DE19859355A1 - Vorrichtung zum Verbinden von metallischen Werkstoffen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Verbinden von metallischen Werkstoffen, insbesondere elektrischen Leitern wie Litzen, mittels eines Ultraschallschwingungen erzeugenden Schwingers (10), der eine Sonotrode (16) mit Sonotrodenkopf (14) sowie einen Konverter (12) umfasst. Um den Schwinger kompakt ausbilden zu können, ist vorgesehen, dass der Schwinger allein im ersten Schwingungsknoten von Sonotrodenkopf entfernt gelagert wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Verbinden von metallischen Werk­ stoffen, insbesondere elektrischen Leitern wie Litzen, mittels eines Ultraschall mit einem Ultraschallschwingungen einer Wellenlänge λ erzeugenden Schwingers umfassend eine Sonotrode mit Sonotrodenkopf sowie einen Konverter, wobei der Schwinger zumindest in einem Abstand λ/4 zu dem Sonotrodenkopf gelagert ist.

Übliche Schwinger zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen umfassen einen Konverter zur Umwandlung elektrischer Schwingungen in Ultraschallschwingungen gewünschter Frequenz und Amplitude, einen Booster sowie eine Sonotrode mit Sonotrodenkopf, der eine Elektrode bzw. Arbeitsfläche aufweist, in der der Kontakt mit den zu verschweißenden Materialien erfolgt, um Metallteile wie Litzen zu verschweissen. Da die Schweissfläche bzw. der Schweisspunkt parallel zur Sonotrodenschwingungsachse verlaufen, müssen von den Lagerungen nicht nur axiale und radiale Kräfte, sondern auch Biegemomente aufgenommen werden.

Dabei ist es bekannt, einen Konverter, Booster und Sonotrode umfassenden Schwinger in sowohl im Booster als auch in der Sonotrode verlaufenden Schwingungsknotenpunkten zu lagern. Dies wiederum bedeutet eine lange Bauweise des Schwingers.

Bei einer boosterfreien Ausbildung eines Schwingers, der folglich nur Konverter und Sonotrode umfasst, kann zwischen Konverter und Sonotrode eine Trennfuge ausgebildet sein, in der eine Membranfeder eingespannt ist, über die der Schwinger gelagert wird. Ferner erfolgt eine Abstützung im in der Sonotrode verlaufenden Schwingungsknoten (Fig. 9). Die Membranfeder verläuft dabei im Schwingungsmaximum. Durch die Verwendung der Mem­ branfeder ist nicht nur eine radial grosse Bauweise gegeben, sondern auch eine axial weiche Lagerung. Bei einer weiteren boosterlosen Schwingerausbildung erfolgt eine Lagerung im Schwingungsnullpunkt im Konverter sowie eine Abstützung im Schwingungsnullpunkt der Sonotrode (Fig. 10). Dabei hat sich herausgestellt, dass die Nullpunktlagerung im Konverter zu erheblichen Problemen führt.

Bei einem weiteren bekannten Konverter, Booster und Sonotrode umfassenden Schwinger werden Booster und Sonotrode jeweils im Schwingungsnullpunkt gelagert bzw. abgestützt (Fig. 7). Durch die Verwendung des Boosters ergibt sich eine lange Bauweise. Schiesslich sind Schwinger mit Trennfugen einerseits zwischen Konverter und Booster und andererseits zwischen Booster und Sonotrode bekannt, von denen Membranfedern ausgehen (Fig. 8). Da eine Lagerung im Schwingungsmaximum erfolgt, ist der Schwinger axial sehr weich abge­ stützt. Ausserdem ergibt sich aufgrund der verwendeten Membranfedern radial eine grosse Bauweise.

Aus der DE 35 08 122 C2 ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt. Dabei wird die Sonotrode über eine Vielzahl von senkrecht zur Sonotrodenlängsachse ausgerichteten Stiftschrauben abgestützt, die ihrerseits nicht im erforderlichen Umfang die auftretenden axialen und radialen Kräfte sowie Biegemomente aufnehmen. Daher muss zusätzlich der Konverter oder Booster abgestützt sein. In der Praxis erfolgt dies im Booster.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass bei kurzer Bauweise die auftretenden axialen und radialen Kräfte sowie die Biegemomente im erforderlichen Umfang aufgenommen werden. Aber auch eine hinreichende Steifigkeit soll gegeben sein, um statische Kräfte zu kom­ pensieren.

Das Problem wird erfindungsgemäss im Wesentlichen dadurch gelöst, dass der Schwinger ausschliesslich im Abstand λ/4 zu dem Sonotrodenkopf über eine Lagerung zur Aufnahme sowohl radialer und axialer als auch von Biegemomenten und Torsionsmomenten abgestützt ist.

Durch die erfindungsgemässe Lehre besteht die Möglichkeit, einen boosterlosen und damit kompakten Schwinger zur Verfügung zu stellen, der eine einzige Lagerung aufweist, die im Bereich der Sonotrode, und zwar im ersten Schwingungsknoten vom Sonotrodenkopf aus verläuft.

Durch die erfindungsgemässe Lehre wird erstmalig ein Schwinger bestimmt zum Verschweis­ sen von Metallteilen zur Verfügung gestellt, der eine einzige Lagerung aufweist, eine Möglichkeit, die bisher allein beim Kunststoffschweissen gegeben ist, und zwar im Schwin­ gungsnullpunkt eines Boosters, wodurch jedoch eine lange Bauweise des Schwingers bedingt ist, da der Lagerpunkt 3.λ/4 vom Sonotrodenkopf entfernt liegt. Im übrigen muss die Lagerung keine Biegemomente aufnehmen, da beim Kunststoffschweissen die Sonotro­ denschwingungsachse senkrecht zu den zu verschweissenden Flächen verläuft. Daher wurden für Metallschweißen bestimmte Schwinger stets in zwei Bereichen gelagert.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lagerung einen von der Sonotrode radial abragenden ersten Abschnitt aufweist, der seinerseits in eine in Längsrichtung des Schwingers und zu diesem beabstandet verlaufenden zweiten Abschnitt übergeht. Der Schwinger selbst ist sodann beabstandet zu dem ersten Abschnitt über den zweiten Abschnitt fixiert, wodurch eine elastische Entkopplung zu den auftretenden Quer­ kräften bzw. -dehnungen, die im Schwingungsknoten durch Dehnen bzw. Stauchen der Sonotrode auftreten, erfolgt. Insbesondere ist der erste Abschnitt ein vorzugsweise um­ laufender Ring bzw. eine umlaufende Scheibe und der zweite Abschnitt ein Hohlzylinder, die einstückig oder als getrennte Teile ausgebildet sein können, die sodann miteinander ver­ bunden wie verschraubt werden.

Der erste Abschnitt kann integral mit der Sonotrode ausgebildet werden. Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Sonotrode mehrteilig auszubilden und in eine in einem Abstand von λ/4 zum Sonotrodenkopf verlaufenden Trennfuge den ersten Abschnitt ein­ zuspannen, von dem der zweite entlang des Schwingers verlaufende Abschnitt zur elastischen Kopplung ausgeht. Durch die mehrteilige Ausbildung der Sonotrode ergibt sich der Vorteil, dass Verschleissteile problemlos ausgewechselt werden können, ohne dass die gesamte Sonotrode erneuert werden muss. Die einzelnen Sonotrodenteile können untereinander verschraubt sein.

Nach einem alternativen Lösungsvorschlag ist vorgesehen, dass die Sonotrode eine diese zu­ mindest in zwei axial Abschnitte unterteilende Trennfuge aufweist, von der ein sich radial erstreckendes scheibenförmiges Element ausgeht, das seinerseits in diametral zu der Sonotro­ de verlaufenden Bereichen fixiert ist. Die Bereiche selbst sind dabei zwischen vorzugsweise aus Kunststoff bestehenden Backen eingespannt, wodurch die durch das Dehnen bzw. Stauchen der Sonotrode auftretenden Querkräfte bzw. -dehnungen aufgenommen werden können. Insbesondere läuft dabei jeder Bereich in einem Schwingungsknoten des scheibenför­ migen Elementes.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, die in diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus den nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden Ausführungs­ beispielen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Schwingers bestimmt für eine Ultraschall­ schweissvorrichtung zum Verbinden von metallischen Werkstoffen,

Fig. 2 eine erste Ausführungsform einer Sonotrode,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform einer Sonotrode,

Fig. 4 eine dritte Ausführungsform einer Sonotrode,

Fig. 5 die Sonotrode nach Fig. 4 in Vorderansicht und

Fig. 6-10 Prinzipdarstellungen von Schwingern nach dem Stand der Technik sowie einem erfindungsgemäßen Schwinger.

In Fig. 1 ist rein prinzipiell ein Schwinger 10 bestimmt für eine Vorrichtung zum Ver­ schweissen von metallischen Werkstoffen, insbesondere elektrischen Leitern wie Litzen, mittels Ultraschall dargestellt. Der Schwinger 10 besteht aus einem Konverter 12 sowie einer mit diesem vorzugsweise über eine Schraubverbindung verbundenen Sonotrode 14. Mittels des Konverters 12 werden elektrische Schwingungen in Ultraschallschwingungen gewünschter Frequenz und Amplitude umgewandelt.

Insoweit wird jedoch auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen, ohne dass es weiterer Erläuterungen bedarf.

Die Sonotrode 14 weist einen Sonotrodenkopf 16 mit einer als Elektrode zu bezeichnenden Fläche auf, die auf die zu verschweissenden metallischen Werkstücke einwirkt, wobei die Schweissfläche der Werkstoffe parallel zur Sonotrodenschwingungsachse verläuft.

Erfindungsgemäss ist der Schwinger 10 nur noch in einem Bereich gelagert, und zwar im ersten Schwingungsknoten, betrachtet vom Sonotrodenkopf 16 aus, also im Abstand λ/4 von dem Sonotrodenkopf 16. Dabei ist die Lagerung derart ausgebildet, dass sowohl die auf­ tretenden axialen und radialen Kräfte als auch die durch das Schweissen bedingten Biege­ momente und gegebenenfalls Torsionsmomente im erforderlichen Umfang aufgenommen werden.

In Fig. 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer Sonotrode 18 mit Lagerung 20 darge­ stellt, die aus einem im Schwingungsnullpunkt radial abragenden ringförmigen Abschnitt 22 sowie einem in Längsrichtung der Sonotrode verlaufenden Zylinderabschnitt 24 besteht, die eine Einheit bilden. Dabei verläuft der Zylinderabschnitt 24 beabstandet zur Aussenfläche 26 der Sonotrode 18.

Erstreckt sich im Ausführungsbeispiel der hohlzylindrische Abschnitt 24 in Richtung des Konverters, so kann selbstverständlich eine Erstreckung in Richtung des Sonotrodenkopfes 16 ebenfalls erfolgen.

Die Sonotrode 18 wird nunmehr über die Halterung 20 im Bereich des hohlzylindrischen Ab­ schnitts 24 beabstandet zu dem radial verlaufenden Ring 22 gelagert. Hierdurch erfolgt eine elastische Entkopplung bzw. Pufferung der im Schwingungsnullpunkt durch das Dehnen bzw. Stauchen der Sonotrode auftretenden Querkräfte bzw. -dehnungen. Gleichzeitig können die Biegemomente bzw. Torsionsmomente im erforderlichen Umfang aufgenommen werden. Der Abstützbereich der Sonotrode 18 ist im Ausführungsbeispiel mit dem Bezugszeichen 26 versehen und läuft im freien Endbereich des hohlzylindrischen Abschnitts 24, der von dem ringsseitigen Bereich durch eine Stufe 28 getrennt ist.

In Fig. 3 ist eine Sonotrode 30 dargestellt, die zweiteilig ausgebildet ist, also aus zwei axialen Abschnitten 32, 34 besteht, von denen der vordere Abschnitt 34 den Sonotrodenkopf 16 aufweist. Somit ist zwischen den Abschnitten 32, 34 eine Trennfuge ausgebildet, in der eine Scheibe 36 eingespannt ist, die umfangsseitig über der Sonotrode 30 vorsteht und somit einer Geometrie entsprechen kann, die dem radial abragenden Ring 22 der Ausführungsform der Fig. 2 gleichkommt. Von dem Scheibenabschnitt 36 geht ebenfalls ein hohlzylindrischer Abschnitt entlang der Sonotrode 30 sich erstreckend aus, so dass die der Fig. 2 zu entneh­ menden Bezugszeichen verwendet werden. Sind in den Ausführungsbeispielen der Fig. 2 und 3 der radiale Abschnitt 22 bzw. die Scheibe 36 integral mit dem hohlzylindrischen Abschnitt 24 ausgebildet, so kann auch eine mehrteilige Version genutzt werden, wobei die radial und axial verlaufenden Elemente z. B. verschraubt sind.

Auch wenn bevorzugterweise die Lagerung einen entlang der Längsachse der Sonotrode 14, 18, 30 verlaufenden hohlzylindrischen Abschnitt 24 aufweist, über den die Sonotrode 14 eingespannt wird, so ist entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 und 5 auch die Möglichkeit gegeben, die Sonotrode 30 im Schwingungsnullpunkt über ein scheibenförmiges, in Draufsicht vorzugsweise rechteckförmiges Element 38 zu lagern und einzuspannen, welches seinerseits in diametral zur Sonotrode 30 verlaufenden Bereichen 40, 42 eingespannt ist. Dabei wird das scheibenförmige Element 38 in den Bereichen 40, 42 vorzugsweise zwischen aus Kunststoff bestehenden Backen festgelegt, wodurch die Möglichkeit gegeben wird, dass in hinreichendem Umfang die auftretenden Querkräfte kompensiert werden. Die Bereiche 40, 42 sollten desweiteren in Schwingungsknoten des scheibenförmigen Elementes 38 verlaufen.

Auch im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 und 5 ist die Sonotrode 30 vorzugsweise zweiteilig ausgebildet, wobei die Trennfuge im Schwingungsknoten verläuft, in der das scheibenförmige Element 38 mit den Sonotrodenteilen verbunden ist.

Durch die erfindungsgemässe Lehre ergibt sich eine kompakte Bauweise, die insbesondere bevorzugt durch die Ausführungsbeispiele der Fig. 2 und 3 realisiert wird; denn sowohl in der Länge der jeweiligen Sonotrode 18, 30 als auch in den radialen Abmessungen ergibt sich eine kleine Bauart.

Typische Abmessungen für erfindungsgemässe, den Ausführungsbeispielen der Fig. 2 und 3 entsprechenden Sonotroden sind:
Leistung: 1000 bis 3000 Watt;
Frequenz: 20 bis 40 kHz;
Wellenlänge: 125 bis 145 mm;
Länge des aus Sonotrode und Konverter bestehenden Schwingers: 250 bis 290 mm;
Durchmesser der Sonotrode im Bereich der Lagerung (Aussenfläche des hohlzylindrischen Abschnitts) im Bereich der Abstützung: 30 bis 60 mm.

In den Fig. 6 bis 10 sind noch einmal die aus dem Stand der Technik bekannten Schwinger­ lagerungen (Fig. 7 bis 10) der erfindungsgemäßen Lagerung (Fig. 6) gegenübergestellt.

Claims (17)

1. Vorrichtung zum Verbinden metallischer Werkstoffe, insbesondere elektrischen Leitern wie Litzen, mittels eine Ultraschall mit einer Ultraschallschwingungen einer Wellenlänge λ erzeugenden Schwingers (10) umfassend eine Sonotrode (14, 18, 30) sowie einen Konverter (12), wobei der Schwinger zumindest in einem Abstand λ/4 zum Sonotrodenkopf (16) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwinger (10) ausschliesslich im Abstand λ/4 zu dem Sonotrodenkopf (16) über eine Lagerung (20, 38) zur Aufnahme sowohl radialer und axialer Kräfte als auch zumindest Biegemomente und/oder Torsionsmomente abgestützt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung einen im Schwingungsknoten von der Sonotrode (18, 30) radial abragenden ersten Abschnitt (22, 36) aufweist, der seinerseits in einen in Längs­ richtung der Sonotrode und zu dieser beabstandet verlaufenden zweiten Abschnitt (24) übergeht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwinger (10, 18, 30) beabstandet zu dem ersten Abschnitt (22, 36) über den zweiten Abschnitt (24) fixiert ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (22) ein umlaufender Ring (32) ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (22) eine radial über die Sonotrode (30) vorstehende Scheibe (36) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (22) ein Hohlzylinder ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Abschnitt (22, 36, 24) einstückig ausgebildet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (22) integral mit der Sonotrode (18) ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (24) mit dem ersten Abschnitt (22, 36) lösbar verbunden wie verschraubt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (30) aus zumindest zwei axialen Abschnitten (32, 34) mit einer im Abstand λ/4 zum Sonotrodenkopf (16) verlaufenden Trennfuge ausgebildet ist, von der der radial über die Sonotrode umfangsseitig abragende erste Abschnitt (36) aus­ geht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (36) zwischen den axialen Abschnitten (32, 34) der Sonotro­ de (30) eingespannt ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Abschnitte (32, 34) der Sonotrode (30) verschraubt sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (30) eine diese in zwei axialen Abschnitte (32, 34) unterteilende Trennfuge im Abstand von λ/4 zu dem Sonotrodenkopf (16) aufweist, von der ein sich radial erstreckendes scheibenförmiges Element (38) ausgeht, das seinerseits in diametral zu der Sonotrode verlaufenden Bereichen (40, 42) fixiert wie eingespannt ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Bereich (40, 42) zwischen vorzugsweise aus Kunststoff bestehenden Backen eingespannt ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (40, 42) in einen Schwingungsknoten des scheibenförmigen Elemen­ tes (38) liegt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der hohlzylindrische vorzugsweise parallel zur Längsachse bzw. Schwingungs­ achse der Sonotrode (18) verlaufende hohlzylindrische Abschnitt von dem ersten Abschnitt (32, 36) ausgehend in Richtung des Konverters verläuft.

17. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der hohlzylindrische vorzugsweise parallel zur Längsachse bzw. Schwingungs­ achse der Sonotrode (18) verlaufende hohlzylindrische Abschnitt von dem ersten Abschnitt (32, 36) ausgehend in Richtung des Sonotrodenkopfes (16) verläuft.