WO2003066270A1 - Vorrichtung zum verdichtenden verbinden elektrischer leiter mit ultraschallenergie - Google Patents

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WO2003066270A1
WO2003066270A1 PCT/EP2002/014729 EP0214729W WO03066270A1 WO 2003066270 A1 WO2003066270 A1 WO 2003066270A1 EP 0214729 W EP0214729 W EP 0214729W WO 03066270 A1 WO03066270 A1 WO 03066270A1
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sonotrode
counter
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counter electrode
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PCT/EP2002/014729
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Klaus-Eckhart Dobernecker
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Forschung + Entwicklung Klaus Dobernecker Ing. Grad.
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    • B23K20/10—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating making use of vibrations, e.g. ultrasonic welding
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
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    • H01R43/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors for soldered or welded connections
    • H01R43/0207—Ultrasonic-, H.F.-, cold- or impact welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Definitions

  • the invention relates to a device and a method for the densely connecting electrical conductors and corresponding uses.
  • EP 0 143 936 B2 discloses a device for connecting or compressing electrical conductors in the form of strands, which has a sonotrode generating sound vibrations, with this associated counterelectrode which serves as an anvil and can be moved relatively thereto, and a compression chamber intended for receiving the conductors, are formed by the opposite boundary surfaces of at least one surface of the sonotrode and the anvil each, the cross-section of the compression space being adjustable in a first direction by changing the distance between the surface of the sonotrode and anvil, the remaining opposite boundary surfaces being formed by boundary elements, of which at least one delimiting element is displaceable or movable away, to change the cross section of the compression space in a direction perpendicular to the first direction to adjust the compression space to conductors of different cross sections Ippable cheek is.
  • a disadvantage of this is the fact that only relatively angular conductor cross sections are obtained with the devices known from the prior art, which are considered disadvantageous for many applications due to the later very cramped installation conditions of the conductors due to the relatively large cross-sectional area requirement. In addition, there is a greater risk of injury due to the often relatively sharp-edged conductor cross-section. From the above, the problem arises of at least partially eliminating or avoiding the disadvantages mentioned above.
  • the device according to the invention for the compressive connection of electrical conductors in particular in the form of strands, comprises a sonotrode which produces sound vibrations, at least one counterelectrode associated with the sonotrode and movable relative thereto, and a compression space intended for receiving the conductors, the at least almost orthogonal to the longitudinal axis of the to be connected Conductor-lying cross-section of the compression space during the compression connection is determined only by the inner boundary surfaces of the sonotrode and the counter electrode.
  • the inner boundary surfaces during compression form a triangular cross section lying at least almost orthogonally to the longitudinal axis of the conductors to be connected, the counter electrode having two counter electrode parts which can run together and form the triangular cross section in connection with the inner boundary surface of the sonotrode.
  • the inner boundary surfaces can be slightly concave.
  • the great advantage of this embodiment is the fact that the "welded" conductor structure is surprisingly very homogeneous compared to the usual rectangular cross-sections due to the triangular cross-section after the compacting connection by means of ultrasound exposure and unintentional removal of individual conductors is thus effectively avoided
  • the reason is that when the ultrasonic energy is applied due to an energy dissipation in the compacted Conductor material is applied to the edge areas in the usual rectangular cross sections in comparison to the inner areas considerably less and more unevenly, so that there are the frequent unhomogeneous "welds" which are documented until individual conductor strands are detached, which are highly undesirable, in particular To prevent short circuits of closely spaced conductors due to touching individual strands or to reduce the risk of injury when working.
  • the sequence of the method according to the invention is as follows: First, the conductors to be connected are accommodated in a compression space which is still at least half open, then the compression space is closed with respect to the cross section which is at least almost orthogonal to the longitudinal axis of the conductors to be connected (the term "closed” according to the invention to that effect It is to be understood that at least no individual strand can jam and is therefore in the micrometer range; consequently, at least one conductor is to be dealt with with a previously defined distance in relation to the conductor goods to be connected) the cross section is reduced until the conductor is mechanically compressed, Subsequently, the conductors are subjected to sound vibrations connecting via a sonotrode, in order finally to release the conductively connected conductors, the closing of the compression space by means of moving the two counter-electrode parts together and / or by means of elsewhere, sliding at least one counter-electrode part on the sonotrode at a defined distance, reducing the cross-section by rubbing the
  • the two counter-electrode parts touch during the compressive connection, while the counter-electrode parts are arranged at a defined distance from the sonotrode that is suitable for the respective purpose.
  • This gap dimensions i.e. the respective distances
  • the surfaces sliding against one another is generally approximately 10 ⁇ m.
  • the cross section is advantageously an equilateral triangle, since it is imperative in the case of generally planar and straight inner boundary surfaces that the angles between the inner boundary surfaces be 60 ° in order to prevent jamming sliding.
  • At least one inner boundary surface from the group of sonotrode and counter electrode parts, but in particular all inner boundary surfaces, has a conductor run-up surface protruding from the plane of the inner boundary surface in order to prevent jamming between the counter electrode parts and the electrode when the respective conductor is compressed. Avoid sonotrode. For a particularly safe avoidance of the jamming mentioned above, it is particularly advantageous if at least one, in particular all, of the conductor run-up surface is concave with respect to its surface.
  • the counter electrode parts and / or the sonotrode consist of a steel from the group of cold work steels.
  • the cold work steels are those from the group with the following composition:
  • the counter electrode parts are driven by cylinders, which are in particular pneumatic cylinders (cylinders which are driven in particular by compressed air).
  • cylinders which are in particular pneumatic cylinders (cylinders which are driven in particular by compressed air).
  • at least one cylinder is advantageously a tandem cylinder, since in this way a gradual adaptation of the force to be applied of the sonotrode or of the respective counter-electrode part to the conductor to be compressed can be accomplished.
  • the term “tandem cylinder” is to be understood as a cylinder in which at least two pistons are arranged one behind the other on the same piston rod.
  • both counter-electrode parts can be moved via a single drive, the movement sequences being synchronized via a positive connection, in particular if the positive connection is a sliding element , on which the one counter-electrode part is rigidly attached and the other counter-electrode part is guided via a guide element which is fixedly connected to the sliding element and engages in a guide recess of the other counter-electrode part, at least the other counter-electrode part being movably supported in a positive guide.
  • the positive connection is a sliding element , on which the one counter-electrode part is rigidly attached and the other counter-electrode part is guided via a guide element which is fixedly connected to the sliding element and engages in a guide recess of the other counter-electrode part, at least the other counter-electrode part being movably supported in a positive guide.
  • the forces usually to be applied for compressing the conductors are in the order of magnitude of approximately 1000 to several thousand Newtons, the energy density of the ultrasonic waves to be applied, which are to be located in terms of their frequency in the range of approximately 20-40 kHz, in the range of about 1 - 20 J / mm 3 (J corresponds to Ws).
  • Figure la - ld - a sketchy cross-sectional representation of an embodiment of the device according to the invention in different stages of the method according to the invention
  • Figure 2a - 2c - a sketchy cross-sectional representation of a further embodiment of the device according to the invention in different stages of the method according to the invention.
  • a sonotrode 1 and a two-part counter electrode 2 3 can be seen in FIG. 1 a, which form a semi-open triangular cross section 4.
  • the sonotrodel has a conductor contact surface 5 and the counter electrode 2, 3 each has a conductor contact surface 5.5. Furthermore, the sonotrode 1 and the counter electrode 2, 3 have inner boundary surfaces 6, 6, 6.
  • the left part of the counter electrode 2 is moved by means of a pneumatic cylinder (not shown) onto the inner boundary surface 6 of the right part of the counter electrode 2 (the two counter electrode parts thus touch) that the triangular compression chamber 4 is closed (see Figure lb).
  • the right part of the counter electrode 2 then moves to the left, while at the same time the left part of the counter electrode 3 is moved obliquely to the bottom left, as a result of which the compression space 4 is reduced (see FIG. 1 c). .
  • FIG. 2a shows a sonotrode 1 and a counterelectrode 2, 3 consisting of two parts, which form a semi-open triangular cross section 4.
  • the sonotrodel points a conductor run-up surface 5 and the counter electrode 2, 3 each have a conductor run-up surface 5.5.
  • the sonotrode 1 and the counter electrode 2, 3 have inner boundary surfaces 6, 6, 6.
  • the two counter electrode parts 2, 3 are positively connected via a sliding element 7 to which the right counter electrode part 3 is rigidly attached.
  • the left counterelectrode part 2 is guided in the form of a pin via a guide element 9 which is fixedly connected to the left counterelectrode part 2 and engages in a guide recess 8 of the sliding element 7, the left counterelectrode part 2 being movably mounted in a positive guide 10.
  • the right counter-electrode part 3 is moved onto the inner boundary surface 6 of the left counter-electrode part 2 by means of a stepper motor (the two counter-electrode parts thus touch), so that the triangular compression space 4 is closed ( see Figure 2b).
  • the right counter-electrode part 3 then moves to the left, while at the same time the left counter-electrode part 2 is moved obliquely to the bottom left via the sliding element 7 moving to the left and the guide pin 9 engaging in the guide recess 8 of the sliding element 7, as a result of which the compression space 4 is reduced ( see Figure lc). It is therefore a special synchronization of the movement sequences of the two counter electrode parts 2 and 3 via only one drive.
  • ultrasound energy is applied to the conductors to be connected via the sonotrode 1, in order to then open the compression chamber 4 again by moving the right counter-electrode part 2 to the right.

Abstract

Diese Anmeldung beschreibt eine Vorrichtung zum verdichtenden Verbinden elektrischer Leiter insbesondere in Form von Litzen, umfassend - eine Schallschwingungen erzeugende Sonotrode (1), - mindestens eine und der Sonotrode (1) zugeordnete und zu dieser relativ bewegbare Gegenelektrode (2), sowie - einen zur Aufnahme der Leiter bestimmten Verdichtungsraum (4), wobei - der zumindest nahezu orthogonal zur Längsachse der zu verbindenden Leiter liegende Querschnitt des Verdichtungsraumes (4) beim verdichtenden Verbinden nur durch die inneren Begrenzungsflächen (6) der Sonotrode (1) und der Gegenelektrode (2, 3) bestimmt wird, und - die inneren Begrenzungsflächen (6) beim Verdichten einen in zumindest nahezu orthogonal zur Längsachse der zu verbindenden Leiter liegenden dreieckförmigen Querschnitt bilden und die Gegenelektrode (2, 3) zwei aufeinanderlaufbare und dabei in Verbindung mit der inneren Begrenzungsfläche (6) der Sonotrode (1) den dreieckförmigen Querschnitt bildende Gegenelektrodenteile (2, 3) aufweist.

Description

VORRICHTUNG ZUM VERDICHTENDEN VERBINDEN ELEKTRISCHER LEITER MIT ULTRASCHALLENERGIE
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum verdichtenden Verbinden elektrischer Leiter sowie entsprechende Verwendungen.
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von verschiedenen Vorrichtungen bekannt, mit denen elektrische Leiter insbesondere in Form von Litzen verdichtend verbunden werden können.
Hierbei handelt es sich häufig um solche Vorrichtungen, bei denen in einen halboffenen Raum die zu verbindenden Leiter gelegt werden, um anschließend über eine Schallschwingungen erzeugende Sonotrode und eine Gegenelektrode verdichtend verbunden zu werden. Der Verdichtungsraum wird hierbei von den inneren Begrenzungsflächen der Sonotrode, der Gegenelektrode sowie von weiteren Begrenzungselementen definiert.
In EP 0 143 936 B2 wird eine Vorrichtung zum Verbinden bzw. Verdichten elektrischer Leiter in Form von Litzen offenbart, die eine Schallschwingungen erzeugende Sonotrode, mit dieser zugeordneter und zu dieser relativ bewegbarer als Amboß dienender Gegenelektrode sowie einem zur Aufnahme der Leiter bestimmten Verdichtungsraum aufweist, von dem gegenüberliegende Begrenzungsflächen von jeweils zumindest einer Fläche der Sonotrode und des Ambosses gebildet sind, wobei der Verdichtungsraum in seinem Querschnitt in einer ersten Richtung durch Verändern des Abstandes der Fläche von Sonotrode und Amboß einstellbar ist, wobei die verbleibenden gegenüberliegenden Begrenzungsflächen von Begrenzungselementen gebildet sind, von denen zur Veränderung des Querschnittes des Verdichtungsraumes in einer zur ersten Richtung senkrecht verlaufenden Richtung zur Einstellung des Verdichtungsraums auf Leiter unterschiedlicher Querschnitte zumindest ein Begrenzungselement eine verschiebbare bzw. wegkippbare Backe ist.
Nachteilig hieran ist die Tatsache, daß mit den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen lediglich relativ kantige Leiterquerschnitte erhalten werden, die für viele Applikationen aufgrund der späteren sehr beengten Einbauverhältnisse der Leiter wegen des relativ großen Querschnittsflächenbedarfs als nachteilig angesehen werden. Hinzu kommt eine größere Verletzungsgefahr aufgrund des häufig relativ scharfkantigen Leiterquerschnitts. Aus dem vorgenannten ergibt sich das Problem, die oben genannten Nachteile zumindest teilweise zu beseitigen bzw. zu vermeiden. Das sich ergebende Problem besteht insbesondere darin, eine Vorrichtung und Verfahren zum verdichtenden Verbinden elektrischer Leiter insbesondere in Form von Litzen bereitzustellen, bei denen die üblichen relativ scharfkantigen und flächenmäßig ungünstigen Leiterquerschnitte vermieden werden, die Vorrichtungen nur einen sehr geringen Wartungsaufwand benötigen und die entsprechenden Verfahren sicher, effizient und daher kostengünstig funktionieren.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1, ein Verfahren nach Anspruch 13 sowie durch Verwendungen nach den Ansprüchen 14 und 15 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum verdichtenden Verbinden elektrischer Leiter insbesondere in Form von Litzen umfaßt eine Schallschwingungen erzeugende Sonotrode, rnindestens eine und der Sonotrode zugeordnete und zu dieser relativ bewegbare Gegenelektrode sowie einen zur Aufnahme der Leiter bestimmten Verdichtungsraum, wobei der zumindest nahezu orthogonal zur Längsachse der zu verbindenden Leiter liegende Querschnitt des Verdichtungsraumes beim verdichtenden Verbinden nur durch die inneren Begrenzungsflächen der Sonotrode und der Gegenelektrode bestimmt wird. Erfindungsgemäß bilden die inneren Begrenzungsflächen beim Verdichten einen in zumindest nahezu orthogonal zur Längsachse der zu verbindenden Leiter liegenden dreieckförmigen Querschnitt, wobei die Gegenelektrode zwei aufeinanderlaufbare und dabei in Verbindung mit der inneren Begrenzungsfläche der Sonotrode den dreieckförmigen Querschnitt bildende Gegenelektrodenteile aufweist. Hierbei können die inneren Begrenzungsflächen leicht konkav geformt sein.
Der große Vorteil dieser Ausführungsform ist die Tatsache, daß durch den dreieckförmigen Querschnitt nach dem verdichtenden Verbinden mittels Ultraschalleinwirkung überraschenderweise im Vergleich zu den üblichen rechteckförmigen Querschnitten das „verschweißte" Leitergefüge sehr homogen ist und ein unbeabsichtigtes Herauslösen einzelner Leiter damit wirksam vermieden wird. Wahrscheinlich liegt die Ursache darin, daß beim Aufbringen der Ultraschallenergie aufgrund einer Energiedissipation im verdichteten Leitermaterial eben die Randbereiche bei den üblichen rechteckförmigen Querschnitten im Vergleich zu den inneren Bereichen erheblich weniger und ungleichmäßiger beaufschlagt werden, so daß es zu den häufigen unhomogenen „Verschweißungen" kommt, die sich bis zum Herauslösen einzelner Leiterlitzen dokumentieren, die höchst unerwünscht sind, um insbesondere Kurzschlüsse von dicht beieinanderliegenden Leitern aufgrund von sich berührenden Einzellitzen zu verhindern bzw. eine Verletzungsgefahr beim Arbeiten zu verringern.
Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens gestaltet sich wie folgt: Zunächst werden die zu verbindenden Leiter in einen noch zumindest halboffenen Verdichtungsraum aufgenommen, danach der Verdichtungsraum bezüglich des zumindest nahezu orthogonal zur Längsachse der zu verbindenden Leiter liegenden Querschnittes geschlossen (wobei der Begriff „geschlossen" erfindungsgemäß dahingehend zu verstehen ist, daß zumindest keine einzelne Litze sich verklemmen kann und daher im Mikrometerbereich liegt; folglich hat man es hier zumindest mit einem bezüglich der zu verbindenden Leitergutes mit einem jeweils vorher definierten Abstand zu tun) der Querschnitt bis zum mechanischen Verdichten der Leiter verkleinert, im Anschluß daran die Leiter über eine Sonotrode mit Schallschwingungen verbindend beaufschlagt, um schließlich die verdichtend verbundenen Leiter freizugeben, wobei das Schließen des Verdichtungsraumes mittels Aufeinanderfahrens der zwei Gegenelektrodenteile und/oder mittels Gleitens rnindestens eines Gegenelektrodenteils an der Sonotrode in einem definierten Abstand, die Verkleinerung des Querschnittes mittels reibenden Gleitens der Gegenelektrodenteile aneinander und Gleitens der Gegenelektrodenteile an der Sonotrode in einem definierten Abstand und die Freigabe mittels Auseinanderfahrens der beiden Gegenelektrodenteile voneinander und/oder Auseinanderfahrens rnindestens eines Gegenelektrodenteils von der Sonotrode und/oder freigebendem Aneinandergleitens mindestens eines Gegenelektrodenteils an der Sonotrode bewerkstelligt wird.
Die beiden Gegenelektrodenteile berühren sich beim verdichtenden Verbinden, während die Gegenelektrodenteile in einem definierten und für den jeweiligen Zweck passenden Abstand von der Sonotrode angeordnet sind. Diese Spaltmaße (also die jeweiligen Abstände) der aneinandergleitenden Flächen (Gegenelektrodenfläche und Sonotrodenfläche) beträgt in der Regel ca. lOμm.
In vorteilhafter Weise ist der Querschnitt ein gleichseitiges Dreieck, da es bei in der Regel planen und geraden inneren Begrenzungsflächen zwingend ist, daß die Winkel zwischen den inneren Begrenzungsflächen 60 ° betragen, um ein verklemmendes Gleiten zu verhindern.
Mindestens eine innere Begrenzungsfläche aus der Gruppe Sonotrode und Gegenelektrodenteile, insbesondere jedoch sämtliche innere Begrenzungsflächen, weist eine aus der Ebene der inneren Begrenzungsfläche herausragende Leiterauflauffläche auf, um beim Verdichten der jeweiligen Leiter ein Verklemmen zwischen Gegenelektrodenteilen und der . Sonotrode zu vermeiden. Zwecks einer besonders sicheren Vermeidung des oben erwähnten Verklemmens ist es besonders von Vorteil, wenn rnindestens eine, insbesondere sämtliche, Leiterauflauffläche in bezug auf deren Oberfläche konkav ausgebildet ist.
Die nachfolgenden Ausführungsformen haben sich in der Praxis als besonders vorteilhaft herausgestellt:
Die Gegenelektrodenteile und/oder die Sonotrode bestehen aus einem Stahl aus der Gruppe der Kaltarbeitsstähle.
Bei den Kaltarbeitsstählen handelt es sich um solche aus der Gruppe mit folgender Zusammensetzung:
- 1,50 - 1,60 Gew.-% C, 0,10 - 0,40 Gew.-% Si, 0,15 - 0,45 Gew.-% Mn, 11,50 - 12,50 Gew.-% Cr, 0,60 - 0,80 Gew.-% Mo, 0,90 - 1,10 Gew.-% V, sowie neben geringen Verunreinigungen als Hauptbestandteil Fe,
- 2,00 - 2,25 Gew.-% C, 0,10 - 0,40 Gew.-% Si, 0,15 - 0,45 Gew.-% Mn, 11,00 - 12,00 Gew.-% Cr, 0,60 - 0,80 Gew.-% W sowie neben geringen Verunreinigungen als Hauptbestandteil Fe.
Die Gegenelektrodenteile werden über Zylinder angetrieben, wobei es sich insbesondere um Pneumatikzylinder (Zylinder, die über insbesondere Preßluft angetrieben werden) handelt. Schließlich handelt es sich in vorteilhafter Weise bei mindestens einem Zylinder um einen Tandemzylinder, da auf diese Weise eine stufenweise Anpassung der zu applizierenden Kraft der Sonotrode bzw. des jeweiligen Gegenelektrodenteils auf die zu verdichtenden Leiter bewerkstelligbar ist. Erfϊndungemäß ist unter dem Begriff „Tandemzylinder" ein Zylinder zu verstehen, bei dem mindestens zwei Kolben hintereinander auf der gleichen Kolbenstange angeordnet sind.
Als eine sehr kompakte und kostengünstige Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung hat es sich in der Praxis als vorteilhaft herausgestellt, wenn beide Gegenelektrodenteile über einen einzigen Antrieb bewegbar sind, wobei die Bewegungsabläufe über eine Zwangsverbindung synchronisiert werden, insbesondere wenn es sich bei der Zwangsverbindung um ein Schiebeelement handelt, an dem das eine Gegenelektrodenteil starr angebracht ist und das andere Gegenelektrodenteil über ein mit dem Schiebeelement fest verbundenen und in eine Führungsausnehmung des anderen Gegenelektrodenteils eingreifendes Führungselement geführt wird, wobei zumindest das andere Gegenelektrodenteil in einer Zwangsführung bewegbar gelagert ist.
Die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ultraschallschweißen, beispielsweise von Rohren, insbesondere die Verwendung zum Ultraschallschweißen von elektrischen Leitern insbesondere in Form von Litzen weist die oben beschriebenen Vorteile auf.
Die üblicherweise zu applizierenden Kräfte zum Verdichten der Leiter liegt in der Größenordnung von ca. 1000 bis zu mehreren Tausenden Newton, wobei die zu beaufschlagende Energiedichte der Ultraschallwellen, die bezüglich ihrer Frequenz im Bereich von ca. 20 - 40 kHz anzusiedeln sind, in der Größenordnung von etwa 1 - 20 J/mm3 liegt ( J entspricht Ws).
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand mehrerer Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Figur la - ld - eine skizzenhafte Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in verschiedenen Stufen des erfindungsgemäßen Verfahrens; Figur 2a - 2c - eine skizzenhafte Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in verschiedenen Stufen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In Figur la sind eine Sonotrode 1 und eine aus zwei Teilen bestehende Gegenelektrode 2,3 zu erkennen, die einen halboffenen dreieckförmigen Querschnitt 4 bilden. Die Sonotrodel weist eine Leiterauflauffläche 5 und die Gegenelektrode 2,3 an jeweils einem Teil eine Leiterauffläche 5,5 auf. Weiterhin weisen die Sonotrode 1 und die Gegenelektrode 2,3 innere Begrenzungsflächen 6, 6, 6 auf.
Nach Einlegen der zu verbindenden Leiter (diese würden aus der Papierebene herausragen) wird das linke Teil der Gegenelektrode 2 mittels eines Pneumatikzylinders (nicht abgebildet) auf die innere Begrenzungsfläche 6 des rechten Teils der Gegenelektrode 2 gefahren (die beiden Gegenelektrodenteile berühren sich somit), so daß der dreieckförmige Verdichtungsraum 4 geschlossen ist (siehe Figur lb).
Anschließend bewegt sich das rechte Teil der Gegenelektrode 2 nach links, während gleichzeitig das linke Teil der Gegenelektrode 3 nach schräg links unten gefahren wird, wodurch sich der Verdichtungsraum 4 verkleinert (siehe Figur 1c). ,
Diese Bewegungen werden solange fortgesetzt, bis der Verdichtungsraum 4 dem verdichteten Querschnitt der zu verbindenden Leiter entspricht (siehe Figur ld).
Anschließend wird über die Sonotrode 1 auf die zu verbindenden Leiter entsprechend Ultraschallenergie appliziert, um danach den Verdichtungsraums 4 durch Bewegen de_s rechten Teils der Gegenelektrode 2 nach rechts wieder zu öffnen. Bei all diesen Vorgängen berühren die beiden Gegenelektrodenteile 2 und 3 nicht die Sonotrode 1.
In Figur 2a sind eine Sonotrode 1 und eine aus zwei Teilen bestehende Gegenelektrode 2,3 zu erkennen, die einen halboffenen dreieckförmigen Querschnitt 4 bilden. Die Sonotrodel weist eine Leiterauflauffiäche 5 und die Gegenelektrode 2,3 an jeweils einem Teil eine Leiterauffläche 5,5 auf. Weiterhin weisen die Sonotrode 1 und die Gegenelektrode 2,3 innere Begrenzungsflächen 6, 6, 6 auf.
Die beiden Gegenelektrodenteile 2, 3 sind zwangsverbunden über ein Schiebeelement 7, an dem das rechte Gegenelektrodenteil 3 starr angebracht ist. Das linke Gegenelektrodenteil 2 wird über eine mit dem linken Gegenelektrodenteil 2 fest verbundenen und in eine Führungsausnehmung 8 des Schiebeelementes 7 eingreifendes Führungselement 9 in Form eines Stiftes geführt, wobei das linke Gegenelektrodenteil 2 in einer Zwangsführung 10 bewegbar gelagert ist.
Nach Einlegen der zu verbindenden Leiter (diese würden aus der Papierebene herausragen) wird das rechte Gegenelektrodenteil 3 mittels eines Schrittmotors auf die innere Begrenzungsfläche 6 des linken Gegenelektrodenteils 2 gefahren (die beiden Gegenelektrodenteile berühren sich somit), so daß der dreieckförmige Verdichtungsraum 4 geschlossen ist (siehe Figur 2b).
Anschließend bewegt sich das rechte Gegenelektrodenteil 3 nach links, während gleichzeitig über das sich nach links bewegende Schiebeelement 7 über den in die Führungsausnehmung 8 des Schiebelementes 7 eingreifenden Führungsstift 9 das linke Gegenelektrodenteil 2 nach schräg links unten gefahren wird, wodurch sich der Verdichtungsraum 4 verkleinert (siehe Figur lc). Es handelt sich somit um eine spezielle Synchronisierung der Bewegungsabläufe der beiden Gegenelektrodenteile 2 und 3 über lediglich einen Antrieb.
Diese Bewegungen werden solange fortgesetzt, bis der Verdichtungsraum 4 dem verdichteten Querschnitt der zu verbindenden Leiter entspricht (siehe Figur 2c).
Anschließend wird über die Sonotrode 1 auf die zu verbindenden Leiter entsprechend Ultraschallenergie appliziert, um danach den Verdichtungsraums 4 durch Bewegen des rechten Gegenelektrodenteils 2 nach rechts wieder zu öffnen.
Bei all diesen Vorgängen berühren die beiden Gegenelektrodenteile 2 und 3 nicht die Sonotrode 1.

Claims

Patentansprüche Vorrichtung zum verdichtenden Verbinden elektrischer Leiter
1.) Vorrichtung zum verdichtenden Verbinden elektrischer Leiter insbesondere in Form von Litzen, umfassend
- eine Schallschwingungen erzeugende Sonotrode (1),
- mindestens eine und der Sonotrode (1) zugeordnete und zu dieser relativ bewegbare Gegenelektrode (2, 3), sowie
- einen zur Aufnahme der Leiter bestimmten Verdichtungsraum (4), dadurch gekennzeichnet, daß
- der zumindest nahezu orthogonal zur Längsachse der zu verbindenden Leiter liegende Querschnitt des Verdichtungsraumes (4) beim verdichtenden Verbinden nur durch die inneren Begrenzungsflächen (6) der Sonotrode (1) und der Gegenelektrode (2, 3) bestimmt wird, und
- die inneren Begrenzungsflächen (6) beim Verdichten einen in zumindest nahezu orthogonal zur Längsachse der zu verbindenden Leiter liegenden dreieckförmigen Querschnitt bilden und die Gegenelektrode (2, 3) zwei aufeinanderlaufbare und dabei in Verbindung mit der inneren Begrenzungsfläche (6) der Sonotrode (1) den dreieckförmigen Querschnitt bildende Gegenelektrodenteile (2, 3) aufweist.
2.) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt ein gleichseitiges Dreieck ist.
3.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine innere Begrenzungsfläche (6) aus der Gruppe Sonotrode (1) und Gegenelektrodenteile (2, 3) eine aus der Ebene der inneren Begrenzungsfläche (6) herausragende Leiterauflauffläche (5) aufweist.
4.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche innere Begrenzungsflächen (6) jeweils eine Leiterauflauffläche (5) aufweisen.
5.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Leiterauflauffläche (5) in bezug auf deren Oberfläche konkav ausgebildet ist.
6.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrodenteile (2, 3) und/oder die Sonotrode (1) aus einem Stahl aus der Gruppe der Kaltarbeitsstähle bestehen.
7.) Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den
Kaltarbeitsstählen um solche aus der Gruppe mit folgender Zusammensetzung handelt:
- 1 ,50 - 1 ,60 Gew.-% C, 0, 10 - 0,40 Gew.-% Si, 0,15 - 0,45 Gew.-% Mn, 11 ,50 - 12,50 Gew.-% Cr, 0,60 - 0,80 Gew.-% Mo, 0,90 - 1,10 Gew.-% V, sowie neben geringen Verunreinigungen als Hauptbestandteil Fe,
- 2,00 - 2,25 Gew.-% C, 0,10 - 0,40 Gew.-% Si, 0,15 - 0,45 Gew.-% Mn, 11,00 - 12,00 Gew.-% Cr, 0,60 - 0,80 Gew.-% W sowie neben geringen Verunreinigungen als Hauptbestandteil Fe.
8.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrodenteile (2, 3) über Zylinder angetrieben werden.
9.) Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Zylindern um Pneumatikzylinder handelt.
10.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei mindestens einem Zylinder um einen Tandemzylinder handelt.
11.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch, gekennzeichnet, daß beide Gegenelektrodenteile (2, 3) über einen einzigen Antrieb bewegbar sind, wobei die Bewegungsabläufe über eine Zwangsverbindung synchronisiert werden.
12.) Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Zwangsverbindung um ein Schiebeelement (7) handelt, an dem das eine Gegenelektrodenteil (2, 3) starr angebracht ist und das andere Gegenelektrodenteil (3, 2) über ein mit dem anderen Gegenelektrodenteil (3, 2) fest verbundenen und in eine Führungsausnehmung (8) des Schiebeelementes (7) eingreifendes Führungselement (9) geführt wird, wobei zumindest das andere Gegenelektrodenteil (3, 2) in einer Zwangsfuhrung (10) bewegbar gelagert ist.
13.) Verfahren zum verdichtenden Verbinden elektrischer Leiter insbesondere in Form von Litzen, bei dem zunächst die zu verbindenden Leiter in einen noch zumindest halboffenen Verdichtungsraum (4) aufgenommen werden, danach der Verdichtungsraum (4) bezüglich des zumindest nahezu orthogonal zur Längsachse der zu verbindenden Leiter liegenden Querschnittes geschlossen wird, der Querschnitt bis zum mechanischen Verdichten der Leiter verkleinert wird, im Anschluß daran die Leiter über eine Sonotrode (1) mit Schallschwingungen verbindend beaufschlagt werden, um schließlich die verdichtend verbundenen Leiter freizugeben, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 verwendet wird, so daß das Schließen des Verdichtungsraumes (4) mittels Aufeinanderfahrens der zwei Gegenelektrodenteile (2, 3) und/oder mittels Gleitens mindestens eines Gegenelektrodenteils (2, 3) an der Sonotrode (1) in einem definierten Abstand, die Verkleinerung des Querschnittes mittels reibenden Gleitens der Gegenelektrodenteile (2, 3) aneinander und Gleitens der Gegenelektrodenteile (2, 3) an der Sonotrode (1) in einem definierten Abstand und die Freigabe mittels Auseinanderfahrens der beiden Gegenelektrodenteile (2, 3) voneinander und/oder Auseinanderfahrens mindestens eines Gegenelektrodenteils (2,3) von der Sonotrode (1) und/oder freigebendem Aneinandergleitens mindestens eines Gegenelektrodenteils (2, 3) an der Sonotrode (1) bewerkstelligt wird.
14.) Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zum Ultraschallschweißen. -
15.) Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zum Ultraschallschweißen von elektrischen Leitern insbesondere in Form von Litzen.
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