DE4206583C2 - Method and device for connecting two themoplastic components - Google Patents

Method and device for connecting two themoplastic components

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DE4206583C2
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden zweier thermoplastischer Bauteile mittels Ultraschall, wobei der Ultraschall über eine Sonotrode einer Ultraschallschweißeinrichtung der Schweißstelle zugeführt und die Spitze der Sonotrode während des Schweißvorganges in das bzw. die zu bearbeitenden Bauteile eingetaucht wird. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Verbinden zweier thermoplastischer Bauteile mittels Ultraschall mit einer Ultraschallschweißeinrichtung, die eine Sonotrode mit einer in den Werkstoff der Bauteile eintauchbaren Spitze aufweist.The invention relates to a method for connecting two thermoplastic components using ultrasound, the Ultrasound via a sonotrode Ultrasonic welding device supplied to the welding point and the tip of the sonotrode during the welding process or the components to be machined are immersed. Furthermore The invention relates to a device for connecting two thermoplastic components using ultrasound with a Ultrasonic welding device that has a sonotrode with a the material of the components has a submersible tip.

In der modernen Produktionstechnik werden thermoplastische Bauteile unter anderem mittels Ultraschall miteinander verschweißt. Dabei sind eine Vielzahl von Fügetechniken bekannt. So dringt z. B. die kegelförmige Sonotrode beim Punktschweißen während des Schweißvorganges in die beiden durch den Ultraschall plastifizierten Bauteile der Werkstückpaarung ein. Bei diesem Fügeverfahren entsteht ein die beiden Bauteile miteinander verbindender Schweißpunkt. Das Punktschweißen von Kunststoffen ist werkzeuggebunden und wird überwiegend zum Verbinden großer Formteile verwendet. Beim Kunststoffnieten wird die Schwingungsenergie der Sonotrode von einem Nietzapfen absorbiert. Dadurch erwärmt sich der Kunststoffniet und paßt sich der Geometrie der Sonotrodenspitze an, wodurch ein entsprechend geformter Nietkopf entsteht. Beim Bördeln wird ein Teil des hervorstehenden Kunststoffmaterials über ein anderes Werkstück umgeformt. Diese Fügetechnik entspricht im weiteren Sinne dem Nieten. Außerdem ist das Einbetten bekannt, bei dem Metallteile mittels Ultraschall über die Sonotrode mit hoher Frequenz in den zu plastifizierenden Kunststoff eingehämmert werden. Schließlich ist das Rollnahtschweißen bekannt, bei dem die beiden zu verschweißenden Werkstücke zwischen einer feststehenden Sonotrode und über einen als Rolle ausgeführten Gegenhalter geführt werden. Dabei wird die Ultraschallenergie nicht kontinuierlich abgegeben, sondern nur in bestimmten, vorgegebenen Abständen. Es entsteht eine Reihe von Schweißpunkten, aber keine durchgehende Naht.In modern production technology, thermoplastic Components using ultrasound, among other things welded. There are a variety of joining techniques known. So penetrates z. B. the conical sonotrode at Spot welding into the two during the welding process components plasticized by the ultrasound Workpiece pairing. This joining process creates a welding spot connecting the two components. The Spot welding of plastics is tool-bound and will mainly used to connect large molded parts. At the  The riveting energy of the sonotrode is made of plastic rivets absorbed by a rivet. This heats up the Plastic rivet and adapts to the geometry of the Tip of the sonotrode, creating a correspondingly shaped Rivet head is created. Part of the protruding plastic material over another workpiece reshaped. This joining technique corresponds in a broader sense to that Rivets. Embedding is also known, in which Metal parts using ultrasound over the sonotrode with high Frequency hammered into the plastic to be plasticized become. Finally, roller seam welding is known, in which the two workpieces to be welded between one fixed sonotrode and a roll Counterholders are performed. The ultrasonic energy not continuously released, but only in certain, predetermined intervals. A series of Spot welds, but no continuous seam.

Aus der DE-OS 19 29 528 ist eine derartige Vorrichtung zum Punktverschweißen zweier Bauteile bekannt geworden. Hier dringt die Sonotrodenspitze in das obere Bauteil bis in den Bereich der Grenzfläche zum anderen Bauteil ein und führt die Verschweißung durch. Anschließend wird die Sonotrodenspitze herausgezogen und an die neue Schweißstelle verlagert.From DE-OS 19 29 528 such a device for Spot welding of two components has become known. Here the tip of the sonotrode penetrates into the upper component Area of the interface to the other component and leads the Welding by. Then the sonotrode tip pulled out and moved to the new welding point.

Aus der DE 38 13 187 A1 ist eine Vorrichtung bekannt geworden, bei der die Sonotrode auf das oberste zweier bewegten Bauteile aufgedrückt wird. Entsprechend der Vorschubgeschwindigkeit der Bauteile läuft auf der Unterseite des unteren Bauteils ein Noppenrad mit, so daß entsprechend dem gegenseitigen Abstand der Noppen immer wieder ein Noppen der Sonotrode gegenübersteht. Hierdurch wird im Zusammenhang mit der Aufhebung oder Minderung des Anpreßdruckes der Schweißkontakt periodisch pulsierend unterbrochen. Obwohl hier die Bauteile bewegt werden, führen diese gegenüber dem Noppenrad keine Relativbewegung aus.A device has become known from DE 38 13 187 A1, where the sonotrode is on top of two moving parts  is pushed open. According to the feed rate of the Components run in on the underside of the lower component Studded wheel with, so that according to the mutual distance the knob always a knob of the sonotrode faces. This will in connection with the Cancellation or reduction of the contact pressure of the welding contact periodically interrupted. Although here the components are moved, they do not lead to the knob wheel Relative movement.

Bei einer anderen Fügemethode schwingt die Sonotrode mit Dauerschall, was jedoch den Nachteil mit sich zieht, daß sich die Sonotrode allmählich auf die Temperatur des plastifizierenden Kunststoffs erwärmt. Das Werkstück wird relativ zur raumfesten Sonotrode und zum raumfesten, als Rolle ausgeführten Gegenhalter, bewegt. Hierfür bedarf es aufwendiger Transporteinrichtungen, da durch das Rollnahtschweißverfahren lediglich relativ dünne Bauteile, wie Folien, Kunststofftextilien usw. miteinander verbunden werden können. Außerdem ist beim Rollnahtschweißen das System so ausgelegt, daß an der von der Sonotrode abseitigen Werkstückoberfläche eine von der Form der Rolle abhängige Naht entsteht. Die Amplitude der Sonotrode ist dabei so eingestellt, daß der Schwingungsbauch an der Stelle des Bauteils entsteht, die auf dem als Rolle ausgeführten Gegenhalter aufliegt. Dort findet die Plastifizierung des Kunststoffes statt, so daß die Rolle in den Kunststoff eindringen kann und durch Bildung einer Naht die Bauteile miteinander verbindet. Die Schweißnaht wird, wie bereits oben erwähnt, abhängig von der Form und der Anpreßkraft der Rolle geprägt. Als nachteilig hat sich bei diesem Rollnahtschweißverfahren herausgestellt, daß lediglich Kunststoffolien miteinander verschweißt werden können, wobei das Schweißverfahren selbst relativ aufwendig ist.In another joining method, the sonotrode also vibrates Continuous sound, which, however, has the disadvantage that the sonotrode gradually to the temperature of the plasticizing plastic heated. The workpiece is relative to the fixed sonotrode and the fixed, as a roll executed counterhold, moved. This requires elaborate transport facilities, because of that Roll seam welding process only relatively thin components, such as Foils, plastic textiles, etc. are connected can. The system is also like this for roller seam welding designed that on the side away from the sonotrode Workpiece surface a seam depending on the shape of the roll arises. The amplitude of the sonotrode is so set that the antinode at the point of Component arises, which on the executed as a role Counterholder rests. There the plasticization of the Plastic instead, so that the role in the plastic  can penetrate and by forming a seam the components connects with each other. The weld seam is, as already above mentioned, depending on the shape and contact pressure of the roll embossed. Has been a disadvantage of this Roll seam welding process found that only Plastic films can be welded together, whereby the welding process itself is relatively complex.

Ausgehend von der DE-OS 19 29 528 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schweißnaht mit Hilfe von Ultraschall zu erzeugen, die mit einem relativ geringen konstruktiven Aufwand erzeugt werden kann, wobei auch dickwandige Bauteile miteinander verbunden werden können.Starting from DE-OS 19 29 528, the invention is the Task based on a weld using ultrasound to generate that with a relatively low constructive Effort can be generated, including thick-walled components can be connected.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Sonotrode und die Bauteile relativ zueinander in einer zur Eintauchrichtung orthogonalen Richtung bewegt werden, wobei die Relativbewegung zwischen Sonotrode und den Bauteilen kontinuierlich erfolgt.This task is carried out in a method of the type mentioned at the beginning Art solved according to the invention in that the sonotrode and Components relative to each other in a direction of immersion orthogonal direction are moved, the relative movement between the sonotrode and the components.

Bei dem erfindungsgemäßen Schweißverfahren, bei dem die Sonotrodenspitze die Form der Schweißnaht erzeugt, taucht die mit Ultraschallfrequenz schwingende Sonotrode bzw. deren Spitze in das Bauteil bzw. in die miteinander zu verschweißenden Bauteile ein. Dabei wird der Kunststoff beider Bauteile erwärmt und plastifiziert. Der aufgeschmolzene Kunststoff fließt je nach Sonotrodengeometrie um die Sonotrodenspitze herum und wird entsprechend der gewünschten Nahtform verteilt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht die Möglichkeit, mit oder ohne Zusatzwerkstoff zu arbeiten.In the welding method according to the invention, in which the Sonotrode tip creates the shape of the weld, dips the with ultrasonic frequency vibrating sonotrode or their Tip into the component or into each other welding components. The plastic is both Components heated and plasticized. The melted one Depending on the geometry of the sonotrode, plastic flows around the  Tip around and is made according to the desired Distributed seam shape. In the method according to the invention the possibility of working with or without filler material.

Bei diesem erfindungsgemäßen Ultraschall-Fügeverfahren handelt es sich um ein Schweißverfahren, bei dem der Sonotrode ständig Ultraschallenergie zugeführt wird, so daß eine gas- und flüssigkeitsdichte Schweißnaht entsteht. Beim Schweißvorgang werden Sonotrode und Werkstück bevorzugt kontinuierlich relativ zueinander bewegt. Dabei kann entweder die Sonotrode die Vorschubbewegung ausführen, was insbesondere bei großen Bauteilen der Fall ist, oder bei Bauteilen, an denen gleichzeitig mehrere Schweißnähte ausgeführt werden. Es kann bei kleinen Bauteilen aber auch das Bauteil bewegt werden, wobei die Sonotrode stationär an einer Haltevorrichtung befestigt ist. Schließlich können auch sowohl die Sonotrode als auch das bzw. die Bauteile Bewegungen ausführen, was insbesondere bei relativ komplizierten Schweißnähten, die in der Regel nicht linear verlaufen, von Vorteil sein kann.This ultrasonic joining method according to the invention is concerned it is a welding process in which the sonotrode is constantly Ultrasonic energy is supplied so that a gas and liquid-tight weld seam is created. During the welding process the sonotrode and workpiece are preferably continuous moved relative to each other. Either the sonotrode carry out the feed movement, which is particularly the case with large ones Components is the case, or for components on which several welds are carried out simultaneously. It can in the case of small components, the component is also moved, the sonotrode being stationary on a holding device is attached. Finally, both the sonotrode as well as the component (s) perform movements what especially in the case of relatively complicated welds that are in generally not linear, can be an advantage.

Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, daß die miteinander zu verbindenden Bauteile auf keinem speziellen Gegenhalter aufliegen müssen, so daß der konstruktive Aufbau der Schweißvorrichtung gegenüber dem Stand der Technik vereinfacht ist. Außerdem können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dickwandige Bauteile miteinander verschweißt werden, da die Sonotrodenspitze so weit in das oberste Bauteil eingetaucht wird, bis die Erwärm- und Plastifizierungszone im Bereich der Trennfuge der beiden Bauteile liegt, so daß sich die Materialien beider Bauteile miteinander verbinden können. Es werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren also folgende Vorteile erzielt: Es können durchgehende oder unterbrochene Nähte hergestellt werden, wobei die Nähte einen beliebigen Verlauf haben können. Außerdem sind beliebige Nahtformen und Nahtgeometrien möglich. Mit den erfindungsgemäßen Schweißverfahren wird eine hohe Festigkeit der Verbindung erzielt, die bei einem durchgehenden Nahtverlauf gasdicht, flüssigkeitsdicht und staubdicht ist. Außerdem erlaubt das Verfahren eine hohe Prozeßgeschwindigkeit. Schließlich wird durch die exakt definierte Wärmeinflußzone eine Beschädigung sowohl der Sonotrode als auch des Materials der miteinander zu verbindenden Bauteile ausgeschlossen.It has been found to be advantageous that the components to be connected on no special counterholder must rest, so that the constructive structure of the Welding device simplified compared to the prior art is. In addition, with the method according to the invention thick-walled components are welded together because the Sonotrode tip immersed so far in the top component  until the heating and plasticizing zone in the area of Parting line of the two components lies so that the Can connect materials of both components together. It are the following with the inventive method Advantages achieved: There can be continuous or interrupted Seams are made, the seams being any Can have course. In addition, any seam shapes and Seam geometries possible. With the invention Welding process becomes high strength of the connection achieved that is gas-tight with a continuous seam course, is liquid-tight and dust-tight. It also allows Process a high process speed. Eventually damage due to the precisely defined heat affected zone both the sonotrode and the material of the to each other connecting components excluded.

Bei gleichzeitig kontinuierlicher Zufuhr von Ultraschallenergie können kontinuierliche Nahtverläufe erzeugt werden, die eine gleichbleibend gute Qualität aufweisen.With a continuous supply of Ultrasonic energy can generate continuous seams that are of consistently good quality.

Während des Schweißvorganges steht die Sonotrode senkrecht oder unter einem bestimmten Winkel zu der Werkstückoberfläche und/oder zum Schweißweg. Die Schwingungsrichtung des Ultraschalls und die Kraftrichtung verlaufen parallel zueinander. Es können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beliebige Bahnen, die auch raumschräg verlaufen können, gefahren werden. Die Geometrie der Schweißnaht wird im wesentlichen von der Geometrie der Sonotrodenspitze vorgegeben.The sonotrode is vertical during the welding process or at a certain angle to the workpiece surface and / or the welding path. The direction of vibration of the Ultrasound and the direction of force are parallel to each other. It can with the inventive method any tracks that can also run at an angle, be driven. The geometry of the weld is shown in  essentially determined by the geometry of the sonotrode tip.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird während des Schweißvorganges, bei dem die Sonotrode und das Bauteil relativ zueinander bewegt werden, der aufgeschmolzene Werkstoff um die Sonotrodenspitze herumgelenkt und entsprechend der gewünschten Nahtform verteilt, insbesondere hinter der Sonotrode wieder in den Schweißspalt zurückgedrängt wird. Nach dem Eintauchen der Sonotrodenspitze in den Werkstoff eines Bauteils oder beider Bauteile, oder bei einer Verschweißung von mehreren Bauteilen in den Werkstoff der miteinander zu verschweißenden Bauteile, wird der Werkstoff plastifiziert und beim Vorschub der Sonotrodenspitze im Bauteil verdrängt. Die Sonotrodenspitze erzeugt die Schweißnut, in die der Werkstoff, nachdem er um die Sontrodenspitze herumgelenkt worden ist, zurückgedrängt wird. Es wird also Material aus einem oder aus mehreren Bauteilen entfernt, wodurch die Schweißnut erzeugt wird. Außerdem werden die Wandungen der Schweißnut plastifiziert. Der entfernte Werkstoff wird ebenfalls plastifiziert und hinter der Sonotrodenspitze wieder in die Schweißnut eingebracht, wobei zu diesem Zeitpunkt sowohl die Wandungen der Schweißnut als auch das zurückgebrachte Material noch plastifiziert sind, so daß sie sich miteinander verbinden können.In a preferred embodiment, during the Welding process in which the sonotrode and the component are moved relative to each other, the melted Material directed around the tip of the sonotrode and distributed according to the desired seam shape, in particular pushed back into the welding gap behind the sonotrode becomes. After immersing the tip of the sonotrode in the Material of a component or both components, or one Welding of several components in the material of the Components to be welded together, the material plasticized and when feeding the sonotrode tip in Component displaced. The sonotrode tip creates the Weld groove into which the material after it passes around the Sontrode tip has been turned around, is pushed back. So it becomes material from one or more components removed, creating the weld groove. Also be the walls of the weld groove are plasticized. The distant Material is also plasticized and behind the Sonotrode tip reintroduced into the weld groove, whereby at this time both the walls of the weld groove as well also the returned material is still plasticized, so that they can connect with each other.

Mittels des erfindunggemäßen Verfahrens sind unterschiedlich Nahtformen herstellbar, z. B. I-Nähte, V-Nähte, X-Nähte, Bördelnähte, usw. Die Formgebung der Naht hängt im wesentlichen von der Geometrie der Sonotrodenspitze ab, die beliebig ausgestaltet sein kann. Es ist lediglich darauf zu achten, daß die Sonotrode eine in den Werkstoff eintauchende Spitze aufweist und ein Umleiten des aus dem Bauteil verdrängten Werkstoffes gestattet.By means of the method according to the invention are different Seam shapes can be produced, e.g. B. I-seams, V-seams, X-seams,  Flare seams, etc. The shape of the seam depends on depend essentially on the geometry of the sonotrode tip can be designed arbitrarily. It is only on it to ensure that the sonotrode is immersed in the material Has tip and a redirection of the component displaced material allowed.

Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Spitze der Sonotrode der Ultraschallschweißeinrichtung im Werkstoff des Bauteils in einer zur Eintauchrichtung orthogonalen Richtung verfahrbar ist.The above object is achieved according to the invention in a Device of the type mentioned solved in that the Tip of the sonotrode of the ultrasonic welding device in the Material of the component in one direction of immersion orthogonal direction is movable.

Im Gegensatz zu Sonotroden für das Punktschweißen, das Nieten, das Bördeln, das Einbetten oder das Rollnahtschweißen weist die Sonotrode der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Spitze auf, die beim Aufsetzen der Sonotrode auf das Bauteil in den Werkstoff des obersten Bauteils bzw. in die Werkstoffe der übereinanderliegenden Bauteile eingetaucht wird. Ferner ist die Spitze so ausgebildet, daß sie im Werkstoff des Bauteils verfahrbar ist.In contrast to sonotrodes for spot welding, riveting, flanging, embedding or roller seam welding the sonotrode of the device according to the invention has a tip on when the sonotrode is placed on the component in the Material of the top component or in the materials of the superimposed components is immersed. Further is the tip designed so that it is in the material of the component is movable.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Sonotrodenspitze in Vorschubrichtung zum Sonotrodenende hin abgeschrägt. Bei dieser Ausführungsform weist die Sonotrodenspitze einen in Vorschubrichtung voreilenden Abschnitt auf, der im Bereich des Sonotrodengrundkörpers liegt und einen in Vorschubrichtung nacheilenden Abschnitt, der sich am freien Ende der Sonotrodenspitze befindet. Diese Ausgestaltung der Sonotrodenspitze verhindert ein Aufbrechen des Werkstoffs, falls dieser noch nicht ausreichend plastifiziert worden ist, um um die Sonotrodenspitze herumzufließen, so daß eine Beschädigung der Bauteile vermieden wird. Bei noch nicht ausreichend plastifiziertem Werkstoff schwimmt die Sonotrodenspitze auf und die Sonotrode wird während der Vorschubbewegung aus dem Bauteil herausgedrängt, was sich in einer Änderung, in der Regel in einer Vergrößerung der Anpreßkraft äußert, die über entsprechende Sensoren ermittelt und steuernd in den Schweißprozeß eingegriffen werden kann.In a preferred embodiment, the sonotrode tip is beveled in the feed direction towards the end of the sonotrode. At In this embodiment, the sonotrode tip has an in Leading section on the in the area of Sonotrode base body and one in the feed direction  lagging section located at the free end of the Sonotrode tip is located. This configuration of the Sonotrode tip prevents the material from breaking open, if this has not yet been plasticized sufficiently, to flow around the tip of the sonotrode so that a Damage to the components is avoided. Not yet sufficiently plasticized material floats Sonotrode tip on and the Sonotrode is during the Feed movement pushed out of the component, which is in  a change, usually in an enlargement of the Contact pressure expresses, which is determined by appropriate sensors and can be controlled in the welding process.

Bevorzugt weist die Spitze einen im wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt auf und ist im wesentlichen trapezförmig ausgebildet. Diese Ausgestaltung stellt eine einfache geometrische Bauform dar, die einfach und daher kostengünstig herstellbar ist.The tip preferably has one essentially rectangular cross-section and is essentially trapezoidal. This configuration represents a simple geometric design that is simple and therefore is inexpensive to manufacture.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Sonotrodenspitze an einer im wesentlichen ebenen Fläche des Sonotrodengrundkörperendes angeformt ist und von dieser Fläche insbesondere senkrecht absteht. Bei dieser Ausgestaltung liegt während des Schweißvorganges die im wesentlichen ebene Fläche des Sonotrodengrundkörperendes auf der Oberseite des obersten Bauteils auf und es ragt die vom Sonotrodengrundkörperende abstehende Spitze in das Bauteil hinein. Die ebene Fläche des Sonotrodengrundkörperendes, welches auf der Oberseite des obersten Bauteils aufliegt, dient außerdem zur kontrollierenden Führung und Umleitung des aus dem Bauteil verdrängten Werkstoffs. Hierfür weist die Sonotrode im Bereich ihrer Sonotrodenspitze einen während des Schweißvorganges verdrängtes Material des Bauteils aufnehmenden Kanal auf. In diesem Kanal wird das verdrängte Material oder ggf. ein Zusatzwerkstoff, der von außen zugegeben wird, um die Sonotrodenspitze herumgelenkt und hinter der Sonotrodenspitze in die Schweißnut, die plastifizierte Nutwände aufweist, eingepreßt. Der Kanal kann einen beliebigen Querschnitt aufweisen, wobei der Querschnitt kontinuierlich oder diskontinuierlich über die Länge des Kanals verläuft. Hierdurch können gezielt die Strömungsgeschwindigkeiten des verdrängten Materials im Kanal gesteuert werden.In an advantageous embodiment it is provided that the sonotrode tip on a substantially flat surface of the sonotrode main body end is formed and by this Surface in particular protrudes vertically. At this Design lies during the welding process in the essential flat surface of the end of the sonotrode body the top of the top component and it protrudes from the Sonotrode base body protruding tip into the component inside. The flat surface of the end of the sonotrode body, which rests on the top of the top component also serves to control and redirect the material displaced from the component. For this, the Sonotrode in the area of their sonotrode tip during the Welding process displaced material of the component receiving channel. In this channel, the repressed Material or an additional material, if applicable, from the outside is added, directed around the tip of the sonotrode and  behind the tip of the sonotrode into the weld groove, the has plasticized groove walls, pressed. The channel can have any cross-section, the cross-section continuously or discontinuously along the length of the Canal runs. This allows the Flow rates of the displaced material in the channel to be controlled.

Vorteilhaft ist der Kanal in Richtung des zu bearbeitenden Bauteils offen. Dies ermöglicht ein leichtes Eindringen des verdrängten Materials in den Kanal, und zwar sowohl am vorderen Ende der Sonotrodenspitze als auch an den seitlichen Flanken der Sonotrodenspitze.The channel in the direction of the one to be machined is advantageous Component open. This allows easy penetration of the displaced material in the channel, both on front end of the sonotrode tip as well as on the side Flanks of the tip of the sonotrode.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, daß der Kanal am hinteren Ende der Sonotrodenspitze geschlossen ist. Hierdurch wird der Werkstoff während der Vorschubbewegung der Sonotrode derart am hinteren Ende der Sonotrodenspitze aus dem Kanal heraus und wieder zurück in die Schweißnut gedrängt.In a further development it is provided that the channel on rear end of the sonotrode tip is closed. Hereby becomes the material during the feed movement of the sonotrode such at the rear end of the sonotrode tip from the channel pushed out and back into the weld groove.

Eine optimale Erwärmung und Plastifizierung der miteinander zu verbindenden Bauteile wird dadurch erzielt, daß in der in Vorschubrichtung vorne liegenden Fläche ein Schwingungsbauch der Ultraschallschwingung der Sonotrodenspitze liegt. Hierdurch wird eine Energiekonzentration in der in Vorschubrichtung vorne liegenden Fläche der Sonotrodenspitze erzeugt, wobei dieser Bereich bevorzugt in der Trennebene der beiden Bauteile liegt.Optimal heating and plasticization of each other too connecting components is achieved in that in the The direction of feed in front of the surface is an antinode is the ultrasonic vibration of the sonotrode tip. This results in an energy concentration in the Feed direction of the front surface of the sonotrode tip generated, this area preferably in the parting plane of  both components.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im einzelnen beschrieben. Dabei zeigen:The invention is under Particularly preferred reference to the drawing Embodiments of the invention described in detail. Show:

Fig. 1 eine Prinzipskizze des Schweißverfahrens mit der Schweißvorrichtung; Figure 1 is a schematic diagram of the welding process with the welding device.

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Unterseite einer Sonotrodenspitze, eine Seitenansicht der Sonotrodenspitze, sowie einen Schnitt IIc-IIc der Sonotrodenspitze; und Fig. 2 is a plan view of the underside of a horn tip, a side view of the horn tip, as well as a section IIc-IIc of the horn tip; and

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Unterseite einer weiteren Ausführungsform einer Sonotrodenspitze, einer Seitenansicht dieser Sonotrodenspitze, sowie einen Schnitt IIIc-IIIc dieser Sonotrodenspitze. Fig. 3 is a plan view of the underside of another embodiment of a horn tip, a side view of the horn tip, as well as a section IIIc-IIIc of the horn tip.

In der Fig. 1 sind lediglich die zum Verständnis des Verfahrens und zum Verständnis des Aufbaus der Vorrichtung erforderlichen Elemente wiedergegeben. So ist in Fig. 1 in schematischer Weise eine Sonotrode 1 einer nicht dargestellten Ultraschallschweißeinrichtung gezeigt, die an ihrem Sonotrodengrundkörperende 2 eine Sonotrodenspitze 3 aufweist. Während des Schweißvorganges ist die Sonotrode 1 in den Werkstoff der miteinander zu verbindenden Bauteile 4 und 5 eingetaucht. Bei dem in der Fig. 1 wiedergegebenen Ausführungsbeispiel wird die Sonotrode 1 in Richtung des Pfeils 6 bewegt, wohingegen die Bauteile 4 und 5 ortsfest sind. Es ist jedoch auch denkbar, daß die beiden Bauteile 4 und 5 bewegt werden, in diesem Fall dann entgegen der Richtung des Pfeils 6, und die Sonotrode 1 orstfest ist. Eine weitere Relativbewegung zwischen der Sonotrode 1 und den Bauteilen 4 und 5 kann dadurch herbeigeführt werden, daß sowohl die Sonotrode 1 in Richtung des Pfeils 6 und die Bauteile 4 und 5 entgegen der Richtung des Pfeils 6 bewegt werden. Der durch die Sonotrodenspitze 3 plastifizierte Bereich der beiden Bauteile 4 und 5, in dem die Werkstoffe der beiden Bauteile miteinander vermischt sind, ist schraffiert wiedergegeben und mit den Bezugszeichen 7 bezeichnet. Nach dem Abkühlen des plastifizierten Bereichs 7 sind die beiden Bauteile 4 und 5 innig miteinander verbunden. Aus Fig. 1 ist ferner ersichtlich, daß die Sonotrodenspitze 3 sowohl in das Bauteil 4 als auch teilweise in das Bauteil 5 eindringt. Bei anderen Ausführungsformen kann die Sonotrodenspitze derart ausgebildet sein, daß sie lediglich in das obere, d. h. in das Bauteil 4 eindringt. In the FIG. 1 only for the understanding of the method and to understand the construction of the device required elements are shown. 1 as a sonotrode of an ultrasonic welding device 1 is not shown in Fig. Schematically shown, which at its Sonotrodengrundkörperende 2 is a sonotrode tip. 3 During the welding process, the sonotrode 1 is immersed in the material of the components 4 and 5 to be connected to one another. In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the sonotrode 1 is moved in the direction of the arrow 6 , whereas the components 4 and 5 are stationary. However, it is also conceivable that the two components 4 and 5 are moved, in this case then in the opposite direction of the arrow 6 , and the sonotrode 1 is stationary. A further relative movement between the sonotrode 1 and the components 4 and 5 can be brought about in that both the sonotrode 1 are moved in the direction of the arrow 6 and the components 4 and 5 are moved counter to the direction of the arrow 6 . The area of the two components 4 and 5 plasticized by the sonotrode tip 3 , in which the materials of the two components are mixed with one another, is shown hatched and is designated by the reference number 7 . After the plasticized area 7 has cooled, the two components 4 and 5 are intimately connected to one another. From Fig. 1 it can also be seen that the sonotrode tip 3 penetrates both into the component 4 and partially into the component 5 . In other embodiments, the sonotrode tip can be designed such that it only penetrates into the upper one, ie into the component 4 .

Die Fig. 2a zeigt eine Draufsicht auf die Sonotrode 1 in Richtung des Pfeils II gemäß Fig. 1. Diese Elektrodenspitze 3 weist eine ebene Fläche 8 auf, mit der sie auf der Oberseite 9 des Bauteils 4 flächig aufliegt. Hierdurch wird die Eindringtiefe der Sonotrodenspitze 3 in den Werkstoff des Bauteils 4 und des Bauteils 5 begrenzt. In Fig. 2a ist ferner erkennbar, daß die Sonotrodenspitze 3, die zentral an der Werkzeugspitze 10 vorgesehen ist, von einem Kanal 11 umgeben ist. Bei den Ausführungen der Fig. 2 und 3 ist die Werkzeugspitze 10 als Einschraubeinsatz mit einem Schraubgewinde 12 ausgebildet, über das die Werkzeugspitze 10 in den Sonotrodengrundkörper einschraubbar ist. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, daß die Sonotrode 1 entsprechend dem jeweiligen Anwendungsfall mit der erforderlichen Werkzeugspitze 10 bestückt werden kann. Zur einfachen Handhabung der Werkzeugspitze 10 weist diese zwei Werkzeugangriffsflächen 13 auf, an denen z. B. ein Schraubenschlüssel angesetzt werden kann. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Sonotrode 1 auch einstückig mit der Sonotrodenspitze 3 ausgebildet sein. FIG. 2a shows a top view of the sonotrode 1 in the direction of the arrow II according to FIG. 1. This electrode tip 3 has a flat surface 8 with which it lies flat on the top 9 of the component 4 . This limits the depth of penetration of the sonotrode tip 3 into the material of the component 4 and the component 5 . In FIG. 2a it can also be seen that the sonotrode tip 3 , which is provided centrally on the tool tip 10 , is surrounded by a channel 11 . In the embodiments of FIGS. 2 and 3, the tool tip 10 is formed as a screw thread 12 Einschraubeinsatz with, through which the tool tip 10 can be screwed into the Sonotrodengrundkörper. This has the advantage that the sonotrode 1 can be equipped with the required tool tip 10 according to the respective application. For easy handling of the tool tip 10 , this has two tool engagement surfaces 13 , on which, for. B. a wrench can be used. In another embodiment, the sonotrode 1 can also be formed in one piece with the sonotrode tip 3 .

Der in den Fig. 2a und 2c dargestellte Kanal 11 besteht aus einem in Vorschubrichtung (Pfeil 6) vor der Sonotrodenspitze 3 liegenden ersten Kanalabschnitt 11a, zwei an den Flanken der Sonotrodenspitze 3 angeordneten Abschnitten 11b und einem die beiden Kanalabschnitte 11b hinter der Sonotrodenspitze 3 miteinander verbindenden Abschnitt 11c. The channel 11 shown in FIGS. 2a and 2c consists of a first channel section 11 a lying in the feed direction (arrow 6 ) in front of the sonotrode tip 3 , two sections 11 b arranged on the flanks of the sonotrode tip 3 and one of the two channel sections 11 b behind the Sonotrode tip 3 connecting section 11 c.

Aus den Fig. 2b und 2c ist die Form der Sonotrodenspitze 3 dieses Ausführungsbeispiels erkennbar, die in Vorschubrichtung (Pfeil 6) eine Abschrägung 14 aufweist, derart, daß sie sich in Richtung ihres Endes 15 verjüngt. Die Abschrägung 14 erstreckt sich von einer in der Ebene 8 liegenden Kante 16 bis zum Ende 15 der Sonotrodenspitze 3. Ferner ist aus der Fig. 2a der rechteckförmige Querschnitt der Sonotrodenspitze 3 erkennbar, die in der Seitenansicht der Fig. 2b und 2c eine Trapezform aufweist.From FIGS. 2b and 2c the shape of the horn tip in the feed direction (arrow 6) 3 of this embodiment seen has a bevel 14 such that it tapers towards its end 15. The bevel 14 extends from an edge 16 lying in the plane 8 to the end 15 of the sonotrode tip 3 . Furthermore, the rectangular cross section of the sonotrode tip 3 can be seen from FIG. 2a, which has a trapezoidal shape in the side view of FIGS. 2b and 2c.

Wird zu Beginn eines Schweißvorganges die Sonotrodenspitze 3 in den Werkstoff des Bauteils 4 und des Bauteils 5 eingetaucht, so wird dieser Werkstoff in den Kanal 11 verdrängt. Dabei liegt die ebene Fläche 8 der Werkzeugspitze 10 auf der Oberseite 9 des Bauteils 4 auf und dichtet den Kanal 11 nach außen hin ab. Wird nun die Sonotorde 1 in Richtung des Pfeils 6 bewegt, so wird der Werkstoff der Bauteile 4 und 5 an der Abschrägung 14 plastifiziert und in den Kanalabschnitt 11a sowie in die vorderen Bereiche der Kanalabschnitte 11b verdrängt. Innerhalb des Kanals 11 schiebt sich der plastifizierte Werkstoff aus dem Kanalabschnitt 11a über die Kanalabschnitte 11b in den Kanalabschntit 11c und wird aus diesem in die entstandene Schweißnut, die plastifizierte Nutflanken aufweist, hineingepreßt und die Nut mit plastifiziertem Werkstoff aufgefüllt. Nach dem Abkühlen der auf diese Weise erzeugten Schweißnaht sind die beiden Bauteile 4 und 5 innig miteinander verbunden. If the sonotrode tip 3 is immersed in the material of component 4 and component 5 at the start of a welding process, this material is displaced into channel 11 . The flat surface 8 of the tool tip 10 rests on the top 9 of the component 4 and seals the channel 11 from the outside. If the sonotrode 1 is now moved in the direction of the arrow 6 , the material of the components 4 and 5 is plasticized on the bevel 14 and displaced into the channel section 11 a and into the front areas of the channel sections 11 b. Within the channel 11, the plasticized material from the channel portion 11a slides over the channel portions 11 b in the Kanalabschntit 11 c and is discharged from this into the resulting weld groove, comprising the plasticized groove flanks, hineingepreßt and filled up the groove with plastic material. After the weld seam produced in this way has cooled, the two components 4 and 5 are intimately connected to one another.

Neben der in Fig. 2 gezeigten Geometrie der Sonotrodenspitze 3 sind andere Geometrien denkbar, wie sie z. B. in den Fig. 1 und 3 dargestellt sind. Die Sontrodenspitze 3 der Fig. 1 weist ebenfalls eine vordere Abschrägung 14 auf, die am Ende 15 der Sonotrodenspitze 3 in einen zur ebenen Fläche 8 parallelen Abschnitt übergeht. Das hintere Ende der Sonotrodenspitze 3 wird ebenfalls von einer Abschrägung 17 gebildet.In addition to the geometry of the sonotrode tip 3 shown in FIG. 2, other geometries are conceivable, such as those of e.g. B. are shown in FIGS. 1 and 3. The sontrode tip 3 of FIG. 1 also has a front bevel 14 which at the end 15 of the sonotrode tip 3 merges into a section parallel to the flat surface 8 . The rear end of the sonotrode tip 3 is also formed by a bevel 17 .

Die Sonotrodenspitze 3 der Fig. 3 weist ebenfalls eine vordere Abschrägung 14 auf, die bei der Kante 18 in einen ebenen Abschnitt übergeht. Das hintere Ende der Sonotrodenspitze 3 ist vertikal ausgebildet und endet mit dem hinteren Ende der Werkzeugspitze 10. Die Sonotrodenspitze 3 in der Fig. 3 ist ebenfalls von einem Kanal 11 umgeben, der aus einem vorderen Kanalabschnitt 11a und zwei seitlichen Kanalabschnitten 11b besteht. Das hintere Ende des Kanals 11 ist offen ausgeführt. In der Fig. 3c, die eine Draufsicht auf die Sonotrode 1 in Richtung des Pfeils III gemäß Fig. 1 zeigt, ist erkennbar, daß die Abschrägung 14 sich von der Kante 18 bis zum Grund des Kanals 11 erstreckt. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß die Abschrägung 14 der Sonotrodenspitze 3 dem plastifizierten und zu verdrängenden Werkstoff nur einen geringen Widerstand bietet.The sonotrode tip 3 of FIG. 3 also has a front bevel 14 which merges into a flat section at the edge 18 . The rear end of the sonotrode tip 3 is vertical and ends at the rear end of the tool tip 10 . The sonotrode tip 3 in FIG. 3 is also surrounded by a channel 11 , which consists of a front channel section 11 a and two side channel sections 11 b. The rear end of the channel 11 is open. In Fig. 3c, which shows a plan view of the sonotrode 1 in the direction of arrow III in FIG. 1, it can be seen that the bevel 14 extends from the edge 18 to the bottom of the channel 11. This configuration has the advantage that the bevel 14 of the sonotrode tip 3 offers only a slight resistance to the plasticized material to be displaced.

Für eine optimale Plastifizierung des Werkstoffs der Bauteile 4 und 5 wird die Frequenz der Sonotrode 1 so gewählt, daß in der Abschrägung 14 ein Schwingungsbauch liegt, in dem eine Energiekonzentration stattfindet. Bevorzugt liegt der Schwingungsbauch in der Trennfuge 19 zwischen den Bauteilen 4 und 5.For an optimal plasticization of the material of the components 4 and 5 , the frequency of the sonotrode 1 is chosen so that in the bevel 14 there is an antinode in which an energy concentration takes place. The antinode is preferably located in the parting line 19 between the components 4 and 5 .

Claims (13)

1. Verfahren zum Verbinden zweier thermoplastischer Bauteile (4 und 5) mittels Ultraschall, wobei der Ultraschall über eine Sonotrode (1) einer Ultraschallschweißeinrichtung der Schweißstelle zugeführt wird und die Spitze (3) der Sonotrode (1) während des Schweißvorganges in das bzw. die zu bearbeitenden Bauteile (4 und 5) eingetaucht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (1) und die Bauteile (4 und 5) relativ zueinander in einer zur Eintauchrichtung orthogonalen Richtung Pfeil 6) bewegt werden, wobei die Relativbewegung zwischen der Sonotrode (1) und den Bauteilen (4 und 5) kontinuierlich erfolgt.1. A method for connecting two thermoplastic components ( 4 and 5 ) by means of ultrasound, the ultrasound being fed via an sonotrode ( 1 ) to an ultrasonic welding device of the welding point and the tip ( 3 ) of the sonotrode ( 1 ) during or in the welding process components to be machined ( 4 and 5 ) is immersed, characterized in that the sonotrode ( 1 ) and the components ( 4 and 5 ) are moved relative to one another in a direction orthogonal to the immersion direction (arrow 6 ), the relative movement between the sonotrode ( 1 ) and the components ( 4 and 5 ) takes place continuously. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Schweißvorganges der aufgeschmolzene Werkstoff um die Sonotrodenspitze (3) herumgelenkt und entsprechend der gewünschten Nahtform verteilt und hinter der Sonotrodenspitze (3) wieder in den Schweißspalt zurückgedrängt wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that during the welding process, the molten material is guided around the sonotrode tip ( 3 ) and distributed according to the desired seam shape and is pushed back into the welding gap behind the sonotrode tip ( 3 ). 3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verschweißung ein Zusatzwerkstoff verwendet wird.3. The method according to any one of the preceding claims, characterized characterized in that when welding a Filler metal is used. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche Nahtformen herstellbar sind, z. B. eine I-Naht, V-Naht, X-Naht, Bördelnaht, usw.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized characterized that different seam shapes are producible, e.g. B. an I-seam, V-seam, X-seam, Flared seam, etc. 5. Vorrichtung zum Verbinden zweier thermoplastischer Bauteile (4 und 5) mittels Ultraschall, mit einer Ultraschallschweißeinrichtung, die eine Sonotrode (1) mit einer in den Werkstoff der Bauteile (4 und 5) eintauchbaren Spitze (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (3) der Sonotrode (1) der Ultraschallschweißeinrichtung im Werkstoff des Bauteils (4 und 5) in einer zur Eintauchrichtung orthogonalen Richtung (Pfeil 6) verfahrbar ist.5. Device for connecting two thermoplastic components ( 4 and 5 ) by means of ultrasound, with an ultrasonic welding device which has a sonotrode ( 1 ) with a tip ( 3 ) which can be immersed in the material of the components ( 4 and 5 ), characterized in that the Tip ( 3 ) of the sonotrode ( 1 ) of the ultrasonic welding device in the material of the component ( 4 and 5 ) can be moved in a direction orthogonal to the immersion direction (arrow 6 ). 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrodenspitze (3) in Vorschubrichtung (6) zum Sonotrodenende (15) hin abgeschrägt ist.6. The device according to claim 5, characterized in that the sonotrode tip ( 3 ) in the feed direction ( 6 ) to the sonotrode end ( 15 ) is chamfered. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (3) einen im wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt aufweist. 7. The device according to claim 5 or 6, characterized in that the tip ( 3 ) has a substantially rectangular cross section. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (3) im wesentlichen trapezförmig ausgebildet ist.8. Device according to one of claims 5 to 7, characterized in that the tip ( 3 ) is substantially trapezoidal. 9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrodenspitze (3) an einer im wesentlichen ebenen Fläche (8) des Sonotrodengrundkörperendes (2) angeformt ist, wobei die ebene Fläche (8) des Sonotrodengrundkörperendes (2) als Auflagefläche der Sonotrode (1) auf das zu verschweißende Bauteil (4) während des Schweißvorganges ausgebildet ist.9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the sonotrode tip ( 3 ) is integrally formed on a substantially flat surface ( 8 ) of the sonotrode base body end ( 2 ), the flat surface ( 8 ) of the sonotrode base body end ( 2 ) as the contact surface of the Sonotrode ( 1 ) on the component to be welded ( 4 ) is formed during the welding process. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (1) im Bereich ihrer Sonotrodenspitze (3) einen während des Schweißvorganges das verdrängte Material eines Bauteils (4 und 5) aufnehmenden Kanal (11) aufweist.10. Device according to one of claims 5 to 9, characterized in that the sonotrode ( 1 ) in the region of its sonotrode tip ( 3 ) has a displaced material of a component ( 4 and 5 ) receiving channel ( 11 ) during the welding process. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrodenspitze (3) von dem Kanal (11) umgeben ist.11. The device according to claim 10, characterized in that the sonotrode tip ( 3 ) is surrounded by the channel ( 11 ). 12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (11) in Richtung des zu bearbeitenden Bauteils (4 und 5) offen ist.12. The apparatus of claim 10 or 11, characterized in that the channel ( 11 ) in the direction of the component to be machined ( 4 and 5 ) is open. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (11) am hinteren Ende der Sonotrode (1) geschlossen ist.13. Device according to one of claims 10 to 12, characterized in that the channel ( 11 ) at the rear end of the sonotrode ( 1 ) is closed.
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