-
Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden metallischer Werkstücke durch
Kaltpreßschweißen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Verbinden metallischer Werkstücke durch Kaltpreßschweißen unter Anwendung von
Schwingungen an der Schweißstelle.
-
Es ist bekannt, durch Kaltpreßschweißen, d. h. unter Anwendung von
hohem Druck ohne Zuführung von Wärme, Metallteile, z. B. Metallfolien, miteinander
zu verbinden. Die zum Herstellen einer innigen Verbindung hierbei erforderlichen
Schweißdrücke sind hoch und bedingen große Formänderungen der Werkstücke, die 50
bis 80 % betragen können.
-
Es hat sich weiter gezeigt, daß das Kaltpreßschweißen bei der Befestigung
dünner Drähtchen auf Metallteilen häufig zu unerwünschten Veränderungen des Drahtgefüges
führt, was eine Brüchigkeit der feinen Glühdrähtchen zur Folge hat. Es wurde festgestellt,
daß diese Nachteile ebenfalls im wesentlichen eine Folge des beim Kaltpressen erforderlichen
hohen Schweißdruckes ist.
-
Zum Vermeiden der beschriebenen Nachteile ist zum Verbinden dünner
Metalldrähtchen mit Metallteilen durch Kaltpreßschweißen bereits vorgeschlagen worden,
hochfrequente Schwingungen an der Schweißstelle anzuwenden.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beliebig gestaltete metallische
Werkstücke unter Anwendung geringer Verformungsdrücke zu verschweißen. Zu diesem
Zweck wird das Verfahren zum Verbinden metallischer Werkstücke durch Kaltpreßschweißen
unter Anwendung von Schwingungen an der Schweißstelle gemäß der Erfindung in der
Weise durchgeführt, daß die Schwingungen parallel zu den Berührungsflächen der zu
verschweißenden Werkstücke erfolgen. Der Erfindung liegt demgemäß die Erkenntnis
zugrunde, daß unter der Vielzahl denkbarer Schwingungen für den Schweißvorgang diejenigen
von besonderer Bedeutung für das Kaltpreßschweißen sind, die parallel zur Berührungsfläche
der zu verschweißenden Werkstücke verlaufen.
-
Diese Schwingungen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise
eine Frequenz zwischen 400 und 75 000 Hz aufweisen, können auf verschiedene Art
und Weise zugeführt werden. Es ist dabei nicht erforderlich, daß die Schwingungsebene
genau rechtwinklig zu der Richtung des ausgeübten Schweißdruckes liegt, da auch
bei schräg zur Berührungsfläche der Werkstücke angestellter Schwingungsebene wesentliche
Komponenten in der Berührungsfläche wirksam werden können.
-
Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benutzbare Vorrichtung
weist ein die Werkstücke abstützendes Widerlager und einen die Schwingungen von
einem Schwingungserzeuger auf die Werkstücke übertragenden Schwingungsübertrager
auf, der im folgenden mit Sonotrode bezeichnet ist. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist die .Sonotrode gleichzeitig als Druckstempel ausgebildet, der
die Schweißkraft auf die zu verschweißenden Werkstücke ausübt. Es hat sich gezeigt,
daß bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens der erforderliche Schweißdruck
bei Raumtemperatur auf einen Wert beschränkt bleiben kann, der eine Verformung von
weniger als 10 % zur Folge hat. Es hat sich sogar gezeigt, daß in gewissen Fällen
eine Deformation der zu verschweißenden Werkstücke überhaupt vermieden werden kann.
-
Die Erfindung kann zum Kaltpreßschweißen der verschiedensten Metalle
angewandt werden. Es können z. B. geschweißt werden: Reines Aluminium auf reines
Aluminium; Aluminiumlegierung auf Aluminiumlegierung; Kupfer auf Kupfer; Messing
auf Messing; Magnesiumlegierung auf Magnesiumlegierung; Nickel auf Nickel; rostfreier
Stahl auf rostfreien Stahl, Silber-Titan-Legierung auf Silber-Titan-Legierung; Gold-Platin-Legierung
auf rostfreien Stahl, Platin auf Kupfer; Platin auf rostfreien Stahl; Gold-Platin-Legierung
auf Nickel; Titanlegierung auf
Titanlegierung; Molybdän auf Molybdän;
Aluminium auf Nickel; rostfreier Stahl auf Kupferlegierung, Nickel auf Kupferlegierung;
Nickellegierung auf Nickellegierung.
-
Das Schweißverfahren kann bei Metallen weit voneinander abweichender
Stärke angewendet werden. Beispielsweise lassen sich sehr dünne Folien zusammenschweißen
und auch Metallbleche einer Stärke von 2,5 mm und stärker auf andere Metalle wesentlich
größerer Stärken schweißen. Das Verfahren läßt sich bei Metallen verschiedener Umrißformen
anwenden, beispielsweise bei ebenen Blechen, gebogenen Blechen.
-
Bei der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehenen
Vorrichtung kann der Schwingungserzeuger rechtwinklig an der Sonotrode angreifen,
so daß deren mit dem Werkstück in Berührung kommende Spitze in Richtung der Berührungsfläche
schwingt und die erforderliche Schwingungsenergie unmittelbar in der gewünschten
Richtung überträgt. Stattdessen oder zusätzlich kann auch der Sonotrode eine Schwingung
in ihrer Achsrichtung aufgeprägt werden. Dabei kann entweder die Achse der Sonotrode
gegenüber der Berührungsfläche der zu verschweißenden Werkstücke schräggestellt
werden, so daß eine wesentliche Schwingungskomponente in der Berührungsfläche der
Werkstücke zur Wirkung kommen kann, oder es werden andere Maßnahmen angewandt, um
die Schwingungsenergie in die erwünschte Richtung umzulenken. Hierzu kann z. B.
die Sonotrode als asymmetrischer Stab ausgebildet sein. so daß durch die auftretenden
Massenkräfte an der Sonotrodenspitze die erwünschten Schwingbewegungen auftreten.
-
Um eine günstige Übertragung der Schwingungen zu erzielen, wird die
Sonotrode zweckmäßigerweise im Knotenpunkt mittels eines Ringes getragen, dessen
axiale Erstreckung wenigstens einer halben Wellenlänge der Schwingungen gleich ist.
-
Wie erwähnt, kann das erfindungsgemäße Verfahren unter Raumtemperatur
durchgeführt werden. In gewissen Fällen kann es jedoch von Vorteil sein, eine zusätzliche
Erwärmung der Werkstücke an der Schweißstelle vorzunehmen, wobei die benutzten Temperaturen
unter der Schmelztemperatur der zu verschweißenden Metalle liegen.
-
Der Schwingungserzeuger erzeugt ungedämpfte Schwingungen.
-
Die Erfindung ist in der Beschreibung in Ausführungsbeispielen an
Hand der Zeichnung erläutert. In den Zeichnungen zeigt F i g. 1 eine teilweise geschnittene
Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kaltpreßschweißvorrichtung,
F i g. 2 eine Teilansicht der in F i g. 1 dargestellten Schweißvorrichtung mit einem
Vektordiagramm, das die kombinierte Schwingungsbewegung aus Axialbewegung und Seitenbewegung
der Sonotrode zeigt, F i g. 3 eine teilweise geschnittene Ansicht einer anderen
Ausführungsform der Schweißvorrichtung, F i g. 4 eine teilweise geschnittene Ansicht
einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung, F i g.
5 eine Ansicht einer anderen Ausführung der Schweißvorrichtung, F i g. 6 eine Ansicht
einer weiteren Ausführung der Schweißvorrichtung, F i g. 7 eine Ansicht einer weiteren
Abänderung, F i g. 8 eine teilweise geschnittene Ansicht eines Aufbaues mit einer
erfindunestlemäßen Schweißvorrichtun; und F i g. y9 eine teilweise geschnittene
Ansicht eines zweiten Aufbaues mit einer erfindungsgemäßen Schweißvorrichtun'-.
-
Die in F i g. 1 und 2 dargestellte Schweißvorrichtung weist eine Einrichtung
auf, mit der zwei Schwingungskomponenten in die Schweißzone eingeführt werden können.
Die Schweißvorrichtung hat zwei übereinander angeordnete Klemmen oder Klemmkörper
1 und 2, zwischen die die zu schweißenden Bleche 3 und 4 gelegt werden. Der untere
Klemmkörper 1 ist die Sonotrode, während der obere Klemmkörper 2 als Amboß
dient. Ein Energieumwandler 5 schwingt die Sonotrode 1. Es kann auch der Amboß als
Sonotrode ausgebildet sein und entgegengesetzt zu der Sonotrode 1 schwingen.
-
Die Sonotrode 1 ist mit dem Energieumwandler 5 stirnseitig verbunden.
An der Verbindungsstelle ist die Sonotrode 1 im wesentlichen koaxial zum Energieumwandler
5 aufgestellt und hat die gleiche Fläche. Die Verbindung zwischen Klemmkörper
1 und Energieumwandler 5 wird nachstehend als Energieumwandlerkupplung bezeichnet.
Die Energieumwandlerkupplung wird von einem beispielsweise ringförmigen Träger 6
gehalten, der diese Kupplung an einer Stelle trägt, die einer Viertelwellenlänge
entspricht.
-
Als Träger für den Amboß 2 dient ein Ring 7, der in einem Außengestell
gehalten oder getragen wird, so daß der Amboß 2 gehoben oder gesenkt oder in einem
Verankerungsträger fest gesichert werden kann. Bei der einen Ausführung kann die
Länge des Ambosses 2 so eingestellt werden, daß seine Länge bei der angelegten Frequenz
gleich einer Viertelwellenlänge oder einem ungeradzahligen Vielfachen davon ist.
-
Die Axialbewegung, d. h. die Schwingungskomponente, die im allgemeinen
rechtwinklig zur Grenzflächenebene oder Zwischenflächenebene der zusammenzuschweißenden
Bleche 3 und 4 verläuft, wird durch Längswellen hervorgerufen, die sich in Axialbewegung
vom Energieumwandler 5 längs des unteren Klemmkörpers 1 zu den Blechen
3 und 4 bewegen.
-
Die tangentiale Schwingungskomponente der Sonotrode 1 wird durch die
exzentrische Anordnung der Berührungsstelle am Werkstück gegenüber der Achse der
Sonotrode erzeugt. Dieser Vektor ist in F i g. 2 mit E bezeichnet. Die Tangentialebene,
in der sich die Spitze 9 bewegt, ist in den Zeichnungen mit T bezeichnet.
-
Bei der in F i g. 3 dargestellten Schweißvorrichtung greift der Energieumwandler
10 und das Kupplungsbauteil 11 quer zur Achse der Sonotrode 12 an
letzterer an. Der Energieumwandler 10 weist einen Elektromagneten 24 und eine für
den Elektromagneten bestimmte Gleichstromquelle 25 auf, die ähnlich der in
F i g. 1 dargestellten Ausführung ist.
-
Der Kupplungsbauteil 11 kann von einer Tragplatte 16 getragen
werden.
-
Ein Amboß 14 steht in einem Axialabstand vom Ende 13 der Sonotrode
12 und wird von einer Bodenplatte 15 getragen. Hat Amboß 14 die Form
eines kurzen stabähnlichen Teiles, so kann die Länge des Ambosses so ausgebildet
werden, daß er bei der angelegten Frequenz aus der Resonanzlage mit der Biegenschwingung
in bezug auf den starren Träger
15 herausgebracht wird, indem er
z. B. mit der angelegten Schwingungsfrequenz des Systems aus Energieumwandler und
Kupplungsbauteil verstimmt wird, so daß auf diese Weise ein großer Teil der den
zu schweißenden Blechen 3 und 4 zugeführten Schwingungsenergie reflektiert.
-
Bei der in F i g. 4 dargestellten Ausführung werden mehrere Energieumformer
16 und 18 verwendet. Der Umformer 16 ist mit der Sonotrode 17 und der Umformer 18
ist mit dem Kupplungsbauteil 19 verbunden.
-
Der Kupplungsbauteil 19 ist mit der Sonotrode 17 fest verbunden, indem
der Endabschnitt des Kupplungsbauteiles 19 die Sonotrode 17 zwischen seiner Stirnseite
21 und dem Träger 20 umfaßt. Der Träger 20 kann aus einem Ring bestehen, der an
der Stelle liegt, die einer Viertelwellenlänge entspricht.
-
Ein von dem vollwandigen Träger 23 getragener resonanzfreier Amboß
22 steht axial in einem Abstand von Stirnende 21 der Sonotrode 17. In dieser Ausführung
führt das Stirnende 21 der Sonotrode 17 eine zwangsweise Axialbewegung und seitliche
Schwingbewegung aus, die unter einem statischen Druck auf die Bleche 3 und 4 zur
Einwirkung gebracht wird.
-
Die in F i g. 5 dargestellte Ausführung gleicht der in F i g. 3 dargestellten
Ausführung mit der Ausnahme, daß an Stelle des Kupplungsbauteiles 11, der bei der
Ausführung nach F i g. 3 aus einem metallischen Verbindungsstück gleichförmigen
Querschnittes besteht, ein kegelförmiger metallischer Kupplungsbauteil 51 verwendet
wird, der an seinem vom Energieumwandler 53 weggerichteten Ende eine kreisförmige
Öffnung hat. Eine Polarisierungsspule 56a und eine Erregerspule 56 sind in die im
Energieumwandler 53 vorhandene öffnung gewickelt.
-
Am oberen Ende der Sonotrode 58 ist eine Masse 57 befestigt. Die schematisch
dargestellte Vorrichtung 57 a kann eine Feder, ein Luftzylinder, ein hydraulischer
Zylinder od. dgl. sein. Der Gegendruck wird von dem Amboß 57 b und seiner
Tragplatte 57 c aufgenommen.
-
Die in F i g. 6 dargestellte Ausführung gleicht der in F i g. 5 dargestellten
Ausführung und hat an Stelle des kegelförmigen Kupplungsbauteiles ein Kupplungsbauteil
59, der sich nach einer bekannten Expotentialfunktion verjüngt.
-
Bei den in F i g. 7 dargestellten Bauteilen weist der Energieumformer-Kupplungsbauteil
einen aus einem Nickelstapel bestehenden Energieumformer 90 und eine Sonotrode 91
auf, die in bezug auf den Amboß 92 schräggestellt ist. Die Werkstücke 93 und
94
werden in dem Zwischenraum zwischen Amboß 92 und dem Ende 95 der Sonotrode
91 gehalten. Die Sonotrode 91 wird von einem Tragring 96 getragen, der aus einem
Ring von halber Wellenlänge der Arbeitsfrequenz besteht und der am Ende mit der
Sonotrode 91 befestigt ist. Der Ring 96 ist mittels einer vom Bauteil
98 getragenen Mittelrippe oder eines Mittelflansches 97 verankert. Der Bauteil
98 ist im Drehpunkt 99 drehbar.
-
Die Ausführung nach F i g. 8 zeigt eine Anordnung mit einem Gestell
60, auf dessen Grundplatte 61 ein Träger 62 für den aus einer ziemlich großen Masse
bestehenden Amboß 63 aufgestellt ist. Die in der Anordnung nach F i g. 8 verwendete
Schweißvorrichtung ist die in F i g. 6 dargestellte Schweißvorrichtung mit einer
Sonotrode 64, die an ihrem unteren freien Ende eine halbkugelige oder ballige Spitze
65 hat und die an ihrem oberen Ende ein Gewicht 66 aufweist.
-
Das Gewicht 66 wird mittels eines hydraulischen Zylinders 67 auf und
ab bewegt. Das Heben und Senken des hydraulischen Zylinders 67 wird mittels eines
elektrischen Schalters 69 gesteuert, der ein Magnet- oder anderes Ventil betätigt,
das in der den hydraulischen Zylinder 67 enthaltenen Ölleitung liegt.
-
Die Ausführung nach F i g. 9 weist einen Ring 6a auf, der die Sonotrode
1 b in folgender Weise umfaßt: ein zylindrisches Gehäuse 82 hat entsprechend dem
verwendeten Metall bei der angelegten Frequenz eine Länge von einer halben Wellenlänge.
Das Gehäuse 82 umgibt einen Teil der Sonotrode 1 b in der dargestellten Weise und
ist am oberen Ende 83 beispielsweise mittels Schweißen, Hartlöten oder Weichlöten
mit der Sonotrode 1b verbunden. Das untere Ende des Gehäuses 82 ist frei von jeder
Befestigung. Beim Schwingen des Systems entwickelt sich daher im Zylindergehäuse
82 an der Zone der Befestigung 85, und zwar eine Viertelwellenlänge im Abstand von
dem freien Ende 84 des Gehäuses 81, ein Schwingungsknoten.
-
Die Befestigung 85 weist an der äußeren Umfangsfläche des Gehäuses
82 einen erhöhten Flansch auf, der vorzugsweise aus einem Stück mit dem Gehäuse
82 besteht und sich um den Umfang des Gehäuses 82 erstreckt. Sie ist an einem verstellbaren
Tisch 26 befestigt. Gehäuse 82 und Sonotrode 1 b durchsetzen eine Öffnung des Tisches
26. Der Tisch 26 ist am Ständer 30 verstellbar.
-
Der Ring 7 b des Ambosses 2 b ist an einer Spindel 35
befestigt, die an einem Kopfstück 36 des Ständers 30 in solcher Weise angebracht
ist, daß der Amboß 2 b im Abstand und in axialer Ausrichtung mit dem Energieumwandler
5 b und der Sonotrode 1 b liegt. Der Amboß 2 b ist mit der Spindel 35 über
die Scheibe 37 verbunden. Die Sonotrode 1 b hat eine halbkugelförmige oder ballige
Spitze 9 b, die an den zusammenzuschweißenden Werkstücken 3 d und
4 d
anliegt und entsprechend F i g. 1 und 2 exzentrisch zur Längsachse der
Sonotrode liegt.