EP3676043A1 - Verfahren zum schweissen von elektrischen leitern mittels ultraschall sowie ultraschallmetallschweissvorrichtung - Google Patents

Verfahren zum schweissen von elektrischen leitern mittels ultraschall sowie ultraschallmetallschweissvorrichtung

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Publication number
EP3676043A1
EP3676043A1 EP18762053.9A EP18762053A EP3676043A1 EP 3676043 A1 EP3676043 A1 EP 3676043A1 EP 18762053 A EP18762053 A EP 18762053A EP 3676043 A1 EP3676043 A1 EP 3676043A1
Authority
EP
European Patent Office
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welding
sonotrode
sections
welded
section
Prior art date
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Pending
Application number
EP18762053.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sebastian RÜHL
Peter Wagner
Udo Wagenbach
Heiko Strobel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schunk Sonosystems GmbH
Original Assignee
Schunk Sonosystems GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3676043A1 publication Critical patent/EP3676043A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01R4/02—Soldered or welded connections
    • H01R4/021—Soldered or welded connections between two or more cables or wires

Definitions

  • the invention relates to a method for welding and / or deforming electrical conductors and / or surrounding envelopes, such as tubular cable lug, with an at least in height, adjustable compression space, in opposite sides of a portion of a sonotrode as a first boundary surface and of at least a portion of a counter electrode is limited as a second boundary surface, wherein for welding the counter electrode and the sonotrode are adjusted relative to each other with simultaneous pressurization of the electrical conductors and energized sonotrode.
  • the compression space is adjustable in height and width.
  • the compression space in opposite sides of a portion of a sonotrode as a first boundary surface and of at least a portion of a counter electrode as a second boundary surface and in the remaining sides of one of a portion of a side slider is limited as a third boundary surface and a portion of a boundary element as a fourth boundary surface
  • the invention relates to an ultrasonic metal welding device with an at least in height, preferably in height and width, adjustable Compacting lines formed in opposite sides of a portion of a sonotrode as a first boundary surface and at least a portion of a counter electrode as a second boundary surface and in height and width adjustable compression space in the remaining sides of one of a portion of a side slider as a third boundary surface and a portion of a limiting element is limited as a fourth boundary surface, wherein for closing or opening of the compression space, the counter electrode is adjustable relative to the sonotrode.
  • the invention also relates to an ultrasonic welding tool.
  • strands For manufacturing harnesses, it is common in the automotive industry for strands to be tied into nodes by ultrasonic welding. It must be ensured that a given number of strands are completely welded into a node in order to transmit signals or to conduct electricity.
  • the welding process itself can be used, i. H. that a characteristic parameter of a height and width adjustable compression space is representative of the number of welded strands, so that a process control is ensured.
  • this is basically only possible if each of the strands to be welded has a minimum cross-section.
  • Ultrasonic welding devices with which corresponding nodes can be welded z. DE 44 29 484 A1, EP 0 143 936 B1, DE 10 2005 004 899 A1 or DE 37 19 083 A1, which have adjustable in height and width compression spaces.
  • DE 10 2011 014 801 A1 discloses a method for welding conductors.
  • a two-stage process is used. In a first step, a plurality of conductors are welded to a first node to then weld in a second step with other conductors or nodes.
  • DE 10 2008 045 751 A1 discloses a device and a method for Kompakti ersch white to connect an electrical line with an electrical connection contact.
  • the strands are welded end-to-end by means of ultrasonic welding, wherein a recess running in the longitudinal direction of the strands is formed, in which crimped plates are fixed.
  • the present invention has the object, a method of the type mentioned in such a way that a procedural simplification during welding and optionally deforming electrical conductors, in particular different cross-sections, can be achieved.
  • the possibility should be given to expand the cross-sectional areas of an ultrasonic welding device for conductors to be welded, without any restrictions in the process monitoring.
  • the method mentioned at the outset is developed essentially by using a counterelectrode which has sections of work surfaces which differ from one another geometrically or consists of at least two mutually adjustable sections.
  • a sonotrode one can be used which, as in the prior art, has a working surface as a welding surface.
  • the sonotrode adjoin at least two contiguous or adjacent working surfaces with geometrically diverging welding surfaces or a welding surface as an inventive idea Work surface and a work surface with shaping or embossing function has.
  • the anein other bounding or adjacent work surfaces are thus not to be confused with those which are arranged along the peripheral surface of a sonotrode and are aligned by rotating the sonotrode on the counter electrode.
  • the respective desired working surface of the adjacent or adjacent work surfaces is selected by relative axial adjustment along the sonotrode longitudinal axis between sonotrode and counter electrode to the portion of the counter electrode, which is to be used in welding or in the molding or in the mechanical inspection of a welded joint.
  • the section of the counterelectrode or the welding surface of the sonotrode or both the section of the anvil and the welding surface are selected.
  • the invention provides that in a first welding operation with a first portion of the counter electrode electrical conductors are welded to form an intermediate node and that welded in a second welding operation, the intermediate node with at least one further conductor and / or another intermediate node to a node wherein the second welding operation uses a second portion of the counterelectrode deviating from the first portion and / or a welding surface different from that used in the first welding operation.
  • the intermediate node with the position of the intermediate node unchanged, it can be welded to the further conductor and / or the further intermediate node using the second section of the counterelectrode.
  • Another proposal is characterized in that, in a first welding operation, first conductors are welded using a first portion of the counter electrode to an end or via node which is then welded and / or deformed using a second portion of the counter electrode deviating from the first portion. It is also possible that with a first portion of the counter electrode conductors are welded to a terminal node and with a second portion of the counter electrode conductor to a passage node. A working surface of the counter electrode may also be formed such that a crimping or cutting operation is performed.
  • a working surface of the counterelectrode can also be designed as a test element such as a test jaw in order to be able to check the mechanical strength of a welded joint.
  • a defined test force is introduced into the welded connection between the work surface designed as a test element and the sonotrode serving as a counter element, which is so high that no damage occurs in the case of a perfect welded connection. If there is a faulty welded connection, detectable changes to the welded connection can be detected.
  • a notch can be embossed in an envelope surrounding a conductor, in particular running transversely as perpendicular to the sonotrode longitudinal axis.
  • the sections of the counter electrode and optionally the sonotrode may have different profiles, in particular a finer and a coarser profile, so that strands of small and strands of large cross sections are equally error-free and reproducible to weld, without the need for replacement of tools or different ultrasonic welding devices used must arrive.
  • the cross section of the smallest strand should not be less than, for example, 7% of the cross section of the node. If, for example, strands of a cross section of 0.13 mm 2 are used, according to a corresponding rule, the total cross section should not be greater than about 1.9 mm 2 .
  • a plurality of strands of small cross section eg three strands each having a cross section of 0.13 mm 2
  • an intermediate node e.g three strands each having a cross section of 0.13 mm 2
  • the intermediate node is welded with further strands to form a knot of a cross section of approximately 5.6 mm 2
  • a portion of the counter electrode which may also be called anvil
  • a section with a coarser structure is then used.
  • the mutually adjustable sections of the one can limit the compression space, which has the desired structure, ie profiling. It is also possible to adjust the respective section in a circumference parallel to the working surface of the sonotrodes, that a compression space of desired cross-section is available, which is limited when welding nodes from four sides.
  • the mutually adjustable sections can be arranged side by side or one above the other, wherein in a side-by-side arrangement the advantage is given that the sections can be assigned to different areas of the sonotrode which each form a welding area.
  • the sections can have symmetrical and asymmetrical profiles, there is the advantage that, depending on the profile used, end nodes or through-ties of the same quality can be welded in one and the same machine.
  • An asymmetric profile for end nodes and a symmetric profile for through nodes can be used.
  • Asymmetrical means that on the input side of the compression space of the working surface of the counter electrode is an arcuate elevation extending in the section, which extends in the direction of the sonotrode. Then follow up elevations and depressions. In the case of a symmetrical profile, corresponding arcuate elevations extend from the working surface of the anvil both on the compression chamber inlet side and on the outlet side.
  • a stepped sonotrode can be used according to a suggestion to be emphasized, so that the step itself serves as a stop for the ends of the strands to be welded.
  • the sonotrode thus has two welding zones separated by the step, one of which may be designed for the welding of end nodes and the other for the welding for passing nodes. Each of the areas is associated with one of the mutually adjustable sections of the counter electrode.
  • a so-called double welding can be carried out without any problem, wherein a first node with a cross section of, for example, 3 ⁇ 4 mm 2 is welded, which serves as an intermediate node, in order then to weld with it further strands or another intermediate node.
  • At least one working surface of the counterelectrode can have a shaping geometry in order, for example, to weld leads around.
  • a working surface in such a geometric way that a crimping or cutting function can be achieved.
  • the sonotrode may have a portion adjacent to the welding surface, e.g. for mechanical shaping or embossing of a conductor surrounding envelope, such as pipe cable lug used.
  • a combing or bead-starting section of the sonotrode is provided, which runs adjacent to the welding surface, in order, during the welding of strands, at the same time in an envelope, e.g. in a cable lug to form a recess, through which a high mechanical strength of the connection between the envelope, such as the cable lug, and the electrical conductors is achieved.
  • the recess or notch-generating region that is to say, the comb-shaped or bead-like section, which has in particular an arcuate shape, should run perpendicular to the longitudinal axis of the sonotrode which can be excited in the longitudinal axis direction, without this being a mandatory feature. Rather, a parallel course could also be selected depending on the field of application.
  • a torsion sonotrode can be used. Welding also takes place with the comb or bead-like section.
  • the counterelectrode has sections with work surfaces which differ from one another geometrically or consists of at least two mutually adjustable sections and / or the sonotrode has at least two adjacent or adjacent working surfaces with geometrically divergent welding surfaces or a working surface as welding surface and a working surface with complementary shaping or embossing Function has.
  • one of the working surfaces of the counter electrode as a further function exerts, for example, a crimping or cutting function or a function for testing the strength of a welded connection.
  • a tapered projection which acts on the welded joint with a predetermined test force.
  • the invention provides that the counterelectrode has at least two sections which can be displaced parallel to one another and parallel to the working surface of the sonotrode and which can optionally be assigned to the working surface or one of the working surfaces of the sonotrode. In the case of a peripherally sealed compression space, this is limited by the portion of the counter electrode.
  • the two sections can be arranged above or next to one another.
  • the sections may be telescopically adjustable.
  • the adjustable sections themselves should be operated via separate drive means such as cylinders.
  • the work surfaces have at least the counter electrode diverging profiles, with respect to a perpendicular to the respective working surface and this center in the longitudinal direction of the compression chamber intersecting plane preferably one of the profiles symmetrical and the other is asymmetrical or both symmetrical or have asymmetrical, but have different structuring.
  • the sonotrode has two Schwedß vom extending in height spaced apart and extending parallel planes.
  • the welding surfaces consequently run side by side.
  • one of the working surfaces of the sonotrode has a comb or bead-like geometry, whose Ers extension is parallel or perpendicular to the sonotrode longitudinal axis. This applies in particular to the welding and forming of tubular cable lugs.
  • An ultrasonic welding tool in the form of a sonotrode is characterized in particular by the fact that the sonotrode has two welding surfaces which extend in height-spaced mutually parallel planes and adjoin one another.
  • one of the work surfaces prefferably have a comb-like or bead-like geometry whose extension runs parallel or perpendicular to the longitudinal axis of the sonotrode.
  • the invention also relates to a method of the type mentioned, in which for welding and / or deformation of electrical conductors, the counter electrode has a single working surface and the sonotrode at least two working surfaces, as has been previously explained.
  • the invention is also characterized by a method for welding and / or deformation of electrical conductors and / or surrounding sheaths, such as pipe cable lug, with a at least in height, preferably in height and width, adjustable compression space in opposite sides of a Section of a sonotrode as a first boundary surface and of at least a portion of a counter electrode as a second boundary surface and preferably in the remaining sides of one of a portion of a side slider as a third boundary surface and a portion of a limiting element is limited as a fourth boundary surface, wherein for welding the counter electrode and the sonotrode be adjusted relative to each other, being used as a sonotrode, which at least two adjacent or adjacent work surfaces with geometrically divergent welding surfaces or at least one welding surface as Arbe has its surface and a work surface with embossing or shaping function.
  • 1 is a schematic diagram of an ultrasonic welding machine
  • Fig. 2 shows a detail of an ultrasonic welding device with open
  • FIG. 4 shows the ultrasonic welding device according to FIG. 2 with a second section of the counterelectrode with the compression space closed
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a second exemplary embodiment of a
  • FIGS. 7a-7c shows a schematic diagram of a fourth embodiment of a counterelectrode
  • FIGS. 12a, 12b strands welded to an end node.
  • a plant is shown purely in principle, are welded to the strands by means of ultrasound.
  • the arrangement comprises an ultrasonic metal welding device or machine 110, which in the usual way a converter 112, if necessary.
  • the sonotrode 116 or a working surface of these are associated with a counter electrode 118, a spotting plate 119 and a side slide 120, as can be seen in DE 37 19 083 C1 or WO 95/10866 AI or DE 44 29 684 A1, on the Revelation is expressly referenced.
  • the sonotrode 116 or its working or welding surface displaceable in the direction of its longitudinal axis, the counterelectrode 118, a limiting element 119 which is adjustable as a unit with the counterelectrode 118 and to which the counterelectrode 118 can be displaced in the direction of the side slide 120, as well as the side shifter 120 define a compression space which can be adjusted in cross-section and which is provided with the reference numeral 42 in FIGS. 2 to 4 and is inserted into the strands to be welded.
  • the converter 112 is connected via a line 122 to a generator 124, which in turn leads via a line 126 to a PC 128. This is used to control or regulate the welding process. Furthermore, welding parameters or cross section or width of the strands can be entered. Also stored values can be retrieved.
  • transducers may be provided, determined via the height and / or width of the compression space before or after carrying out a weld.
  • the values allow conclusions about the number of compacted and welded strands.
  • a process control can be performed.
  • one or more transducers to determine the height and width and thus the cross-section of the compression space and other sensors can be used or other measures are used to draw in a known manner conclusions about the number of welded strands can.
  • first the bare ends 18, 20, 22 become a first Node 34 or intermediate node welded, which runs a considerable distance from the insulation 36, 38, 40 of the strands 12, 14, 16 in order to avoid mechanical stresses that could possibly lead to damage of the wires of the individual strands 18, 20, 22.
  • the strands 12, 14, 16, ie their respective wires or wires in the bare ends 18, 20, 22 may, for. B. each having a cross section of 0.13 mm 2 , without thereby limiting the teaching of the invention takes place.
  • the cross section of the intermediate node is more than 7% of the total cross section and thus meets the requirements of relevant industries.
  • the counter electrode of the ultrasonic welding device 110 shown in principle in Fig. 1 is formed such that two sections each having a working surface of different dimensions and / or structuring Are available to selectively weld the intermediate node 34 and the end node 32 can.
  • a transit node could also be welded. This will be clarified with reference to FIGS. 2 to 4. This is a detail of one of Fig. 1 corresponding ultrasonic welding device can be seen.
  • the ultrasonic welding device is shown with an open compression space 42 which is delimited by a first boundary surface 44 of a sonotrode 46, which has a structure with respect to the sonotrode head, as in EP 1 680 254 Bl, the disclosure of which is expressly incorporated by reference.
  • the compression space 42 when it is closed is delimited by a second boundary surface 48 or 50, the counterelectrode 56 associated with a first section 52 or a second section 54 of a sonotrode 46 is formed.
  • the sections 52, 54 of the counter electrode also referred to below as the anvil 56, will be discussed in more detail below.
  • a third boundary surface 58 of the compression space 42 is formed by a side slider 60.
  • the boundary surface 62 of the compression space 42 opposite the third boundary surface 58 is formed by a delimiting element 64 to be designated as a spotting plate 64.
  • the spotting plate 64 is adjusted in the drawing as a unit with the anvil 56 vertically, ie perpendicular to the first boundary surface 44 and with a small gap along the head of the sonotrode 46, as is well known from the prior art.
  • the compression space 42 has a rectangular cross-section with open end faces, which are penetrated by the longitudinal axis of the compression space 42.
  • the counterelectrode 56 consists of a first or lower section 54 and a second or upper section 52 which, when used transverse to the longitudinal axis of the compression chamber 42, can have diverging widths.
  • the working surface 50 of the first portion 54 has a smaller width and thus smaller extent transverse to the longitudinal axis of the compression space 42 and thus the longitudinal axis of the sonotrode 46 as the working surface 48 of the second portion 52.
  • the first portion 54 has a projection which has a rectangular shape in section parallel to the boundary surface 44 and faces the first boundary surface 44 of the sonotrode 46 serving as a welding surface or work surface.
  • the parallel to the first boundary surface 44 extending surface of the projection 66 (portion 54 of the counter electrode 56) thus forms the first working surface 50 of the anvil 56.
  • the anvil 56 is adjusted in the direction of the sonotrode 46, ie the first boundary surface 44 of the compression space 42, in order in the longitudinal direction, ie in longitudinally excited sonotrode 46 and simultaneous application of force to the strands 12, 14, 16 via the anvil 56 this to the Weld intermediate node 34.
  • the welding surface of the sonotrode 46 is located in the antinode.
  • the side slider 60 has been adjusted to the required extent in the direction of the spotting plate 64, that is, the fourth boundary surface 62, as is well known in the case of ultrasound-welding devices that are adjustable in height and width.
  • the strands 12, 14, 16 or a plurality of corresponding strand units, which are also welded to intermediate nodes, are then inserted with further strands of larger cross sections, ie in the embodiment with the strands 28, 30, in the reopened compression chamber 42 of the same ultrasonic welding device to clasp whatsoeverem first section 54 to weld the node 32 of FIG. LOD.
  • the closing of the compression space is carried out in accordance with the previous explanations, wherein the first portion 54 extends with its end face 68 in alignment with the fourth boundary surface 62, as is apparent from Fig. 3.
  • the end face 68 in this case forms the fourth boundary surface.
  • the over the end face 68 projecting working surface 48 of the second portion 52 is thus effective working surface during welding.
  • one or more stranded units or intermediate nodes can also be used.
  • a compaction space 42 is thus provided which can be closed optionally via one of the sections 52, 54 of the anvil 56, wherein the sections 52, 54 have different working surfaces 48, 50 in order to correspond to the cross sections of the strands to be welded Damage to the wires of the strands not leading to allow material bonding.
  • the intermediate node 34 as shown in FIG. I Ia, IIb at a distance from the insulation 36, 38, 40 is formed to mechanical loads the exposed wires in the transition region to the insulation 36, 38, 40 to avoid, which could otherwise lead to fractures.
  • Divergent work surfaces include different profiles or different surface extensions or both.
  • a section may comprise a plurality of sections existing counterelectrode also have a deviating geometry. This will be clarified with reference to FIGS. 12a, 12b.
  • the free ends of strands 72, 74, 76 are welded to an end node 70 to then insert a notch 78 therein to increase strength.
  • the sections 52, 54 are formed as a kind of slide, which are parallel to each other and parallel to the first boundary surface 44, which is provided by the sonotrode 46, adjustable. In this case, the lower portion 54 may be recorded guided by the Tuschierplatte 64. If it is desired to weld or shape the first section 54, it is preferable to adjust the first and second sections 54, 52 as a unit, as shown in FIG. 4.
  • FIGS. 2-4 also provide the option of arranging sections next to one another, as can be seen purely by way of example in FIG.
  • the counter electrode ie the anvil 156
  • the sections 152, 154 may have different profiles on the compression chamber side, which are intended for welding an end or transit node.
  • the portion 152 of the anvil 156 has a symmetrical profiling, that is, the structure of the work surface 158 is symmetrical to a plane 160 that is perpendicular to the work surface 158 and centrally between the side surfaces 172, 174 of the portion 152.
  • section 154 has a working surface 176 which is asymmetrical and thus intended for welding end nodes.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of an anvil 256, which consists of a first section 252 and a second section 254 which is telescopically adjustable relative to the first section 252, ie can be moved into or out of it.
  • the undersides 258, 260 of the sections 252, 254 shown in the drawing form the work surfaces.
  • FIGS. 7a-7c A further embodiment of a counter-electrode 356 is shown in FIGS. 7a-7c, which is designed such that the possibility of checking the quality of a welded connection is given.
  • the counter-electrode 356 has a section 358, which in particular is telescopically displaceable relative to the base body 360 of the counter-electrode and has on its underside 362, which faces the welding surface of the sonotrode 346, a projection 364, which is tapered in the exemplary embodiment.
  • the projection 364 can now put on a placed on a surface of a sonotrode welded joint and act with a predetermined test force on the welded joint. Depending on detectable changes in the welded joint, it may then be judged whether the welded joint is proper or faulty.
  • the main body 360 itself can in turn serve with its underside 368 as a working surface in the case of welds to be performed.
  • a sonotrode 146 designed as a longitudinal oscillator is shown purely in principle in the section, in which two sections 148, 150 are formed in their sonotrode head having the welding surface, which sections are separated from one another via a step 166.
  • Sections 148, 150 provide work surfaces 162, 164 which are spaced apart and extend in parallel planes.
  • the working or welding surface 162 of the section 148 has a symmetrical profiling
  • the working surface 164 of the section 150 has an asymmetrical profiling, as illustrated by the corrugated structure.
  • the running between the working surfaces 162, 164 stage 166 can serve as a stop for strand ends, which are to be welded by means of the asymmetric profiling of the working surface or welding surface 154.
  • the sections 148, 150 and thus the work surfaces 162, 164 adjoin one another in the longitudinal direction of the sonotrode 146.
  • section 152 would be aligned.
  • section 154 is used when an end node is to be welded by means of work surface 164.
  • FIG. 9 shows a further embodiment of a sonotrode 246, which has two sections 248, 250 on the top side.
  • the section 248 has a working surface 254 which is formed as a welding surface and has a desired profiling.
  • the section 250 has a comb-like or bead-like geometry, that is, in section an arc shape, for example, during the welding of strands at the same time impress a notch in a surrounding envelopes such as pipe cable lug during welding in order to increase the mechanical strength.
  • the corresponding section 250 runs in the exemplary embodiment of FIG. 8 perpendicular to the longitudinal axis of the sonotrode 256.
  • a sonotrode 346 according to the exemplary embodiment of FIG. 10 has a first section 348 for welding certain working surface 354 and a second section 350 intended for welding and embossing, so as to impress a notch in accordance with FIG. 9, for example, into a metallic envelope such as a tubular cable lug ,
  • the longitudinal axis of the bead-like or comb-like section 350 extends in the longitudinal axis direction of the sonotrode 346.
  • an ultrasonic metal welding machine in particular in the form of a strand welding machine, which has a multi-part anvil, using the section which is optimized for the intended welding process.
  • the sections of the anvil can be arranged one above the other, side by side or inside each other.
  • the work surfaces of the sections may be profiled or have geometries to perform additional functions such as crimping or cutting or testing welded joints.
  • sonotrodes with sections forming several work surfaces, welding with the section which is optimally suited for the welding process.
  • a work surface for shaping such as embossing can be formed.
  • knots can be welded with one and the same machine, which would otherwise not be able to be produced or only after replacement of tools or, if successive different welding machines are used.
  • Stepped sonotrodes can be used, with one section of the sonotrode being used to weld end nodes and the other section to weld through-holes.
  • a step running between the sections can additionally be used as a stop for conductors to be welded to an end node. It is also possible, when welding end nodes or through-nodes, to ensure that the otherwise frequently existing line ends or projecting individual cores not welded after the ultrasonic welding are at least additionally pressed on. Thus, with a first section, the end node or through-node itself may be welded to then at least press the line ends with the other section.
  • the sections of the counterelectrode are preferably adjustable relative to one another, the invention will not be abandoned even if a counterelectrode has at least two unitary sections which have working surfaces deviating from one another, wherein one working surface can be used in particular for welding and the other working surface for shaping ,

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschallmetallchweißvorrichtung sowie ein Verfahren zum Schweißen von elektrischen Leitern mit einem zumindest in Höhe verstellbaren Verdichtungsraum, der in gegenüberliegenden Seiten von einem Abschnitt einer Sonotrode als erste Begrenzungsfläche und von zumindest einem Abschnitt einer Gegenelektrode (156) als zweite Begrenzungsfläche begrenzt ist, wobei zum Schweißen die Gegenelektrode und die Sonotrode relativ zueinander verstellt werden. Als Gegenelektrode wird eine solche verwendet, die Abschnitte (152, 154) von geometrisch voneinander abweichenden Arbeitsflächen aufweist oder aus zumindest zwei zueinander verstellbaren Abschnitten besteht.

Description

Beschreibung
VERFAHREN ZUM SCHWEISSEN VON ELEKTRISCHEN LEITERN MITTELS ULTRASCHALL SOWIE ULTRASCHALLMETALLSCHWEISSVORRICHTUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schweißen und/oder Verformen von elektrischen Leitern und/oder diese umgebender Umhüllenden, wie Rohrkabelschuh, mit einem zumindest in der Höhe, verstellbaren Verdichtungsraum, der in gegenüberliegenden Seiten von einem Abschnitt einer Sonotrode als erste Begrenzungsfläche und von zumindest einem Abschnitt einer Gegenelektrode als zweite Begrenzungsfläche begrenzt ist, wobei zum Schweißen die Gegenelektrode und die Sonotrode relativ zueinander bei gleichzeitiger Druckbeaufschlagung der elektrischen Leiter und erregter Sonotrode verstellt werden. Vorzugsweise ist der Verdichtungsraum in der Höhe und der Breite verstellbar. Dabei ist der Verdichtungsraum in gegenüberliegenden Seiten von einem Abschnitt einer Sonotrode als erste Begrenzungsfläche und von zumindest einem Abschnitt einer Gegenelektrode als zweite Begrenzungsfläche und in den verbleibenden Seiten von einer von einem Abschnitt eines Seitenschiebers als dritte Begrenzungsfläche und von einem Abschnitt eines Begrenzungselements als vierte Begrenzungsfläche begrenzt. Auch nimmt die Erfindung Bezug auf eine Ultraschallmetallschweißvorrichtung mit einem zumindest in der Höhe, vorzugsweise in der Höhe und der Breite, verstellbaren Verdichtungsraiini, der in gegenüberliegenden Seiten von einem Abschnitt einer Sonotrode als erste Begrenzungsfläche und von zumindest einem Abschnitt einer Gegenelektrode als zweite Begrenzungsfläche und bei in der Höhe und der Breite verstellbarem Verdichtungsraum in den verbleibenden Seiten von einer von einem Abschnitt eines Seitenschiebers als dritte Begrenzungsfläche und von einem Abschnitt eines Begrenzungselementes als vierte Begrenzungsfläche begrenzt ist, wobei zum Schließen bzw. Öffnen des Verdichtungsraums die Gegenelektrode relativ zu der Sonotrode verstellbar ist. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Ultraschallschweißwerkzeug.
Zur Herstellung von Kabelbäumen ist es in der Automobilindustrie üblich, dass Litzen mittels Ultraschallschweißens zu Knoten verbunden werden. Dabei muss sichergestellt sein, dass eine vorgegebene Anzahl Litzen vollständig zu einem Knoten verschweißt sind, um Signale zu übertragen bzw. Strom zu leiten. Zur Überprüfung kann der Schweißprozess selbst herangezogen werden, d. h. dass ein charakteristischer Parameter eines in Höhe und Breite verstellbaren Verdichtungsraums repräsentativ für die Anzahl der verschweißten Litzen ist, so dass eine Prozesskontrolle sichergestellt ist. Dies ist jedoch grundsätzlich nur dann möglich, wenn jede der zu verschweißenden Litzen einen Mindestquerschnitt aufweist.
Aufgrund der Weiterentwicklung der zum Einsatz gelangenden Elektronik ist es möglich, Litzen, die aus Einzeldrähten bzw. Adern bestehen, mit Querschnitten von z. B. 0,13 mm2 zu verwenden, über die im hinreichenden Umfang Signale geleitet werden können bzw. Strom fließen kann. Werden entsprechende Litzen mit Litzen größeren Querschnitts verschweißt, so besteht das Risiko, dass die Litzen kleinen Querschnitts in Zwischenräume zwischen größeren Litzen gelangen, so dass letztendlich der nach dem Schweißen ermittelte charakteristische Parameter des Verdichtungsraums wie Höhe oder Breite nicht mehr hinreichend aussagekräftig ist, ob tatsächlich die vorgegebene Anzahl von Litzen stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Ultraschallschweißvorrichtungen, mit denen entsprechende Knoten geschweißt werden können, sind z. B. der DE 44 29 484 A1, der EP 0 143 936 B1, der DE 10 2005 004 899 A1 oder der DE 37 19 083 A1 zu entnehmen, die in Höhe und Breite verstellbare Verdichtungsräume aufweisen.
Ein gleichfalls in Höhe und Breite verstellbarer Verdichtungsraum ist aus der WO 95/10886 AI bekannt. Allerdings wird bei dieser Ulrraschdlschweißvorrichtung der Verdichtungsraum unabhängig vom Querschnitt der zu verschweißenden Leiter auf ein vorgegebenes Höhen-Breiten-Verhältnis eingestellt
Der DE 10 2011 014 801 A1 ist ein Verfahren zum Verschweißen von Leitern zu entnehmen. Dabei gelangt ein zweistufiger Prozess zur Anwendung. In einem ersten Schritt werden mehrere Leiter zu einem ersten Knoten geschweißt, um sodann in einem zweiten Schritt diesen mit weiteren Leitern oder Knoten zu schweißen.
Der DE-Z.: Die Bibliothek der Technik, Band 108: Ultraschall-Metallschweißen, Verlag Moderne Industrie, 86895 Landsberg 1995, sind Prinzipien des Ultraschallschweißens zu entnehmen. In der Schrift werden insbesondere auf den Seiten 20 ff. der Aufbau und die Funktion eines Ultraschallschweißgerätes zum Schweißen von Metall erläutert. Auf die diesbezügliche Offenbarung wird ausdrücklich Bezug genommen, genauso wie auf die weiteren als Stand der Technik zitierten Dokumente, soweit die Verstellung eines Verdichtungsraums bzw. die Funktion einer Ultraschallschweißvorrichtung betroffen sind. Insoweit gilt der Inhalt der diesbezüglichen Schriften als Offenbarung zu der vorliegenden Erfindung.
Will man neben dem Schweißen von Leitern wie Litzen zusätzlich ein mechanisches Fixieren der Schweißverbindung erreichen, werden üblicherweise verschiedene Werkzeuge benutzt, die den Herstellungsprozess verlängern und verteuern.
So ist der DE 10 2008 045 751 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Kompakti ersch weißen zu entnehmen, um eine elektrische Leitung mit einem elektrischen Anschlusskontakt zu verbinden. Dabei besteht zusätzlich die Möglichkeit, den Anschlusskontakt mit der Leitung mittels eines Isolationscrimps zu verbinden, der mit einem gesonderten Crimpwerkzeug hergestellt wird. Um eine aus Litzen bestehende Leitung über eine Crimpverbindung mit einem elektrischen Anschluss zu verbinden, werden gemäß US 2015/0060135 A1 die Litzen endseitig mittels Ultraschallschweißens blockartig verschweißt, wobei eine in Längsrichtung der Litzen verlaufende Vertiefung ausgebildet wird, in der Crimplaschcn fixiert werden.
Es besteht auch die Möglichkeit, Schweißungen in verschiedenen Ultraschallschweißvorrichtungen durchzurühren.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass eine verfahrensmäßige Vereinfachung beim Verschweißen und gegebenenfalls Verformen von elektrischen Leitern, insbesondere unterschiedlicher Querschnitte, erzielbar ist.
Nach einem weiteren Aspekt soll die Möglichkeit gegeben sein, die Querschnittsbereiche einer Ultraschallschweißvorrichtung für zu verschweißende Leiter zu erweitern, ohne dass Einschränkungen in der Prozessüberwachung erfolgen.
Auch sollen Eigenschaften von zu schweißenden Knoten optimiert werden. Ein weiterer Aspekt soll die Möglichkeit eröffnen, zusätzliche Maßnahmen an zu verschweißenden Leitern vorzunehmen, um eine sichere elektrische und mechanische Verbindung zu gewährleisten und ggf. eine mechanische Überprüfung von Schweißverbindungen durchzuführen. Zur Lösung einer oder mehrerer Aspekte wird erfindungsgemäß das eingangs genannte Verfahren im Wesentlichen dadurch weitergebildet, dass als Gegenelektrode eine solche verwendet wird, die Abschnitte von geometrisch voneinander abweichenden Arbeitsflächen aufweist oder aus zumindest zwei zueinander verstellbaren Abschnitten besteht. Als Sonotrode kann eine solche verwendet werden, die ^ wie nach dem Stand der Technik - eine Arbeitsfläche als Schweißfläche aufweist.
Es besteht jedoch auch nach einem eigenerfinderischen Gedanken die Möglichkeit, dass die Sonotrode zumindest zwei aneinander grenzen de oder benachbarte Arbeitsflächen mit geometrisch voneinander abweichenden Schweißflächen oder eine Schweißfläche als Arbeitsfläche und eine Arbeitsfläche mit formgebender oder prägender Funktion aufweist. Die anein andergrenzenden oder benachbarten Arbeitsflächen sind somit nicht mit denjenigen zu verwechseln, die entlang der Umfangsfläche einer Sonotrode angeordnet sind und durch Drehen der Sonotrode auf die Gegenelektrode ausgerichtet werden. Die jeweilige gewünschte Arbeitsfläche von den aneinandergrenzenden bzw. benachbarten Arbeitsflächen wird durch relatives axiales Verstellen entlang der Sonotrodenlängsachse zwischen Sonotrode und Gegenelektrode zu dem Abschnitt der Gegenelektrode ausgewählt, der beim Schweißen bzw. bei der Formgebung oder bei der mechanischen Überprüfung einer Schweißverbindung genutzt werden soll.
Insbesondere ist vorgesehen, dass in Abhängigkeit von den zu verschweißenden elektrischen Leitern der Abschnitt der Gegenelektrode oder die Schweißfläche der Sonotrode oder sowohl der Abschnitt des Ambosses als auch die Schweißfläche ausgewählt werden.
In hervorzuhebender Weiterbildung sieht die Erfindung vor, dass in einem ersten Schweißvorgang mit einem ersten Abschnitt der Gegenelektrode elektrische Leiter zu einem Zwischenknoten verschweißt werden und dass in einem zweiten Schweißvorgang der Zwischenknoten mit zumindest einem weiteren Leiter und/oder einem weiteren Zwischenknoten zu einem Knoten verschweißt werden, wobei beim zweiten Schweißvorgang ein vom ersten Abschnitt abweichender zweiter Abschnitt der Gegenelektrode und/oder eine Schweißfläche benutzt wird, die von der beim ersten Schweißvorgang benutzten unterschiedlich ist. Dabei kann bei unveränderter Position des Zwischenknotens dieser mit dem weiteren Leiter und/oder dem weiteren Zwischenknoten unter Benutzung des zweiten Abschnitts der Gegenelektrode verschweißt werden.
Ein weiterer Vorschlag zeichnet sich dadurch aus, dass in einem ersten Schweißvorgang erste Leiter unter Verwendung eines ersten Abschnitts der Gegenelektrode zu einem Endoder Durchgangsknoten verschweißt werden, der sodann unter Verwendung eines von dem ersten Abschnitt abweichenden zweiten Abschnitts der Gegenelektrode geschweißt und/oder verformt wird. Auch besteht die Möglichkeit, dass mit einem ersten Abschnitt der Gegenelektrode Leiter zu einem Endknoten und mit einem zweiten Abschnitt der Gegenelektrode Leiter zu einem Durchgangsknoten verschweißt werden. Eine Arbeitsfläche der Gegenelektrode kann auch derart ausgebildet sein, dass ein Crimp- oder Schneidvorgang durchgeführt wird.
Eine Arbeitsfläche der Gegenelektrode kann auch als Prüfelement wie Prüfbacke ausgebildet sein, um die mechanische Festigkeit einer Schweißverbindung überprüfen zu können. Hierzu wird zwischen der als Prüfelement ausgebildeten Arbeitsfläche und der als Gegenelement dienenden Sonotrode eine definierte Prüfkraft in die Schweißverbindung eingeleitet, die so hoch ist, dass bei einer einwandfreien Schweißverbindung keine Schädigung erfolgt. Liegt eine fehlerbehaftete Schweißverbindung vor, so sind erfassbare Veränderungen an der Schweißverbindung feststellbar.
Hervorzuheben ist des Weiteren, dass mit der die fonngebende bzw. prägende Funktion ausübenden Arbeitsfläche der Sonotrode in eine Leiter umgebenden Umhüllende eine Einkerbung geprägt werden kann, insbesondere quer wie senkrecht zur Sonotrodenlängsachse verlaufend.
Erfindungsgemäß besteht die Möglichkeit, in ein und derselben Ultraschallschweißvorrichtung problemlos Litzen kleinerer Querschnitte mit Litzen größerer Querschnitte zu verschweißen, gleichwenn der Querschnitt der Litze kleinsten Querschnitts zum Gesamtquerschnitt des Knotens ein Verhältnis aufweist, das an und für sich eine genaue Prozessüberwachung, insbesondere zur Feststellung der Anzahl der verschweißten Leiter grundsätzlich nicht oder nicht zwingend ermöglicht.
Es kann nach dem Verschweißen der Litzen unterschiedlicher Querschnitte aufgrund eines charakteristischen Parameters des Verdichtungsraums überprüft werden, ob die erforderliche Anzahl von Litzen miteinander verschweißt sind.
Dadurch, dass die Abschnitte der Gegenelektrode - auch Amboss genannt -und/oder der Sonotrode unterschiedliche Strukturen aufweisen können, besteht ohne Weiteres die Möglichkeit, sowohl Durchgangs- als auch Endknoten in ein und derselben Maschine zu schweißen.
Die Abschnitte der Gegenelektrode und gegebenenfalls der Sonotrode können unterschiedliche Profilierungen aufweisen, insbesondere ein feineres und ein gröberes Profil, so dass Litzen kleiner und Litzen großer Querschnitte gleichermaßen fehlerfrei und reproduzierbar zu schweißen sind, ohne dass ein Austausch von Werkzeugen erforderlich ist oder unterschiedliche Ultraschallschweißvorrichtungen zum Einsatz gelangen müssen. Um eine Prozessüberwachung sicherzustellen, sollte der Querschnitt der kleinsten Litze nicht kleiner als z.B. 7% des Querschnitts des Knotens sein. Werden z.B. Litzen eines Querschnitts von 0,13 mm2 benutzt, so dürfte nach einer entsprechenden Regel der Gesamtquerschnitt nicht größer als ca. 1,9 mm2 sein. Erfindungsgemäß können nun mehrere Litzen kleinen Querschnitts, z.B. drei Litzen von jeweils einem Querschnitt von 0,13 mm2, zu einem Zwischenknoten verschweißt werden, so dass infolgedessen der Zwischenknoten mit weiteren Litzen zu einem Knoten eines Querschnitts von ca. 5,6 mm2 verschweißt werden können, ohne dass sich Nachteile bei der Prozessüberwachung ergeben. Zum Schweißen der Litzen kleinen Querschnitts wird sodann ein Abschnitt der Gegenelektrode, die auch Amboss zu nennen ist, mit einer feineren Struktur benutzt Beim Verschweißen mit den Litzen größeren Querschnitts wird sodann ein Abschnitt mit einer gröberen Struktur verwendet.
Um die unterschiedlichen Abschnitte zum Einsatz zu bringen, kann entsprechend der erfindungsgemäßen Lehre von den zueinander verstellbaren Abschnitten derjenige den Verdichtungsraum begrenzen, der die gewünschte Struktur, also Profilierung, aufweist. Dabei besteht auch die Möglichkeit, den jeweiligen Abschnitt in einem Umfang parallel zur Arbeitsfläche der Sonotroden zu verstellen, dass ein Verdichtungsraum gewünschten Querschnitts zur Verfügung steht, der beim Schweißen von Knoten von vier Seiten begrenzt ist.
Die zueinander verstellbaren Abschnitte können nebeneinander oder übereinander angeordnet sein, wobei bei einer Nebeneinanderanordnung der Vorteil gegeben ist, dass die Abschnitte unterschiedlichen jeweils eine Schweißfläche bildenden Bereichen der Sonotrode zugeordnet werden können.
Da die Abschnitte symmetrische und asymmetrische Profile aufweisen können, ergibt sich der Vorteil, dass in Abhängigkeit von dem eingesetzten Profil Endknoten oder Durchgangsknoten gleicher Qualität in ein und derselben Maschine geschweißt werden können. Dabei kann ein asymmetrisches Profil für Endknoten und ein symmetrisches Profil für Durchgangsknoten benutzt werden. Asymmetrisch bedeutet, dass eingangsseitig des Verdichtungsraums von der Arbeitsfläche der Gegenelektrode eine im Schnitt bogenförmige Erhebung ausgeht, die sich in Richtung der Sonotrode erstreckt. Sodann schließen sich Erhebungen und Vertiefungen an. Bei einem symmetrischen Profil gehen von der Arbeitsfläche des Ambosses sowohl verdichtungsraumeingangsseitig als auch -ausgangsseitig entsprechende bogenförmige Erhebungen aus. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, End- und Durchgangsknoten mit symmetrischem Profil zu schweißen.
Insbesondere dann, wenn auch Endknoten zu schweißen sind, kann nach einem hervorzuhebenden Vorschlag der Erfindung eine gestufte Sonotrode zum Einsatz gelangen, so dass die Stufe selbst als Anschlag für die Enden der zu schweißenden Litzen dient. Die Sonotrode weist somit zwei durch die Stufe getrennte Schweißbereiche auf, von denen einer für das Schweißen von Endknoten und der andere für das Schweißen für Durchgangsknoten ausgelegt sein kann. Jedem der Bereiche ist eine der zueinander verstellbaren Abschnitte der Gegenelektrode zugeordnet.
Problemlos kann ein sogenanntes Doppelschweißen durchgeführt werden, wobei ein erster Knoten mit einem Querschnitt von z.B. 3 x 4 mm2 geschweißt wird, der als Zwischenknoten dient, um sodann mit diesem weitere Litzen oder einen weiteren Zwischenknoten zu schweißen.
Zumindest eine Arbeitsfläche der Gegenelektrode kann eine formgebende Geometrie aufweisen, um z.B. Leitungen rund zu schweißen. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, eine Arbeitsfläche derart geometrisch zu gestalten, dass eine Crimp- oder Schneidfunktion erzielbar ist.
Entsprechend kann die Sonotrode neben der Schweißfläche einen Abschnitt aufweisen, der z.B. zur mechanischen Formgebung bzw. Prägung einer Leiter umgebenden Umhüllenden, wie Rohrkabelschuh, dient. Hierzu ist insbesondere ein kämm- oder wulstartiger Abschnitt der Sonotrode vorgesehen, der benachbart zur Schweißfläche verläuft, um beim Schweißen von Litzen gleichzeitig in einer Umhüllende, z.B. in einem Kabelschuh, eine Vertiefung einzuformen, durch die eine hohe mechanische Festigkeit der Verbindung zwischen der Umhüllenden, wie dem Kabelschuh, und den elektrischen Leitern erzielt wird. Dabei sollte der die Vertiefung bzw. Einkerbung erzeugende Bereich, also der im Schnitt insbesondere eine Bogenform aufweisende kämm- oder wulstartige Abschnitt, senkrecht zur Längsachse der in Längsachsenrichtung erregbaren Sonotrode verlaufen, ohne dass dies ein zwingendes Merkmal ist. Vielmehr könnte auch in Abhängigkeit von dem Anwendungsbereich ein paralleler Verlauf gewählt werden.
Gleichermaßen kann eine Torsionssonotrode zum Einsatz gelangen. Mit dem kämm- oder wulstartigen Abschnitt erfolgt auch ein Schweißen.
Eine Ultraschallmetallschweißvorrichtung zuvor beschriebener Art zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Gegenelektrode Abschnitte mit geometrisch voneinander abweichenden Arbeitsflächen aufweist oder aus zumindest zwei zueinander verstellbaren Abschnitten besteht und die Sonotrode zumindest eine Arbeitsfläche als Schweißfläche aufweist oder
dass die Gegenelektrode Abschnitte mit geometrisch voneinander abweichenden Arbeitsflächen aufweist oder aus zumindest zwei zueinander verstellbaren Abschnitten besteht und/oder die Sonotrode zumindest zwei anein andergrenz ende oder benachbarte Arbeitsflächen mit geometrisch voneinander abweichenden Schweißflächen oder eine Arbeitsfläche als Schweißfläche und eine Arbeitsfläche mit ergänzender formgebender bzw. prägender Funktion aufweist. Dabei besteht auch die Möglichkeit, dass eine der Arbeitsflächen der Gegenelektrode als weitere Funktion z.B. eine Crimp- oder Schneidfunktion oder eine Funktion zum Prüfen der Festigkeit einer Schweißverbindung ausübt. Hierzu kann von der Arbeitsfläche z. B. ein spitz zulaufender Vorsprung ausgehen, der auf die Schweißverbindung mit vorgegebener Prüfkraft einwirkt.
In Weiterbildung sieht die Erfindung vor, dass die Gegenelektrode zumindest zwei parallel zueinander und parallel zur Arbeitsfläche der Sonotrode verstellbare Abschnitte aufweist, die wahlweise der Arbeitsfläche oder einer der Arbeitsflächen der Sonotrode zugeordnet werden können. Im Fall eines peripher verschlossenen Verdichtungsraums wird dieser von dem Abschnitt der Gegenelektrode begrenzt.
Dabei können die zwei Abschnitte über- oder nebeneinander angeordnet sein. Auch können die Abschnitte teleskopartig zueinander verstellbar sein.
Die verstellbaren Abschnitte selbst sollten über getrennte Antriebsmittel wie Zylinder betätigt werden. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Arbeitsflächen zumindest der Gegenelektrode voneinander abweichende Profilierungen aufweisen, wobei im Bezug auf eine senkrecht zu der jeweiligen Arbeitsfläche verlaufende und diese mittig in Längsrichtung des Verdichtungsraums schneidende Ebene vorzugsweise eine der Profilierungen symmetrisch und die andere unsymmetrisch ausgebildet ist oder beide symmetrisch oder unsymmetrisch ausgebildet sind, jedoch voneinander abweichende Strukturierungen aufweisen.
Eigenerfinderisch für sich, ggfs. in Kombination mit zuvor beschriebenen Merkmalen, und schutzbegründend ist die Möglichkeit, dass die Sonotrode zwei Schwedßflächen aufweist, die sich in höhenmäßig zueinander beabstandet en und parallel zueinander verlaufenden Ebenen erstrecken. Bei einem Längsschwinger als Sonotrode, die entlang ihrer Längsachse in Schwingung versetzt wird, verlaufen die Schweißflächen demzufolge nebeneinander.
Um zusätzlich formgebende bzw. prägende Funktionen auszuüben, ist vorgesehen, dass eine der Arbeitsflächen der Sonotrode eine kämm- oder wulstartige Geometrie aufweist, deren Ers treckung parallel oder senkrecht zur Sonotrodenlängsachse verläuft. Dies gilt insbesondere für das Schweißen und Formgeben von Rohrkabelschuhen.
Ein Ultraschallschweißwerkzeug in Form einer Sonotrode zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Sonotrode zwei Schweißflächen aufweist, die sich in höhenmäßig zueinander beabstandeten und parallel zueinander verlaufenden Ebenen erstrecken und aneinander grenzen.
Zur Erzielung weiterer Funktionen ist insbesondere vorgesehen, dass eine der Arbeitsflächen eine kämm- oder wulstartige Geometrie aufweist, deren Erstreckung parallel oder senkrecht zur Sonotrodenlängsachse verläuft.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei der zum Schweißen und/oder Verformen von elektrischen Leitern die Gegenelektrode eine einzige Arbeitsfläche und die Sonotrode zumindest zwei Arbeitsflächen aufweist, wie dieses zuvor erläutert worden ist.
Somit zeichnet sich die Erfindung auch aus durch ein Verfahren zum Schweißen und/oder Verformen von elektrischen Leitern und/oder diese umgebender Umhüllenden, wie Rohrkabelschuh, mit einem zumindest in Höhe, vorzugsweise in Höhe und Breite, verstellbaren Verdichtungsraum, der in gegenüberliegenden Seiten von einem Abschnitt einer Sonotrode als erste Begrenzungsfläche und von zumindest einem Abschnitt einer Gegenelektrode als zweite Begrenzungsfläche und vorzugsweise in den verbleibenden Seiten von einer von einem Abschnitt eines Seitenschiebers als dritte Begrenzungsfläche und von einem Abschnitt eines Begrenzungselements als vierte Begrenzungsfläche begrenzt ist, wobei zum Schweißen die Gegenelektrode und die Sonotrode relativ zueinander verstellt werden, wobei als Sonotrode eine solche verwendet wird, die zumindest zwei aneinandergrenzende oder benachbarte Arbeitsflächen mit geometrisch voneinander abweichenden Schweißflächen oder zumindest eine Schweißfläche als Arbeitsfläche und eine Arbeitsfläche mit prägender oder formgebender Funktion aufweist. Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausfuhrungsbeispielen. Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Ultraschallschweißanlage,
Fig. 2 einen Ausschnitt einer Ultraschallschweißvorrichtung mit geöffnetem
Verdichtungsraum,
Fig. 3 die Ultraschallschwdßvorrichtung gemäß Fig. 2 mit einem ersten Abschnitt einer Gegenelektrode bei geschlossenem Verdichtungsraum,
Fig. 4 die Ultraschallschweißvorrichtung nach Fig. 2 mit einem zweiten Abschnitt der Gegenelektrode bei geschlossenem Verdichtungsraum, Fig. 5 eine Prinzipdarstellung eines zweiten Ausfuhrungsbeispiels einer
Gegenelektrode,
Fig. 6 eine Prinzipskizze einer dritten Ausführungsform einer Gegenelektrode, Fig. 7a-7c eine Prinzipskizze einer vierten Ausführungsform einer Gegenelektrode,
Fig. 8 eine Prinzipdarstellung einer zweiten Ausfuhrungsfbrm einer Sonotrode,
Fig. 9 eine dritte Ausführungsform einer Sonotrode,
Fig. 10 eine vierte Ausführungsform einer Sonotrode,
Fig. 11 a-11 d Litzen unterschiedlicher Querschnitte und Knotenpunkte dieser und Fig. 12a, 12b zu einem Endknoten verschweißte Litzen.
In Fig. 1 ist rein prinzipiell eine Anlage dargestellt, mit der Litzen mittels Ultraschall verschweißt werden. Die Anordnung umfasst eine Ultraschallmetallschweißvorrichtung oder -maschine 110, die in gewohnter Weise einen Konverter 112, ggfs. einen Booster 114 sowie eine Sonotrode 116 umfasst. Der Sonotrode 116 bzw. einer Arbeitsfläche dieser sind eine Gegenelektrode 118, eine Tuschierplatte 119 sowie ein Seitenschieber 120 zugeordnet, wie dies der DE 37 19 083 C1 oder der WO 95/10866 AI oder der DE 44 29 684 A1 zu entnehmen ist, auf deren Offenbarungen ausdrücklich verwiesen wird. Die in Richtung ihrer Längsachse in Schwingung versetzbare Sonotrode 116 bzw. deren Arbeitsoder Schweißfläche, die Gegenelektrode 118, ein als Tuschierplatte bezeichnetes Begrenzungselement 119, das als Einheit mit der Gegenelektrode 118 verstellbar und zu dem die Gegenelektrode 118 in Richtung des Seitenschiebers 120 verschiebbar ist, sowie der Seitenschieber 120 begrenzen einen im Querschnitt verstellbaren Verdichtungsraum, der in den Fig. 2 bis 4 mit dem Bezugszeichen 42 versehen ist und in den zu verschweißende Litzen eingelegt werden.
Der Konverter 112 ist über eine Leitung 122 mit einem Generator 124 verbunden, der seinerseits über eine Leitung 126 zu einem PC 128 führt. Über diesen wird der Schweißprozess gesteuert bzw. geregelt. Ferner können Schweißparameter bzw. Querschnitt bzw. Breite der Litzen eingegeben werden. Auch können entsprechend abgespeicherte Werte abgerufen werden.
Ferner können nicht dargestellte Wegnehmer vorgesehen sein, über die Höhe und/oder Breite des Verdichtungsraums vor oder nach Durchführung einer Schweißung ermittelt wird. Die Werte ermöglichen Rückschlüsse über die Anzahl der kompaktierten und verschweißten Litzen. Somit kann eine Prozesskontrolle durchgeführt werden. Anstelle einer oder mehrerer Wegnehmer zur Ermittlung der Höhe und Breite und damit des Querschnitts des Verdichtungsraums können auch andere Sensoren benutzt werden oder andere Maßnahmen zur Anwendung gelangen, um in bekannter Weise Rückschlüsse über die Anzahl der verschweißten Litzen ziehen zu können.
Um z. B. bei Kabelbäumen Litzen unterschiedlicher Querschnitte prozesssicher und in Bezug auf die Anzahl überprüfbar verschweißen zu können, ist unter Berücksichtigung der Darstellung in Fig. 11 vorgesehen, dass zunächst Litzen 12, 14, 16, die in ihren abisolierten Bereichen 18, 20, 22 mit abisolierten Bereichen 24, 26 weiterer Litzen 28, 30 größeren Querschnitts zu z. B. einem End- oder Durchgangsknoten 32 stoffschlüssig verbunden werden sollen, zunächst untereinander verschweißt werden. Dies zeigt ein Vergleich der Fig. I Ia und I Ib. So werden zunächst die blanken Enden 18, 20, 22 zu einem ersten Knoten 34 oder Zwischenknoten verschweißt, der in erheblichem Abstand zur Isolierung 36, 38, 40 der Litzen 12, 14, 16 verläuft, um mechanische Belastungen zu vermeiden, die möglicherweise zu Beschädigungen der Drähte der einzelnen Litzen 18, 20, 22 führen könnten. Die Litzen 12, 14, 16, d. h. deren jeweiligen Drähte oder Adern im Bereich der blanken Enden 18, 20, 22 können z. B. jeweils einen Querschnitt von 0,13 mm2 aufweisen, ohne dass hierdurch eine Beschränkung der erfindungsgemäßen Lehre erfolgt. Würden diesbezügliche Litzen unmittelbar, also unter Umgehung des Zwischenknotens 34 mit den Litzen 28, 30 größeren Querschnitts, z. B. Querschnitten von 0,35 mm2, verschweißt werden, so könnte nicht reproduzierbar aus Messwerten der Höhe und/oder Breite des Verdichtungsraums bzw. eines sonstigen charakteristischen Parameters des Verdichtungsraums festgestellt werden, ob die für ein ordnungsgemäßes Verschalten z. B. eines Kabelbaums erforderliche Anzahl von Litzen unterschiedlicher Querschnitte miteinander verschweißt sind. Dieser Nachteil wird dadurch umgangen, dass zunächst der Zwischenknoten 34, dessen Litzen einem Gesamtquerschnitt von 0,39 mm2 aufweisen, und sodann dieser mit den blanken Enden 24, 26 der Litzen 28, 30 zu dem Knoten 32 verschweißt werden, der prinzipiell in der Fig. 1 ld dargestellt ist.
Durch diesbezügliche Dimensionierungen beträgt der Querschnitt des Zwischenknotens mehr als 7% des Gesamtquerschnitts und erfüllt somit Vorgaben einschlägiger Industriezweige.
Um den Zwischenknoten 34 in ein und derselben Ultraschallschweißvorrichtung wie den Endknoten 32 schweißen zu können, wird nach der erfindungsgemäßen Lehre die Gegenelektrode der prinzipiell in Fig. 1 dargestellten Ultraschallschweißvorrichtung 110 derart ausgebildet, dass zwei Abschnitte mit jeweils einer Arbeitsfläche unterschiedlicher Dimensionierung und/oder Strukturierung zur Verfügung stehen, um wahlweise den Zwischenknoten 34 bzw. den Endknoten 32 schweißen zu können. Anstelle eines Endknotens könnte auch ein Durchgangsknoten geschweißt werden. Dies soll anhand der Fig. 2 bis 4 verdeutlicht werden. Diesen ist ein Ausschnitt einer der Fig. 1 entsprechenden Ultraschallschweißvorrichtung zu entnehmen.
In Fig. 2 ist die Ultraschallschweißvorrichtung mit geöffnetem Verdichtungsraum 42 dargestellt, der von einer ersten Begrenzungsfläche 44 einer Sonotrode 46 begrenzt wird, die in Bezug auf den Sonotrodenkopf einen Aufbau aufweist, wie dieser in der EP 1 680 254 Bl beschrieben ist, auf deren Offenbarung ausdrücklich Bezug genommen wird. Gegenüberliegend zu der ersten Begrenzungsfläche 44 der als Längsschwinger ausgebildeten Sonotrode 46 wird der Verdichtungsraum 42 dann, wenn dieser geschlossen ist, von einer zweiten Begrenzungsfläche 48 oder 50 begrenzt, die von einem ersten Abschnitt 52 oder einem zweiten Abschnitt 54 einer der Sonotrode 46 zugeordneten Gegenelektrode 56 gebildet wird. Auf die Abschnitte 52, 54 der nachstehend auch als Amboss 56 bezeichneten Gegenelektrode wird nachfolgend näher eingegangen.
Eine dritte Begrenzungsfläche 58 des Verdichtungsraums 42 wird durch einen Seitenschieber 60 gebildet. Die der dritten Begrenzungsfläche 58 gegenüberliegende Begrenzungsfläche 62 des Verdichtungsraums 42 wird von einem als Tuschierplatte 64 zu bezeichnenden Begrenzungselement gebildet. Die Tuschierplatte 64 wird in der Zeichnung als Einheit mit dem Amboss 56 vertikal, also senkrecht zur ersten Begrenzungsfläche 44 und mit geringem Spalt entlang des Kopfes der Sonotrode 46 verstellt, wie dies aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt ist.
Der Verdichtungsraum 42 weist einen rechteckigen Querschnitt mit offenen Stirnseiten auf, die von der Längsachse des Verdichtungsraums 42 durchsetzt werden. Die Gegenelektrode 56 besteht erfindungsgemäß aus einem ersten oder unteren Abschnitt 54 und einem zweiten oder oberen Abschnitt 52, die bei Nutzung quer zu der Längsachse des Verdichtungsraums 42 voneinander abweichende Breiten aufweisen können. Somit besteht die Möglichkeit, problemlos Litzen unterschiedlicher Querschnitte zu verschweißen. Dabei weist die Arbeitsfläche 50 des ersten Abschnitts 54 eine geringere Breite und somit geringere Erstreckung quer zur Längsachse des Verdichtungsraums 42 und somit der Längsachse der Sonotrode 46 als die Arbeitsfläche 48 des zweiten Abschnitts 52 auf. Hierzu weist der erste Abschnitt 54 einen Vorsprung auf, der im Schnitt parallel zur Begrenzungsfläche 44 eine Rechteckform aufweist und der als Schweißfläche oder Arbeitsfläche dienenden ersten Begrenzungsfläche 44 der Sonotrode 46 zugewandt ist. Die parallel zu der ersten Begrenzungsfläche 44 verlaufende Fläche des Vorsprungs 66 (Abschnitt 54 der Gegenelektrode 56) bildet somit die erste Arbeitsfläche 50 des Ambosses 56. Mit der ersten Arbeitsfläche 50 werden die Litzen 12, 14, 16, also deren blanken Enden 28, 30, 32 zu dem Zwischenknoten 34 verschweißt, wenn entsprechend der Darstellung der Fig. 4 in den Verdichtungsraum 42 die nicht dargestellten Litzenenden 18, 20, 22 eingebracht und der Verdichtungsraum 42 umfangsseitig geschlossen ist. Sodann wird der Amboss 56 in Richtung der Sonotrode 46, also der ersten Begrenzungsfläche 44 des Verdichtungsraums 42 verstellt, um bei in Längsrichtung, also in Längsschwingung erregter Sonotrode 46 und gleichzeitiger Kraftbeaufschlagung auf die Litzen 12, 14, 16 über den Amboss 56 diese zu dem Zwischenknoten 34 zu schweißen. Die Schweißfläche der Sonotrode 46 befindet sich im Schwingungsbauch. Vor Schließen des Verdichtungsraums 42 ist der Seitenschieber 60 im erforderlichen Umfang in Richtung der Tuschierplatte 64, also der vierten Begrenzungsfläche 62 verstellt worden, wie dies bei in Höhe und Breite verstellbaren Verdichtungsräumen bei UltraschallmetaUschweißvorrichtungen hinlänglich bekannt ist.
Die Litzen 12, 14, 16 oder mehrere entsprechende Litzeneinheiten, die ebenfalls zu Zwischenknoten verschweißt sind, werden sodann mit weiteren Litzen größerer Querschnitte, also im Ausführungsbeispiel mit den Litzen 28, 30, in den erneut geöffneten Verdichtungsraum 42 derselben Ultraschallschweißvorrichtung eingelegt, um bei zurückgefahrenem ersten Abschnitt 54 den Knoten 32 gemäß Fig. lOd zu schweißen. Das Schließen des Verdichtungsraums erfolgt entsprechend der zuvor erfolgten Erläuterungen, wobei der erste Abschnitt 54 mit seiner Stirnfläche 68 fluchtend zu der vierten Begrenzungsfläche 62 verläuft, wie sich aus der Fig. 3 ergibt. Die Stirnfläche 68 bildet in diesem Fall die vierte Begrenzungsfläche. Die über der Stirnfläche 68 vorstehende Arbeitsfläche 48 des zweiten Abschnitts 52 ist somit wirksame Arbeitsfläche beim Schweißen.
Anstelle mehrerer Litzen großen Querschnitts können auch eine oder mehrere Litzeneinheiten oder Zwischenknoten benutzt werden.
Erfindungsgemäß wird folglich ein Verdichtungsraum 42 zur Verfügung gestellt, der wahlweise über einen der Abschnitte 52, 54 des Ambosses 56 verschließbar ist, wobei die Abschnitte 52, 54 voneinander abweichende Arbeitsflächen 48, 50 aufweisen, um entsprechend den Querschnitten der zu verschweißenden Litzen ein ordnungsgemäßes zu Beschädigungen der Drähte der Litzen nicht führendes stoffschlüssiges Verbinden zu ermöglichen. Dabei wird der Zwischenknoten 34 entsprechend der Darstellung gemäß Fig. I Ia, IIb im Abstand zu der Isolierung 36, 38, 40 gebildet, um mechanische Belastungen der freigelegten Adern im Übergangsbereich zu den Isolierungen 36, 38, 40 zu vermeiden, die anderenfalls zu Brüchen fuhren könnten.
Voneinander abweichende Arbeitsflächen schließt unterschiedliche Profilierungen oder unterschiedliche flächige Erstreckungen oder beides ein.
Sind entsprechend der Darstellung der Fig. 2 bis 4 die von den Abschnitten 52, 54 ausgehenden Arbeitsflächen 48, 50 parallel zu der die erste Begrenzungsfläche 44 des Verdichtungsraums 42 bildenden Arbeits- oder Schweißfläche der Sonotrode 46 ausgerichtet, so kann ein Abschnitt einer aus mehreren Abschnitten bestehenden Gegenelektrode auch eine hiervon abweichende Geometrie aufweisen. Dies soll anhand der Fig. 12a, 12b verdeutlicht werden. So werden entsprechend der Fig. 12a die freien Enden von Litzen 72, 74, 76 zu einem Endknoten 70 verschweißt, um sodann in diesen eine Einkerbung 78 einzubringen, um die Festigkeit zu erhöhen. Dies kann durch den unteren oder ersten Abschnitt 54 ermöglicht werden, dessen der Sonotrode 46 zugewandter Seite einen Vorsprung mit im Schnitt Kreisabschmttsgeometrie aufweist, um somit eine im Schnitt bogenförmige Einkerbung 78 in dem Endknoten 70 zu prägen, der quer zur Längsrichtung der Litzen 72, 74, 76 verläuft. Die Abschnitte 52, 54 sind quasi als Schieber ausgebildet, die parallel zueinander und parallel zur ersten Begrenzungsfläche 44, die von der Sonotrode 46 zur Verfugung gestellt wird, verstellbar sind. Dabei kann der untere Abschnitt 54 geführt von der Tuschierplatte 64 aufgenommen sein. Soll mit dem ersten Abschnitt 54 verschweißt bzw. eine Formgebung durchgeführt werden, so werden bevorzugterweise der erste und der zweite Abschnitt 54, 52 als Einheit verstellt, wie sich dies aus Fig. 4 ergibt.
Wurde anhand der Ausführungsbeispiele erläutert, dass die Arbeitsflächen der Abschnitte 52, 54 voneinander abweichen, so wird die Erfindung selbstverständlich auch dann nicht verlassen, wenn die Arbeitsflächen gleiche Geometrien bzw. Erstreckungen aufweisen.
Sind nach dem Ausfiihrungsbeispiel die Fig. 2 - 4 die Abschnitte 52, 54 des Ambosses 56 übereinander angeordnet, so besteht ohne Weiteres auch die Möglichkeit, Abschnitte nebeneinander anzuordnen, wie dies rein beispielhaft der Fig. 5 zu entnehmen ist. So weist die Gegenelektrode, also der Amboss 156 einen ersten Abschnitt 152 und einen zweiten Abschnitt 154 auf, die in einer Ebene verstellbar sind. Die Abschnitte 152, 154 können verdichtungsraumseitig unterschiedliche Profile aufweisen, die zum Schweißen eines End- oder Durchgangsknoten bestimmt sind.
Im Ausführungsbeispiel weist der Abschnitt 152 des Ambosses 156 eine symmetrische Profilierung auf, d.h., die Struktur der Arbeitsfläche 158 ist symmetrisch zu einer Ebene 160 ausgebildet, die senkrecht die Arbeitsfläche 158 und mittig zwischen den Seitenflächen 172, 174 des Abschnitts 152 verlaufen. Demgegenüber besitzt der Abschnitt 154 eine Arbeitsfläche 176, die asymmetrisch ist und somit zum Schweißen von Endknoten bestimmt ist.
Der Fig. 6 ist eine weitere Ausfuhrungsform eines Ambosses 256 zu entnehmen, der aus einem ersten Abschnitt 252 und einem zweiten Abschnitt 254 besteht, der teleskopartig zu dem ersten Abschnitt 252 verstellbar ist, also in diesen hinein- bzw. aus diesem herausfahrbar ist. Die in der Zeichnung dargestellten Unterseiten 258, 260 der Abschnitte 252, 254 bilden die Arbeitsflächen.
In den Fig. 7a-7c ist eine weitere Ausfuhrungsform einer Gegenelektrode 356 dargestellt, die derart ausgebildet ist, dass die Möglichkeit der Überprüfung der Güte einer Schweißverbindung gegeben ist. Hierzu weist die Gegenelektrode 356 einen Abschnitt 358 auf, der insbesondere teleskopartig zu dem Grundkörper 360 der Gegenelektrode verschiebbar ist und an seiner Unterseite 362, die der Schweißfläche der Sonotrode 346 zugewandt ist, einen Vorsprung 364 aufweist, der im Ausführungsbeispiel spitz zulaufend ausgebildet ist. Der Vorsprung 364 kann nunmehr auf eine auf einer Fläche einer Sonotrode platzierte Schweißverbindung aufsetzen und mit vorgegebenem Prüfkraft auf die Schweißverbindung einwirken. In Abhängigkeit von erfassbaren Veränderungen der Schweißverbindung kann sodann beurteilt werden, ob die Schweißverbindung ordnungsgemäß oder fehlerhaft ist. Der Grundkörper 360 selbst kann wiederum mit seiner Unterseite 368 als Arbeitsfläche bei durchzuführenden Schweißungen dienen.
Nicht nur die Gegenelektrode bzw. der Amboss kann mehrere Abschnitte unterschiedlicher Gestaltungen bzw. Geometrien aufweisen, sondern auch die Sonotrode. Dies sei anhand der Fig. 8 ~ 10 erläutert. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 8 ist im Ausschnitt eine als Längsschwinger ausgebildete Sonotrode 146 rein prinzipiell dargestellt, bei der in ihrem die Schweißfläche aufweisenden Sonotrodenkopf zwei Abschnitte 148, 150 ausgebildet sind, die über eine Stufe 166 voneinander getrennt sind. Die Abschnitte 148, 150 stellen Arbeitsflächen 162, 164 zur Verfügung, die beabstandet zueinander sind und sich in parallel verlaufenden Ebenen erstrecken. Dabei weist die Arbeits- oder Schweißfläche 162 des Abschnitts 148 eine symmetrische Profilierung und die Arbeitsfläche 164 des Abschnitts 150 eine asymmetrische Profilierung auf, wie durch die Wellenstruktur verdeutlicht wird. Die zwischen den Arbeitsflächen 162, 164 verlaufende Stufe 166 kann dabei als Anschlag für Litzenenden dienen, die mittels der asymmetrischen Profilierung der Arbeitsfläche bzw. Schweißfläche 154 verschweißt werden sollen.
Die Abschnitte 148, 150 und damit die Arbeitsflächen 162, 164 grenzen aneinander in Längsrichtung der Sonotrode 146.
Soll ein Durchgangsknoten geschweißt werden, so wird die Schweiß- oder Arbeitsfläche 162 benutzt, auf die bei Zuordnung des Ambosses 156 gemäß Fig. 5 der Abschnitt 152 ausgerichtet werden würde. Demgegenüber wird der Abschnitt 154 benutzt, wenn mittels der Arbeitsfläche 164 ein Endknoten geschweißt werden soll.
Anzumerken ist allerdings, dass auch ein Endknoten mit einem symmetrischen Profil geschweißt werden kann. Der Fig. 9 ist eine weitere Ausführungsform einer Sonotrode 246 zu entnehmen, die kopfseitig zwei Abschnitte 248, 250 aufweist. Der Abschnitt 248 besitzt eine Arbeitsfläche 254, die als Schweißfläche ausgebildet ist und eine gewünschte Profilierung aufweist. Der Abschnitt 250 weist eine kämm- oder wulstartige Geometrie auf, also im Schnitt eine Bogenform, um z.B. während des Schweißens von Litzen gleichzeitig in einer diese umgebenden Umhüllenden wie Rohrkabelschuh während des Schweißens eine Einkerbung einzuprägen, um die mechanische Festigkeit zu erhöhen. Der entsprechende Abschnitt 250 verläuft bei dem Ausfuhrungsbeispiel der Fig. 8 senkrecht zur Längsachse der Sonotrode 256. Eine Sonotrode 346 nach dem Ausfuhrungsbeispiel der Fig. 10 weist einen ersten Abschnitt 348 mit zum Schweißen bestimmter Arbeitsfläche 354 und einen zum Schweißen und Prägen bestimmten zweiten Abschnitt 350 auf, um also entsprechend der Fig. 9 z.B. eine Einkerbung in eine metallische Umhüllende wie Rohrkabelschuh einzuprägen. Dabei erstreckt sich die Längsachse des wulst- oder kammartigen Abschnitts 350 in Längsachsenrichtung der Sonotrode 346.
Auf Grund der erfindungsgemäßen Lehre wird eine Ultraschallmetallschweißanlage, insbesondere in Form einer Litzenschweißmaschine, zur Verfügung gestellt, die einen mehrteiligen Amboss aufweist, wobei derjenige Abschnitt verwendet wird, der für den vorgesehenen Schweißprozess optimiert ist. Die Abschnitte des Ambosses können dabei übereinander, nebeneinander oder ineinander angeordnet sein. Die Arbeitsflächen der Abschnitte können profiliert sein oder Geometrien aufweisen, um zusätzlich Funktionen wie Crimpen oder Schneiden oder Prüfungen von Schweißverbindungen durchzuführen.
Auch besteht die Möglichkeit, Sonotroden mit mehrere Arbeitsflächen bildenden Abschnitten auszubilden, wobei mit demjenigen Abschnitt geschweißt wird, der für den Schweißprozess optimal geeignet ist. Auch kann eine Arbeitsfläche zur Formgebung wie Prägen ausgebildet sein.
Auf Grund der erfindungsgemäßen Lehre können Knoten mit ein und derselben Maschine geschweißt werden, die ansonsten nicht oder erst nach Austausch von Werkzeugen oder dann, wenn nacheinander verschiedene Schweißmaschinen benutzt werden, herstellbar wären.
Es besteht die Möglichkeit einer Optimierung von Knoteneigenschaften.
Es können gestufte Sonotroden zum Einsatz gelangen, wobei ein Abschnitt der Sonotrode beim Schweißen von Endknoten und der andere Abschnitt beim Schweißen von Durchgangsknoten eingesetzt wird. Eine zwischen den Abschnitten verlaufende Stufe kann zusätzlich als Anschlag von zu verschweißenden Leitern zu einem Endknoten benutzt werden. Es besteht auch die Möglichkeit, beim Schweißen von Endknoten oder Durchgangsknoten sicherzustellen, dass die ansonsten häufig vorhandenen nach dem Ultraschallschweißen nicht verschweißten Leitungsenden bzw. abstehende Einzeladern zumindest zusätzlich angedrückt werden. So kann mit einem ersten Abschnitt der Endknoten bzw. Durchgangsknoten selbst geschweißt werden, um sodann mit dem anderen Abschnitt die Leitungsenden zumindest anzudrücken.
Sind bevorzugterweise die Abschnitte der Gegenelektrode zueinander verstellbar, so wird die Erfindung auch dann nicht verlassen, wenn eine Gegenelektrode zumindest zwei eine Einheit bildende Abschnitte aufweist, die voneinander abweichende Arbeitsflächen aufweisen, wobei eine Arbeitsfläche insbesondere zum Schweißen und die andere Arbeitsfläche zur Formgebung benutzt werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Schweißen und/oder Verformen von elektrischen Leitern (18, 20, 22, 24, 26) und/oder diese umgebender Umhüllenden, wie Rohrkabelschuh, mit einem zumindest in Höhe, vorzugsweise in Höhe und Breite, verstellbaren Verdichtungsraum (42), der in gegenüberliegenden Seiten von einem Abschnitt einer Sonotrode (46, 146, 246, 346) als erste Begrenzungsfläche (44) und von zumindest einem Abschnitt einer Gegenelektrode (56, 156, 256, 356) als zweite Begrenzungsfläche (48, 50) und vorzugsweise in den verbleibenden Seiten von einer von einem Abschnitt eines Seitenschiebers (60) als dritte Begrenzungsfläche (58) und von einem Abschnitt eines Begrenzungselements (64) als vierte Begrenzungsfläche (62) begrenzt ist, wobei zum Schweißen die Gegenelektrode und die Sonotrode relativ zueinander verstellt werden,
d a d u r c h g e k e n n z e i ch n e t,
dass als Gegenelektrode (56, 156, 256) eine solche verwendet wird, die Abschnitte von geometrisch voneinander abweichenden Arbeitsflächen aufweist oder aus zumindest zwei zueinander verstellbaren Abschnitten (52, 54, 152, 154, 252, 254) besteht, und als Sonotrode (46, 146, 246, 346) eine solche aus der Gruppe verwendet wird, die eine Arbeitsfläche als Schweißfläche (44), zumindest zwei aneinandergrenzende oder benachbarte Arbeitsflächen mit geometrisch voneinander abweichenden Schweißflächen (162, 164), zumindest eine Schweißfläche (254, 354) als Arbeitsfläche und eine Arbeitsfläche (250, 350) mit prägender oder formgebender Funktion aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Abhängigkeit von den zu verschweißenden elektrischen Leitern (18, 20, 22, 24, 26) der Abschnitt (52, 54, 152, 154, 252, 254) der Gegenelektrode (56, 156, 256) oder die Schweißfläche (44, 254, 354) der Sonotrode (46, 146, 246, 346) oder sowohl der Abschnitt des Ambosses als auch die Schweißfläche ausgewählt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass in einem ersten Schweißvorgang mit einem ersten Abschnitt (54) der Gegenelektrode (56) elektrische Leiter (18, 20, 22) zu einem Zwischenknoten (34) verschweißt werden und dass in einem zweiten Schweißvorgang der Zwischenknoten mit zumindest einem weiteren Leiter (24, 26) und/oder einem weiteren Zwischenknoten zu einem Knoten (70) verschweißt werden, wobei beim zweiten Schweißvorgang ein vom ersten Abschnitt abweichender zweiter Abschnitt (52) der Gegenelektrode benutzt wird und/oder eine Schweißfläche oder ein Schweißflächenbereich benutzt wird, die von der beim ersten Schweißvorgang unterschiedlich ist.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei unveränderter Position des Zwischenknotens (34) dieser mit dem weiteren Leiter (24, 26) und/oder dem weiteren Zwischenknoten unter Benutzung des zweiten Abschnitts (52) der Gegenelektrode (56, 256) verschweißt wird.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass in einem ersten Schweißvorgang erste Leiter (18, 20, 22) mittels eines ersten Abschnitts (54) der Gegenelektrode (56) zu einem Endknoten (34) verschweißt werden, der sodann unter Verwendung eines von dem ersten Abschnitt abweichenden zweiten Abschnitts (52) der Gegenelektrode geschweißt und/oder verformt wird.
6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass mit einem ersten Abschnitt (154) der Gegenelektrode (156) Leiter zu einem Endknoten und mit einem zweiten Abschnitt (152) der Gegenelektrode Leiter zu einem Durchgangsknoten verschweißt werden.
7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass mittels einer der Arbeitsflächen der Gegenelektrode gecrimpt oder geschnitten wird.
8. Verfahren nach zumindest Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass mit einem Abschnitt (358) die Gegenelektrode (356) eine Schweißverbindungsprüfung durchgeführt wird.
9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet,
dass mit der die formgebende bzw. prägende Funktion aufweisenden Arbeitsfläche (250, 350) der Sonotrode (246, 346) in eine Leiter umgebende Umhüllende, wie Rohrkabelschuh, eine Einkerbung geprägt wird, insbesondere quer wie senkrecht zur Sonotrodenlängsachse verlaufend.
10. Ultraschallmetallschweißvorrichtung mit einem, vorzugsweise in Höhe und Breite, verstellbaren Verdichtungsraum (42), der in gegenüberliegenden Seiten von einem Abschnitt einer Sonotrode (46, 146, 246, 346) als erste Begrenzungsfläche (44) und von zumindest einem Abschnitt einer Gegenelektrode (56, 156, 256, 356) als zweite Begrenzungsfläche und gegebenenfalls in den verbleibenden Seiten von einer von einem Abschnitt eines Seitenschiebers (60) als dritte Begrenzungsfläche (58) und von einem Abschnitt eines Begrenzungselementes (64) als vierte Begrenzungsfläche (62) begrenzt ist, wobei zum Schließen bzw. Öffnen des Verdichtungsraums eine Relativbewegung zwischen der Gegenelektrode und der Sonotrode erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (56, 156, 256) Abschnitte mit geometrisch voneinander abweichenden Arbeitsflächen aufweist oder aus zumindest zwei zueinander verstellbaren Abschnitten (52, 54, 152, 154, 252, 254) besteht und die Sonotrode (46) eine Arbeitsfläche als Schweißfläche aufweist oder dass die Gegenelektrode (56, 156, 256) Abschnitte mit geometrisch voneinander abweichenden Arbeitsflächen aufweist oder aus zumindest zwei zueinander verstellbaren Abschnitten (52, 54, 152, 154, 252, 254) besteht und/oder die Sonotrode (146, 246, 346) zumindest zwei aneinandergrenzende oder benachbarte Arbeitsflächen (162, 164) mit geometrisch voneinander abweichenden Schweißflächen oder eine Arbeitsfläche als Schweißfläche und eine Arbeitsfläche (250, 350) mit formgebender oder prägender Funktion aufweist.
11. Ultraschallmetallschweißvorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine der Arbeitsflächen der Gegenelektrode eine schweißunabhängige Funktion ausübt, insbesondere eine Crimp- oder Schneidfunktion ausübt.
12. Ultraschallmetallschweißvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Gegenelektrode (56, 156) zumindest zwei parallel zueinander und parallel zur Arbeitsfläche (44, 162, 164, 254, 354) der Sonotrode (46, 146, 246, 346) verstellbare Abschnitte (52, 54, 152, 154, 252, 254) aufweist, die wahlweise den Verdichtungsraum begrenzen.
13. Ultraschallmetallschweißvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zwei Abschnitte (52, 54, 152, 154) übereinander oder nebeneinander angeordnet sind.
14. Ultraschallmetallschweißvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Abschnitte (252, 254) teleskopartig zueinander verstellbar sind.
15. Ultraschallmetallschweißvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Abschnitte (52, 54, 152, 154, 252, 254) über getrennte Antriebsmittel, wie Zylinder, betätigbar sind.
16. Ultraschallmetallschweißvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Arbeitsflächen (158, 176) zumindest der Gegenelektrode (156) voneinander abweichende Profilierungen aufweisen, wobei im Bezug auf eine senkrecht zu der jeweiligen Arbeitsfläche verlaufende und diese mittig in Längsrichtung des Verdichtungsraums schneidende Ebene (160) vorzugsweise eine der Profilierungen symmetrisch und die andere unsymmetrisch ausgebildet ist oder beide symmetrisch oder unsymmetrisch ausgebildet sind mit voneinander abweichenden Strukturierungen.
17. Ultraschalhnetallschweißvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sonotrode (146) zwei Schweißflächen (162, 164) aufweist, die sich in höhenmäßig zueinander beabstandeten und parallel zueinander verlaufenden Ebenen erstrecken und aneinandergrenzen oder unmittelbar benachbart sind.
18. Ultraschallmetallschweißvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet,
dass eine der Arbeitsflächen (250, 350) der Sonotrode (246, 346) eine kämm- oder wulstartige, im Schnitt bogenförmige Geometrie aufweist, deren Erstreckung parallel oder senkrecht zur Sonotrodenlängsachse verläuft.
19. Ultraschallschweißwerkzeug in Form einer Gegenelektrode,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Gegenelektrode (56, 156, 256) zumindest zwei Abschnitte (52, 54, 152, 154, 252, 254) mit geometrisch voneinander abweichenden Arbeitsflächen (158, 176) oder zwei zueinander verstellbare Abschnitte aufweist.
20. Ultraschallschweißwerkzeug nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet,
dass die verstellbaren Abschnitte (52, 54, 152, 154, 252, 254) nebeneinander oder übereinander angeordnet oder teleskopartig zueinander v erstellbar sind.
21. Ultraschallschweißwerkzeug nach zumindest einem der Ansprüche 19 und 20,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Abschnitt (358) der Gegenelektrode (356) ein zur Schweißverbindungsprüfung geeignetes Element, wie Vorsprung (364), aufweist.
22. Ultraschallschweißwerkzeug nach zumindest einem der Ansprüche 19 oder 21,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Arbeitsflächen (158, 176) voneinander abweichende Profilierungen aufweisen.
23. Ultraschallschweißwerkzeug in Form einer Sonotrode,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sonotrode (146) zumindest zwei Schweißflächen (162, 164) aufweist, wobei sich die Schweißflächen in höhenmäßig zueinander beabstandeten und parallel zueinander verlaufenden Ebenen erstrecken, und aneinander grenzen oder zueinander beabstandet sind, und/oder eine der Schweißflächen (250, 350) eine kämm- oder wulstartige Geometrie aufweist, deren Erstreckung parallel oder senkrecht zur Sonotrodenlängsachse verläuft.
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