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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschall-Schweißstation,
insbesondere zum Verschweißen
einer Anzahl von metallischen Werkstücken miteinander.
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Eine
Ultraschall-Schweißstation
dient typischerweise zur Durchführung
von Ultraschall-Schweißungen.
Sie wird beispielsweise eingesetzt, um elektrische Leiter nach erfolgter,
die Schweißung
vorbereitender Kompaktierung zu verschweißen, wie aus der
DE 37 19 083 C1 oder der WO
95/10866 bekannt. Dazu werden in dem in der Ultraschall-Schweißstation
durchgeführten
Ultraschall-Schweißverfahren
zwei miteinander zu verbindende metallische Werkstücke (oder
Leiter) durch eine Anpresskraft, die über eine Sonotrode, die auf einer
Seite der zu bildenden Kontaktfläche
aufliegt, zusammengepresst und gleichzeitig der Einwirkung von hochfrequenten
Schwingungen, die üblicherweise
eine Frequenz von 20 kHz aufweisen, ausgesetzt, so dass die beiden
Werkstücke
an ihrer Kontaktgrenze mit großer
Scherkraft aneinander gerieben werden.
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Durch
die hochfrequente Scherkraft werden die Oxidschichten und Unreinigkeiten
an den Metalloberflächen
zerstört,
zerkleinert und aus der Fügefläche geschleudert
oder zumindest bis zum Rand transportiert. Dadurch entsteht ein
dichter Kontakt reiner Metalle, zwischen deren Oberfläche eine
Zusammenwirkung möglich
ist, wobei es sich nicht um identische Metalle handeln muss, sondern
auch verschiedene Metalle miteinander verbunden werden können.
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Die
Kombination von drei Faktoren, wozu die statische Anpresskraft,
die oszillierende Scherkraft und ein moderater Temperaturanstieg
in dem Kontaktbereich gehören,
erzeugen die beabsichtigte feste und dauerhafte Verbindung. Grund sätzlich sind
folgende Bindungsmechanismen an der Kontaktgrenze der Metalle zueinander
vorgesehen:
- 1. Mechanische Verzahnung
– eine Verbindung
durch ineinander geflossene Unregel-mäßigkeiten auf den Metalloberflächen, die
durch Wirkung von wechselnden Scherkräften entstehen. Voraussetzung
hierfür
sind eine drastische plastische Verformung und das Fließen des Materials
in der Schweißzone.
- 2. Adhäsion/Kohäsion
– eine metallische
Verbindung durch Zusammenwirken von an der Metalloberfläche verformten Elektronenstrukturen.
Voraussetzung sind eine reine Metalloberfläche sowie ein dichter Kontakt der
zu verschweißenden
Werkstücke
zueinander.
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Beim
Ultraschall-Schweißverfahren
ist die plastische Verformung von zu verbindenden Metallteilen die
wichtigste Komponente des genannten Verbindungsmechanismus. Der
Grad der Verformung hängt
sowohl von den einstellbaren Ultraschallparametern, wie der vom
Generator zugeführten
Leistung, der Schwingungsamplitude und der Einwirkzeit, als auch
vom Profil der Werkzeugoberflächen
und den Werkstoffeigenschaften der zu verbindenden Werkstücke ab.
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Sehr
große
Verformungen werden durch die hochfrequente Reibungsbewegung der
zu verbindenden Metallteile in der Kontaktzone erreicht. Diese Beanspruchung
der Metalloberfläche
führt zu
einem wellenförmigen
bzw. in extremen Fällen
zu einem wirbelförmigen
Relief der Kontaktgrenze und zu mechanischen Verzahnungen und Verhackungen
der Paarungskomponenten. Dies spielt eine positive Rolle für die Haftfestigkeit
beim Ultraschallmetallverbinden.
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Die
Wärmeproduktion
in kleinen Metallteilen ist mit der Dissipation der Schwingungsenergie
im Volumen des Metallteils durch plastische Scherverformung ver bunden.
Die von der schwingenden Sonotrode auf die Oberfläche des
Metalls übertragene Scherverformung
ist als das Verhältnis
der Schwingungsamplitude zur Probendicke zu betrachten. Diese Verformung
liegt damit über
der Elastizitätsgrenze.
Die Scherverformung im Metall steigt damit bei senkrechter Einwirkung
auf 195%. Diese Verformung liegt weit im plastischen Bereich, wobei
sich die Scherrichtung mit der Frequenz von 20 kHz ändert. Das
Spannungs-Scherverformungs-Diagramm einer derartig plastischen Verformung
stellt eine Hystereseschleife dar, deren Fläche die hauptsächlich als Wärme dissipierte
Energie widerspiegelt.
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Das
Ultraschall-Schweißverfahren
weist einige Vorteile gegenüber
anderen, bisher gebräuchlichen,
Verfahren auf. Dazu gehören:
- – Eine
spezielle Oberflächenreinigung
kann entfallen,
- – es
wird keine Schutzatmosphäre
benötigt,
- – der
Energieverbrauch ist gering,
- – die
Schweißzeit
ist kurz,
- – die
Vollautomatisierung des Schweißverfahrens und
die Integration in andere Fertigungsverfahren und Fertigungsanlagen
ist leicht möglich,
- – es
besteht die Möglichkeit,
die mit konventionellen Schweißmethoden
nicht miteinander verbindbaren Metalle dauerhaft zu verbinden, und
- – es
können
Materialien unabhängig
von ihrer Form und/oder Gestaltung miteinander verschweißt werden.
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Die
mechanischen Schwingungen einer Sonotrode werden auf das obere der
zu verbindenden Metallteile in der horizontalen Achse eingebracht, wobei
die Sonotrode mit einer durch eine Pneumatik erzeugten vorgegebenen
Kraft auf die Oberfläche des
Oberteiles herabgesenkt wird. Diese Kraft wird während des Ultraschall-Schweißvorgangs
konstant beibehalten.
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Allerdings
bestehen die zu verarbeitenden Metallstücke nicht unbedingt aus dem
gleichen Material und bieten auch aufgrund anderer äußerer Bedingungen
nicht zwangsläufig
die optimalen Voraussetzungen für
eine schnelle und haltbare Verbindung durch den Ultraschall-Schweißvorgang.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschall-Schweißstation
anzugeben, die eine Anzahl von Metallstücken besonders schnell und
zuverlässig
miteinander verbindet.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem
der Ultraschall-Schweißeinheit
der Ultraschall-Schweißstation
eine Erwärmungseinheit
vorgeschaltet ist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Erfindung geht von der Überlegung
aus, für
eine besonders schnelle und zuverlässige Verbindung von Metallstücken miteinander
die Temperatur zumindest desjenigen der zu verschweißenden Werkstücke, das
aus einem leitfähigeren
Material besteht und somit eine längere Anlauf- bzw. Anregungszeit
benötigen
würde,
schon vor dem Schweißvorgang
der bei der Verschweißung
zumindest an der Kontaktfläche
notwendigen Temperatur angenähert werden
sollte.
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Unterschiedliche
Metalle besitzen eine unterschiedliche Leitfähigkeit sowie eine unterschiedliche
Molekularstruktur. Sollen Metalle mit diesen unterschiedlichen Eigenschaften
im Ultraschall-Schweißverfahren
miteinander verschweißt werden,
kann dies in bisher ausgeübter
Technik dazu führen,
dass eines der Metalle bei ausschließlicher Anregung durch die
Schwingungen nicht die für
die Molekülanregung
erforderliche Temperatur erreicht und somit eine Verbindung hergestellt
wird, die den Anforderungen an Belastbarkeit und Dauerhaftigkeit nicht
genügt.
Um dies zu umgehen, müsste
entweder die Verarbeitungsgeschwindigkeit des Schweißvorgangs
herabgesetzt werden, damit das Metall die Möglichkeit hat, die erforderliche
Eigentemperatur rechtzeitig zu erreichen. Oder die Umgebungstem peratur
müsste
den Erfordernissen des Ultraschall-Schweißvorgangs entsprechend angepasst werden.
Dies ist aber gerade bei typischen Fertigungsstätten wie Fabrikationshallen,
besonders in der kalten Jahreszeit und bei eventueller Lagerung des
zu verarbeitenden Materials in nicht geheizten Lagerbereichen, nicht
zu gewährleisten,
so dass von einer zu niedrigen Temperatur des zu verarbeitenden Materials
für eine
möglichst
optimale und schnelle Verarbeitungsgeschwindigkeit und Haltbarkeit
der erzeugten Verbindung auszugehen ist.
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Um
eine schnelle und auf die gesamte zu verschweißende Fläche ausgedehnte Erwärmung der
metallischen Werkstücke
zu erreichen, umfasst die Erwärmungseinheit
vorteilhafterweise eine Anzahl von Heißluftgebläsen, deren Ausgangsstrahl zweckmäßigerweise
auf das Werkstück
gerichtet ist, und/oder eine Anzahl von Thermostrahlern, die in
einer besonders vorteilhaften Ausführung als Infrarot-Strahler ausgebildet
sind.
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Abhängig von
der Stärke
des zu verschweißenden
Materials und seiner Temperaturleitfähigkeit sollte dieses auf einen
vorgegebenen Temperaturbereich erwärmt werden. Um diesen zuverlässig zu
erreichen, umfasst die Erwärmungseinheit
daher zweckmäßigerweise
eine geeignete Steuereinheit.
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Um
eine dem zu verarbeitenden Material und der zu erreichenden Eigentemperatur
angepasste Steuerung zu gewährleisten,
ist die Steuereinheit dateneingangsseitig vorteilhafterweise mit
einer Sensoreinheit verbunden, die der Steuereinheit die notwendigen
Parameter übermittelt.
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Um
abhängig
von der Ist-Temperatur und der vorgegebenen Soll-Temperatur eines
zu erwärmenden
Werkstücks
die Leistungsdaten für
die Erwärmungseinheit
regeln und bei Erreichen der Soll-Temperatur anpassen zu können, umfasst
die Sensoreinheit zweckmäßigerweise
einen Temperaturfühler.
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Jede
Erwärmung
des zu verschweißenden Werkstücks gegenüber beispielsweise
der Raumtemperatur, insbesondere in kalten Räumen oder Werkhallen, begünstigt die
mögliche
Geschwindigkeit und Dauerhaftigkeit der Verschweißung. Besonders
zweckmäßig jedoch
ist die Voreinstellung der Erwärmungseinheit
auf einen für
das zu verarbeitende Werkstück
zu erreichenden Temperaturbereich zwischen 30 und 50 Grad Celsius,
wobei sich eine Voreinstellung auf eine Temperatur von ungefähr 40 Grad
Celsius als besonders vorteilhaft erweist.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass durch eine der Ultraschall-Schweißeinheit vorgeschaltete Erwärmungseinheit
zwei Werkstücke
aus Metall, die eine dauerhafte Verbindung miteinander eingehen
sollen, wobei die beiden Metalle nicht identisch sein müssen, besonders
zuverlässig
und schnell miteinander verschweißt werden können.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1.
eine Ultraschall-Schweißstation
in schematischer Darstellung,
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2. eine Sonotrode in dreidimensionaler Ansicht,
und
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3 eine Kontakt- und Schweißstelle
nach dem Ultraschall-Schweißvorgang
in Draufsicht.
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Gleiche
Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die
Ultraschall-Schweißstation 1 gemäß 1 umfasst
eine Ultraschall-Schweißeinheit 2,
der eine Erwärmungseinheit 4 vorgeschaltet
ist. Mindestens eines der miteinander zu verschweißenden,
hier nicht dargestellten Werkstücke,
die in Pfeilrichtung die Ultraschall-Schweißstation 1 durchlaufen
und in der Ultraschall-Schweißeinheit 2 miteinander
verschweißt
werden, durchläuft
vor Beginn des Ult raschall-Schweißvorgangs die Erwärmungseinheit 4 und
wird auf eine Temperatur erwärmt,
die für
eine Ultraschall-Verschweißung
besonders geeignet ist.
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Zur
Erkennung und Regelung der bereitzustellenden Leistung in Abhängigkeit
von der Ist-Temperatur sowie der vorgegebenen Soll-Temperatur des
zu verarbeitenden Werkstücks
umfasst die Erwärmungseinheit 4 eine
Steuereinheit 6. Diese Steuereinheit 6 wiederum
ist dateneingangsseitig mit einer hier nicht dargestellten Sensoreinheit
mit einem Temperaturfühler
verbunden, der geeignet ausgelegt ist, die Temperatur des zu verarbeitenden
Werkstücks
zu erfassen. Die Sensoreinheit übermittelt
die aufgenommenen Daten als zu verarbeitende Parameter an die Steuereinheit 6.
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Des
Weiteren umfasst die Sensoreinheit optional eine hier ebenfalls
nicht dargestellte Messeinheit für
die Stärkenmessung
mindestens eines der zu verarbeitenden Werkstücke, um abhängig von der ermittelten Materialstärke einen
entsprechenden Parameter an die Steuereinheit zur Abforderung der
benötigten
Leistung übermitteln
zu können.
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Die
Steuereinheit 6 kann zudem optional mit einer Wahlmöglichkeit
für die
Voreinstellung des Materials des zu erwärmenden Werkstücks ausgerüstet werden,
da die Leitfähigkeit
des Materials eine entscheidende Rolle bei der Zuführung der
zur Erwärmung
auf die vorgegebene Soll-Temperatur notwendigen Energie spielt.
Handelt es sich um ein besonders leitfähiges Material, geht gegenüber weniger leitfähigen Materialien
schneller Wärme
verloren. Somit muss diesem Werkstück mehr Leistung in Form von
Wärmeenergie
zugeführt
werden.
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Die
Zuführung
der Wärme
auf mindestens eines der Werkstücke
ist abhängig
von der Positionierung der Werkstücke. Sollen beide Werkstücke erwärmt werden,
ist es zweckmäßig, jeweils
eine Erwärmungseinheit 4 sowohl
ober- als auch unterhalb der Zuführung
der Werkstücke
vorzusehen. Ist die Erwärmung
nur eines der Werkstücke
notwendig, ist die Erwärmungseinheit 4 entsprechend
derart vorzuse hen, dass sie die Wärmeenergie der Lage des zu erwärmenden
Werkstückes
entsprechend zuführt.
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Die
Positionierung der Erwärmungseinheit 4 ist,
wenn nur eines der miteinander zu verschweißenden Werkstücke vor
Durchführung
des Ultraschall-Schweißvorgangs
erwärmt
werden soll, abhängig
von der Position der Ultraschall-Schweißeinheit 2 und der
Sonotrode 8, die Bestandteil der Ultraschall-Schweißeinheit 2 ist.
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Im
Ultraschall-Schweißverfahren
werden zwei miteinander zu verbindende metallische Werkstücke durch
eine Anpresskraft zusammengepresst. Diese Anpresskraft wird durch
die Sonotrode 8 auf die zu verschweißenden Werkstücke aufgebracht,
indem die Sonotrode 8 auf einer Seite der zu bildenden Kontaktfläche aufliegt
und die miteinander zu verschweißenden Werkstücke einseitig
angreift.
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Gleichzeitig
mit dem Anpressdruck unterliegt die Sonotrode 8 der Einwirkung
von hochfrequenten Schwingungen, die üblicherweise eine Frequenz
von 20 kHz aufweisen, so dass die beiden Werkstücke an ihrer Kontaktgrenze,
also in dem Bereich, in dem sie Kontakt zueinander haben, mit großer Scherkraft
aneinander gerieben werden.
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Die
mechanischen Schwingungen der Sonotrode 8 werden auf das
der Sonotrode 8 zugewandte, also nach 1 obere
der zu verbindenden Metallteile in der horizontalen Achse eingebracht,
wobei die Sonotrode 8 mit einem durch eine hier nicht dargestellte
Pneumatik erzeugten Kraft, die ungefähr dreißig kp beträgt, auf die Oberfläche des
Oberteiles herabgesenkt wird. Diese Kraft wird während des Ultraschall-Schweißvorgangs
konstant beibehalten.
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Durch
die hochfrequente Scherkraft entsteht ein dichter Kontakt reiner
Metalle, zwischen deren Oberfläche
eine Zusammenwirkung möglich
ist, wobei es sich nicht um identische Metalle handeln muss, sondern
auch verschiedene Metalle miteinander verbunden werden können. Durch
die hochfrequente Scherkraft wer den aber auch die Oxidschichten
und Unreinigkeiten an den Metalloberflächen zerstört, zerkleinert und aus der
Fügefläche geschleudert
oder zumindest bis zum Rand transportiert.
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Soll
das direkt mit der Sonotrode in Kontakt tretende Werkstück erwärmt werden,
ist die Erwärmungseinheit 4 auf
der gleichen Seite wie die Ultraschall-Schweißeinheit 2 von den
Werkstücken
positioniert, wie die 1 zeigt. Soll das Werkstück erwärmt werden,
das der Ultraschall-Schweißeinheit 2 und
somit der Angriffsrichtung der Sonotrode 8 entgegengesetzt
zugeführt
wird, ist die Erwärmungseinheit 4 sinnvollerweise
auf der der Ultraschall-Schweißeinheit 2 entgegengesetzten
Seite der miteinander zu verschweißenden Werkstücke vorgesehen.
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Die
Sonotrode 8 verfügt über eine
kreisförmige
Stirnfläche
mit einem umlaufenden Kontaktbereich zum Werkstück, das die Kraft auf die Werkstücke aufbringt,
wie die 2 zeigt. Dieses Stirnrad ist mit
einer Riffelung versehen, das die Verzahnung im Werkstück und somit
die seitliche Bewegung der Werkstücke zueinander sicherstellt,
wodurch die genannte hochfrequente Scherkraft erzeugt wird.
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Die
Ausführung
der Riffelung ist abhängig von
der Anwendung und kann entsprechend geeignet vorgesehen werden.
Sie sorgt an der Schweiß- und
Kontaktstelle für
eine Zerstörung
der vorherigen Oberflächenstruktur,
wie in der 3 aufgezeigt.
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- 1
- Ultraschall-Schweißstation
- 2
- Ultraschall-Schweißeinheit
- 4
- Erwärmungseinheit
- 6
- Steuereinheit
- 8
- Sonotrode