DE3147255C2 - Vorrichtung zum Verschweißen von Bauteilen unter Verwendung von Ultraschall, insbesondere von Solarzellenkontakten und Solarzellenverbindern - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zum Verschweißen von Bauteilen, insbesondere von Solarzellenkontakten und Solarzellenverbindern, unter Verwendung einer Ultraschallschweißeinrichtung. Die Ultraschallschweißeinrichtung weist einen Hochfrequenzgenerator, einen Ultraschallemitter, einen Übertrager, eine Sonotrode, eine Einrichtung zur Aufnahme der Bauteile und Bedienungselemente auf. Die Sonotrode ist mit einem als Schweißrad wirkenden umlaufenden Wulst versehen, der zusammen mit der Sonotrode durch eine Relativbewegung über den Bauteilen abgerollt wird. Der tangential auf ein Bauteil aufsetzende Teil des Wulstes führt Ultraschallenergie in die Bauteile ein. Die Relativbewegung wird dadurch ermöglicht, daß das System aus Ultraschallemitter, Übertrager und Sonotrode mit umlaufendem Wulst in einem Schwingungsknoten des Übertragers drehbar gelagert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Ultraschallschweißen von Kontaktwerkstoffen, beispielsweise das Aufschweißen von Silber und Silberlegierungen auf Träger aus Kupfer und Kupferlegierungen sowie Aluminium mit Ultraschall, ist der Fachwelt seit längerer Zeit bekannt (Sonderdruck aus »Zeitschrift für Werkstofftechnik/Journal of Material Technology«, 6. Jahrgang, Heft 4,1975, Seiten 125 bis 137). Die Ultraschallschweißung ist als eine Kombination von Reib- und Keltpreßschweißung anzusehen und erfolgt an überlappten Teilen. Ein gewisser Anpreßdruck wird beim Ultraschallschweißen vorausgesetzt. Durch die gleichzeitige Anwendung von Anpreßkräften und Ultraschallenergie wird vorteilhafterweise eine Herabsetzung der benötigten Kräfte und dementsprechend auch der auftretenden Verformung an den Teilen ermöglicht. Durch die hochfrequente Reibungsschwingung als örtliche Wirkung der Ultraschallenergie werden die an den Oberflächen der Materialien vorhandenen Oxydschichten und andere Verunreinigungen zerstört, ohne daß eine merkliche plastische Verformung im Schweißbereich stattfindet. Die so gereinigten Metalloberflächen verschweißen schon bei relativ geringer Druckeinwirkung durch das Vorhandensein metallischer Bindungskräfte.

Ein Prinzip einer Ultraschallschweißmaschine ist auf Seite 127 der obenbezeichneten Literaturstelle beschrieben. Ultraschallschweißgeräte bestehen grundsätzlich aus einem Hochfrequenzgenerator (Frequenzkonverter), einem Schallkopf (Schwingungswandler), einer Sonotrode (Schwingungsleiter), einem Maschinengestell zur Aufnahme der zu verschweißenden Teile und Bedienungselementen. In dem Hochfrequenzgenerator wird hochfrequenter Strom erzeugt, dessen Schwingungen in mechanische Schwingungen umgewandelt werden. Letztere werden von einem sogenannten Schallkopf erzeugt, der als elektro-akustischer Wandler die vom Generator zugeführten elektrischen Hochfrequenzschwingungen gleicher Frequenz umwandelt. Die Sonotrode verstärkt die Schwingungen und überträgt diese auf das zu verschweißende Material.

Zum Verbinden formierter Aluminiumfolien von Elektrolytkondensatorenwickeln an das Gehäuse oder an Kontaktteile oder zum Verbinden von Spulenenden an elektrischen Apparaten bzw. für Aluminium-Folienschweißungen ist eine Ultraschall-Metallschweißmaschine der Firma TELSONIC/Schweiz bekanntgeworden (Modell MSM — 700, Prospekt vom Juli 1977). Mit dieser Schweißmaschine können verschiedenartige Materialien verbunden werden, sofern ihre Härteunterschiede nicht zu groß sind. Alle wichtigen Schweißparameter, wie Amplitude, Druck, Schweißzeit, Verzögerungszeit, Haltezeit und Schlittengeschwindigkeit können genau verändert werden.

Es ist auch bekannt, Solarzellenverbinder mittels Ultraschallschweißungen an Solarzellenkontakten zu befestigen (US-PS 36 20 847). Hierzu können die eingangs erwähnten Ultraschallschweißanlagen verwendet werden, bei denen mittels systembedingter Mechanismen eine Sonotrode mit definierter Kraft aufgesetzt wird. Sodann wird ein Ultraschallimpuls ausgelöst, dessen weitere variable Parameter Schweißzeit, Anpreßkraft,

Anpreßfläche, Amplitude sind. Bei den ζ. Zt verarbeiteten Solarzellen (5 · 5 und 10 cm² groß) können beispielsweise pro Zelle bis zu 15 Einzelschritte, d.h. Einzelschweißungen zur Verschaltung zu einem Modul ausgeführt werden. Nachteilig wirkt sich hier insbesondere die Tatsache aus, daß zur Erzielung einer mechanisch einwandfreien Verschweißung zwischen Kontakt und der Zelle Verbinder, einer ca. 80 μπι dicken Aluminiumfolie, eine bestimmte Schwingungsamplitude der Sonotrode notwendig ist Diese Amplitude in Verbindung iuit der notwendigen Anpreßkraft bringt auch die Solarzellen zum Schwingen (Frequenz 36 kHz), was dann zu häufigen Brüchen der Solarzelle führt. Besonders bei der Modulverschweißung führt dies neben dem Ausfall zu erheblicher manueller Mehrarbeit der auf Automaten durchzuführenden Modulschweißung.

In der DE-OS 22 19 290 ist ein Verfahren zur Herstellung von adhäsiven oder kohäsiven Verbindungen beschrieben. Zum Verbinden eines ersten Metalls, das Aluminium ist, mit einem Material der Gruppe, die aus einem zweiten Metall, einer Flüssigkeit, einem Zellulosederivat, einem anorganischen Material und einem wärmehärtenden Kunststoff besteht, wird eine Oberfläche des zu verbindenden Metalles durch Reibbehandlung beeinflußt und diese Oberfläche in innigem Kontakt mit dem Material gebracht Die Reibbehandlung wird in der Weise erzielt, daß ein rasch bewegtes Werkzeug auf eine Oberfläche des Aluminiums aufgebracht wird, die durch das Aluminium von der zu verbindenden Oberfläche erfolgt. Das hierbei üblicherweise zu verwendende Werkzeug ist ein umlaufendes Rad aus glattem, reibfjstem, gegen Abnutzung widerstandsfähigem Material, Insbesondere ein Rad, das entweder mit Molybdänisulfid, Kohlenstoff oder Grafit gefüllt ist, oder aber aus einem laminierten synthetischen Harzprodukt, das mit Papier, Gewebe oder Asbest verstärkt ist. Andere Räder, die ebenfalls Verwendung finden können, bestehen aus Keramik und Filz, das eine metallisierte Oberfläche aufweisen kann, ferner aus Metall, wie z. B. unlegiertem Stahl, Chromnickel- und Molybdänlegierungsstählen (HS-Stählen), oder Wolframkarbidlegierungen. Der Verbindungseffekt der Reibbehandlung kann durch zusätzliche Anregung der Fläche unterstützt werden, an der die Verbindung ausgeführt wird, und zwar indem Vibrationsenergie im Schall- und Ultraschallbereich oder aber elektrische oder thermische Energie zugeführt wird. Jedoch ist dieses nur für Fälle vorgesehen, bei denen entweder die Größe der zusätzlichen, aufgegebenen Anregung nicht ausreichend ist oder bei denen eine nur durch zusätzliche Anregungsverfahren hergestellte Verbindung verbessert werden soll. Es ist somit erforderlich, die zusätzliche Anregung nur im Zusammenhang mit der bekannten Reibbehandlung durchzuführen. Von einer alleinigen Verwendung eines Ultraschallschweißverfahrens ist nicht die Rede.

Auch ist aus der DE-OS 21 10 855 ein Verfahren zum direkten Verbinden von Metallteilen miteinander bekannt, wobei wenigstens zwei miteinander zu verbindende Metallteile in innigem Kontakt miteinander in dem Bereich, in dem die Verbindung an einer Grenzfläche ausgebildet werden soll, gehalten werden. Die in innigem Kontakt miteinander gehaltenen Metallteile werden einer Reibbehandlung auf einer Arbeitsfläche ausgesetzt, die gegenüber dem Bereich, in welchem die Verbindung ausgebildet werden soll, liegt. Die Reibbehandlung wird in Verbindung mit einer Relativbewegung zwischen einem Reibwerkzeug und der Arbeitsfläche durchgeführt, damit an der Grenzfläche eine Verbindung hergestellt wird. Das Werkzeug kann so betrieben werden, daß die damit erzeugte Energie nicht nur als breites Band von Vibrationsenergie in wenigstens dem Bereich von Schall- und Ultraschallwellen, sondern auch als Impuls thermischer Energie extrem kurzer Dauer wirksam ist Die Verbindung kann durch Verwendung zusätzlicher Erregung, z. B. Ultraschallvibration, elektrische Ströme oder elektrische Felder unterstützt werden, jedoch nur in Verbindung mit einer Reibbehandlung. Das in der DE-OS 22 10 855 (ebenso wie in der DE-OS 22 19 290) vorgeschlagene Verfahren zum direkten Verbinden von Metallteilen miteinander beruht somit auf der Reibbehandlung, deren Effekte unabhängig und verschieden von der Ultraschallschweißung sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich durch einen verhältnismäßig einfachen technischen Aufbau auszeichnet und eine bessere mechanische und elektrische kontinuierliche Rollnaht-Schweißverbindung zwischen den Bauteilen als die mit den herkömmlichen Vorrichtungen hergestellte Steppschweißnaht ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgetnäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 11 beschrieben.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist in dem erheblich geringeren Bedarf an Ultraschallenergie und einer wesentlich geringeren Anpreßkraft der Sonotrode gegen die zu verschweißenden Bauteile als bei den herkömmlichen Vorrichtungen zu sehen. Weiterhin kann vorteilhafterweise die Drehgeschwindigkeit der Sonotrode verhältnismäßig klein gehalten werden. Auch wird eine Erhöhung der Sicherheit und Qualität der Schweißung erzielt. Bei Anwendung der Vorrichtung für Schweißungen an Solarzellen wird, neben einer Reduzierung des Fertigungsausschusses, eine Reduzierung der ohmschen Verluste im Kontakt-Verbindersystem erreicht, welches zu einer Erhöhung der von der Solarzelle abgegebenen elektrischen Leistung führt.

Die Verwendbarkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nicht auf Schweißverbindungen zwischen Solarzellenverbindern und Solarzellenkontakten beschränkt. Denkbar sind auch Schweißungen zur Verbindung von mehreren Folien untereinander, von Folien auf Blechen oder massiven Körpern mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die zu verschweißenden Gegenstände beispielsweise aus Aluminium, Gold, Kupfer, Nickel, Silber, Silizium oder anderen Metallen bestehen können.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung des Systems aus

Ultraschallemitter, Übertrager und Sonotrode und

F i g. 2 eine prinzipielle Darstellung einer Vorrichtung zum Rollnahtschweißen an Solarzellen.

In F i g. 1 ist die Sonotrode einer Schweißvorrichtung mit 1 bezeichnet. An der linken Stirnseite der Sonotrode ist ein Übertrager 2 angeordnet, der mittels Madenschrauben 4 in einer Hülse 3 befestigt ist und mit einem Ultraschallemitter (Piezokeramik) 7 verbunden ist. Der Übertrager 2 dient zur Übertragung der mechanischen Ultraschallschwingungen auf die Sonotrode 1, wobei die Ultraschallschwingungen von dem Ultraschallemitter 7 durch Umwandlung von Hochfrequenzschwingungen erzeugt werden. Diese Hochfrequenzschwingungen werden von einem zeichnerisch nicht dargestellten

Hochfrequenzgenerator erzeugt und über Schleifringe 8, Bürsten 9 und Hochfrequenz-Zuleitungen to dem Ultraschallemitter 7 zugeführt. Die Bauelemente 2,3,4,7, 8 und 9 sind in einem räumlich feststehenden Gehäuse 6 angeordnet, dessen Außenwandung von den Hochfrequenz-Zuleitungen 10 durchsetzt ist. Die Innenwandung des Gehäuses 6 dient als Lagerelement für zwei Kugellager 5, in denen die Hülse 3 zusammen mit dem Übertrager 2, der Sonotrode 1 und dem Ultraschallemitter 7 mit zugehörenden Bauteilen drehbar gelagert sind. Hierbei durchdringt der Übertrager 2 mit seinem rechten Ende die rechte Stirnseite des Gehäuses 6. Das System aus Ultraschallemitter 7, Übertrager 2 und Sonotrode 1 ist in einem Schwingungsknoten des Übertragers 2 drehbar gelagert.

Die Sonotrode 1, die beispielsweise zylinderförmig ausgebildet sein kann, weist an ihrem rechten äußeren Ende einen als Schvveißrad wirkenden ringförmigen Wulst 16 auf, dessen Durchmesser den Durchmesser der Sonotrode ί übertrifft. Der äußere Umfang des Wulstes 16 kann glatt, geriffelt oder gezahnt ausgeführt sein. Eine gezahnte Ausführung ist in F i g. 1 in einer kreisförmigen Teilansicht vergrößert dargestellt Auch ist eine Mehrfachriffelung bzw. -zahnung am Umfang des Wulstes 16 denkbar.

Die Bauelemente der in F i g. 2 dargestellten Vorrichtung sind mit den in F i g. 1 verwendeten Bezugszeichen bezeichnet, soweit dieses möglich ist. Das Gehäuse 6 ist in einer Gehäuselagerung 11 angeordnet, um deren waagerechte Achse der Wulst 16 mittels einer Anpreßfeder 12 auf die zu verschweißenden Teile zur Durchführung eines Schweißvorganges abgesenkt wird. Bei diesen Teilen handelt es sich im vorliegenden Beispiel um ein Kontaktschweißband 15, das direkt auf einer Seite einer Solarzelle 14 befestigt werden soll, wobei die Solarzelle auf einem beweglichen Teil 13 gelagert ist Während eines Schweißvorganges ist der Wulst 16 auf das Kontaktschweißband 15 abgesenkt und drückt dieses mit einer vorgegebenen Anpreßkraft auf die obere Fläche der Solarzelle 14. Durch eine Relativbewegung zwischen dem Wulst 16 und den Bauteilen 14 und 15 wird die Sonotrode 1 zusammen mit dem Wulst 16 über den Bauteilen 14 und 15 abgerollt, wobei nur der tangential auf dem Kontaktschweißband 15 aufsetzende Teil des Wulstes 16 Ultraschallenergie in die Bauteile 14 und 15 einführt und für eine Verschweißung an den entsprechenden Berührungsstellen sorgt Hierdurch wird eine sogenannte Rollnaht-Schweißverbindung zwischen der Solarzelle 14 und dem Kontaktschweißband 15 erzielt

Die Relativbewegung zwischen dem Wulst 16 und den Bauteilen 14 und 15 wird durch eine Verschiebung des Tisches 13 in Richtung des in F i g. 2 eingezeichneten Pfeiles erreicht Die Sonotrode 1 steht zusammen mit dem Wulst 16 räumlich fest Die Drehbewegung des umlaufenden Wulstes 16 bzw. der Sonotrode 1 (zusammen mit dem Ultraschallemitter 7 und dem Übertrager 2 aus F i g. 1) wird durch den zwischen Wulst 16 und den Bauteilen 14 und 15 vorhandenen Reibschluß hervorgerufen. Der Reibschluß wird durch eine definierte, einstellbare Federkraft der Feder 12 aufgebracht

Die Relativbewegung kann auch dadurch erzeugt werden, daß die Sonotrode 1 und der umlaufende Wulst 16 über räumlich feststehende, zu verschweißende Bauteile bewegbar sind. Denkbar sind auch unterhalb der Bauelemente drehbar gelagerte Antriebsrollen als Widerlager, die motorisch angetrieben werden können. Weiterhin ist es möglich, das Kontaktschweißband 15 über eine Rollenführung laufen zu lassen. Die Rollenführung kann mit einer Schneideeinrichtung versehen sein, so daß ein Schneiden des Kontaktschweißbandes 15 auf eine vorgegebene Länge ermöglicht wird. Weiterhin ist es möglich, an Bauteilen mit zwei oder mehreren Vorrichtungen simultan zu schweißen. Dieses kann beidseitig an den Bauteilen erfolgen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Verschweißen von Bauteilen unter Verwendung von Ultraschall, insbesondere von Solarzellenkontakten und Solarzellenverbindern, wobei die Vorrichtung einen Hochfrequenzgenerator zur Erzeugung eines hochfrequenten Stromes, einen Ultraschallemitter zur Umwandlung der vom Hochfrequenzgenerator erzeugten Hochfrequenzschwingungen in mechanische Ultraschall-Schwingungen, einen Übertrager zur Übertragung der mechanischen Ultraschallschwingungen auf eine nachgeordnete Sonotrode zur Fokussierung der Ultraschallschwingungen auf den zu verschweißenden Bauteilen und eine Einrichtung zur Aufnahme der Bauteile und Bedienungselemente aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode

(1) mit einem während eines Schweißvorganges auf die Oberfläche eines Bauteiles (15 bzw. 14) abgelenkten und als an sich bekanntes Schweißrad wirkenden umlaufenden Wulst (16) versehen ist, daß zwischen dem Wulst (16) und den Bauteilen (14,15) die Sonotrode (1) mit Wulst (16) über den Bauteilen (14, 15) abgerollt, oder daß die Sonotrode (1) mit dem umlaufenden Wulst (16) über räumlich feststehende zu verschweißende Bauteile (14, 15) geführt wird, wobei nur der tangential auf ein Bauteil (15 bzw. 14) aufsetzende Teil des Wulstes (16) Ultraschallenergie in die Bauteile (14, .15) einführt, und daß das System aus Ultraschallemitter (7), Übertrager (2) und Sonotrode (1) mit umlaufendem Wulst (16) in einem Schwingungsknoten des Übertragers

(2) drehbar gelagert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine rotationssymmetrisch ausgebildete Sonotrode (1).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit den Bauteilen (14,15) in Berührung kommende Umfang des umlaufenden Wulstes (16) geriffelt ausgeführt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen mit einer Mehrfachriffelung versehenen Wulst (16).

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen, mit den Bauteilen (14,15) in Berührung kommenden glatten Umfang des umlaufenden Wulstes (16).

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Bauteile (14, 15) eine drehbar gelagerte Antriebsrolle als Widerlager vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine motorisch angetriebene Antriebsrolle.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch den zwischen Wulst (16) und Bauteilen (14, 15) aufgebrachten Reibschluß eine Drehbewegung des umlaufenden Wulstes (16) der Sonotrode (1) erfolgt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Reibschluß durch definierte, einstellbare Federkraft erfolgt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißung an den Bauteilen (14, 15) mit zwei oder mehreren Vorrichtungen simultan erfolgt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißungen beidseitig an

den Bauteilen simultan erfolgen.