DE1527382B2 - Vorrichtung und verfahren zum ultraschallschweissen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ultraschallschweißen der Stirnfläche eines drahtförmigen Körpers an die Oberfläche eines zweiten, insbesondere plattenförmigen Körpers mittels einer parallel zur genannten Oberfläche schwingenden Sonotrode und eines Ambosses.

Aus der deutschen Patentschrift 1 090 934 ist ein Verfahren zum Verbinden dünner Metalldrähtchen mit Metallteilen durch Kaltpreßschweißen bekannt. Dabei werden abgeflachte Enden von Drähten um ein zweites Drähtchen gebogen, und anschließend erfolgt eine Verschweißung zwischen den Biegestellen und dem Drähtchen mittels Ultraschall. Bei diesem Verfahren liegen die miteinander zu verschweißenden Drähte parallel zueinander.

In der USA.-Patentschrift 2 946 119 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ultraschallschweißen von Metallen beschrieben. Auch hierbei liegen die miteinander zu verschweißenden Flächen parallel zueinander, und auch die Schwingrichtung der Sonotrode erfolgt parallel zu der Berührungsfläche. Diese bekannten Verfahren und Vorrichtungen sind jedoch nicht geeignet, wenn die eingangs genannte Aufgabe vorliegt, einen drahtförmigen Körper mit seiner Stirnfläche an die Oberfläche eines zweiten Körpers unter Anwendung von Ultraschallenergie anzuschweißen.

In solchen Fällen ist es bislang üblich, zwischen der Stirnfläche des Drahtes, d. h. seiner zur Mittellinie senkrechten Schneidfläche, und dem zweiten Körper eine elektrische Funkenentladung zu erzeugen, so daß eine sogenannte Stiftschweiße entsteht. Wenn die Dicke beider Körper hinreichend groß ist, bereitet dieses Verfahren keine unüberwindlichen Schwierigkeiten. Ist jedoch die Dicke des zweiten Körpers gering, z. B. ein Bruchteil eines Millimeters, so tritt bald die Gefahr ein, daß der Funkenbogen durch den zweiten Körper hindurch brennt. Auch wenn sehr dünne Drähte verwendet werden, liegt die Gefahr eines Abbrennens der Drahtspitze vor, bevor die Schweiße hergestellt ist.

Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, hat man versucht, durch sehr genau dosierte Stromstöße der Schweiße gerade die erforderliche Menge Energie

ίο zuzuführen, ohne daß die vorerwähnten Beschädigungen eintreten. Dieses Verfahren ist jedoch bei weitem nicht unter allen Umständen anwendbar, und besonders wenn Materialien wie Kupfer, Aluminium oder Messing geschweißt werden sollen, läßt es sich sehr schwer durchführen.

Bekanntlich kann durch die Zufuhr von Ultraschallschwingungen hinreichender Energie an die Trennfläche zwischen zwei Werkstücken erreicht werden, daß sich eine Schweiße bildet. Es kann zu diesem Zweck gewünschtenfalls noch zusätzliche elektrische Energie, z. B. ein elektrischer Strom, der Schweißstelle zugeführt werden.

Auch die aus den genannten Patentschriften bekannten Verfahren und Vorrichtungen lassen sich zur Lösung der vorliegenden Aufgabe nicht heranziehen. Denn einmal würde das dünne Drähtchen infolge seiner geringen Trägheit den Schwingungen folgen, ohne daß es dabei zur Bildung einer Schweiße kommen würde, zum anderen träte ein erhöhter Raum- und Drahtbedarf auf, wenn man die Spitze des Drahtes umböge und die nunmehr parallel zueinander liegenden Flächen miteinander in bekannter Weise verschweißen würde.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgäbe zugrunde, eine geeignete Vorrichtung zur Utraschallschweißung eines drahtförmigen Körpers mit seiner Stirnfläche an die Oberfläche eines zweiten, insbesondere plattenförmigen Körpers zu schaffen.

Aus der Erfindung zugrundeliegenden Untersuchungen hat sich ergeben, daß beim Schwingen des Drahtes in der Achsenrichtung senkrecht zur Oberfläche des zweiten Körpers der Draht bereits durch den zweiten Körper hindurchgebohrt war, bevor sich eine Schweiße gebildet haben konnte. Auch Untersuchungen, bei denen der Draht in einer zum zweiten Körper parallelen Richtung in Schwingungen versetzt wurde, lieferte schlechte Ergebnisse, da eine gegebenenfalls gebildete Schweiße leicht zerbrach.

Die Vorrichtung zum Ultraschallschweißen gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Bohrung des Ambosses zum Aufnehmen und Festhalten des drahtförmigen Körpers, welche rechtwinklig zur Schwingungsrichtung des Sonotrode angeordnet ist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die schlechten Resultate des vorerwähnten Schweißverfahrens, bei dem der Draht parallel zu der Oberfläche des zweiten Körpers in Schwingungen versetzt wird, darauf zurückzuführen sind, daß die Schwingungen selber die Bildung einer guten Schweiße verhindern. Um bei diesem Verfahren den Draht in Schwingungen zu versetzen, muß er durch eine Bohrung der Sonotrode geführt werden, wobei diese Bohrung so eng sein muß, daß der Draht den Bewegungen der Schweißspitze folgen kann. Dabei reibt die Stirnfläche des Drahtes über die Oberfläche

des zweiten Körpers, aber sobald sich eine Schweiße zu bilden anfängt, wird sie durch die gegenseitigen Schwingungen beider Körper zerstört.

Demgegenüber geht die Erfindung von dem Prinzip aus, daß der drahtförmige Körper festgehalten wird, so daß bei sachgerechter Wahl der Kraft, mit der der plattenförmige Körper zwischen die Sonotrode und die Spitze des in der Bohrung des Ambosses fixierten drahtförmigen Körpers gepreßt wird, nach Bildung der Schweiße ein Gleiten der Sonotrode über die Oberfläche des plattenförmigen Körpers ermöglicht wird. Es pflanzt sich also die Ultraschallschwingung durch den zweiten Körper fort bis an die Berührungsstelle der beiden Körper, wodurch sich eine Schweiße bildet. Dann jedoch gleitet die Sonotrode über die Oberfläche des zweiten, bereits angeschweißten Körpers, so daß die Schwingungen die hergestellte Schweiße nicht mehr zerbrechen.

Die folgenden Fig. 1 bis 3 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Die Vorrichtung nach F i g. 1 enthält einen Wandler 1 zur Umwandlung elektrischer Schwingungen in Ultraschallschwingungen, der über einen Amplitudentransformator 2 mit einer Sonotrode 3 verbunden ist. Die Sonotrode 3 wird dabei in Schwingungen versetzt, wie dies durch Pfeile angedeutet ist. Gegenüber der Sonotrode 3 ist ein Amboß 4 angeordnet, der mit einer Bohrung zur Aufnahme des drahtförmigen Körpers 5 versehen ist. Der Amboß besteht aus massiven Material, wobei wenigstens in der unmittelbaren Nähe der der Sonotrode 3 zugekehrten Oberfläche des Ambosses 4 der drahtförmige Körper 5 eng in die Bohrung des Ambosses 4 paßt. Die Bohrung ist gegebenenfalls bis zur gegenüberliegenden Oberfläche des Ambosses 4 durchgehend, wie dies gestrichelt angedeutet ist, so daß der Draht kontinuierlich zugeführt werden kann. Der Draht 5 ragt mit einer Länge, die kleiner als der Drahtdurchmesser ist, aus der der Sonotrode 3 zugekehrten Oberfläche des Ambosses 4 heraus, so daß dieser herausragende Drahtteil mechanisch hinreichende Festigkeit hat, um gegen die Ultralischallschwingungen widerstandsfähig zu sein.

Zwischen der Sonotrode 3 und dem drahtförmigen Körper 5 ist der zweite, plattenförmige Körper 6 angeordnet. Indem der Draht 5 mit dem Amboß 4 in Richtung des Pfeiles P gegen den plattenförmigen Körper 6 und die Sonotrode 3 gedrückt wird, schweißt die Stirnfläche des drahtförmigen Körpers 5 an der Oberfläche des zweiten Körpers 6 fest. Der Druck P ist dabei selbstverständlich derart zu stellen, daß sich anfangs die Ultraschallschwingung der Sonotrode 3 durch den plattenförmigen Körper 6 hin bis zur Berührungsstelle des plattenförmigen Körpers6 mit dem drahtförmigen Körpers fortpflanzt und dort die Bildung einer Schweiße veranlaßt, worauf nach der Bildung der Schweiße diese einen solchen Widerstand gegen die Ultraschallschwingung leistet, daß die Sonotrode 3 über die Oberfläche des plattenförmigen Körpers 6 gleitet. Diese Wirkung wird noch gefördert, wenn die zugeführte Energie eine solche Wärme entwickelt, daß in dem Augenblick der Bildung der Schweiße das Ende des Drahtes 5 sich etwas aufstaucht, so daß die Berührungsfläche der Stirnfläche des Drahtes 5 und der Oberfläche der Platte 6 vergrößert wird.

In der Praxis erwies es sich als möglich, Kupferoder Aluminiumdrähte mit einem Durchmesser von 1 mm oder weniger auf diese Weise an Kupfer-, Messing- oder Aluminiumplatten mit Dicken zwischen 500 und 25 μ festzuschweißen. Der Drahtkopf konnte dabei um etwa 50% in der Oberfläche aufgestaucht sein, aber es konnten auch gute Schweißen erhalten werden, bei denen der Draht gar nicht aufgestaucht war. Bei einer Arbeitsfrequenz von 20 kHz und einer Leistung von 80 bis 150 W wurde ein Druck P von 5 bis 20 kg benutzt. Die Schweißperiode war ein Bruchteil einer Sekunde.

Bei der Vorrichtung nach Fig. 2 ist der Amboß 4 mit einer kegelförmigen Öffnung zur Aufnahme eines eingepaßten, kegelförmigen Einsatzstückes 8 versehen, das aus einer Anzahl von 3 Segmenten zusammengebaut ist. Eine zentrale Bohrung des Einsatzstückes 8 hält den drahtförmigen Körper 5. Die Segmente, wenigstens ihre der Sonotrode 3 zugekehrten Enden, sind in radialer Richtung beweglich, so daß sie den Draht 5 klemmend umfassen, und zwar um so fester, je stärker der Amboß 4 durch die Kraft P angedrückt wird. Der Draht 5 ist somit während des Schweißvorganges praktisch unbeweglich, läßt sich aber nachträglich bequem aus dem Amboß 4 entfernen.

Mittels der Vorrichtung nach F i g. 3 wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Kopfschweißen eines Drahtes 5 an dem Boden 6' eines buchsenförmigen Körpers 10 eines Elektrolyt-Kondensators benutzt. Die Buchse 10 ist über die Sonotrode 3 des Ultraschallschwingers geschoben, so daß die Bodenplatte 6' wieder in Richtung der Pfeile zu seiner Oberfläche schwingt. Der Draht 5 wird wieder mit dem erforderlichen Druck P gegen diese Bodenplatte gedrückt, so daß sich eine Schweiße bilden kann. Der Raum zwischen der Buchse 10 und der Sonotrode 3 ist dabei noch so groß, daß, sobald die Schweiße gebildet wird, die Sonotrode 3 über die Oberflächen der Bodenplatte 6' gleiten kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentschrift:

1. Vorrichtung zum Ultraschallschweißen der Stirnfläche eines drahtförmigen Körpers an die Oberfläche eines zweiten, insbesondere plattenförmigen Körpers mittels einer parallel zur genannten Oberfläche schwingenden Sonotrode und eines Ambosses, gekennzeichnet durch eine Bohrung des Ambosses (4) zum Aufnehmen und Festhalten des drahtförmigen Körpers, welche rechtwinklig zur Schwingungsrichtung der Sonotrode (3) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung in einem kegelförmigen Einsatzstück (8) des Ambosses (4) angeordnet ist.

3. Vorricht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der den drahtförmigen Körper (5) aufnehmende Teil des Ambosses (4) als Klemmkopf ausgebildet ist.

4. Verfahren zum Ultraschallschweißen zum Zweck und unter Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißstelle des drahtförmigen Körpers, der mit einer Länge kleiner als der Drahtdurchmesser aus dem Amboß herausragt, aufgestaucht wird.