WO2009060080A2 - Verfahren zum reduzieren des anlegierens von aluminium sowie ultraschallschweissvorrichtung - Google Patents

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WO2009060080A2
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Ernst Steiner
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R4/00—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation
    • H01R4/58—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation characterised by the form or material of the contacting members
    • H01R4/62—Connections between conductors of different materials; Connections between or with aluminium or steel-core aluminium conductors
    • H01R4/625—Soldered or welded connections
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R43/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors
    • 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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    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/10—Aluminium or alloys thereof

Definitions

  • the invention relates to a method for reducing the alloying and / or adhesion of aluminum or aluminum alloy in Ultraschallverscrank of aluminum or aluminum alloy existing wires or strands having individual wires to an end or passage node with each other or with a metal carrier, wherein at least the strands are inserted into a height and / or width-adjustable compression space bounded in opposing first boundary surfaces of portions of a sonotrode and anvil or the support disposed on the anvil and in remaining opposed second boundary surfaces of statically acting tool parts.
  • the invention also relates to the use of a work surface consisting of polycrystalline diamond or polycrystalline diamond, a side boundary of a height and / or width adjustable compression space of an ultrasonic welding device.
  • the invention relates to an ultrasonic welding apparatus comprising a sonotrode transmitting ultrasonic vibrations with a sonotrode head having a welding surface, a counterelectrode opposite the welding surface and lateral limiting elements, the welding surface, the limiting elements and indirectly or directly the counterelectrode being variable in height and / or width Limit the compaction space.
  • ultrasound strands which consist of individual wires or wires of aluminum or aluminum material, welded together or with a solid support, so there is the disadvantage that the introduced welding energy causes the aluminum begins to flow or in a so-called doughy phase passes, so that an alloying or adhering to the side boundaries of the strands receiving compression space takes place.
  • the object of the present invention is to further develop a method of the type described above such that aluminum-containing or aluminum-containing strands can be welded to one another or to a solid support without intermediate films being required or by crimping a solid part around the strands must become. Also, the number of welds should correspond to the usual welding processes in which aluminum materials are not welded without any adhesion to the boundaries of the compression space occurring such that further welds are adversely affected.
  • the object according to the method is essentially achieved by using as static tool parts those having polycrystalline diamond (PCD) on their work surface facing the strand.
  • PCD polycrystalline diamond
  • the wear-reducing layer there are ceramics such as silicon nitride ceramics, silicon carbide ceramics, zirconia ceramics, alumina ceramics, dispersion ceramics such as alumina / titanium carbide, cemented carbide or polycrystalline diamond material.
  • the wear-reducing material should basically be applied to the heavily loaded work surfaces of the sonotrode and the anvil, alike if the note is also made that the side boundaries can be coated with a corresponding material.
  • the polycrystalline diamond material is preferably formed as an outer layer of a cemented carbide support, wherein the layer thickness of the polycrystalline diamond is to be selected such that diffusion of aluminum is precluded regardless of the plurality of welds. Therefore, the layer thickness should in particular be at least 0.1 mm, preferably between 0.2 mm and 0.7 mm, in particular between 0.4 mm and 0.5 mm.
  • the thickness of the cemented carbide support on which the PCD is mounted should be in the range between 0.8 mm and 2.0 mm, preferably between 1.0 mm and 1.2 mm.
  • the polycrystalline diamond is deposited on a support, which in turn communicates with the static tool parts, i. H. Side slider or Touchierplatte is connected, which limit the compression space into which the conductors to be welded are introduced.
  • the diamond layer should have a thickness of at least 0.1 mm, in particular in the range between 0.2 mm and 0.7 mm, and / or diamond grains with an average diamond grain size between 4 microns and 25 microns, wherein the volume of the diamond grains preferably between 90 vol .-% and 95 vol .-% of the layer is. Due to the fact that, due to the polycrystalline diamond, there is no build-up or sticking to the side boundaries of the compression space, the energy input for welding the strands or these with a solid support must be turned off only on the material aluminum. In particular, it is not necessary that a higher energy input or higher pressures in welding are necessary, which would be considered if a Anleg Schl or adherence would take place. At the same time, the choice of aluminum material offers the advantage of saving weight and the use of a less expensive material compared to copper.
  • the invention also relates to the use of a polycrystalline diamond (PCD) or polycrystalline diamond-containing work surface of a side boundary of a height and / or width adjustable compression space of an ultrasonic welding device to prevent or reduce the alloying or adherence of aluminum or aluminum alloy during welding of in the strands introduced and consisting essentially of aluminum or aluminum alloy strands or strands individual strands.
  • PCD polycrystalline diamond
  • the existing of the aluminum or aluminum alloy wires or wires single strands are welded to other strands, which consist of a different material from aluminum or aluminum alloy.
  • the strands can be welded to a metal support placed in the compression space or used as a confinement space boundary.
  • the invention further relates to an ultrasonic welding device for carrying out the aforementioned method, comprising a sonotrode transmitting ultrasonic vibrations with a sonotrode head having a welding surface, a counterelectrode opposite the welding surface and lateral limiting elements, the welding surface, the limiting elements and indirectly or directly the counterelectrode having a Limit height and / or width variable compression space, and which is characterized in that the welding surface of the sonotrode has a course of an isosceles open trapezoid with bottom surface and side legs emanating side surfaces, that the bottom surface and the respective side surface an angle ⁇ with 100 ° ⁇ ⁇ 145 ° and that the boundary elements in their compression space bounding surface consists of polycrystalline diamond or contains.
  • sonotrodes with welding surfaces having the geometry of an isosceles open trapezoid (DE-U-20 2004 010 775).
  • the geometry is used to prevent transverse forces from occurring to the extent that the side legs of the wearer are bent apart.
  • a larger filling volume for the conductors to be welded to the carrier should be made available.
  • fiction according to a corresponding welding surface of a sonotrode is used so that in addition to the occupancy of the side boundary s vom the compression space with PCD supportive achieved that an alloying of aluminum when welding aluminum-containing materials is omitted or reduced such that welding is not negative to be influenced.
  • the compression space laterally delimiting surface of the limiting element outer surface of a polycrystalline diamond layer having a thickness d with d> 0.1 mm, in particular 0.2 mm ⁇ d ⁇ 0.7 mm, that of a support goes out, which is connected to the limiting element, in particular by brazing.
  • the layer is applied to the carrier. Due to the special design of the working surface, ie welding surface of the sonotrode, the advantage is achieved that occurring during compacting and welding of the strands total lateral forces are absorbed to a considerable extent by the welding surface of the sonotrode limiting side surfaces, so that additionally an alloying or Adhesion of aluminum is prevented at the lateral boundary surfaces of the compression space.
  • the sonotrode head has a width B and the side legs over the bottom surface with a height T protrude with 0.1 B ⁇ T ⁇ 0.3 B.
  • 1 is a schematic diagram of an ultrasonic welding machine
  • Fig. 2 is a schematic diagram of a compression space
  • Fig. 3 shows another embodiment of a compression space.
  • an ultrasonic welding system is shown in the existing aluminum or aluminum-containing strands, that is their fine wires or wires, each other to an end or passage node or with a solid support such as stamped or bent part, z. B. a U-shape, are welded.
  • the plant comprises an ultrasonic welding device or machine 10, which has a converter 12, optionally a booster 14 and a sonotrode 16.
  • the sonotrode 16, that is the head and thus the welding surface are a counter electrode 20 - also called anvil - and sideshifter 21, 23 assigned to surround a compression space, which is shown in principle in Fig. 2 in an enlarged view.
  • the compression chamber 30 made of aluminum or aluminum-containing strands, consisting of individual thin wires or veins 32, 34, are welded by means of ultrasound, they are placed in the compression space 30, of a working surface 38 of Sonotrode 36, a working surface 40 of the opposite and along the double arrow 42 displaceable counter electrode (anvil 44) and work surfaces 46, 48 is limited by a the anvil 44 receiving support 50 - also called column - or arranged on this Touchierplatte 51 and a side shifter 52 go out.
  • the practice shows that an alloying of the strands, that is, their thin wires and veins 32, 34 takes place on the working surfaces 46, 48 of the side boundaries of the compression space 30, ie the static tool parts that limit the compression space 30.
  • the reason for this is probably that in the area of the lateral boundaries, the greatest repetitive movement takes place between the strands and the tool parts, so that the aluminum, which begins to flow or transforms into a doughy phase, is alloyed or adhered to the work surface, so that proper welding does not take place are feasible.
  • the strands are surrounded by a film to preclude direct contact between the veins 32, 34 and the work surfaces 38, 40, 46, 48.
  • the working surfaces 46, 48 to be coated with polycrystalline diamond (PCD) on the strand side, wherein the PCD in each case forms a layer 54, 56, the outer layer of a carrier 58, 60 is preferably made of hard metal, preferably through Brazing on the actual tool part, that is the side slider 52 or the Touchierplatte 51 is brazed hard.
  • the layer 54, 56 and the carrier 58, 60 form a unit, which is then soldered onto the static tool parts 21, 23, 51, 52, 68, 70.
  • the layer 54, 56 should have a minimum thickness of 0.1 mm, preferably a thickness between 0.2 mm and 0.7 mm.
  • the volume fraction of the diamond grains should be between 90% by volume and 95% by volume and / or the grain size of the diamond grains in the range between 4 ⁇ m and 25 ⁇ m, a preferred range being between 4 ⁇ m and 7 ⁇ m.
  • the teaching of the invention is not limited to the welding of existing aluminum or aluminum-containing strands with each other. Rather, the inventive design of the work surfaces 46, 48 of the side boundaries in the form of a PCD flooring also apply when mixed compounds are to be produced, ie z. B. made of aluminum strands with such z. B. are welded from copper or a welded joint between a solid carrier z. B. made of copper or aluminum or an alloy of this, in particular made of aluminum strands.
  • the thickness of the PCD layer 54 or 56 should be in the range between 0.2 mm and 0.7 mm, in particular in the range between 0.4 mm and 0.5 mm.
  • the thickness of the carrier 58, 60 should be in the range between 0.8 mm and 2.0 mm, in particular approximately 1 , 2 mm to 1.0 mm.
  • the connection between the layer 54, 56, the carrier 58, 60 and the Touchierplatte 51 and the side shifter 52 performed in particular by means of brazing.
  • FIG. 3 is a schematic representation of a section of an ultrasonic welding device, with a solid support 61, the z. B. may consist of copper, is welded to strands, which consist of aluminum or an aluminum alloy. Shown are individual wires or wires 62, 64.
  • the carrier 61 forms in the embodiment lower boundary surface of a compression chamber 66 which is bounded laterally by slides 68, 70 and a working or welding surface 72 of a sonotrode 74 in a known manner.
  • the carrier 61 itself is positioned on an anvil 76.
  • PCD polycrystalline diamond
  • the side slides 68, 70 can have notches or cutouts 86, 88 on the anvil side, within which the longitudinal edges of the carrier 61 run.
  • the working surface 72 of the sonotrode 74 has the geometry of an open trapezoid.
  • the short base leg forms the bottom surface 88.
  • the bottom surface 88 is bounded by side legs 90, 92, wherein the inner surfaces 94, 96 of the legs 88, 90 to the bottom surface 88 should each describe an angle between 100 ° and 145 °.
  • the geometry of the welding surface 72 that is, that of an open trapezoid, has the advantage that the total lateral forces occurring during welding are absorbed by the legs 90, 92 of the working surface 72, which additionally increases the tendency for aluminum to adhere to the lateral boundaries of the workpiece Compression space 66 is reduced.
  • T means the height above the floor surface 88.

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  • Resistance Welding (AREA)
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Reduzieren des Anlegierens und/oder Anhaftens von Aluminium beim Ultraschallverscheißen von aus Aluminium bestehenden Litzen, die in einem in Höhe und/oder Breite verstellbaren Verdichtungsraum einer Ultraschallschweißvorrichtung verschweißt werden. Die den Verdichtungsraum begrenzenden statischen Werkzeugteile weisen Arbeitsflächen aus polykristallinem Diamant (PKD) auf.

Description

Verfahren zum Reduzieren des Anlegierens von Aluminium sowie Ultraschallschweißvorrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Reduzieren des Anlegierens und/oder Anhaftens von Aluminium oder Aluminiumlegierung beim Ultraschallverscheißen von aus Aluminium oder Aluminiumlegierung bestehenden Adern bzw. Einzeldrähten aufweisenden Litzen zu einem End- oder Durchgangsknoten untereinander oder mit einem aus Metall bestehenden Träger, wobei zumindest die Litzen in einen in Höhe und/oder Breite verstellbaren Verdichtungsraum eingebracht werden, der in gegenüberliegenden ersten Begrenzungsflächen von Abschnitten einer Sonotrode und eines Ambosses oder dem auf dem Amboss angeordneten Träger und in verbleibenden gegenüberliegenden zweiten Begrenzungsflächen von statisch wirkenden Werkzeugteilen begrenzt wird. Auch nimmt die Erfindung Bezug auf die Verwendung einer aus polykristallinem Diamant bestehenden oder polykristallinen Diamant enthaltenden Arbeitsfläche einer Seitenbegrenzung eines in Höhe und/oder Breite verstellbaren Verdichtungsraums einer Ultraschallschweißvorrichtung.
Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Ultraschallschweißvorrichtung, umfassend eine Ultraschallschwingungen übertragende Sonotrode mit einem eine Schweißfläche aufweisenden Sonotrodenkopf, eine der Schweißfläche gegenüberliegende Gegenelektrode sowie seitliche Begrenzungselemente, wobei die Schweißfläche, die Begrenzungselemente sowie mittelbar oder unmittelbar die Gegenelektrode einen in Höhe und/oder Breite veränderbaren Verdichtungsraum begrenzen. Werden mittels Ultraschall Litzen, die aus Einzeldrähten bzw. Adern aus Aluminium oder Aluminiummaterial bestehen, untereinander oder mit einem massiven Träger verschweißt, so zeigt sich der Nachteil, dass die eingeleitete Schweißenergie dazu führt, dass das Aluminium zu fließen beginnt bzw. in eine so genannte teigige Phase übergeht, so dass ein Anlegieren bzw. ein Anhaften an den Seitenbegrenzungen des die Litzen aufnehmenden Verdichtungsraums erfolgt.
Um dieses Anlegieren bzw. Anhaften zu vermeiden, ist es bereits bekannt, zwischen den Werkzeugen des Verdichtungsraums der Ultraschallschweißvorrichtung und den aus Aluminium bestehenden Litzen Zwischenfolien anzuordnen, die verhindern, dass ein unmittelbarer Kontakt mit den Schweißwerkzeugen erfolgt. Diesbezügliche Maßnahmen sind aufwendig und ermöglichen dem Grunde nach keinen vollautomatischen Schweißablauf bzw. Schweißvorgänge schneller Taktfolge.
Um nach der US-A-3,717,842 Aluminiumdrähte mit einem U-förmigen Träger zu verschweißen, wird zunächst der Träger in bekannter Weise um den Aluminiumdraht gecrimpt, um sodann den Schweißvorgang einzuleiten. Hierbei befindet sich zwischen der Sonotrode und den Drähten der ungecrimpte Abschnitt des Trägers, so dass gleichfalls kein unmittelbarer Kontakt zwischen den Werkzeugen und den Aluminiumdrähten erfolgt.
Sowohl das Einbringen einer Zwischenfolie als auch das zusätzliche Crimpen stellen verfahrenstechnische Nachteile dar, die insbesondere bei hochautomatisierten Schweißabläufen unerwünscht sind.
Von der Universität Kaiserslautern wurden Untersuchungen zur Vermeidung bzw. Reduzierung des Anhaftens von Aluminium und Aluminiumlegierungen an Sonotroden beim Ultraschallschweißen durchgeführt (AIF- Vorhaben-Nr. 13.285 N/l). Dabei wurde ausschließlich die Sonotrodenkopffläche mittels Magnetron- Sputter- Verfahrens beschichtet. Als Materialen wurden TiN und TiAlN benutzt. Durch das Auftragsverfahren war die Schichtdicke einige μm dick. Als Ergebnis konnte festgestellt werden, dass das Anlegieren von Aluminium beim Verschweißen dieses verringert wurde, allerdings nur während der ersten Schweißungen. So haben Versuche gezeigt, dass bereits nach 100 Schweißungen das unerwünschte Anlegieren wieder auftrat. Ursächlich hierfür dürfte sein, dass aufgrund der geringen Dicke der Titan enthaltenden Nitridschichten Aluminium durch die Schicht hindurch diffundiert, so dass sodann das Anlegieren erfolgen konnte.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zuvor beschriebener Art so weiter zu bilden, dass aus Aluminium bestehende oder Aluminium enthaltende Litzen untereinander oder mit einem massiven Träger verschweißt werden können, ohne dass Zwischenfolien erforderlich sind oder dass ein Massivteil um die Litzen gecrimpt werden muss. Auch soll die Anzahl von Schweißungen der üblicher Schweißprozesse entsprechen, bei denen Aluminium-Materialien nicht verschweißt werden, ohne dass ein Anlegieren bzw. Anhaften an die Begrenzungen des Verdichtungsraums derart auftritt, dass weitere Schweißungen negativ beeinflusst werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe verfahrensgemäß im Wesentlichen dadurch gelöst, dass als statische Werkzeugteile solche verwendet werden, die auf ihrer litzenzugewandten Arbeitsfläche polykristallinen Diamant (PKD) aufweisen.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass dann, wenn die statischen Werkzeugteile, also die Seitenbegrenzung eines in Höhe und/oder Breite verstellbaren Verdichtungsraums eine Ultraschallschweißvorrichtung mit polykristallinem Diamant belegt sind, ein Anlegieren bzw. Anhaften von Aluminium unterbleibt bzw. derart reduziert wird, dass Schweißprozesse nicht negativ beeinflusst werden, vielmehr Standzeiten der Werkzeuge erzielt werden, die beim Schweißen von Litzen üblicherweise erzielbar sind, die nicht aus Aluminium bestehen.
Ungeachtet der Tatsache, dass im Bereich der Seitenbegrenzung die größte Relativbewegung zwischen den Drähten und der angrenzenden Begrenzung herrscht, wird vermieden, dass das Aluminium, das beim Schweißen zu fließen beginnt und in eine teigige Phase übergeht, an den Seitenbegrenzungen anlegiert wird bzw. anhaftet. Zwar ist es bekannt, Arbeitsflächen von Ultraschallschweißwerkzeugen mit einem Material geringen Ausdehnungskoeffizientens zu versehen, um hohe Standzeiten zu erzielen (EP-B-O 375 704, WO-A-02/43915). Als Materialien für die verschleißmindernde Schicht werden Keramik wie Siliziumnitridkeramik, Siliziumkarbidkeramik, Zirkonoxidkeramik, Aluminiumoxidkeramik, Dispersionskeramik wie Aluminiumoxid/Titankarbid, Hartmetall oder polykristallines Diamantmaterial genannt. Dabei soll das verschleißmindernde Material grundsätzlich auf die stark belasteten Arbeitsflächen der Sonotrode und des Ambosses aufgebracht werden, gleichwenn auch der Hinweis erfolgt, dass auch die Seitenbegrenzungen mit einem entsprechenden Material beschichtet sein können.
Das polykristalline Diamantmaterial ist vorzugsweise als Außenschicht eines Trägers aus Hartmetall ausgebildet, wobei die Schichtdicke des polykristallinen Diamants derart zu wählen ist, dass ein Hindurchdiffundieren von Aluminium ungeachtet der Vielzahl von Schweißungen ausgeschlossen ist. Daher sollte die Schichtdicke insbesondere zumindest 0,1 mm, vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 0,7 mm, insbesondere zwischen 0,4 mm und 0,5 mm betragen. Die Dicke des Hartmetallträgers, auf den das PKD aufgebracht bzw. befestigt ist, sollte im Bereich zwischen 0,8 mm und 2,0 mm, vorzugsweise zwischen 1,0 mm und 1,2 mm liegen.
Der polykristalline Diamant ist auf einem Träger aufgebracht, der seinerseits mit dem statischen Werkzeugteilen, d. h. Seitenschieber bzw. Touchierplatte verbunden wird, die den Verdichtungsraum begrenzen, in den die zu verschweißenden Leiter eingebracht werden.
Vorzugsweise sollte die Diamantschicht eine Dicke von zumindest 0,1 mm, insbesondere im Bereich zwischen 0,2 mm und 0,7 mm, und/oder Diamantkörner mit einer durchschnittlichen Diamantkorngröße zwischen 4 μm und 25 μm aufweisen, wobei das Volumen der Diamantkörner bevorzugterweise zwischen 90 Vol.-% und 95 Vol.-% der Schicht beträgt. Dadurch, dass aufgrund des polykristallinen Diamants ein Anlegieren bzw. Anhaften an den Seitenbegrenzungen des Verdichtungsraums unterbleibt, ist der Energieeintrag zum Verschweißen der Litzen bzw. diese mit einem massiven Träger nur auf das Material Aluminium abzustellen. Insbesondere ist es nicht erforderlich, dass ein höherer Energieeintrag bzw. höhere Drucke beim Verschweißen notwendig werden, die zu beachten wären, wenn ein Anlegieren bzw. Anhaften erfolgen würde. Gleichzeitig ergibt sich durch die Wahl des Materials Aluminium der Vorteil einer Gewichtseinsparung sowie der Verwendung eines kostengünstigeren Materials im Vergleich zu Kupfer.
Die erfindungsgemäße Lehre gilt jedoch auch dann, wenn ein Mischverbund hergestellt werden soll, d. h. Aluminium und Aluminium enthaltende Litzen mit Litzen anderen Materials verschweißt werden.
Zwar besteht grundsätzlich die Möglichkeit, die verbleibenden Begrenzungsflächen von Sonotrode und Amboss auch mit polykristallinem Diamant zu belegen. Hierdurch würde jedoch insgesamt eine Verteuerung der Werkzeuge erfolgen, ohne dass sich merkliche Vorteile zeigen; denn die Anlegier- bzw. Anhaftenneigung ist im Wesentlichen im Bereich der statischen Werkzeugteile gegeben.
Die Erfindung bezieht sich auch auf die Verwendung einer aus polykristallinem Diamant (PKD) bestehenden oder polykristallinen Diamant enthaltenden Arbeitsfläche einer Seitenbegrenzung eines in Höhe und/oder Breite verstellbaren Verdichtungsraums einer Ultraschallschweißvorrichtung zur Vermeidung oder Reduzierung des Anlegierens oder Anhaftens von Aluminium oder Aluminiumlegierung beim Verschweißen von in den Verdichtungsraum eingebrachten und im Wesentlichen aus Aluminium oder Aluminiumlegierung bestehenden Adern oder Einzeldrähten bestehenden Litzen. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die aus den aus Aluminium oder Aluminiumlegierung bestehenden Adern oder Einzeldrähten bestehenden Litzen mit weiteren Litzen verschweißt werden, die aus einem von Aluminium oder Aluminiumlegierung abweichenden Material bestehen. Auch können die Litzen mit einem aus Metall bestehenden Träger verschweißt werden, der in dem Verdichtungsraum angeordnet oder als Begrenzung des Verdichtungsraums verwendet wird. Ferner nimmt die Erfindung Bezug auf eine Ultraschallschweißvorrichtung zur Durchführung des zuvor genannten Verfahrens, umfassend eine Ultraschallschwingungen übertragende Sonotrode mit einem eine Schweißfläche aufweisenden Sonotrodenkopf, eine der Schweißfläche gegenüberliegende Gegenelektrode sowie seitliche Begrenzungselemente, wobei die Schweißfläche, die Begrenzungselemente sowie mittelbar oder unmittelbar die Gegenelektrode einen in Höhe und/oder Breite veränderbaren Verdichtungsraum begrenzen, und die sich dadurch auszeichnet, dass die Schweißfläche der Sonotrode einen Verlauf eines gleichschenkligen offenen Trapezes mit Bodenfläche und von Seitenschenkeln ausgehenden Seitenflächen aufweist, dass die Bodenfläche und die jeweilige Seitenfläche einen Winkel α mit 100° < α < 145° einschließt und dass die Begrenzungselemente in ihrer den Verdichtungsraum begrenzenden Fläche aus polykristallinem Diamant besteht oder diesen enthält.
Zwar ist es bekannt, Sonotroden mit Schweißflächen zu verwenden, die die Geometrie eines gleichschenkligen offenen Trapezes aufweisen (DE-U-20 2004 010 775). Allerdings wird die Geometrie dazu benutzt, um beim Verschweißen von Litzen mit Trägern U-förmiger Geometrie zu verhindern, dass Querkräfte in einem Umfang auftreten, dass die Seitenschenkel des Trägers auseinander gebogen werden. Gleichzeitig soll ein größeres Füllvolumen für die mit dem Träger zu verschweißenden Leitern zur Verfügung gestellt werden. Demgegenüber wird erfindungs gemäß eine entsprechende Schweißfläche einer Sonotrode dazu benutzt, damit zusätzlich neben der Belegung der Seitenbegrenzung sflächen des Verdichtungsraums mit PKD unterstützend erreicht wird, dass ein Anlegieren von Aluminium beim Verschweißen von Aluminium enthaltenen Materialien unterbleibt bzw. derart reduziert wird, dass Schweißungen nicht negativ beeinflusst werden.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die den Verdichtungsraum seitlich begrenzende Fläche des Begrenzungselements Außenfläche einer aus polykristallinem Diamant bestehenden Schicht einer Dicke d mit d > 0,1 mm, insbesondere mit 0,2 mm < d < 0,7 mm ist, die von einem Träger ausgeht, der mit dem Begrenzungselement insbesondere durch Hartlöten verbunden ist. Die Schicht ist auf dem Träger aufgebracht. Durch die spezielle Ausbildung der Arbeitsfläche, das heißt Schweißfläche der So- notrode, wird der Vorteil erzielt, dass die beim Verdichten und Verschweißen der Litzen auftretende Gesamtquerkräfte in erheblichem Umfang von den die Schweißfläche der Sonotrode begrenzenden Seitenflächen aufgenommen werden, so dass zusätzlich ein Anlegieren bzw. Anhaften von Aluminium an den Seitenbegrenzungsflächen des Verdichtung sraums unterbunden wird.
Dabei sind als bevorzugte Dimensionierungen anzugeben, dass der Sonotrodenkopf eine Breite B aufweist und die Seitenschenkel über der Bodenfläche mit einer Höhe T vorstehen mit 0,1 B < T < 0,3 B.
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 Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Ultraschallschweißanlage,
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung eines Verdichtungsraums und
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines Verdichtungsraums.
In Fig. 1 ist rein prinzipiell eine Ultraschallschweißanlage dargestellt, in der aus Aluminium bestehende oder Aluminium enthaltende Litzen, das heißt deren feine Drähte oder Adern, untereinander zu einem End- oder Durchgangsknoten oder mit einem massiven Träger wie Stanz- oder Biegeteil, z. B. einer U-Form, verschweißt werden. In bekannter Weise umfasst die Anlage eine Ultraschallschweißvorrichtung oder -maschine 10, die einen Konverter 12, gegebenenfalls einen Booster 14 sowie eine Sonotrode 16 aufweist. Der Sonotrode 16, das heißt deren Kopf und damit dessen Schweißfläche sind eine Gegenelektrode 20 - auch Amboss genannt - sowie Seitenschieber 21, 23 zugeordnet, um einen Verdichtungsraum zu umgeben, der in Fig. 2 rein prinzipiell in vergrößerter Darstellung wiedergegeben ist.
Sollen nach der Fig. 2 in dem Verdichtungsraum 30 aus Aluminium bestehende oder Aluminium enthaltende Litzen, die aus einzelnen dünnen Drähten oder Äderchen 32, 34 bestehen, mittels Ultraschall verschweißt werden, so werden diese in den Verdichtungsraum 30 gelegt, der von einer Arbeitsfläche 38 der Sonotrode 36, einer Arbeitsfläche 40 der gegenüberliegenden und entlang des Doppelpfeils 42 verschiebbaren Gegenelektrode (Amboss 44) sowie Arbeitsflächen 46, 48 begrenzt wird, die von einem den Amboss 44 aufnehmenden Träger 50 - auch Säule genannt - bzw. eine auf diesem angeordnete Touchierplatte 51 sowie einem Seitenschieber 52 ausgehen. Dabei zeigt die Praxis, dass ein Anlegieren der Litzen, das heißt deren dünnen Drähte und Äderchen 32, 34 an den Arbeitsflächen 46, 48 der Seitenbegrenzungen des Verdichtungsraums 30 erfolgt, also den statischen Werkzeugteilen, die den Verdichtungsraum 30 begrenzen. Ursächlich hierfür dürfte sein, dass im Bereich der Seitenbegrenzungen die größte ReIa- tivbewegung zwischen den Litzen und den Werkzeugteilen erfolgt, so dass das zu fließen beginnende bzw. in eine teigige Phase übergehende Aluminium an der Arbeitsfläche anlegiert bzw. anhaftet, so dass ordnungsgemäße Schweißungen nicht durchführbar sind.
Nach dem Stand der Technik werden daher die Litzen von einer Folie umgeben, um einen unmittelbaren Kontakt zwischen den Äderchen 32, 34 und den Arbeitsflächen 38, 40, 46, 48 auszuschließen.
Erfindungsgemäß ist demgegenüber vorgesehen, dass die Arbeitsflächen 46, 48 litzen- seitig mit polykristallinem Diamant (PKD) belegt sind, wobei das PKD jeweils eine Schicht 54, 56 bildet, die äußere Schicht eines Trägers 58, 60 insbesondere aus Hartmetall ist, der vorzugsweise durch Hartlöten auf das eigentliche Werkzeugteil, das heißt den Seitenschieber 52 bzw. die Touchierplatte 51 hart aufgelötet ist. Die Schicht 54, 56 und der Träger 58, 60 bilden eine Einheit, die sodann auf die statischen Werkzeugteile 21, 23, 51, 52, 68, 70 aufgelötet wird.
Die Schicht 54, 56 sollte eine Mindestdicke von 0,1 mm, bevorzugterweise eine Dicke zwischen 0,2 mm und 0,7 mm aufweisen. Der Volumenanteil der Diamantkörner sollte zwischen 90 Vol.-% und 95 Vol.-% und/oder die Korngröße der Diamantkörner im Bereich zwischen 4 μm und 25 μm liegen, wobei ein bevorzugter Bereich zwischen 4 μm und 7 μm zu nennen ist.
Dadurch, dass die aus Aluminium bestehenden oder Aluminium enthaltenden Drähte bzw. Äderchen 32, 34 beim Schweißen im Bereich der statischen Werkzeugteile ausschließlich mit polykristallinem Diamant in Kontakt gelangen, wird überraschenderweise ein Anlegieren bzw. Anhaften des beim Schweißen teigigen bzw. fließenden Aluminiums vermieden, so dass reproduzierbare Schweißungen hoher Güte erzielbar sind, wie dies beim Verschweißen von Kupferlitzen bekannt ist.
Die erfindungsgemäße Lehre ist selbstverständlich nicht auf das Verschweißen von aus Aluminium bestehenden oder Aluminium enthaltenden Litzen untereinander beschränkt. Vielmehr ist die erfindungsgemäße Ausbildung der Arbeitsflächen 46, 48 der Seitenbegrenzungen in Form eines PKD-Belags auch dann anzuwenden, wenn Mischverbindungen hergestellt werden sollen, also z. B. aus Aluminium bestehende Litzen mit solchen z. B. aus Kupfer verschweißt werden oder eine Schweißverbindung zwischen einem massiven Träger z. B. aus Kupfer oder Aluminium oder einer Legierung von diesem mit insbesondere aus Aluminium bestehenden Litzen hergestellt werden soll.
Die Dicke der PKD-Schicht 54 bzw. 56 sollte im Bereich zwischen 0,2 mm und 0,7 mm, insbesondere im Bereich zwischen 0,4 mm und 0,5 mm liegen. Um ein Verschweißen des Trägers 58, 60 mit dem Schieber 52 bzw. der Säule 50 durchführen zu können, ohne dass Verwerfungen auftreten, sollte die Dicke des Trägers 58, 60 im Bereich zwischen 0,8 mm und 2,0 mm, insbesondere etwa 1,2 mm bis 1,0 mm liegen. Dabei wird die Verbindung zwischen dem die Schicht 54, 56 aufweisenden Träger 58, 60 und der Touchierplatte 51 bzw. den Seitenschieber 52 insbesondere mittels Hartlöten durchgeführt.
Der Fig. 3 ist eine Prinzipdarstellung eines Ausschnitts einer Ultraschallschweißvorrichtung zu entnehmen, mit der ein massiver Träger 61, der z. B. aus Kupfer bestehen kann, mit Litzen verschweißt wird, die aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung bestehen. Dargestellt sind einzelne Adern bzw. Drähte 62, 64. Der Träger 61 bildet im Ausführungsbeispiel untere Begrenzungsfläche eines Verdichtungsraums 66, der seitlich von Schiebern 68, 70 und einer Arbeits- oder Schweißfläche 72 einer Sonotrode 74 in bekannter Weise begrenzt wird. Der Träger 61 selbst ist auf einem Amboss 76 positioniert.
Entsprechend der erfindungs gemäßen Lehre weisen die Seitenschieber 68, 70 in ihrer dem Verdichtungsraum 66 zugewandten Begrenzungsfläche einen Belag 78, 80 oder Schicht aus polykristallinem Diamant (PKD) auf, der von einem Träger 82, 84 ausgeht, der seinerseits mit dem Seitenschieber 68 bzw. 70 insbesondere durch Hartlöten verbunden ist.
Um eine eindeutige Positionierung des Trägers 61 zu ermöglichen, können die Seitenschieber 68, 70 ambossseitig Ausklinkungen bzw. Ausschnitte 86, 88 aufweisen, innerhalb der die Längsränder des Trägers 61 verlaufen.
Aus der zeichnerischen Darstellung ergibt sich des Weiteren, dass die Arbeitsfläche 72 der Sonotrode 74 die Geometrie eines offenen Trapezes hat. Dabei bildet der kurze Basisschenkel die Bodenfläche 88. Die Bodenfläche 88 wird von Seitenschenkeln 90, 92 begrenzt, wobei die Innenflächen 94, 96 der Schenkel 88, 90 zur Bodenfläche 88 jeweils einen Winkel zwischen 100° und 145° beschreiben sollte. Durch die Geometrie der Schweißfläche 72, also die eines offenen Trapezes ergibt sich der Vorteil, dass die beim Schweißen auftretenden Gesamtquerkräfte von den Schenkeln 90, 92 der Arbeitsfläche 72 aufgenommen werden, wodurch zusätzlich die Neigung eines Anlegierens bzw. Anhaftens von Aluminium an den Seitenbegrenzungen des Verdichtungsraums 66 reduziert wird. Des Weiteren sollte die Dimensionierung der Seitenschenkel 88, 90 zu dem Sono- trodenkopf derart aufeinander abgestimmt sein, dass die Höhe T der Schenkel 88, 90 beträgt 0,1 B < T < 0,3 B mit B = Breite des Sonotrodenkopfes, der zwischen 1,0 mm und 25,0 mm liegen kann, ohne dass hierdurch die erfindungs gemäße Lehre eingeschränkt wird. T bedeutet die Höhe über der Bodenfläche 88.

Claims

PatentansprücheVerfahren zum Reduzieren des Anlegierens von Aluminium sowie Ultraschallschweißvorrichtung
1. Verfahren zum Reduzieren des Anlegierens und/oder Anhaftens von Aluminium oder Aluminiumlegierung beim Ultraschallverscheißen von aus Aluminium oder Aluminiumlegierung bestehenden Adern bzw. Einzeldrähten (32, 34) aufweisenden Litzen zu einem End- oder Durchgangsknoten untereinander oder mit einem aus Metall bestehenden Träger, wobei zumindest die Litzen in einen in Höhe und/oder Breite verstellbaren Verdichtungsraum (30) eingebracht werden, der in gegenüberliegenden ersten Begrenzungsflächen von Abschnitten einer So- notrode (16, 36, 74) und eines Ambosses (20, 44, 76) oder dem auf dem Amboss angeordneten Träger (61) und in verbleibenden gegenüberliegenden zweiten Begrenzungsflächen (46, 48) von statisch wirkenden Werkzeugteilen (21, 23, 51, 52, 68, 70) begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als statische Werkzeugteile (21, 23, 51, 52, 68, 70) solche verwendet werden, die auf ihrer litzenzugewandten Arbeitsfläche polykristallinen Diamant (PKD) aufweisen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass neben den im Wesentlichen aus Aluminium oder Aluminiumlegierung bestehenden Adern bzw. Einzeldrähten aufweisenden ersten Litzen (32, 34) zweite Litzen aus einem anderen Material verschweißt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der polykristalline Diamant obere Schicht eines Metallträgers (58, 60) ist, der auf das statische Werkzeugteil (51, 52) befestigt wie hart aufgelötet wird.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der polykristalline Diamant eine Schicht einer Dicke d mit d > 0,1 mm, insbesondere 0,2 mm < d < 0,7 mm auf dem Träger bildet, der seinerseits vorzugsweise eine Dicke D mit 0,8 mm < D < 2,0 mm aufweist.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus polykristallinem Diamant bestehende Schicht mit einer Dicke d mit d > 0,1 mm, insbesondere 0,2 mm < d < 0,7 mm verwendet wird.
6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als die Schicht eine mit einer Dicke d verwendet wird, die ein Hindurchdiffundieren von Aluminium verhindert.
7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als die Schicht aus polykristallinem Diamant eine solche mit Diamantkörnern mit einer durchschnittlichen Diamantkorngröße zwischen 4 μm und 25 μm, insbesondere zwischen 4 μm und 7 μm verwendet wird.
8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Schicht aus polykristallinem Diamant eine solche mit Diamantkörnern zwischen 90 Vol.-% und 95 Vol.-% verwendet wird.
9. Verwendung einer aus polykristallinem Diamant (PKD) bestehenden oder polykristallinen Diamant enthaltenden Arbeitsfläche einer Seitenbegrenzung (51, 52) eines in Höhe und/oder Breite verstellbaren Verdichtungsraums (30) einer Ultraschallschweißvorrichtung (10) zur Vermeidung oder Reduzierung des Anlegie- rens oder Anhaftens von Aluminium oder Aluminiumlegierung beim Verschweißen von in den Verdichtungsraum eingebrachten und im Wesentlichen aus Aluminium oder Aluminiumlegierung bestehenden Adern oder Einzeldrähten bestehenden Litzen (32, 34).
10. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die aus den aus Aluminium oder Aluminiumlegierung bestehenden Adern oder Einzeldrähten bestehenden Litzen (32, 34) mit weiteren Litzen verschweißt werden, die aus einem von Aluminium oder Aluminiumlegierung abweichenden Material bestehen.
11. Verwendung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Aluminium bestehenden oder Aluminium enthaltenden Litzen (32, 34) mit einem aus Metall bestehenden Träger (61) verschweißt werden, der in dem Verdichtungsraum angeordnet oder als Begrenzung des Verdichtungsraums verwendet wird.
12. Ultraschallschweißvorrichtung (10) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, umfassend eine Ultraschallschwingungen übertragende Sonotrode (16, 36, 74) mit einem eine Schweißfläche (72) aufweisenden Sonotrodenkopf, eine der Schweißfläche gegenüberliegende Gegenelektrode (76) sowie seitliche Begrenzungselemente (68, 70), wobei die Schweißfläche, die Begrenzungselemente sowie mittelbar oder unmittelbar die Gegenelektrode einen in Höhe und/oder Breite veränderbaren Verdichtungsraum (66) begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißfläche (72) der Sonotrode (74) einen Verlauf eines gleichschenkligen offenen Trapezes mit Bodenfläche (88) und von Seitenschenkeln (90, 92) ausgehenden Seitenflächen aufweist, dass die Bodenfläche und die jeweilige Seitenfläche einen Winkel α mit 100° < α < 145° einschließt und dass die Begrenzungselemente (68, 70) in ihrer den Verdichtungsraum (66) begrenzenden Fläche aus polykristallinem Diamant besteht oder diesen enthält.
13. Ultraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die den Verdichtungsraum (66) seitlich begrenzende Fläche des Begrenzungselements (68, 70) Außenfläche einer aus polykristallinem Diamant bestehenden Schicht einer Dicke d mit d > 0,1 mm, insbesondere 0,2 mm < d < 0,7 mm ist, die von einem Träger (86, 88) ausgeht, der mit dem Begrenzungselement (68, 70) insbesondere durch Hartlöten verbunden ist.
14. Ultraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (74) in ihrem die Schweißfläche (72) aufweisendem Bereich eine Breite B aufweist und dass die die Bodenfläche (88) der Schweißfläche begrenzenden Seitenschenkel (90, 92) mit einer Höhe T über der Bodenfläche vorstehen, wobei 0,1 B < T < 0,30 B ist.
15. Ultraschallschweißvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die aus polykristallinem Diamant bestehende Schicht (54, 56, 78, 80) Diamantkörner mit einer durchschnittlichen Diamantkorngröße zwischen 4 μm und 25 μm, insbesondere zwischen 4 μm und 7 μm aufweist.
16. Ultraschallschweißvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Diamantkörner in der aus polykristallinem Diamant bestehenden Schicht (54, 56, 78, 80) zwischen 90 Vol.-% und 95 Vol.-% beträgt.
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