DE1903324C3 - Sonotrode oder Sonotrodeneinsatz für ein Ultraschallschweißgerät - Google Patents

Sonotrode oder Sonotrodeneinsatz für ein Ultraschallschweißgerät

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine aus Aluminium gebildete Sonotrode oder einen Sonotrodeneinsatz für ein Ultraschallschweißgerät, deren oder dessen Arbeitsfläche aus einem elektrisch nichtleitenden, Metalloxide enthaltenden Material besteht, zum Schweißen von aus Kunststoff bestehenden, elektrische Leiter tragenden Bauteilen.
Bei Ultraschallschweißgeräten ist es bekannt, die Sonotrode aus einem leichten metallischen Werkstoff, z. B. aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung herzustellen. Diese leichten Werkstoffe haben den Vorteil, daß auf Grund der geringen Masse und der kleinen inneren Beschleunigungskräfte die vom Ultraschallgeber auf die Sonotrode indizierte Leistung mit einem relativ gelingen Verlust auf deren Arbeitsfläche übertragen wird. Auch die Schallabsorption ist sehr gering, so daß der innere Energieverlust entsprechend klein ist. Derartige Sonotroden werden zum Schweißen von Kunststoffbauteilen, z. B. für Steckerleisten u. dgl. angewandt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei vornehmlich aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildeten Sonotroden während des Betriebes von der Arbeitsfläche der Sonotroden feine Metallteilchen abgerieben werden, die sich in das zu schweißende Material einarbeiten. Bei Steckerleisten, insbesondere für elektronische Schaltungen, sind die Abstände der einzelnen Kontaktstifte, -federn oder -zungen oft recht klein und betragen z. B. weniger als 2 mm. Durch den Abrieb der feinen Metallteilchen von der Sonotrode entstehen daher beim Schweißen leitende Brücken zwischen den einzelnen Kontakten, so daß diese Bauteile nicht mehr zu verwenden sind.
Die Verwendung von keramischem Material zum Überziehen von Werkzeugen, z. B. aus Aluminium bestehenden Lötspitzen, auf elektrochemischem Wege ist gemäß der US-PS 25 01 616 bekannt. Derartige Überzugsschichten sind jedoch zu dünn und besitzen keine hohe mechanische Festigkeit. Es wurde daher schon versucht, eine aus Aluminium bestehende Sonotrode mit einem aus einem keramischen Material gebildeten Einsatz zu versehen. Derartige Einsätze werden mittels eines Klebers mit der Sonotrode verbunden. Der hierbei auftretende Nachteil besteht im wesentlichen darin, daß derartige aus einem keramischen Material gebildete Einsätze gegen Stoß und Schlag, aber aucii gegen Schwingungen wenig widerstandsfähig sind; sie brechen bzw. zerspringen bei einer plötzlichen Belastung; so daß die Sonotrode unbrauchbar ist. Ferner wird über die dämpfendwirkende Klebeschicht nur ein Bruchteil der indizierten Schallenergie auf die Arbeitsfläche des Einsatzes übertragen. Die Klebeschicht erleidet eine starke Erwärmung; sie zersetzt sich, so daß sich der Einsatz von der Sonotrode löst
Gemäß der US-PS 34 26 951 soll die Arbeitsfläche einer aus Gußeisen, Molybdän, Beryllium, Titan, Wolfram, Chrom oder Chrom-Stahl bestehenden Sonotrode beschichtet werden mit Sinterprodukten oder anderen harten Werkstoffen wie Oxiden, Nitriden oder Karbiden von Aluminium, Beryllium, Eisen, Bor, Silizium, Molybdän, Titan und Wolfram. Bei Sonotroden aus Aluminium oder aluminiumplattiertem Material soll deren Arbeitsfläche eine nach dem Eloxal-Verfahren hergestellte anodische Aluminium-Oxidschicht sein.
Wie aus dem Fachbuch »Vapor-Plating« hervorgeht, ist es bekannt, Metallflächen zum Schütze gegen einen hohen Verschleiß mit einer z. B. aus einem Metalloxid bestehenden Deckschicht zu überziehen. Das Auftragen solcher Deckschichten erfolgt in bekannter Weise z. B. bei Metallen durch Metallspritzen und bei Nichtmetallen durch Spritzen für beide Materialarten, insbesondere durch Plasmaspritzen (bei »Lueger«, Lexikon der Technik, 4. Aufl., Bd. 9, 1968, S. 68 und 69, Plasma-Strahlspritzen genannt). Zur Erhöhung der Haftfestigkeit von Deckschichten ist es ferner bekannt (Zeitschrift: metal treatment, Sept. 1963, S. 343 bis 348) zunächst auf einen Trägerkörper, z. B. auf eine Metallfläche eine Haftschicht und darauffolgend auf diese eine Deckschicht aufzutragen. Aus der Werkstattpraxis ist es bekannt, zum Verbindqn von Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften, zum Beispiel von Stahl mit Aluminium »intermetallische Verbindungen« wie Nikkela'uminid, zu verwenden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sonotrode oder einen Sonotrodeneinsatz der eingangs genannten Art für ein Ultraschallschweißgerät zum Schweißen von Kunststoffteilen, insbesondere zum Schweißen von Steckerleisten, zu schaffen, wobei die Sonotrode oder der Sonotrodeneinsatz einen hohen Wirkungsgrad, d. h. geringen Dämpfungsfaktor, aufweisen sollen. Auch soll die aus einem elektrisch nichtleitenden Material bestehende Arbeitsfläche der Sonotrode hochabriebfest und widerstandsfähig sein.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Sonotrode im Bereich ihrer Arbeitsfläche mit einer an sich bekannten, im Plasmaspritzen aufgetragenen, aus Nickelaluminid bestehenden Haftschicht überzogen ist, wobei die Haftschicht Träger einer ebenfalls durch Plasmaspritzen aufgetragenen, aus einem Metalloxid bestehenden Deckschicht ist
Die so geschaffene Sonotrode ermöglicht das Schweißen von aus Kunststoff bestehenden Steckerleisten, aber auch in vorteilhafter Art von dünnen Blechen. Bedingt durch die durch Plasmaspritzen auf die Arbeitsfläche der aus Aluminium bestehenden Sonotrode aufgetragenen Haft- und Deckschicht sowie durch die Auswahl der Materialien erhält man eine Sonotrode mit einem geringen Dämpfungsfaktor. Dadurch wird es möglich, mit vergleichsweise leistungsschwächeren Ultraschallschweißgeräten als bisher üblich Schweißarbeiten auszuführen. Hierbei zeigte es sich überraschend, daß Nickelaluminid eine gute Halftschicht für die durch Plasmaspritzen aufgetragene als Metalloxid
bestehende Deckschicht ist Das so auf die Nickelaluminidschicht aufgetragene Metalloxid ist gegen Ultraschallschwingungen sehr widerstandsfähig; weder ein Brechen noch ein Reißen des Überzuges konnte beobachtet werden.
Nach einem zusätzlichen Merkmal der Erfindung besteht die Deckschicht aus Aluminiumchlorid oder Titanoxid. Derartige Stoffe sind als Deck- oder Überzugsschichten an sich bekannt. Werden sie durch Plasmaspritzen auf die aus Nickelaluminid Destehende Haftschicht aufgetragen, so entsteht ein zuverlässiger von inneren Spannungen freier Verband, so daß diese Deckschichten auch gegen eine hohe mechanische Belastung, nämlich einer Ultraschall-Schwingungsbelastung, überraschend widerstandsfähig sind.
In den Zeichnungen sind als Beispiel verschiedene Ausführungsformen einer nach der Erfindung geschaffenen Sonotrode bzw. eines Sonotrodeneinsatzes für ein Ultraschallschweißgerät schemaiisch dargestellt.
Gemäß F i g. 1 ist die vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehende Sonotrode 1, wie an sich bekannt, mit einem Ultraschallgeber 2 verbunden. Der z. B. magnetostriktiv arbeitende Ultraschallgeber überträgt die Schalleistung auf die in Richtung des Pfeiles P schwingende Sonotrode, welche an ihrer Arbeitsfläche 3 eine nicht elektrisch leitende aus einem Metalloxid bestehende Deckschicht 12 trägt. Zum Schweißen einer Steckerleiste 6 wird die Sonotrode zwischen den Steckerstiften 4 der Steckerreihen 5 und 5' eingeführt, wobei sodann bei gleichzeitigem Andruck der Sonotrode gegen die aus Kunststoff bestehende Steckerleiste die Kontaktstifte 4 in das Werkstück eingeschweißt werden.
Wie weiter aus F i g. 2 hervorgeht, ist es auch möglich, in die Sonotrode einen Einsatz 7 einzubringen, wobei dieser Einsatz an seiner Arbeitsfläche 8 mit einer Deckschicht 9 der vorgenannten Art überzogen ist. Eine derart gebildete Sonotrode kommt vorzugsweise zum Schweißen von kleinen Metallteilen, z. B. Buchen 10,10' zur Anwendung. Bedingt dadurch, daß der Ultraschallübergang von der durch Plasmaspritzen aufgebrachten, etwas rauhen Metalloxidoberfläche 9 auf die Bleche 10, 10' besser ist als bei einer Sonotrode, deren Arbeitsfläche aus Metall oder einem keramischen Material besteht, genügt eine geringere Ultraschalleistung zur Durchführung des ordnungsgemäßen Schweißvorganges.
Bei der Herstellung der Sonotrode (F i g. 3) wird letztere zunächst im Bereich ihrer Arbeitsfläche 3 mit einer Haftschicht 11 versehen. Diese Haftschicht wird durch Metallspritzen, nämlich Plasmaspritzen aufgetragen und besteht vorzugsweise aus Nickelaluminid. Nach dem Auftragen dieser Schicht wird letztlich die aus einem Metalioxid, z. B. AhCb oder ΤΪΟ2 bestehende Deckschicht durch Spritzen, nämlich ebenfalls Plasmaspritzen, aufgetragen. Die so geschaffene Beschichtung der Sonotrode ist abriebfest und gewährleistet einen guten Uütraschallübergang.
Wie insbesondere aus F i g. 4 hervorgeht, besteht die Möglichkeit, an den Fuß 13 der Sonotrode 1 eine Arbeitsplatte 14 formschlüssig anzusetzen. Entsprechend wie in Fig.3 dargestellt, ist auch diese Arbeitsplatte mit einer durch Plasmaspritzen aufgetragenen Haftschicht 11 und mit einer elektrisch nichtleitenden abriebfesten, ebenfalls durch Plasmaspritzen aufgetragenen Deckschicht 12 überzogen. Die Arbeitsplatte trägt einen Gewindestutzen 15, welcher in eine Gewindebohrung 16 des Fußes 13 eingeschraubt ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

19 05 Patentansprüche:
1. Aus Aluminium gebildete Sonotrode oder Sonotrodeneinsatz für ein Ultraschallschweißgerät, deren oder dessen Arbeitsfläche aus einem elektrisch nichtleitenden, Metalloxide enthaltenden Material besteht, zum Schweißen von aus Kunststoff bestehenden, elektrische Leiter tragenden Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (1) im Bereich ihrer Arbeitsfläche (3) mit einer an sich bekannten, durch Plasmaspritzen aufgetragenen, aus Nickelaluminid bestehenden Haftschicht (11) überzogen ist, wobei die Haftschicht Träger einer ebenfalls durch Plasmaspritzen aufgetragenen, aus einem Metalloxid bestehenden Deckschicht (Ϊ2) ist.
2. Aus Aluminium gebildete Sonotrode nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß das Metalloxid Aluminiumoxid oder Titanoxid ist
20
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