DE2826512A1

DE2826512A1 - Kombiniertes ultraschall-wiederstands-schweissverfahren

Info

Publication number: DE2826512A1
Application number: DE19782826512
Authority: DE
Inventors: Hans-Erich Raske
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-06-16
Filing date: 1978-06-16
Publication date: 1980-01-03

Description

Kombiniertes Ultraschall-Widerstands-Schweißverfahren.
Die Erfindung betrifft ein kombiniertes Ultraschall-Widerstands-Schweißverfahren bestehend aus einer Kontaktierungs- und einer Andruckelektrode, die jeweils mit einem Schweißstromgeber verbunden sind, wobei eine Elektrode (Sonotrode) zu Ultraschallschwingungen anregbar ist.
Zum Verbinden von Metallstücken ohne Metallzusatz oder mit Zusatz von gleichartigem Metall bzw. Auftragen von gleichartigem oder ähnlichem Metall ist elektrisches Schweißen seit längerer Zeit bekannt. Beim Verschweißen von Metallen, die mit einer Oxidschicht belegt sind bzw.
Metallen mit verschiedenen Schmelzpur#ten oder Nichtmetallen, die mit Metallen belegt sind, ergeben sich Schwierigkeiten, die mit dem herkömmlichen Schweißverfahren nicht zu beheben sind.
Es ist ausn bekannt, beim Kontaktieren von schwer schweiB-baren Metallen zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Schweißverbindung auf die Schweißstelle Ultraschall- oder Schallschwingungen einwirken zu lassen.
Die Schallwellen bewirken einmal eine Zerstörung von Oxidschichten und zum anderen eine bessere Durchmischung der schmelzflüssigen Metalle. Dadurch werden die mechanischen Eigenschaften einer so hergestellten Schweißverbindung günstig beeinflußt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kontaktieren ohne wesentliche Deformation von Metallen, von denen das eine oder andere oder beide eine Oxidschicht aufweisen, z. B. Kupferberyllium mit Kupferberyllium oder Kupferberyllium und Neusilber und zum Kontaktieren von Metallen, deren Schmelzpunkte sehr unterschiedlich sind, zu schaffen.
Ausgehend von einem bekannten kombinierten Widerstands-Ultraschallschweißverfahren werden nach der Erfindung die Metalle durch die Einwirkung eines definiert getakteten Stromimpulses und zeitlich bemessener Ultraschalleinwirkung unter Druck geschweißt. Mit diesem Verfahren wird erreicht, daß eine vorhandene Oxidschicht durch die Einwirkung des Ultraschalls zerstört und bereits durch eine geringe Stromeinwirkung der Schweiß effekt erzielt wird.
Nach einer ##eiterbildung der Erfindung werden die zu verschweißenden Metalle mittels der Sonotrode gegen einen Amboß gedrückt, wobei die Stromzuführung über die Sonotrode und eine Aufsetzelektrode bzw. den Amboß erfolgt und nach einem Vorheizen der Schweißstelle die Sonotrode durch einen Ultraschallgenerator angesteuert und erregt wird, und daß ferner nach einer zur Herstellung der SchweißV'2rbi##dimg erforderlichen Zeft der Shw#iOstron und die Sonotrode gemeinsam abgeschaltet werden.
Bei diesem Verfahren werden im Gegensatz zu dem bekannten Ultraschall-Widerstands-Schwelßverfahren die Metalle zuerst definiert vorgewärmt und anschließend der Ultraschall dem Stromimpuls überlagert. Auf diese Weise wird erreicht, daß der Schmelzpunkt an der Schweißstelle durch Zuführung von Energie aus zwei verschiedenartigen Energiequellen erzielt wird. Die erforderliche Energiemenge für den Schweißvorgang wird hierbei aufgeteilt in die Energie zum Vorwärmen (Aufheizen) und die Ultraschallenergie.
Vorteilhaft ist dabei, daß man mit verhältnismäßig geringen Strömen und Ultraschallamplituden arbeiten kann, ohne daß die zu verschweißenden Metalle durch zu hohe Erhitzung zerstört werden. Mit diesem Verfahren kann nämlich der Schmelzpunkt der zu verschweißenden Metalle erreicht werden, ohne daß die Metallteile und deren Umgebung besonders stark erhitzt werden müssen.
Bei einer speziellen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Arbeitsfläche des Sonotrodeneinsatzes mit einer keilförmigen Kontur versehen. Durch den Keil erreicht man eine größere Relativbewegung bei der Einwirkung des Ultraschalls an der Verbindungsstelle der miteinander zu verschweißenden Metalle. Selbstverständlich können auch andere Arbeitsflächen des Sonotrodeneinsatzes, die in der gleichen Richtung wirksam werden, Verwendung finden, so z. B. ein Waffelmuster.
Zur Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit kann die Oberfläche der Sonotrodenarbeitsfläche mit Wolframcarbid belegt sein. Auf diese Weise soll eine Oberflächenrauhigkeit erzielt werden, die sich auf die Relativbewegung der miteinander zu verschweißenden Metalle positiv auswirkt. In diesem Zusammenhang kann beispielsweise auch eine sandgestrahlte Oberfläche der Sonotrodenarbeitsfläche von Vorteil sein.
Zur Unterstützung dieses Effekts weist gemäß einer Weiter- bildung der Erfindung der Amboß eine rauhe Oberfläche, z. B. durch aufgespritztes Aluminiumoxid bzw. Wolframcarbid, auf. Der Amboß kann aber auch ein eingearbeitetes Jaffelmuster aufweisen. Mit diesen Ausbildungen wird ebenfalls erreicht, daß die zu verschweißenden Teile möglichst festgehalten und dadurch die Relativbewegung an der Verbindungsstelle der miteinander zu verschweißenden Metalle erhöht wird. Es ist auch möglich, daß man den Amboß als Spannwerkzeug ausbildet.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Arbeitseinsatz der Elektrode an geeigneter Stelle einen angedrehten Kragen auf. Auf diese Weise wird eine bessere Energieübertragung, und zwar Stromimpuls und Ultraschall erreicht, und ein Durchrutschen des Stiftes in der Sonotrode vermieden.
Um ein Abscheren der verschweißten Teile im Schweißpunkt während des Schweißvorganges zu vermeiden, wird die Sonotrode über eine Parallelführung zur Schweißstelle verschoben.
Nach einer weiteren Ausbildung der erfindungsgemaßen Vorrichtung ist ein fein verstellbarer Endanschlag vorgesehen, der die Eindringtiefe der Sonotrode begrenzt.
Auf diese Weise kann eine definierte Eindringtiefe der Sonotrodenarbeitsfläche in dem zu verschweißenden Teil erzielt werden.
Die Erfindung wird an einem Schema eines Schweißplatzaufbaues erläutert.
Nach dem Ausführungsbeispiel sollen die Teile 1 und 2 ohne wesentliche Deformation verschweißt werden. Bei 1 handelt es sich z. B. um den Teil eines Brillengestells aus Kupferberyllium und bei 2 um ein Scharnier aus Neu- silber. In einer Sonotrode 3 ist ein Arbeitseinsatz mit einer Arbeitsfläche 4 vorgesehen. Die Schweißstelle zwischen den beiden Metallteilen ist mit 5 gekennzeichnet. Eine Andruckelektrode 6 ist mit einem Schweißstromgeber verbunden. Als Unterlage für die zu verschweißenden Metallteile dient ein Amboß 7. Mit 8 ist ein Sonotrodenschwingungsknoten bezeichnet, der ebenfalls wie die Elektrode 6 mit dem sekundärseitigen Schweißtrafoanschluß 9 verbunden ist. Es ist aber auch möglich, den Transformatoranschluß statt an die Elektrode 6 direkt an den Amboß 7 zu legen, so wie es in der Figur gestrichelt dargestellt ist.
An der Primärseite des Schweißtransformators ist ein Strontakter 10 vorgesehen, auf den ein elektronisches Steuerteil 11 und ein Ultraschallgenerator 12 folgen.
Zur Verschiebung der Sonotrode 3 dient eine Parallelführung 13. Der Pfeil in der Mitte der Parallelführung deutet die Verschiebungsmöglichkeit in vertikaler Richtung an. Mit 14 ist der Ultraschallschweißkopf bezeichnet und mit 15 die Andruckkraft, mit der eine Feder in Richtung des Pfeiles F auf den Schweißkopf drückt.
Zur Einstellung dieser Feder dient ein Einstellknopf 16.
Die Eindringtiefe der Sonotrode wird mit 17 eingestellt.
Mit 18 ist ein piezokeramischer Schwinger bezeichnet.
Der Amboß 7 ist isoliert auf einer Unterlage 19 angebracht.
Der Funktionsablauf erfolgt folgendermaßen: Zunächst werden die beiden miteinander zu verschweißenden Teile 1 CuBe und 2 NS mittels der Sonotrode 3 gegen den amboß 7 gedr##ckt. Durch einen mit dem Stromtakter 10 definiert über den Schweißtransformator getakteten Schweißstrom wird die Schweißstelle 5 auf ca. 350 0C innerhalb einer Zeit von 160 ms vorgeheizt. Nach 160 ms und der erreichten Vorwärmzeit wird die Sonotrode 90 ms lang durch den Ultraschall-Generator 12 angesteuert und erregt. Der Schweißstrom von z. B. 500 Aeff und die mit einer Amplitude von z. B. 10 /um schwingende Sonotrode 3 werden nach 250 ms gemeinsam abgeschaltet. Die gewählte Schweißkraft beträgt z. B. 300 N.
8 Patentansprüche 1 Figur

Claims

Patentans#rüche.

F 1. ##Kombiniertes Ultraschall-Widerstands-Schweißverfahren bestehend aus einer Kontaktierungs- und einer Andruckelektrode, die jeweils mit einem Schweißstromgeber verbunden sind, wobei eine Elektrode (Sonotrode) zu Ultraschalischwingungen anregbar ist, zum Kontaktieren ohne wesentliche Deformation von Metallen bzw. von Nichtmetallen, die mit Metallen belegt sind, von denen das eine oder andere oder beide eine Oxidschicht aufweisen, z. B. Kupferberyllium mit Kupferberyllium oder Kupferberyllium und Neusllber und zum Kontaktieren von Metallen, deren Schmelzpunkte sehr unterschiedlIch sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die zu verschweißenden Metalle mittels der Sonotrode ( gegen einen Amboß (7) gedrückt werden, daß die Stromzuführ'#ng über die Sonotrode (3) und eine Aufsetzelektrode (6) bzw. einen Amboß (7) erfolgt, daß nach einem Vorheizen der Schweißstelle (5) die Sonotrode durch einen Ultraschallgenerator (12) angesteuert und erregt wird, und daß nach einer zur Herstellung der Schweißverbindung erforderlichen Zeit der Schweiß strom und die Sonotrode gemeinsam abgeschaltet werden.
3. Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Arbeitsfläche (4) des Sonotrodeneinsatzes mit einer keilförmigen Kontur versehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Oberfläche der Sonotrodenarbeitsfläche mit Wolframcarbid belegt ist.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, d a d u r c h g e k-e n n -z e i c h n e t , daß der Amboß (7) eine rauhe Oberfläche, z. 3, durch aurgespritztes Aluminiumoxid bzw.

Wolframcarbid, aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e -k e n n v e i c n r e t , daß der Arbeitseinsatz der Sonotrode an geeigneter Stelle einen angedrehten Kragen auweis.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i C h .~ e t , daß die Sonotrode über eine Parallelführung (13) verschiebbar ist.

V. Vorrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß ein fein einstellbarer Endanschlag vorgesehen ist,