DE2312724C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Ultraschallschweißen eines aus Metall bestehenden Bauteiles mit einem aus einem Nichtmetall gebildeten Bauteil unter Einfügung einer metallischen Zwischenlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung ium »Ultraschalischweißen» 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 au» 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 Verbindungsfiäche mit dem Schwingcrstäbchen ab-

gekehrte 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 Zinnfolie 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 Dauerbeanspnichungen, wie solche durch das zu Biegeschwingungen durch das Plättchen angeregte Stahlstäbeben verursacht werden, wenig widerstandsfähig; die »Lebensdauer« des Schwingers ist daher beschränkt.

Zur Vermeidung dieses Nachteiles wurde in einer älteren Anmeldung vorgeschlagen, zv. 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 Alumiriiumschicht 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 Aluminiumschicludicke soll mindestens 20 μη betragen. Zum Verschweißen w.rd das Plättchen in eine Werkstückaufnahme einer Ultraschallschweißvorrichtung festgelegt; sofern mit einer ο en Aluminiumfolie gearbeitet wird, wird diese auf die Verbindungsfläche des Plättchens und darauf das Stahlteil gelegt. Mit einer Andruckkraft von m.ndestons 2 N/mm* - in bezug auf die Große der Verbindnngsflächen der Teile - wird nunmehr die jels des h^quejten
bis auf f »·^β Jtt^
dann wird^.
des Ultra c^

_Sonüf_roden_einsatz _{auf das} Metallteil hervollzogen. Während ngJ, wird das Metalltel etwa 2 N/mm* in bezug auf ^^tadU^aü« der zu verschwei-

J _nien Zuteile ineine parallel zur VerbindungsßendenBa«te»e in erne P _h . _versetZi.

mit einem

minium-Stahl-Verbindung ist gegen d.e bc: einem derartigen Biegeschwinger auftretende Beanspruchung

sehr widerstandsfähig.

Je nach der Art des Materials und der Abmessun-„en des nichtmetallischen Bauteiles kann es vorkom- -men, daß dieses Bauteil gegen d.e beim Ultraschallschweißen auftretende Belastung nicht hinreichend widerstandsfähig ist. Haarrisse sowie auch ein mog-,icher Bruch des empfindlichen Bauteiles ist nicht mit Sicherheit auszuschließen. Beim Auftreten derartiger Schaden ist sodann das gesamte, durch Schweißen vcrbur.dene Bauteil Ausschuß. Mindert man jedoch _;:ie zum homogenen Schweißen der Teile erforderliche Schallenergie, so wird die zum Aufschmelzen der ■rteinst-Aluminium-Schicht erforderliche Schmelzcmperatur von etwa 660° C nicht erreicht. Es treten Fehlstellen innerhalb der Schweißverbindung auf, d.e u-ähr-nd des späteren Betriebes des Baute.les zu einer Zerstörung der Schweißverbindung führer,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ultrascha lschweißcn eines aus Metall bestehenden Teiles mit einem aus einem Nichtmetall bestehenden, mit e.ner Edelmetallschicht versehenen Teiles, z.B. eines piezokeramischen Plättchens, aber auch eines Quarz- ode Glasscheibchens, unter Einfügung e.ner weiteren aus Metall bestehenden Zwischenlage zu!schaffen, be dcssen Anwendung die vorgenannten Nachteile nicht auftreten. Hierbei geht die Erfindung von einem Ver-

fahren gemäß der eingangs genannten Art aus und besteht darin, daß man zunächst auf d.e gegenseitigen Verbindungsflächen des Metallteiles und des N;ch metallteiles eine Aluminiumschicht oder -folie auf bringt, dann das nichtmetallische Bauteil festlegt und der Af

magnetischen ^^^^™Ρ£_{βΓΒΛκΛι} und bei Erdieser Te,^e f^elekmscn _q ^ ₃₅₀o _{c die}

reichen ^rJempera^von voj g _{SonQtrode auf}

« ^"^^nÄSteil herabsenkt, dabei

das ^.,^^^eißgerät erichaltet und die zu das Ultraschall ^hweiBg _{den halb oder}

verbinden den Te.le ve ™™ Verschweißen der

yol lau oma usrhen Beneb zu ^ _m^

*₅ Teile «J^ ^S ' genau zu bemessen, derart, ^ Isch^Bvorg™f J _{lhen und vorb}emes-

daß ..ach Ablaut der^v£ &_{ß beendet} v.-ird.

senen ^w^eu der , J^w _wef_ßvo ^S _rrichtung, _be-Ausgehend_ von ™ _{ejner Werkstück}-

stehend ^auS _w^^m _dayX_kz ^Beug eine Sonotrode ist, halterung, w ^ da W rkzeg _{Schwingungsrich}.

±.e ^ei^^{n da}"^ ^r _ArbcitSei„_Satz aufweist, dessen ^.^r°_hallschwin„_ungen auf das zu %^^lSa^ übertraf daß die- ^"^"S^n parallel zur Verbindungs-

i_ße ^P _ndcn Teile verlaufen und ⁱ _{das andere der} beiden zu veralterung Schweißvorganges

Teile wa _{Vorrichtu zur} Ausübung

^_fa^_nf ^m _der Erfindung darin, daß die des ^^e'^fanr^^s £ , _Bcreich der Werkstückhalte-Werkstuckaufnatirne £ elektromagnel,-

rung ^SSdSi Spule* oder Schleife umgeben ^ches^.eld erzeuge ρ ^ ^ ^ ^

45 ist D'^JJ _{Material gebilde}ten Sockel; s.e einem ^^eram Eckels im Abstand von der meist aus JÄbHdeS wSrUckaufnahme _ auch Am-Metall g«»a _halten. Vorzugsweise ist die Arboß genannt geh« ^ _{der obernäch}en-

tung

flach

40 ⁱⁿ
des

schweißen miteinander verbindet.

Besondcrs vorteilhaft ist es, wenn man d.e Metall- »eile in einem hochfrequenten elektromagnetischen Feld vorwärmt. . .

Durch diese zusätzliche Fremderwarmung, insbesondere der Aluminiumschicht, erhalt man nicht nur eine homogene ganzflächige Schwejßverb.ndung sondern es kann auch die beim Ultraschallschweißen der Bauteile aufzuwendende und oft zur Zerstörung des nichtmetallischen Bauteiles führende Schallenergie beträchtlich gemindert werden. Beider Anwendung eines hochfrequente» elektromagnet.schen Feld* ar induktiven Erwärmung der Aluminiumschicht wird vorzugsweise nur diese und das metallische Bauteil erwärmt. Vorzugsweise wird die Aluminiumfolie miteine? Platte
eine ^P'^a£^e

sch ^

60 Durch

im'
rend

R und besitzt einen Aufnahme-

^ ^_{er Einschi}cben des Keram.k-™f_{Schlitz ist so} angeordnet, daß .hre il verlaufenden Flanken sich senkrecht /richtung der Sonotrode erstrecken. ^_OTOIimg%nd bewerkstelligt, daß das se^Aoran ,^^^„^„e _Wertatück wah-

^ _{halIscnweiBena} in Ruhe verble.bt. ™^cna ^_{1 bis 5) ist} eine gemäß

^?™S_eL Vorrichtung zum Ultra^a\_nes nichtmetallischen Bauteiles mit

f%£S^ Bauteil sowie eine hierzu dienende ^c'^ne™^a _{nebst Einze}iheiten dargestellt.

^Ste""^u _w ^g _er ⁿ _k ^C _st_{ückna!terung} bzw. der Amboß 1 besitzt Di. werKsiucicn _B

der

einen Aufnahmeschlitz 2 zur Aufnahme des nichtmetallischen Bauteiles, nämlich hier eines piczokcramischcn Plätlchcns 3. Dieses Plättchen ist auf seiner Auflage- bzw. Kontakticrungsfläche sowie auf seiner Verbindungsfläche 4 mit einer Edelmctallschicht belegt. Auf dieses Plättchen soll ein Metalltcil 5, z. B. ein aus Stahl bestehender Schwingerstab mittels Ultraschall aufgeschweißt werden. Als Vcrbindungsmedium dient eine, zwischen dem Plättchen 3 und dem Metallteil 5 gelegene Aluminiumfolie oder -schicht 6. Eine Spule bzw. Schleife 7 umgibt die zu verschweißenden Bauteile in möglichst geringem Abstand. Eine z.B. ausStcatit bestehende Auflage 8 hält die Schleife 7 im Abstand vom Amboß 1. Die Die Schleife 7 ist elektrisch verbunden mit einem Hochfrequenzgenerator 9. Über dem Mctnlltcil 5 -— hier ein aus Stahl bestehender Schwingerstab — befindet sich das Werkzeug, im vorliegenden Falle eine Sonotrode 10, die einen Sonotrodencinsatz 11 trägt. Die Arbeitsfläche 12 des Sonotrodeneinsatzcs ist der Oberilächenkontur des Mctalltcilcs S angeglichen. Die Sonotrode ist in einem Lager 13 gehalten; sie trägt an der vom Einsatz 11 abgekehrten Seite den Ultraschallgebcr 14, der über eine Leitung

15 mit einem Ultraschallgenerator 16 verbunden ist. Das Lager 13 der Sonotrode ist in einer Sonotrodcnführung 17 — hier nur gestrichelt angedeutet — in Richtung des Pfeiles 18 und entgegengesetzt hierzu führbar. Die mechanische Führung der Sonotrode erfolgt hier mittels eines Stellmotors 19. Ein fotoelektrisch arbeitendes Temperaturmeßgerät 20, dessen optische Achse 21 auf das Metallteil 5 gerichtet ist, steht über eine Leitung 22 in Verbindung mit einem Tomperaturschalter 23. dessen Schalttempcratur mittels einer Handhabe 23' einstellbar ist. Letzterer Temperaturschalter ist Bestandteil einer im gestrichelt umrahmten Feld 24 dargestellten Ablauf- bzw. Folgesteuerung.

Zum Verschweißen der Bauteile wird ein von Hand zu betätigender Netzschalter 25 geschlossen, der sich über ein Selbsthaltcrelais 25' nach erfolgtem Einschalten selbst hält. Damit wird auch über den geschlossenen Schalter 26 des Temperaturschalters 23 der Hochfrequenzgenerator in Betrieb gesetzt. Unter dem Einfluß des durch die Schleife 7 erzeugten elektromagnetischen Feldes erwärmt sich das Metallteil 5 sowie die Aluminiumfolie oder -schicht 6. Bei einer bestimmten, z. B. an der Handhabe 27 des Temperaturschalters 23 eingestellten Temperatur von 350° C erfolgt ein Schaltimpuls, der den Schalter 26 öffnet, hingegen die Schaltkontakte r_v r₂, r₃ schließt. Der Schaltkontakt r, schaltet den Ultraschallgenerator

16 ein. Durch da» Schließen des Schaltkontaktes r„ wird der pneumatische Arbeitszylinder (Stellmotor) 19 betrieben, so daß sich die Sonotrode in Richtung des Pfeiles 18 absenkt. Dabei kommt die Arbeitsfläche 12 des Sonotrodeneinsatzes 11 in Anschlag mit dem Metallteil 5. Das Lager 13 steht dabei unter der Last einer, hier nicht dargestellten, die Sonotroden- andruckkraft vermittelnden und hinsichtlich ihrer Andruckkraft einstellbaren Feder. In der Endstellung, d. h. in der Anschlagstellung des Sonotrodeneinsatzes mit dem Mctallteil, wird ein unterer Endschalter 27 betätigt, der den Stellmotor abschaltet. Mit dem Schließen des Schaltkonlaklcs r_s wird ein Zeitgeber 28 eingeschaltet, der, nach Ablauf der an einer Handhabe 29 vorangestellten Zeit, einen Schalter 30 öffnet, so daß der Ultraschallgenerator abschaltet. Vom Zeitpunkt des Einschaltcns, nämlich des Schließens des Schaltkunlaktcs r, bis zum Öffnen des Schalters 30 wird die Sonotrode über den Ultraschallgenerator

ίο 16 und dem Ultraschallgeber 14 betrieben. In dieser Zeit erfolgt das Verschweißen des Werkstückes. Nach Ablauf der am Zeitgeber 28 eingestellten Schweißzeit bzw. Betriebszeit der Sonotrode wird auch über den Doppclschalter 31 der Stellmotor 19 umgeschaltet.

>5 Mit dem öffnen des Schalters 27 wurde der Schalter 27' geschlossen, so daß der Stellmotor nunmehr die Sonotrode in die Ausgangstage zurückführt. Dabei kommt das Lager 13 wiederum zum Anschlag mit einem oberen Endschalter 32, der einerseits den Umschalter 27 wieder in die Ausgangstage zurückführt und andererseits einen SelbsthaltckonSakt 32' rur Lösung des Netzschalters 25' kurzzeitig öffnet. Das hat zur Folge, daß der Nctzschalter öffnet und somit die Folgesteuerung außer Betrieb setzt. Nachdem die nunmehr verschweißten Teile 3, 5 und 6 aus der Werkstückaufnahme entnommen sind, geht auch der Temperaturschaltcr 23 wieder in seine Ausgangslage zurück. Die Vorrichtung ist jetzt wieder aufnahmebereit.

Eine bevorzugte Anordnung der Schleife 7 ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt. Fig. 2 zeigt in einer vergrößerten Darstellung die Anordnung der Spule in der Ansicht von oben, wo hingegen die Fig. 3 die Seitenansicht zeigt. Die Spule oder Schleife 7 ist im Bereich des Schlitzes 2 bzw. der Werkstückaufnahmc in Form eines Bogcns 33 über die Ebene ihrer Auflagefläche 8' hochgezogen. Dies hat den Vorteil, dal? das geschweißte und noch warme Werkstück, gcmäC Fig. 1, in Richtung des Pfeiles 34 leicht aus dctr Aufnahmeschlitz 2 entnehmbar ist.

Zum Ausziehen des Bauteiles dient ein in der F i g. 4 und 5 dargestellter Schieber 36. Dieser Schieber besitzt eine Zunge 37, deren Breite der des Auf nahmeschlitzes 2 entspricht. Diese Zunge trägt eint

Verlängerung, die als Handhabe 38 dient. Der Schie her wird vor Beginn des Schweißvorgangef in di( Aufnahmenut 2 eingesetzt, derart, daß die abgewinkelte Kante 39 mit der Stirnflanke 40 des Aufnahme Schlitzes zum Anschlag kommt. In dieser Stellung de:

Schiebers wird das nichtmetallische Bauteil 3 am Ar beitsort 35 in die Nut 2 und auf die Auflagefläche 4] des Schiebers gelegt. Nach erfolgtem Verschweißei ist das noch warme Bauteil leicht aus der Vorrich tung entnehmbar.

An Stelle des in der Zeichnung dargestellten Hub motors 19 sowie der Anschläge und Umschalter Π IT und 32 können auch andere Betriebselemente vorzugsweise pneumatisch oder hydraulisch arbei tende, bei Schweißmaschinen bekannte Elemente tre ten. Die Steuerung einer so beschaffenen Hubvorrich tung erfolgt dann mittels elektrisch oder mechanise' 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 Verbindungsflächen des Metallteiles (S) 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 250⁰C, vorzugsweise 350° C, vorwärmt und letztlich diese vorgewärmten Teile durch Ultraschallschweißen 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 (S 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 (S) absenkt und nunmehr die Schweißung vollzir.ht.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß rnan die Schweißdauer zum Verschweißen des aus eirem Nichtmetall bestehenden Bauteiles (3) mit dem acs Metall gebildeten Bauteil (5) 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 Ultraschailschwingungen 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 diese 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 einei Handhabe (23') voreingeslellten Schaltpunktes den Hochfrequenzgenerator (9) für die Hochfrequenzschleife (7) abschaltet, den Ultraschallgenerator (16) sowie den pneumatischen Arbeitszylinder (19) und das Sc'haltsteuergerät (28) einschaltet.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 b-s 9, dadurch gekennzeichnet, daß die die zu verschweißenden Bauteile (3 und 5) umgebende, ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld erzeugende Schleife (7) im Bereich der Werkstückaufn?.hme (2) über ihre Aufriahmeebene (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 Werkstückaufnahnc eir das nichtmetallische Werkstück tragender Schieber einführbar ist.