DE2312724B1 - Verfahren und vorrichtung zum ultraschallschweissen eines aus metall bestehenden bauteiles mit einem aus einem nichtmetall gebildeten bauteil unter einfuegung einer metallischen zwischenlage - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum ultraschallschweissen eines aus metall bestehenden bauteiles mit einem aus einem nichtmetall gebildeten bauteil unter einfuegung einer metallischen zwischenlage

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DE2312724B1 DE19732312724 DE2312724A DE2312724B1 DE 2312724 B1 DE2312724 B1 DE 2312724B1 DE 19732312724 DE19732312724 DE 19732312724 DE 2312724 A DE2312724 A DE 2312724A DE 2312724 B1 DE2312724 B1 DE 2312724B1
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zum »Ultraschallschweißen« eines aus Metall bestehenden Bauteiles mit einem aus einem Nichtmetall gebildeten Bauteil unter Einfügung einer metallischen Zwischenlage.
Ein elektromechanisch arbeitender Biegeschwinger, wie solche als Kanalfilter in der Fernsprechtechnik Anwendung finden, besteht aus einem aus einem piezokeramischen Stoff gebildeten Plättchen, das mit einem aus Stahl gebildeten Schwingerstab metallisch verbunden ist. Der Schwingerstab besitzt eine halbkreisförmige Querschnittsfläche. Die zur elektrischen Kontaktierung des Plättchens dienende, von der Verbindungsfläche mit dem Schwingerstäbchen abgekehrte Fläche trägt eine Goldschicht, die nicht beschädigt werden darf. Das metallische Verbinden des Plättchens mit dem Stahlteil erfolgt durch Auftragen einer Edelmetallschicht auf die Verbindungsfläche des Keramikplättchens; nachfolgend werden die zu verbindenden Teile verlötet. Hierzu benutzt man eine Zinnfolii als Zwischenlage, die auf die mit Edelmetall beschichtete Fläche des Plättchens gelegt und von der vorbehandelten Fläche des Stahlteiles abgedeckt wird. Durch induktives Aufschmelzen der Zinnfolie wird sodann die Lötung vollzogen. Derartige Lötverbindungen sind indessen gegen mechanische Dauerbeanspruchungen, wie solche durch das zu Biegeschwingungen durch das Plättchen angeregte Stahlstäbchen verursacht werden, wenig widerstandsfähig; die »Lebensdauer« des Schwingers ist daher beschränkt.
Zur Vermeidung dieses Nachteiles wurde in einer älteren Anmeldung vorgeschlagen, an Stelle der Zinnfolie eine Aluminiumfolie oder -schicht zwischen dem, vorzugsweise eine Edelmetallschicht tragenden aus einem piezokeramischen Material gebildeten Plättchen und dem aus Stahl bestehenden Schwingerstäbchen einzufügen und diese Teile sodann unter Anwendung von Ultraschall zu verschweißen. Das Aufbringen der Aluminiumschicht auf das Plättchen erfolgt entweder durch Aufdampfen oder Aufspritzen, z. B. im Plasmalichtbogen, oder man fügt eine Aluminiumfolie zwischen die durch Schweißen zu ver-
bindenden Bauteile. Die Aluminiumschichtdicke soll mindestens 20 μχη betragen. Zum Verschweißen wird das Plättchen in eine Werkstückaufnahme einer Ultraschallschweißvorrichtung festgelegt; sofern mit einer losen Aluminiumfolie gearbeitet wird, wird diese auf die Verbindungsfläche des Plättchens und darauf das Stahlteil gelegt. Mit einer Andruckkraft von mindestens 2 N/mm2 — in bezug auf die Größe der Verbindungsflächen der Teile — wird nunmehr die Sonotrode eines Ultraschall-Schweißgerätes auf das Stahlteil gesetzt; das Verschweißen der Teile erfolgt in bekannter Weise. Die hierzu erforderlichen Ultraschall- bzw. Schweißleistung beträgt annähernd 15 Watt/mm2, ebenfalls bezogen auf die Größe der Verbindungsflächen. Diese Keramik-Edelmetall-Aluminium-Stahl-Verbindung ist gegen die bei einem derartigen Biegeschwinger auftretende Beanspruchung sehr widerstandsfähig.
Je nach der Art des Mattrials und der Abmessungen des nichtmetallischen Bauteiles kann es vorkommen, daß dieses Bauteil gegen die beim Ultraschallschweißen auftretende Belastung nicht hinreichend widerstandsfähig ist. Haarrisse sowie auch ein möglicher Bruch des empfindlichen Bauteiles ist nicht mit Sicherheit auszuschließen. Beim Auftreten derartiger Schaden ist sodann das gesamte, durch Schweißen verbundene Bauteil Ausschuß. Mindert man jedoch die zum homogenen Schweißen der Teile erforderliche Schallenergie, so wird die zum Aufschmelzen der Reinst-Aluminium-Schicht erforderliche Schmelztemperatur von etwa 660n C nicht erreicht. Es treten Fehlstellen innerhalb der Schweißverbindung auf, die während des späteren Betriebes des Bauteiles zu einer Zerstörung der Schweißverbindung führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ultraschallschweißen eines aus Metall bestehenden Teiles mit einem aus einem Nichtmetall bestehenden, mit einer Edelmetallschicht versehenen Teiles, z. B. eines piezokeramischen Plättchens, aber auch eines Quarz- oder Glasscheibchens, unter Einfügung einer weiteren aus Metall bestehenden Zwischenlage zu schaffen, bei dessen Anwendung die vorgenannten Nachteile nicht auftreten. Hierbei geht die Erfindung von einem Verfahren gemäß der eingangs genannten Art aus und besteht darin, daß man zunächst auf die gegenseitigen Verbindungsflächen des Metallteiles und des Nichtmetallteiles eine Aluminiumschicht oder -folie aufbringt, dann das nichtmetallische Bauteil festlegt und die mit Aluminium beschichteten Verbindungsflächen aufeinanderlegt und auf eine Temperatur von mindestens 250° C, vorzugsweise 350° C, vorwärmt und letztlich diese vorgewärmten Teile durch Ultraschallschweißen miteinander verbindet.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn man die Metallteile in einem hochfrequenten elektromagnetischen Feld vorwärmt.
Durch diese zusätzliche Fremderwärmung, insbesondere der Aluminiumschicht, erhält man nicht nur eine homogene ganzflächige Schweißverbindung, sondern es kann auch die beim Ultraschallschweißen der Bauteile aufzuwendende und oft zur Zerstörung des nichtmetallischen Bauteiles führende Schallenergie beträchtlich gemindert werden. Bei der Anwendung eines hochfrsquenten elektromagnetischen Feldes zur induktiven Erwärmung der Aluminiumschicht wird vorzugsweise nur diese und das metallische Bauteil erwärmt. Vorzugsweise wird die Aluminiumfolie mittels des hochfrequenten elektromagnetischen Feldes bis auf eine Temperatur von 350° C aufgewärmt. Sodann wird die Sonotrode oder der Sonotrodeneinsatz des Ultraschall-Schweißgerätes auf das Metallteil herabgesenkt und die Schweißung vollzogen. Während des Ultraschallschweißvorganges wird das Metallteil mit einem Andruck von etwa 2 N/mm2 in bezug auf die Größe der Verbindungsfläche der zu verschweißenden Bauteile in eine parallel zur Verbindungs-
fläche verlaufende Ultraschallschwingung versetzt. Dabei erwärmt sich die vorgewärmte Aluminiumfolie schnell bis auf ihre Plastifizierungstemperatur, so daß die Verschweißung der Teile erfolgt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn man während der Vorenvärmung des metallischen Bauteiles und der Aluminiumfolie im hochfrequenten elektromagnetischen Feld die Temperatur dieser oder eines dieser Teile fotoelektrisch überwacht und bei Erreichen der Temperatur von vorzugsweise 350° C die
Sonotrode bzw. den Arbeitseinsatz der Sonotrode auf das zu verschweißende Metallteil herabsenkt, dabei das Ultraschall-Schweißgerät einschaltet und die zu verbindenden Teile verschweißt. Für den halb- oder vollautomatischen Betrieb zum Verschweißen der Teile ist es vorteilhaft, auch die Dauer des Ultraschallschweißvorganges genau zu bemessen, derart, daß nach Ablauf der voreingestellten und vorbemessenen Schweißzeit der Schweißvorgang beendet wird. Ausgehend von einer Schweißvorrichtung, be-
stehend aus einem Werkzeug und einer Werkstückhalterung, wobei das Werkzeug eine Sonotrode ist, die einen darin senkrecht zu ihrer Schwingungsrichtung eingebrachten Arbeitseinsatz aufweist, dessen Arbeitsfläche die Ultraschallschwingungen auf das zu verschweißende Metallteil derart überträgt, daß die Ultraschallschwmgungen parallel zur Verbindungsfläche der zu verschweißenden Teile verlaufen und die Werkstückhalterung das andere der beiden zu verschweißenden Teile während des Schweißvorganges in Ruhe hält, besteht die Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens gemäß der Erfindung darin, daß die Werkstück aufnahme im Bereich der Werkstückhalterung von einer, ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld erzeugenden Spule oder Schleife umgeben ist. Diese Spule oder Schleife ruht auf einem, aus einem keramiscchen Material gebildeten Sockel; sie ist mittels des Sockels im Abstand von air meist aus Metall gebildeten Werkstückaufnahme — auch Amboß genannt — gehalten. Vorzugsweise ist die Ar-
beitsfläche des Sonotrodeneinsatzes der Oberflächenkontur des zu verschweißenden Metallteiles angeglichen, derart, daß sie das zu verschweißende Teil senkrecht zur Schwingungsrichtung umgreift. Die Werkstückhalterung bzw. der Amboß ist hier in Form einer Platte gebildet und besitzt einen Aufnahmeschlitz zum Einlegen oder Einschieben des Keramikplättchens. Dieser Schlitz ist so angeordnet, daß ihre beiden parallel verlaufenden Flanken sich senkrecht zur Schwingungsrichtung der Sonotrode erstrecken.
Durch diese Anordnung wird bewerkstelligt, daß das im Schlitz gehaltene nichtmetallische Werkstück während des Ultraschallschweißens in Ruhe verbleibt.
In den Zeichnungen (Fig. 1 bis 5) ist eine gemäß der Erfindung arbeitende Vorrichtung zum Ultra-
schallschweißen eines nichtmetallischen Bauteiles mit einem metallischen Bauteil sowie eine hierzu dienende Steuerung nebst Einzelheiten dargestellt.
Die Werkstückhalterung bzw. der Amboß 1 besitzt
einen Aufnahmeschlitz 2 zur Aufnahme des nicht- mit dem Metallteil, wird ein unterer Endschalter 27 metallischen Bauteiles, nämlich hier eines piezo- betätigt, der den Stellmotor abschaltet. Mit dem keramischen Plättchens 3. Dieses Plättchen ist auf Schließen des Schaltkontaktes r, wird ein Zeitgeber seiner Auflage- bzw. Kontaktierungsfläche sowie auf 28 eingeschaltet, der, nach Ablauf der an einer Handseiner Verbindungsfläche 4 mit einer Edelmetall- 5 habe 29 voreingestellten Zeit, einen Schalter 30 öffschicht belegt. Auf dieses Plättchen soll ein Metall- net, so daß der Ultraschallgenerator abschaltet. Vom teil 5, z. B. ein aus Stahl bestehender Schwingerstab Zeitpunkt des Einschaltens, nämlich des Schließens mittels Ultraschall aufgeschweißt werden. Als Ver- des Schaltkontaktes r, bis zum öffnen des Schalters bindungsmedium dient eine, zwischen dem Plättchen 3 30 wird die Sonotrode über den Ultraschallgenerator und dem Metallteil S gelegene Aluminiumfolie oder io 16 und dem Ultraschallgeber 14 betrieben. In dieser -schicht 6. Eine Spule bzw. Schleife 7 umgibt die zu Zeit erfolgt das Verschweißen des Werkstückes. Nach verschweißenden Bauteile in möglichst geringem Ab- Ablauf der am Zeitgeber 28 eingestellten Schweißzeit stand. Eine z.B. ausSteatit bestehende Auflage 8 hält bzw. Betriebszeit der Sonotrode wird auch über den die Schleife 7 im Abstand vom Amboß 1. Die Doppelschalter 31 der Stellmotor 19 umgeschaltet. Die Schleife 7 ist elektrisch verbunden mit einem 15 Mit dem öffnen des Schalters 27 wurde der Schalter Hochfrequenzgenerator 9. Über dem Metallteil 5 27' geschlossen, so daß der Stellmotor nunmehr die — hier ein aus Stahl bestehender Schwingerstab — Sonotrode in die Ausgangslage zurückführt. Dabei befindet sich das Werkzeug, im vorliegenden Falle kommt das Lager 13 wiederum zum Anschlag mit eine Sonotrode 10, die einen Sonotrodeneinsatz 11 einem oberen Endschalter 32, der einerseits den Umträgt. Die Arbeitsfläche 12 des Sonotrodeneinsatzes 20 schalter 27 wieder in die Ausgangslage zurückführt ist der Oberflächenkontur des Metallteiles 5 ange- und andererseits einen Selbsthaltekontakt 32' zur Löglichen. Die Sonotrode ist in einem Lager 13 gehal- sung des Netzschalters 25' kurzzeitig öffnet. Das hat ten; sie trägt an der vom Einsatz 11 abgekehrten zur Folge, daß der Netzschalter öffnet und somit die Seite den Ultraschallgeber 14, der über eine Leitung Folgesteuerung außer Betrieb setzt. Nachdem die
15 mit einem Ultraschallgenerator 16 verbunden ist. 25 nunmehr verschweißten Teile 3, 5 und 6 aus der Das Lager 13 der Sonotrode ist in einer Sonotroden- Werkstückaufnahme entnommen sind, geht auch der führung 17 — hier nur gestrichelt angedeutet — in Temperaturschalter 23 wieder in seine Ausgangslage Richtung des Pfeiles 18 und entgegengesetzt hierzu zurück. Die Vorrichtung ist jetzt wieder aufnahmeführbar. Die mechanische Führung der Sonotrode er- bereit.
folgt hier mittels eines Stellmotors 19. Ein fotoelek- 3° Eine bevorzugte Anordnung der Schleife 7 ist in trisch arbeitendes Temperaturmeßgerät 20, dessen den Fig. 2 und 3 dargestellt. Fig. 2 zeigt in einer optische Achse 21 auf das Metallteil 5 gerichtet ist, vergrößerten Darstellung die Anordnung der Spule in steht über eine Leitung 22 in Verbindung mit einem der Ansicht von oben, wo hingegen die F i g. 3 die Temperaturschalter 23. dessen Schalttemperatur mit- Seitenansicht zeigt. Die Spule oder Schleife 7 ist im tels einer Handhabe 23' einstellbar ist. Letzterer 35 Bereich des Schlitzes 2 bzw. der Werkstückaufnahme Temperaturschalter ist Bestandteil einer im gestrichelt in Form eines Bogens 33 über die Ebene ihrer Aufumrahmten Feld 24 dargestellten Ablauf- bzw. Folge- lagefläche 8' hochgezogen. Dies hat den Vorteil, daß steuerung. " "" das geschweißte und noch warme Werkstück, gemäß Zum Verschweißen der Bauteile wird ein von Hand Fig. 1, in Richtung des Pfeiles 34 leicht aus dem zu betätigender Netzschalter 25 geschlossen, der sich 40 Aufnahmeschlitz 2 entnehmbar ist.
über ein Selbsthalterelais 25' nach erfolgtem Einschal- Zum Ausziehen des Bauteiles dient ein in den ten selbst hält. Damit wird auch über den geschlos- F i g. 4 und 5 dargestellter Schieber 36. Dieser Schiesenen Schalter 26 des Tcmpcrarurschalters 23 der ber besitzt eine Zunge 37. deren Breite der des AufHochfrequenzgenerator in Betrieb gesetzt. Unter dem nahmeschlitzes 2 entspricht. Diese Zunge trägt eine Einfluß des durch die Schleife 7 erzeugten elektro- 45 Verlängerung, die als Handhabe 38 dient. Der Schiemagnetischen Feldes erwärmt sich das Metallteil 5 ber wird vor Beginn des Schweißvorganges in die sowie die Aluminiumfolie oder -schicht 6. Bei einer Aufnahmenut 2 eingesetzt, derart, daß die abgewinbestimmten, z. B. an der Handhabe 27 des Tempera- kelte Kante 39 mit der Stirnflanke 40 des Aufnahmeturschalters 23 eingestellten Temperatur von 350° C Schlitzes zum Anschlag kommt. In dieser Stellung des erfolgt ein Schaltimpuls, der den Schalter 26 öffnet, 5o Schiebers wird das nichtmetallische Bauteil 3 am Arbingegen die Schaltkontakte rv r2, r3 schließt. Der beitsort 35 in die Nut 2 und auf die Auflagefläche 41 Schaltkontakt r, schaltet den Ultraschallgenerator des Schiebers gelegt. Nach erfolgtem Verschweißen
16 ein. Durch das Schließen des Schaltkontaktes r2 ist das noch warme Bauteil leicht aus der Vorrichwird der pneumatische Arbeitszylinder (Stellmotor) tung entnehmbar.
19 betrieben, so daß sich die Sonotrode in Richtung 55 An Stelle des in der Zeichnung dargestellten Hub-
des Pfeiles 18 absenkt. Dabei kommt die Arbeits- motors 19 sowie der Anschläge und Umschalter 27,
fläche 12 des Sonotrodenemsatzes 11 in Anschlag mit 27' und 32 können auch andere Betriebselemente,
dem Metallteil 5. Das Lager 13 steht dabei unter der vorzugsweise pneumatisch oder hydraulisch arbei-
Last einer, hier nicht dargestellten, die Sonotroden- tende, bei Schweißmaschinen bekannte Elemente tre-
andruckkraft vermittelnden und hinsichtlich ihrer 6° ten. Die Steuerung einer so beschaffenen Hubvorrich-
Andruckkraft einstellbaren Feder. In der Endstellung, tung erfolgt dann mittels elektrisch oder mechanisch
d. h. in der Anschlagstellung des Sonotrodeneinsatzes ansteuerbarer Ventile.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Ultraschallschweißen eines aus Metall bestehenden Bauteiles mit einem aus einem Nichtmetall gebildeten Bauteil unter Einfügung einer metallischen Zwischenlage, dadurch gekennzeichnet, daß man zunächst auf die gegenseitigen Verbindungsfiächen des Metallteiles (5) und des Nichtmetallteiles (3) eine Aluminiumschicht oder -folie (6) aufbringt, dann das nichtmetallische Bauteil festlegt und die mit Aluminium beschichteten Verbindungsflächen aufeinanderlegt und auf eine Temperatur von mindestens 250° C, vorzugsweise 350° C, vorwärmt und letztlich diese vorgewärmten Teile durch Uliraschallschweißen miteinander verbindet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Metallteile (5 und 6) in einem hochfrequenten elektromagnetischen Feld vorwärmt.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Temperatur der Metallteile (5 und 6) während ihrer Vorwärmung im hochfrequenten elektromagnetischen Feld fotoelektrisch überwacht und bei Erreichen einer voreingestellten Temperatur die Sonotrode und/oder den Arbeitseinsatz (11) der Sonotrode auf das Metallteil (5) absenkt und nunmehr die Schweißung vollzieht.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schweißdauer zum Verschweißen des aus einem Nichtmetall bestehenden Bauteiles (3) mit dem aus Metall gebildeten Bauteil (S) überwacht und die Schweißung automatisch vollzieht.
5. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, bestehend aus einem Werkzeug und einer Werkstückhalterung, wobei das Werkzeug eine Sonotrode ist, die einen darin senkrecht zu ihrer Schwingungsrichtung eingebrachten Arbeitseinsatz aufweist, dessen Arbeitsfläche die Ultraschallschwingungen auf das zu verschweißende Metallteil derart überträgt, daß die Ultraschallschwingungen parallel zur Verbindungsfläche der zu verschweißenden Teile verlaufen und die Werkstückhalterung das andere der beiden zu verschweißenden Teile während des Schweißvorganges in Ruhe hält, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstückaufnahme (1) im Bereich der Werkstückhalterung (2) von einer ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld erzeugenden Spule oder Schleife (7) umgeben ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule oder Schleife (7) auf einem aus einem keramischen Material gebildeten Sockel (8) ruht.
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein fotoelektrisch arbeitendes Temperaturmeßgerät (20, 23) aufweist.
8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Hubvorrichtung (17) für die Sonotrode und den Ultraschallgeber (14) aufweist, wobei dies'1 Hubvorrichtung (19) von einer Ablaufsteuerung (24) steuerbar ist.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Temperaturmeßgerät (20) verbundene Temperaturschalter (23) bei Erreichen seines mittels einer Handhabe (23^ voreingestellten Schdtpunktes den Hochfrequenzgenerator (9; für die Hochfrequenzschleife (7) abschaltet, den Ultraschallgenerator (16) sowie den pneumatischen Arbeitszylinder (19) und das Schaltsteuergerät (28) einschaltet.
10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die die zu verschweißenden Bauteile (3 und 5) umgebende, ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld erzeugende Schleife (7) im Bereich der Werkstückaufnahme (2) über ihre Aufnahmeebene (8') in Form einer Brücke (33) hochgebogen ist.
11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der in Form einer Nut (2) gebildeten Werkstückaufnahme ein das nichtmetallische Werkstück tragender Schieber einführbar ist.
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