Eine Bestimmung der Schweißamplitude
an der Sonotrodenspitze 110 schreibt die Ausbildung der
Stellfaktoren der Kombination aus Sonotrode 106 und Verstärker 104 vor,
da der Ausgang des Ultraschallwandlers 102 typischerweise
festgelegt ist, beispielsweise 20 Mikrometer (μm) Spitze-Spitze.
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Das
Material, das geschweißt
wird, schreibt ferner vor, wie viel Amplitude an der Sonotrodenspitze 110 erforderlich
ist. Typische Sonotrodenamplituden, die beim Schweißen von
Metall verwendet werden, reichen von 40 μm bis 80 μm (Spitze-Spitze). Bei Aluminium
werden Amplituden über
50–60 μm (Spitze-Spitze)
problematisch. Bei höheren
Sonotrodenamplituden gibt es die Neigung das Aluminium zu erhitzen
und es zu veranlassen zu erweichen. Wenn die Grenzfläche des
oberen Metallstücks 112 ausreichend
erweicht, dringt die Sonotrodenspitze 110 in das obere
Metallstück 112 ein
und schwächt
das Ausgangsmaterial, was die Schweißqualität beeinträchtigt. Beim Schweißen von
Aluminium ist es im Allgemeinen typischerweise wünschenswert, dass die Sonotrodenamplitude
aus diesem Grund unter 55 μm
(Spitze-Spitze) bleibt.
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2 ist
ein Diagramm, das die Schweißfestigkeit
als Funktion der Energie für
3 mm dicke Probestücke
aus Aluminium 5754 zeigt, die mit verschiedenen, konstanten Schweißamplituden
ultraschallgeschweißt worden
sind. Die maximale erreichte Schweißfestigkeit lag bei ungefähr 7.500
Newton (N) oder darunter. Das heißt, mit einer relativ hohen,
konstanten Schweißamplitude
(64 μm)
liegt die Schweißfestigkeit
bei ungefähr 4.200
N und mit einer relativ niedrigen, konstanten Schweißamplitude
(40 μm)
liegt die Schweißfestigkeit
bei ungefähr
7.500 N.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Eine
Ultraschall-Schweißvorrichtung
und ein Verfahren nach der vorliegenden Erfindung verwenden eine
Amplitudenprofilierung, um eine höhere Schweißfestigkeit zu erzielen. Während einer
anfänglichen
Zeitdauer des Schweißzyklus
wird der Ultraschallwandler mit einem Ansteuerungssignal angesteuert,
um eine relativ hohe Schweißamplitude
an der Sonotrodenspitze zu erzeugen. Nach der anfänglichen
Zeitdauer wird der Ultraschallwandler mit einem niedrigeren Ansteuerungssignal
angesteuert, um ein niedrigeres Niveau zu erzeugen, was eine kleinere
Schweißamplitude
an der Sonotrodenspitze erzeugt.
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Weitere
Anwendungsbereiche der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten
Beschreibung, die nachfolgend vorgesehen ist, offensichtlich werden.
Es versteht sich, dass die detaillierte Beschreibung und die speziellen
Ausführungsbeispiele,
obwohl sie die bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung darstellen, nur zum Zwecke der Veranschaulichung vorgesehen
sind und nicht den Bereich der Erfindung beschränken sollen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird besser anhand der detaillierten Beschreibung
und der beigefügten Zeichnungen
verständlich
werden, bei welchen:
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1 eine
schematische Ansicht einer Ultraschall-Schweißvorrichtung gemäß dem Stand
der Technik ist;
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2 ein
Diagramm ist, das die Schweißfestigkeit
als Funktion der Energie für
3 mm dicke Probestücke
aus Aluminium 5754 zeigt, die mit verschiedenen, konstanten Schweißamplituden
ultraschallgeschweißt worden
sind;
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3 eine
schematische Ansicht einer Ultraschall-Schweißvorrichtung mit der Amplitudenprofilierung gemäß einer
Ausführung
der Erfindung ist;
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4 ein
Flussdiagramm eines Ultraschall-Schweißverfahrens ist, das die Amplitudenprofilierung
gemäß einer
Ausführung
der Erfindung verwendet;
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5 eine
Reihe von Diagrammen ist, die die elektrische Spannung und Energie
während
eines typischen Ultraschall-Schweißzyklus
gemäß dem Stand
der Technik zeigen;
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6 ein
Graph von Untersuchungsergebnissen ist, der vergleicht 3 mm Aluminium
5734, das unter Verwendung einer Amplitudenprofilierung (60 μm und 40 μm Schweißamplituden)
geschweißt
worden ist, mit 3 mm Aluminium 5734, das bei fixen 60 μm und fixen
40 μm Schweißamplituden
mit einem beweglichen Amboss geschweißt worden ist;
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7 ein
Graph von Untersuchungsergebnissen ist, der vergleicht 3 mm Aluminium
5734, das unter Verwendung einer Amplitudenprofilierung (60 μm und 40 μm Schweißamplituden)
geschweißt
worden ist, mit 3 mm Aluminium 5734, das bei fixen 60 μm und fixen
40 μm Schweißamplituden
mit einem fixen Amboss (beweglicher Ambossblock) geschweißt worden
ist;
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8 ein
Graph von Untersuchungsergebnissen ist, der vergleicht 3 mm Aluminium
5734, das unter Verwendung einer Amplitudenprofilierung (60 μm und 40 μm Schweißamplituden)
geschweißt
worden ist, mit 3 mm Aluminium 5734, das unter Verwendung einer
fixen 60 μm
Schweißamplitude
mit einem fixen Amboss (fixer Ambossblock) geschweißt worden
ist;
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9 ein
Graph von Untersuchungsergebnissen ist, der 25 Probestücke von
3 mm Aluminium 5734 zeigt, die mit einer Amplitudenprofilierung
mit einem beweglichen Amboss geschweißt worden sind; und
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10 ein
Graph von Untersuchungsergebnissen ist, der 25 Probestücke von
3 mm Aluminium 5734 zeigt, die mit einer Amplitudenprofilierung
mit einem fixen Amboss geschweißt
worden sind.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Die
folgende Beschreibung des Ausführungsbeispiels
bzw. der bevorzugten Ausführungsbeispiele
ist lediglich beispielhaft in der Art und soll keineswegs die Erfindung,
ihre Anwendung oder ihre Verwendungen beschränken.
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Unter
Bezugnahme auf 3 ist eine Ultraschall-Schweißvorrichtung 300,
die die Amplitudenprofilierung gemäß einer Ausführung der
Erfindung verwendet, dargestellt. Elemente, die den Elementen der
Ultraschall-Schweißvorrichtung 100 von 1 entsprechen,
werden mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und die Auseinandersetzung
wird sich auf die Unterschiede fokussieren. Bei der Ultraschall-Schweißvorrichtung 300 ist
die Energieversorgung 301 ausgebildet – wie durch eine geeignete
Programmierung eines Controllers 303, der die Energieversorgung 301 steuert – um den
Ultraschallwandler 102 anzusteuern, um eine Amplitudenprofilierung
einer Schweißamplitude
zu erzeugen, die an der Sonotrodenspitze 110 der Sonotrode 106 erzeugt
wird, wie nachfolgend beschrieben wird.
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4 ist
ein Flussdiagramm, das die Amplitudenprofilierung gemäß einer
Ausführung
der Erfindung zeigt. Die Energieversorgung 301 der Ultraschall-Schweißvorrichtung 300 ist
ausgebildet, um diese Amplitudenprofilierung auszuführen. Der
Schweißzyklus
beginnt bei 400 und bei 402 gibt die Energieversorgung 301 ein
Ansteuerungssignal bei einem ersten (hohen) Niveau aus, um den Ultraschallwandler 102 anzusteuern, um
eine hohe Schweißamplitude
an der Sonotrodenspitze 110 zu erzeugen. Die Energieversorgung 301 fährt fort,
das Ansteuerungssignal bei dem ersten Niveau für eine anfängliche Zeitdauer des Schweißzyklus
auszugeben. Bei einer Feststellung bei 404, dass die anfängliche
Zeitdauer abgelaufen ist, reduziert die Energieversorgung 301 dann
das Ansteuerungssignal bei 406 auf ein zweites (niedriges)
Niveau, das niedriger als das erste Niveau ist, um eine niedrige
Schweißamplitude
an der Sonotrodenspitze 110 zu erzeugen. Die Energieversorgung 301 steuert
dann den Ultraschallwandler 102 bei diesem niedrigen Niveau
für den
Rest des Schweißzyklus
an. Bei einer Feststellung bei 408, dass der Schweißzyklus
vollendet ist, wird das Schweißen bei 410 beendet.
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Amplitudenprofilierung,
wie hierin verwendet, bedeutet, dass der Schweißzyklus mit der hohen Schweißamplitude
begonnen wird und dass dann die Schweißamplitude nach der anfänglichen
Zeitdauer des Schweißzyklus
auf die niedrige Schweißamplitude
reduziert wird. Während
die oben beschriebene Amplitudenprofilierung genau eine Änderung
der Schweißamplitude
umfasst, versteht es sich, dass die Schweißamplitude mehr als einmal
geändert
werden kann. Es versteht sich außerdem, dass mehr als zwei
Schweißamplituden
verwendet werden können.
Der „Auslösepunkt" zum Bestimmen, wann
die anfängliche
Zeitdauer des Schweißzyklus
endet, das heißt
für den Übergang
zwischen der hohen Schweißamplitude
und der niedrigen Schweißamplitude,
kann beispielsweise die Zeit sein. Es versteht sich, dass andere
Auslösepunkte
herangezogen werden können,
um zu bestimmen, wann der Übergang
geschieht, wie zum Beispiel ein Energieniveau und ein Spitzen-Energiewert.
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Beim
Ultraschallschweißen
von Aluminium mit Amplitudenprofilierung haben die Anmelder herausgefunden,
dass höhere
Schweißfestigkeiten
erreicht werden können
als sie typischerweise mit einer konstanten Schweißamplitude
erhalten werden. Beispielsweise wurde beim Schweißen von
3 mm dicken Probestücken aus
5754 Aluminium mit Amplitudenprofilierung, wobei die hohe Schweißamplitude
64 μm betrug,
die auf 43 μm
nach 0,2 Sekunden in dem Schweißzyklus
reduziert wurde, eine Schweißfestigkeit
so hoch wie 8.800 N erreicht. Ferner wurde das Markieren an der
Grenzfläche
der Sonotrodenspitze 110 zu dem Teil, wie das obere Metallstück 112,
verglichen mit dem Schweißen
bei einer konstanten Schweißamplitude
reduziert.
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Die
Amplitudenprofilierung erlaubt auch den Einsatz einer höheren Schweißamplitude
für die
anfängliche
Schweißamplitude
als wenn eine konstante Schweißamplitude
verwendet wird. Wie oben dargelegt wurde, muss beim Schweißen von
Aluminium die Schweißamplitude
typischerweise unter 55 μm
gehalten werden. Bei der Amplitudenprofilierung kann die anfängliche
hohe Schweißamplitude
55 μm überschreiten.
Beispielsweise kann die anfängliche
hohe Schweißamplitude
64 μm betragen.
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Die
Anmelder meinen, dass die Erhöhung
der Schweißfestigkeit,
die durch das Ultraschallschweißen mit
Amplitudenprofilierung erhalten wird, durch die künstliche
Erzeugung des idealen Energieprofils für den Schweißzyklus
verursacht wird. Beispielsweise folgt die Energiekurve eines Ultraschallschweißzyklus
beim Schweißen
von Aluminium einem Trend, wobei sie beim Beginn des Schweißzyklus
relativ hoch ist und dann nahe dem Ende des Schweißzyklus
abfällt.
Dies ist sogar zutreffend, wenn die Bewegungs-Spannung/Amplitude bei dem Ultraschallwandler 102 konstant
bleibt. 5 ist eine Reihe von Diagrammen,
die die elektrische Spannung, Energie und andere Schweißparameter
während
eines typischen Schweißzyklus
nach dem Stand der Technik, der eine konstante Schweißamplitude
verwendet, zeigen.
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Obwohl
der Ultraschallwandler 102 mit einem Ansteuerungssignal
mit einem konstanten Niveau in dem Schweißzyklus nach dem Stand der
Technik, der eine konstante Schweißamplitude verwendet, angesteuert
wird, neigt die tatsächliche
Schweißamplitude
an der Sonotrodenspitze 110 während des Schweißzyklus abzufallen.
Die Anmelder meinen, dass diese Abnahme erfolgt, weil die Schweißamplitude
an der Sonotrodenspitze 110 hoch ist, während der Schweißkern wächst und
die relative Steifigkeit des Systems (Metallstücke 112, 114 und
die Grenzfläche
des Metallstücks 112 mit
der Sonotrodenspitze 110) klein ist. Während der Schweißzyklus
fortschreitet, wächst
der Schweißkern
und wird das System steifer. Die steiferen Schweißstücke (Metallstücke 112, 114)
bewirken, dass sich die Schweißamplitude
an der Sonotrodenspitze 110 wegen der mechanischen Deformation
der Schweißspitze 110 reduziert.
Diese Reduzierung der Schweißamplitude an
der Schweißspitze 110 neigt
dazu, einen Schaden an der Schweißstelle wegen übermäßiger Scherung
zu verhindern, die normalerweise auftritt, wenn die Schweißamplitude
an der Sonotrodenspitze 110 während des gesamten Schweißzyklus
hoch (und konstant) bleibt. Manchmal tritt diese natürliche Regelung
jedoch nicht auf, was zur Folge hat, dass die Schweißfestigkeit
kleiner ist als wenn die natürliche
Regelung erfolgen würde. Dies
führt zu
Schweißstellen,
die uneinheitliche Schweißfestigkeiten
haben. Beim Schweißen
mit der Amplitudenprofilierung gemäß der Erfindung ist die Reduktion
der Schweißamplitude
an der Sonotrodenspitze 110 sichergestellt und die resultierenden
Schweißstellen
sind einheitlich stark.
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Ein
Vorteil des Ultraschallschweißens
mit der Amplitudenprofilierung gemäß der Erfindung ist die hohe Zugfestigkeit
der Probestücke
mit reduzierter Markierung der Teile. Das Ultraschallschweißen mit
einer konstanten hohen Schweißamplitude
erzeugt, wie bereits erörtert,
einen hohen Betrag an Oberflächenwärme im Aluminium,
die das Metallstück 112 bei
der Grenzfläche
mit der Sonotrodenspitze 110 erweichen kann. Wenn das Metallstück 112 erweicht,
dringt die Sonotrodenspitze 110 in dieses ein, was einen
tiefen Sonotrodenspitzen-Abdruck erzeugt. Bei Aluminium erzeugt
dieses Eindringen ferner einen überschüssigen Haftbetrag
des Teils an der Sonotrodenspitze, was der Vollendung der Schweißstelle
folgt.
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Die
Anmelder haben festgestellt, dass das Ultraschallschweißen von
Aluminium mit Amplitudenprofilierung anscheinend die erweichende
Wirkung in dem Aluminiumteil, das geschweißt wird und benachbart zu der
Sonotrodenspitze 110 (beispielsweise oberes Metallstück 112)
angeordnet ist, reduziert. Während
der anfänglichen
Zeitdauer, bei der die Schweißamplitude
groß ist,
wird Energie schnell in die Schweißkernbildung eingebracht.
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Während das
Material der Teile, wie der Schweißteile 112, 114,
die geschweißt
werden, sich dem Erweichungspunkt (0,4–0,5 Sekunden bei 5754 Aluminium,
wobei die anfängliche
Schweißamplitude
64 μm beträgt) nähert, wird
die Schweißamplitude
auf die niedrigere zweite Schweißamplitude (wie 43 μm) reduziert, was
das Maß der
Eingangsenergie zu dem Schweißkern
für die
Restdauer des Schweißtakts
reduziert. Dies erlaubt es dem Schweißkern zu wachsen, ohne dass
das benachbart zu der Sonotrodenspitze 110 angeordnete
Metallstück 112 erweicht.
Das reduzierte Erweichen des Materials des Metallstücks 112,
das benachbart zu der Sonotrodenspitze 110 angeordnet ist,
reduziert das Eindringen der Sonotrodenspitze 110 in das
Metallstück 112 und
reduziert stark das Anhaften zwischen dem Metallstück 112 und
der Sonotrodenspitze 110.
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Gemäß einer
Ausführung
ist das Material, das geschweißt
wird, Aluminium und die hohe Schweißamplitude liegt über 55 μm und die
niedrige Schweißamplitude
liegt unter 55 μm.
Gemäß einer
Ausführung
ist das Material, das geschweißt
wird, Aluminium und die hohe Schweißamplitude liegt über 60 μm und die
niedrige Schweißamplitude
liegt unter 50 μm.
Gemäß einer
Ausführung
ist das Material, das geschweißt
wird, Aluminium und die hohe Schweißamplitude liegt über 60 μm und die
niedrige Schweißamplitude
liegt unter 45 μm. Gemäß einer
Ausführung
liegt die hohe Schweißamplitude
mindestens 10 μm über der
niedrigen Schweißamplitude.
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Gemäß einer
Ausführung
ist die anfängliche
Zeitdauer gerade kleiner als die Zeit, die notwendig ist, damit
sich das benachbart zu der Sonotrodenspitze befindliche Material
des Teils erweicht. Gemäß einer
Ausführung
liegt die Zeitdauer ungefähr
bei 0,2 Sekunden. Gemäß einer
Ausführung
liegt die anfängliche
Zeitdauer bei ungefähr
0,4 Sekunden. Gemäß einer
Ausführung
liegt die anfägliche
Zeitdauer bei ungefähr
0,5 Sekunden. Gemäß einer
Ausführung
reicht die anfängliche
Zeitdauer von ungefähr
0,2 bis ungefähr
0,6 Sekunden.
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Eine
Untersuchung, bei der die oben beschriebene Amplitudenprofilierungs-Schweißung verwendet wurde,
wurde zum Schweißen
von Aluminium unter Verwendung eines Seitenantriebs-Schweißsystems
von Branson durchgeführt.
Die Zeit wurde als Auslösepunktmaßnahme verwendet,
um zu bestimmen, wann die Amplituden umzuschalten sind.
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Drei
Grund-Amplituden-Steuerverfahren wurden beurteilt; 60 μm–43 μm, 60 μm und 40 μm. Zusätzlich wurde
das Schweißen
an drei verschiedenen Ambossbauarten durchgeführt; Standard beweglich, fixer
Amboss mit beweglichem Ambossblock und fixer Amboss mit fixem Ambossblock.
Die Untersuchung umfasste die verschiedenen Ambossbauarten, um zu
bestimmen, ob jeder der bestimmten Typen einen Vorteil in Verbindung
mit den Amplitudensteuerverfahren bringt. Der fixe Ambosstyp ist
im Wesentlichen ein großer
Ambossblock, der an der Seitenantriebs-Grundplatte befestigt ist.
Innerhalb des fixen Ambossblocks befindet sich ein entfernbarer
Ambossblock. Dieser Ambossblock kann starr an dem Amboss befestigt
sein oder er kann „schwimmen". Es wurde in früheren Experimenten
erkannt, dass es einen deutlichen Unterschied in der Schweißleistung
und -Festigkeit in Abhängigkeit
davon gibt, ob der Ambossblock starr angebracht ist (fixer AB) oder
ob er schwimmen kann (beweglicher AB). Eine Matrix, die die verschiedenen
Untersuchungskombinationen zeigt, ist nachfolgend gezeigt.
| Untersuchung | Amboss | Amplitudensteuerung |
| 1 | beweglich | 60 μm–43 μm, 0,4 s
Auslösung |
| 2 | beweglich | 60 μm |
| 3 | beweglich | 40 μm |
| 4 | fix
(beweglicher AB) | 60 μm–63 μm, 0,2 s
Auslösung |
| 5 | fix
(beweglicher AB) | 60 μm |
| 6 | fix
(beweglicher AB) | 40 μm |
| 7 | fix
(fixer AB) | 60 μm–63 μm, 0,2 s
Auslösung |
| 8 | fix
(fixer AB) | 60 μm |
| 9 | fix
(fixer AB) | 40 μm |
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Der
Auslösezeitpunkt
zwischen dem beweglichen und fixen Amboss liegt zwischen 0,4 s und
0,2 s. Dies erfolgte, um einen einheitlichen Schweißprozess
zwischen den zwei Ambossbauarten sicherzustellen und Überlastungen
zu vermeiden. Für
all die Untersuchungen wurde das folgende Schweißsystem mit den bestimmten
fixen Schweißparametern
benutzt.
| Schweißsystem: | Seitenantrieb |
| Umwandler: | 5,5
kW Umwandler von Branson |
| Einrichtung: | Gold
Verstärker
(Verstärkung
1,5), |
| | High
Q Tool (Verstärkung
1:1) |
| Sonotrode: | CL
Rev 1 (Verstärkung
1,8), maximale Ampli |
| | tude
= 63 μm |
| Schweißdruck: | 70
psi (700 lbs. Kraft) |
| Aluminiumprobestück: | 3
mm 5754 |
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Jede
Untersuchung erzeugte einen Graph von Zugfestigkeit über Energie
für jede
der Ambossbauarten (insgesamt drei Graphen, die in 6 bis 8 gezeigt
sind). Jeder Graphdatenpunkt zeigt die mittlere Abweichung und die
Standardabweichung von fünf
Schweißstellen.
Um diese Graphen statistisch zu prüfen, wurde eine erweiterte
Untersuchung an ausgewählten
Datenpunkten der 25 Schweißstellen
durchgeführt.
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Die
Ergebnisse der Untersuchung sind in den 6–8 dargestellt.
Es kann erkannt werden, dass es klare Unterschiede in der Leistung
für die
drei Ambossbauarten gibt. Eine ausgezeichnete Zugfestigkeits-Leistung
ist sowohl für
die beweglichen als auch die fixen (beweglicher AB) Ambossbauarten
zu sehen. Der fixe (fixer AB) Amboss zeigt im Allgemeinen Zugfestigkeiten,
die ungefähr
bei der Hälfte
der anderen Ambossbauarten mit relativ großem Streubereich liegen. Als
Ergebnis der schwachen Leistung wurde die Überprüfung #9 nicht durchgeführt, da
es nicht möglich
war, eine minimale Anzahl von Datenpunkten zu erzeugen.
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Wie
aus den Graphen von 6 bis 8 hervorgeht,
zeigen die Untersuchungen anscheinend eine allgemeine Verbesserung
der Zugfestigkeits-Leistung
mit der Maßnahme
der Amplitudenprofilierung. Der Einsatz des beweglichen Ambosses
zeigt Gebiete, bei welchen sich das 40 μm-Schweißen an die Festigkeit der Maßnahme der
Amplitudenprofilierung annähert.
Die Untersuchungsergebnisse, die in den 6 bis 8 dargestellt
sind, zeigen anscheinend, dass das fixe 40 μm-Amplitudenschweißen bessere
Festigkeiten bei geringeren Energie-Einstellwerten erzeugt, während das
60 μm-Schweißen bessere
Festigkeiten bei höheren Energie-Einstellwerten zeigt.
Die Amplitudenprofilierung scheint diesen Effekt zu kombinieren,
indem sie gleichmäßigere,
höhere
Zugfestigkeiten über
einen weiteren Energiebereich erzeugt.
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Das
Schweißen
mit fixem Amboss (beweglicher AB) zeigt wieder, dass die Amplitudenprofilierung gleichmäßigere Schweißfestigkeiten über einen
breiten Energiebereich erzeugt. Die hohen Festigkeitsvermögen der
kleinen Amplituden- und hohen Amplituden-Einstellwerte erscheinen
entgegengesetzt zu den flexiblen Ambossdaten. Die Verwendung der
40 μm-Schweißamplitude
mit dem fixen Amboss (beweglicher AB) erzeugt Schweißstellen
mit hoher Festigkeit bei höheren
Energie-Einstellwerten, während
die Verwendung der 60 μm-Schweißung starke
Schweißstellen
bei niedrigeren Energie-Einstellwerten erzeugt. Die Verwendung der Amplitudenprofilierung
scheint diese Wirkungen zu kombinieren, indem sie stärkere, gleichmäßigere Schweißstellen über einen
breiten Energiebereich erzeugt. Die Festigkeiten, die durch die
Amplitudenprofilierung bei dem 3.000 J Datenpunkt von dem fixen
Amboss (beweglicher AB) erzeugt worden sind, erscheinen tatsächlich stärker (bis
zu 8.000 N) als die Schweißstellenfestigkeiten,
die bei dem gleichen Energieniveau mit dem beweglichen Amboss erzeugt
worden sind (bis zu 7.000 N).
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Die
Profilierungsdaten zeigten, dass die durchschnittliche Zugfestigkeit
von dem fixen Amboss (beweglicher AB) geringfügig besser als die Zugfestigkeit
von dem beweglichen Amboss (8 kN bis 6,8 kN) bei 3.000 J war. Um
sicherzustellen, dass die Ergebnisse nicht ein Ergebnis der kleinen
Probegrößen waren,
wurde ein 25 Probenlauf bei 3.000 J unter Verwendung der Amplitudenprofilierung
für sowohl
die beweglichen als auch die fixen (beweglicher AB) Ambosse durchgeführt. Die
Ergebnisse sind in den 9 und 10 dargestellt
und zeigen, dass der 3.000 J-Punkt für die beweglichen und fixen
Ambosse (beweglicher AB) statistisch äquivalent ist.
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Die
Beschreibung der Erfindung ist nur beispielhaft in der Art und folglich
sollen Änderungen,
die nicht den Inhalt der Erfindung verlassen, in dem Bereich der
Erfindung liegen. Solche Änderungen
sind nicht als ein Abrücken
von dem Geist und dem Bereich der Erfindung zu betrachten.
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Zusammenfassung
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Eine
Ultraschall-Schweißvorrichtung
weist eine Energieversorgung auf, die mit einer Schweiß-Baugruppe
in Verbindung steht. Die Schweiß-Baugruppe umfasst
einen Ultraschallwandler, der mit einer Sonotrode über einen
Verstärker
verbunden ist. Die Sonotrode weist eine Sonotrodenspitze auf. Der
Schweißzyklus der
Ultraschall-Schweißvorrichtung
ist amplitudenprofiliert, so dass während einer anfänglichen
Zeitdauer die Schweißamplitude
an der Sonotrodenspitze hoch ist und nach der anfänglichen
Zeitdauer die Schweißamplitude
niedrig ist.