DE8330640U1 - Ultraschallverbinder - Google Patents

Description

Siemens Aktiengesellschaft Unser Zeichen

Berlin und München VPA 83 G 3368 DE

Aktenzeichen G 83 30 640.4 Neue Beschreibungsseiten 1-4

Ultraschallverbinder

Die Erfindung bezieht sich auf Ultraschallverbinder zum Herstellen nicht lösbarer elektrischer Verbindungen von Drähten und/öder Litzen untereinander sowie Drähten und/oder Litzen mit separaten Anschlußelementen oder dergleichen, der aus Teilen mit aktiven und passiven Elementen für die Ultraschallverschweißung besteht.

Auf vielen Gebieten der Technik besteht die Forderung, nicht lösbare elektrische Verbindungen herzustellen, beispielsweise zwischen lackierten Drähten und blanken, verzinnten oder isolierten Litzen, ohne vorher die isolierende Lackschicht von den Drähten entfernen zu müssen. Nach derzeitigem Stand der Technik sind dazu verschiedene Verfahren bekannt.

Sehr verbreitet ist die sogenannte Crimp-Technik: Damit können kombinierte Lackdrähte und/oder Litzen als End- und Durchgangsverbinder mechanisch mittels eines speziellen Verbindungselementes verbunden werden. Es werden aber dazu jeweils ganz spezifische, auf die Leiterabmessungen abgestellte Verbindungselemente benötigt, um durch Klemmwirkung gleichzeitig den elektrischen Kontakt herzustellen. Solche Verbindungselemente sind begrenzt im Aufnahmequerschnitt und jeweils auf eine bestimmte Anzahl von Draht- oder Litzenleitern abgestellt, wobei die zulässigen Schwankungen in den Leiterabmessungen für das jeweilige Verbindungselement ge-

Wht 2 Gr / 14.12.1983

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ring sind. Durch die Vielzahl der im einzelnen notwendigen Verbindungselemente wird das Crimp-Verfahren vergleichsweise aufwendig; außerdem ist die damit hergestellte Verbindung nicht immer dauerfest. 5

Drähte mit lotfähigen Lackisolierungen können daneben auch in konventionellen Lötbädern gelötet werden. Allerdings sind bei den hauptsächlich eingesetzten schwer lotfähigen Lackisolierungen Lötbadtemperaturen mit ca.

500 ⁰C erforderlich, wodurch wegen der starken Krätzebildung ein erhöhter Lotverbrauch nicht zu vermeiden ist. Heiterhin ist bei dieser Verbindungstechnik für speziell nicht abisolierte lackbeschichtete Drähte, beispielsweise von Spulen, nachteilig, daß aufgrund der vergleichsweise hohen Temperaturen zusätzliche Absaugeinrichtungen erförderlich sind und daß der Spulenkörper selbst durch hohe Temperaturbelastungen beeinträchtigt werden könnte. Außerdem müssen kunststoffisolierte Litzen vorher abisoliert werden.

Weiterhin wurde auch bereits vorgeschlagen, nicht lösbare Verbindungen von Kabelanschlüssen durch Ultraschallverschweißung herzustellen (PRAKTIKER 8/83, S. 361 bis 363). Diese Schweißtechnik wird im zunehmendem Maße zum Verbinden von metallischen Werkstücken verwendet, wobei von der schwingenden Sonotrode der Ultraschall direkt auf das eine, als aktives Teil bezeichnete Werkstück übertragen wird, während das das andere, als passives Teil bezeichnete Werkstück ortsfest im Amboß angeordnet ist. Die Verschweißung erfolgt entlang der gemeinsamen Füaeflache. Dabei ist vorteilhaft, daß die Werkstücke an den Fügeflächen nicht oberflächenbe-

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handelt werden müssen, weil Schmutz und Oxidschichten und in Sonderfällen auch Fettschichten nicht hinderlich sind. Insbesondere Isolationsschichten brauchen vor der Verschweißung nicht zwingend entfernt zu werden. 5

Das Ultraschallverschweißen von Drähten und/oder Litzen untereinander sowie Drähten und/oder Litzen mit Anschlußteilen ist iedoch dann nicht beherrschbar/ wenn mehrere isolierte Einzeldrähte und/oder isolierte Litzen vorliegen. Eine sukzessive Einzelverschweißung wäre zu langwierig und aufwendig, wobei sich durch die Ultraschal Ieinwirkuna bereits geschweißte Verbindungen wieder lösen könnten.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, Arbeitsgerätschaften zu schaffen, mit denen Drähte und/oder Litzen ohne großen Arbeitsaufwand durch Ultraschallverschweißung verbunden werden können.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das passive Element ein u-förmiges Profilteil zur Aufnahme der isolierten, abisolierten oder mit metallischen Oberflächen versehenen Endteile der Drähte und/oder Litzen und geqebenenfalls der Anschlußelemente ist.

Es wurde zwar bereits kürzlich vorgeschlagen, speziell zum Herstellen extrem widerstandsarmer Verbindunqseinrichtungen bei Supraleitern die Enden der blanken supraleitenden Leiteradern mittels einer Ültraschall-Metallschweißung derart miteinander zu verbinden, daß die Leiteraderenden in einer Schweißform aus einem ia-förmigen

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. Metallprofilkörper und einem entsprechenden Deckel angeordnet sind. Es hat sich nun überraschenderweise gezeigt, daß ein sicherer elektrischer Kontakt durch das vorgeschlagene Ultraschallschweißen von Drähten und/oder Litzen untereinander sowie mit Anschlußelementen erreicht wird/ ohne daß eine Abisolierung notwendig wäre.

Für die praktische Verwendung der Erfindung ist die Ultraschallschweißeinrichtung mit Sonotrode und Amboß als zugehörigem Werkzeug speziell auf die vorgeschlagenen Ultraschallverbinder abgestellt. Die Schwinqungsrichtung der Sonotrode verläuft in Längsrichtung des Ultraschallverbinders, wobei die Wirkungsfläche der Sonotrode vorzugsweise in dieser Richtung abgerundet ': 15 ist. Damit wird gewährleistet, daß bei der Verschweißung

eine unterschiedliche Verformung des Ultraschallver-

:> binders mit einem gleichmäßigen übergang der verformten

Drähte zum Ausgangsauerschnitt der Gesamtheit der Drähte und/oder Litzen vorliegt.

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Der Amboß der Schweißeinrichtung ist als Werkzeug derart ausgebildet, daft er dasu-förmige Profilteil des Ultr.aschallverbinders als passives Element aufnehmen kann. Auf den zugehörigen Deckel als aktives Element wirkt die Sonotrode ein.

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Im Rahmen der Erfindung kann der Deckel mit seiner Breite der Außenbreite des Profilteiles entsprechen. Die Breite des Deckels kann aber auch der Innenbreite des Profilteiles entsprechen, so daß er vor der Verschweißung in das Profilteil einlegbar ist. Darüber hinaus kann der Deckel in Längsrichtung des ültraschallverbinders v-förmig gebogen sein, so daß bei der ültraschallverschweißung eine optimale Verschweißung des Randbereiches des Deckels mit den Schenkeln des Aufnahmeteiles und den darin eingelegten Drähten und/oder Litzen möglich ist. Dadurch wird bereits ein Verschweißen der Drähte und/oder Litzen an ihren Berührungsstellen bei geringer Verformung erreicht.

Es ist auch möglich, daß der Ultraschallverbinder derart susgebildet ist, daß das Profilteil an seiner Rückseite selbst als elektrisches Anschlußelement, beispielsweise als Ring oder Lasche ,ausgebildet ist. Dies ist dann sinnvoll, wenn Drähte und/oder Litzen zusammen einen elektrischen Anschluß bilden sollen.

.•«-In einer bevorzugten Ausführungsform des ültraschallverbinders bilden das Profilteil und die Deckelplatte ein gemeinsames Formteil, bei dem die Deckelplatte über eine oder mehrere kleine Anbindungen, beispielsweise einen Steg, mit dem u-förmigen Profilteil verbunden ist. Bei einer solchen Ausbildung des Ultraschallverbinders braucht im Fertigungsbetrieb mit dem vorgeschlagenen Verfahren nur ein einziges Teil zugeführt werden, wobei zum Schweißen die Deckplatte über den eingelegten Leiter ge klappt wird. Da die Anbindung des Deckels am Unterteil schmal ausgebildet sein kann, schwingt die Deckplatte beim Schweißen ungehindert mit und kann auch abreißen, so daß eich eine gute Schweißverbindung ergibt.

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Die bei der Erfindung angegebenen Ultraschallverbinder mit aktiven und passiven Teil können aus den üblichen, für die Ultraschallverschweißung geeigneten Materialien bestehen. Dabei kann es zweckmäßig sein, für das aktive und passive Teil unterschiedliche Materialien zu wählen.

Weitere Einzelheiten und Vorteil der Erfindung ergebtn sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung, von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Schutzansprüchen. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung.

FIG 1 die bei dem .vorgeschlagenen Verfahren verwendete Ultraschallschweißeinrichtung mit einem eingelegten Ultraschallverbinder,

FIG 2 und FIG 3 zwei alternativ verwendete Ultraschallverbinder im Querschnitt,

FIG 4 einen Ultraschallverbinder mit integriertem An-.','""Schlußelement in der Draufsicht und

FIG 5 einen einteiligen Ultraschallverbinder in perspektivischer Darstellung.
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In den Figuren sind identische Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In der FIG 1 bedeutet 1 die Sonotrode einer UltraschallschweiSeinrichtung. Die senkrecht nach unten wirkende Schweißkraft ist mit F gekennzeichnet. Dazu senkrecht in vorgegebener Horizontalebene verläuft die Schwingungs-

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richtung der Sonotrode 1 und des abgestrahlten Ultraschalls. Xn dieser Richtung ist die Wirkungsfläche 11 tier Sonotrode 1 abgerundet ausgebildet. Die Wirkungsfläche kann in sich profiliert sein.
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Der Sonotrode 1 ist ein Amboß 2 zugeordnet, der mit einer Aussparung 21 als Aufnahmewerkzeug ausgebildet ist. In der Aussparung ist ein ültraschallverbinder 3 eingelegt, der aus einem u-förmigen Profilteil 31 geformt ist. Auf dem Profilteil 31 liegt ein Deckel 32 auf. Zwischen Profilteil 31 und Deckel 32 sind Drähte 6 und/oder Litzen 7 sowie gegebenenfalls auch Endteile 8 von Anschlußelementen, welche miteinander verschweißt werden sollen, einlegbar.

Der eigentliche Vorgang des Ultraschallschweißens ist vom Stand de* Technik bekannt. Beispielsweise werden dazu Ultraschallfrequenzen zwischen 16 und 20 kHz verwendet. Dabei wird die Sonotrode mit vorbestimmten Preßkraft F auf den Ultraschallverbinder aufgesetzt. Para-•'rneter bei der'uitraschallverschweißung sind neben dem Anpreßdruck die Schweißzeit und die Amplitude der Schwingungen. Typische Schweißzeiten liegen bei 0,7 bis 3 s bei Amplituden von etwa 20 μπι, während die Anpreßkraft zwischen 70 bis 120 N variierbar ist.

Während bei der FIG 1 der Deckel 32 mit seiner Breite auf den Querschnitt des Profilteiles 31 abgestimmt ist und auf den Schenkeln des Profilteiles 31 aufliegt, ist bei den Figuren 2 und 3 die Breite des Deckels 33 bzw. 34 geringer gewählt und entspricht der Innenbreite des Profilteils 31. Der Deckel 33 bzw. 34 kann dadurch zwischen die Schenkel des Profilteiles 31 eingelegt

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werden, so daß er bereits ohne Verschweißung unmittelbar auf den Drähten 6 und/oder Litzen 7 zu liegen kommt. Dadurch kann sich eine besonders günstige Verschweißung insbesondere der Randbereiche ergeben. Die freistehenden Schenkel des Profilteiles 31 können anschließend an die ültraschallverschweißung nach innen gefaltet werden.

Speziell bei FIG 3 ist der Deckel 34 um seine Siittelspur geknickt, so da3 sich im Querschnitt ein v-förmiges Profil ergibt. Hier wird durch die Ultraschalleinwirkung und die Schweißkraft ebenfalls erreicht, daß die Deckplatte 34 in das u-förmige Profilteil 31 eingedrückt und mit dessen Schenkeln sowie den eingelegten Drähten 6 und/ oder Litzen 7 verschweißt wird. Dabei können die Drähte und/oder Litzen 7 an ihren Berührungsstellen bereits bei geringer Verformung geschweißt werden.

in FIG 4 ist der ültraschallverbinder mit 4 bezeichnet. Dieser besteht an einem Ende - wie bereits beschrieber; ebenfalls aus einem u-förmigen Profilteil 41 mit zuge- ^""hörigem Deckel 42, während an der anderen Seite der ültraschallverbinder 4 als Anschlußteil 45 ausgebildet ist. Ein solches Anschlußteil 45 kann in einfacher Weise als öse 46 geformt sein, welche mittels einer zugehörigen Schraube oder dergleichen an die Anschlußstelle geschraubt und somit elektrisch kontaktiert ist.

Es ist zweckmäßig, die DraTite 6 bzw. Litzen 7 mittels einer Zugentlastung zu sichern: In FIG 4 wird dies durch eine Verlängerung 43 des Profilteils 41 mit Klemmlaschen 44, die um die Anschluß leitungen herumgebogen werden, erreicht.

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In FlG 5 ist ein Ultraschallverbinder 5 derart aufgebaut ,daß an einem u-förmigen Profilteil 51 ein zugehöriger Deckel 52 über einen Steg 53 angebunden ist« Statt des Steges 53 können auch mehrere kleine Anbindungen vorhanden sein«

Bei einer solchen Ausführungsfrom eines ültraschallverbinders ist vorteilhaft, daß in der Fertigung lediglich ein einziges Teil ausgestanzt und zur ültraschallver* schweißeinrichtung zugeführt werden auß. Zum Schweißen selbst wird die Deckplatte 52 über die eingelegten Drähte und/oder Litzen geklappt. Da die Anbindung des Deckels an das Profil teil 51 sehr schmal ausgebildet ist, kann die Deckplatte 52 beim Sehweißen als aktives feil unge hindert mitschwingen. Die Anbindungen können auch ganz oder teilweise beim Schweißen abreißen, so daß beim eigentlichen Schweißvorgang ein Ultraschall verbinder aus separatem aktiven und passiven Teil vorliegt.

Es hat sich gezeigt, daß das durch die Erfindung vorge- -~schlagene Anschlußverfahren in vielen Bereichen der Technik eingesetzt werden kann, wo lackierte Drähte und/oder Litzen untereinander und gegebenenfalls mit Anschlußelementen unlösbar verbunden werden sollen. Dabei ist es wichtig, daß die Art der Isolierung bzw. der Lackierungen auf den Drähten und/oder Litzen keinen Einfluß auf die Qualität und Zuverlässigkeit der Ultraschallschweißverbindung hat*

1Ö Schutzansprüche 5 Figuren

Claims (10)

I ♦ - 10 - VPA 83 G 3368 DE Neue Seite 10 Schutzansprüche

1. ültraschallverbinder zum Herstellen nichtlösbarer elektrischer Verbindungen von Drähten und/oder Litzen untereinander sowie Drähten und/oder Litzen mit separaten Anschlußelementen oder dergleichen, der aus Teilen mit aktiven und passiven Elementen für die Ultraschallverschweißung besteht, dadurch gekennzeichnet , daß das passive Element (31, 41, 51) ein u-förmig-as Profilteil zur Aufnahme der isolierten, abisolierten oder mit metallischen Oberflächen versehenen Enden der Drähte (6) und/oder Litzen (7) und gegebenenfalls der Anschlußelemente (8) ist.

2. ültraschallverbinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das aktive Element (32, 33, 34; 42, 52) für die ültraschallverschweißung ein Deckel zur Auflage auf das u-förmige Profiltei1 (31, 41, 51) ist.

3. ültraschallverbinder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Breite des Deckels (32) der Außenbreite des Profilteiles (31) entspricht.

4. Ültraschallverbinder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Breite des Deckels

(33) der Innenbreite des Profilteiles (31) entspricht.

5. Ültraschallverbinder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Deckel (34) v-förmig gebogen ist.

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6. Ultxaschallverbinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Profilteil (41) an seiner Rückseite selbst als elektrisches Anschlußelement (45), beispielsweise Ring (46) oder Lasche, ausgebildet ist.

7. Ultraschallverbinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Profilteil (41) eine Einrichtung zur Zugentlastung (43, 44) für die

ίο Drähte und/oder Litzen aufweist.

8. Ultraschallverbinder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Deckel (52) und Profilteil (51) ein gemeinsames Formteil (50) bildea, wobei Deckel (52) und Profilteil über eine oder mehrere Anbindungen, beispielsweise über einen Steg (53) verbunden sind.

9. Ultraschallverbinder nach Anspruch 2, dadurch 2C gekennzeichnet, daß das Profilteil (31,

V.T41, 51) und der Deckel (32, 33, 34; 42, 52) aus gleichem, gut schweißbarem Werkstoff, beispielsweise Kupfar, Messing oder Bronze, bestehen.

10. Ultraschallv erbinder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Profilteil (31, 41, 51) und Deckel (32, 33, 34; 42) aus unterschiedlichem, gut schweißbarem Werkstoff bestehen, beispielsweise aus Kupfer einerseits und/oder Messing br.w. Bronze and»arerseits.