WO2010010103A2

WO2010010103A2 - Verfahren zum abdichtenden verschweissen von elementen mittels ultraschall

Info

Publication number: WO2010010103A2
Application number: PCT/EP2009/059390
Authority: WO
Inventors: Jochen Schappel; Dr. Stefan Trube; Dieter Stroh
Original assignee: Schunk Sonosystems Gmbh
Priority date: 2008-07-22
Filing date: 2009-07-21
Publication date: 2010-01-28
Also published as: WO2010010103A3; DE102008002959A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum abdichtenden Verschweißen eines ersten Elementes aus einem ersten Material mit einem zweiten Element aus dem ersten oder einem zweiten Material mittels Ultraschall, wobei zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element in zu verbindendem und gegeneinander abzudichtendem Bereich ein Zwischenelement angeordnet wird und anschließend Ultraschallschwingungen über eine Sonotrode übertragen werden. Um sicherzustellen, dass auch in Bereichen, in denen das Zwischenelement und/oder das erste und/oder das zweite Element sich abschnittsweise überlappen, die gewünschte dichtende Schweißverbindung zur Verfügung gestellt werden kann, wird vorgeschlagen, dass als Zwischenelement ein solches verwendet wird, das sowohl zu dem ersten Element als auch zu dem zweiten Element hin offene Durchbrechungen aufweist, die während des Verschweißens zumindest bereichsweise mit Material des Zwischenelementes ausgefüllt werden.

Description

Verfahren zum abdichtenden Verschweißen von Elementen mittels Ultraschall

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum abdichtenden Verschweißen eines ersten Elementes aus einem ersten Material mit einem zweiten Element aus dem ersten oder einem zweiten Material mittels Ultraschall, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Element in zu verbindendem und gegeneinander abzudichtendem Bereich ein Zwischenelement angeordnet und zum Verschweißen anschließend Ultraschallschwingungen über eine Sonotrode übertragen werden.

Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Vakuum- Isolierglases. Auch nimmt die Erfindung Bezug auf eine Sonotrode einer Ultraschallschweißvorrichtung mit einem scheibenförmigen umfangsseitig eine Struktur aufweisenden Sonotrodenkopf.

Um schwer schweißbare Materialien wie Werkstoffe aus nickelhaltigen Legierungen mit Glas mittels Ultraschall zu verschweißen, ist es bekannt, zwischen den entsprechenden Materialien eine Schweißmittlerschicht anzuordnen, die gute Schweißeigenschaft aufweist. Dabei haben sich Aluminiumfolien dann als geeignet herausgestellt, wenn keine Materialsprünge vorliegen, also überlappende Bereiche nicht vorhanden sind. Soll demgegenüber ein umlaufender Rand z. B. einer Scheibe mit einer eine Abdichtung ermöglichenden Folie verschweißt werden, so ist festzustellen, dass dann, wenn die Zwischenschicht aus Aluminium in den Ecken überlappend angeordnet ist, in den Materialübergangsbereichen Undichtigkeiten auftreten, also dort, wo ein Materialsprung vorliegt. Aus der JP-A-I l 104 859 ist ein Verfahren zum Verschließen eines Behältnisses mit einem Deckel zu entnehmen. Sowohl das Behältnis als auch der Deckel bestehen aus einem mit Kunststoff beschichteten Aluminiumblech. Zum Verschweißen von Deckel und Behältnis wird zwischen den einander zugewandten Kunststoffschichten ein Zwischenelement angeordnet, das ein aus Aluminium bestehendes Netz oder Lochblech ist.

Die DE-A-101 11 097 bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden zweier Fügeteile. Von den aufeinander liegenden Fügeteilen weist eines eine Anzahl von Vertiefungen auf, in denen beim Ultraschallschweißen zu verschmelzendes Fügeteilmaterial eindringt.

Um Metallteile zu verschweißen, weist nach der JP- A-58- 100989 eines der zu verschweißenden Elemente Vorsprünge auf, um beim Verschweißen auftretende Relativbewegungen zwischen den Bauteilen etwaige Oxide oder Fremdmaterialien zu entfernen.

Die US-A-2006/0169388 bezieht sich auf eine Ultraschallschweißvorrichtung, bei der die zum Einsatz gelangende Sonotrode pyramidenförmige Vorsprünge aufweist.

Die JP-A-2005 088067 schlägt eine Sonotrode mit Pyramiden in ihrer Oberfläche vor.

Die DE-C-23 12 724 bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ultraschallschweißen eines aus Metall bestehenden Bauteils mit einem aus einem Nichtmetall gebildeten Bauteil unter Einfügung einer metallischen Zwischenlage, die aus einer Aluminiumschicht oder -folie besteht.

Aus der DE-T-690 18 077 ist eine Natrium/Schwefelzelle mit einem keramischen und einem metallischen Teil bekannt. Dabei wird ein keramisches Bauteil mit einer metallischen Komponente mittels Ultraschallschweißens verbunden. Die metallische Komponente besteht aus einem Verbundwerkstoff, von dem eine Komponente eine deformierbare Schicht umfasst, die mit dem Keramikbauteil unmittelbar verbunden ist. Die de- formierbare Schicht wird dabei z. B. durch Kaltwalzen oder Diffusionsverbinden aufgetragen.

Gegenstand der JP-A-2007 330 851 ist eine Sonotrode einer Ultraschallschweißvorrichtung, wobei die Schweißfläche der Sonotrode Vorsprünge aufweist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum abdichtenden Verschweißen zuvor genannter Art so weiterzubilden, dass sichergestellt ist, dass auch in Bereichen, in denen das Zwischenelement und/oder das erste und/oder das zweite Element sich abschnittsweise überlappen, die gewünschte dichtende Schweißverbindung zur Verfügung gestellt werden kann.

Zur Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung im Wesentlichen vor, dass als erstes Material eines aus der Gruppe Glasmaterial, Keramikmaterial und als zweites Element eines aus der Gruppe Glasmaterial, Keramikmaterial, Eisen, Stahl, Nickel, Wolfram, Chrom, Aluminium Kupfer, Silber, Magnesium, Legierung einer oder mehrerer dieser Elemente verwendet wird, und dass als Zwischenelement ein solches verwendet wird, das sowohl zu dem ersten Element als auch zu dem zweiten Element hin offene Durchbrechungen aufweist, die während des Verschweißens zumindest bereichsweise mit Material des Zwischenelementes ausgefüllt werden.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass dann, wenn zwischen dem zu verschweißenden ersten und zweiten Element und diese vorzugsweise unmittelbar kontaktierend ein Zwischenelement mit Öffnungen, die z. B. offene Poren oder Durchgangsöffnungen einschließen, angeordnet wird, die sowohl zu dem ersten als auch zu dem zweiten Element hin offen sind, auch in Überlappungsbereichen eine hinreichende Dichtheit gegeben ist, da durch die durch die Öffnungen gebildeten offenen Hohlräume die Möglichkeit geschaffen wird, dass die Zwischenschicht während des Verschweißens in einem Umfang umgeformt wird, dass in Nahtstellen Undichtigkeiten vermieden werden. Gleichzeitig ist eine gute Verbindung mit den angrenzenden Materialien sichergestellt. Die Öffnungen können dabei derart zu dem ersten und zweiten Element ausgerichtet sein, dass eine Durchgangsöffnung senkrecht zu den von den Elementen aufgespannten Ebenen zur Verfügung gestellt wird. Es ist ein Durchgang von einer Seite der Zwischenschicht zu der anderen Seite gegeben, so dass das Umformen beim Verschweißen und die abdichtende Verbindung zu dem ersten und zweiten Material über die Zwischenschicht gewährleistet sind. Durchgangsöffnungen schließen jedoch auch Materialien mit einer offenen Porenstruktur ein, wie z. B. Metallschaum. Auch bei einem entsprechenden Material sind Öffnungen vorhanden, die ein Umformen erleichtern.

Als Material der Zwischenschicht gelangt ein gut schweißbares Material zum Einsatz, wobei sich insbesondere Aluminium oder Aluminiumverbindungen als geeignet herausgestellt haben. Geeignete Materialien sind insbesondere Buntmetalle. Entsprechende gut schweißbare Materialien sind durch eine Zugfestigkeit < 300 N/mm² gekennzeichnet.

Unabhängig hiervon können auch andere gut schweißbare Materialien wie Kupfer oder Silber oder Legierungen enthaltend Aluminium und/oder Kupfer und/oder Silber verwendet werden. Magnesium ist gleichfalls zu nennen.

Als besonderes geeignete Zwischenmaterialien mit den für die gute abdichtende Schweißverbindung erforderlichen Öffnungen bzw. Hohlräume haben sich solche in Form von Streckmetallzwischenlagen, Gittern, Lochblechen oder sonstige Durchbrechungen aufweisenden Blechen oder Folien erwiesen, die bevorzugterweise eine Dicke D zwischen 0,1 mm und 0,3 mm aufweisen. Auch Geflechte und Schaum aus einem gut schweißbaren Material kommen in Frage.

Erfolgt das Verbinden zwischen dem ersten und zweiten Element über das Zwischenelement vorzugsweise mittels Rollnahtschweißens, so ist auch eine Punktschweißverbindung möglich, ohne die erfindungsgemäße Lehre zu verlassen.

Bevorzugterweise erfolgt ein Verschweißen mittels Rollnahtschweißens, wobei ein scheibenförmiger Sonotrodenkopf als Teil einer Sonotrode eingesetzt wird, über die Ultraschallschwingungen übertragen werden, und der Sonotrodenkopf umfangsflächen- seitig strukturiert ist, indem in der Umfangsfläche zumindest drei umlaufende erste Erhebungen und quer zu diesen verlaufenden und in die ersten Erhebungen übergehende zweite Erhebungen ausgebildet sind, wobei zweite Erhebungen zwischen einer ersten und einer zweiten ersten Erhebung versetzt zu zweiten Erhebungen zwischen der zweiten ersten Erhebung und einer benachbarten dritten ersten Erhebung verlaufen. Somit ergibt sich ein Ziegelmuster, das sich aus radialen und senkrecht hierzu verlaufenden axialen Stegen zusammensetzt, wobei die in axialer Richtung verlaufenden Stege versetzt zueinander angeordnet sind. Folglich liegt ein Versatz von durch die Stege begrenzten vieleckigen wie rechteckigen, quadratischen, trapezförmigen, rhombenförmi- gen oder wabenförmigen Aussparungen vor, so dass sich in der Schweißnaht zwischen den ersten und zweiten Materialien und der zwischen diesen verlaufenden Zwischenschicht geschlossene Schweißlinien ergeben, die auch dann, wenn einige zerstört werden sollten, die erforderliche Dichtheit zwischen dem ersten und zweiten Element sicherstellt.

Dabei sollten die ersten und zweiten Erhebungen mit ihren freien Außenrändern in einer gemeinsamen Ebene verlaufen.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Vakuum-Isolierglas mit einer ersten Scheibe und einer zu dieser beabstandeten zweiten Scheibe als jeweils erstes Element mit den Verfahrensschritten

umlaufendes Anordnen von zumindest einem streifenförmigen Zwischenelement auf den umlaufenden Randbereich der Außenseite einer jeweiligen Glasscheibe,

Auflegen eines über den jeweiligen Randbereich vorstehenden Materialstreifen als das zweite Element auf das zumindest eine Zwischenelement,

Verschweißen der Metallstreifen mit der Glasscheibe über das zumindest eine Zwischenelement und abdichtendes Verbinden der über die Glasscheiben vorstehenden Abschnitte der Metallstreifen untereinander sowie

Evakuieren des über die Materialstreifen abgedichteten Zwischenraums zwischen den Glasscheiben,

zeichnet sich dadurch aus, dass als Zwischenelement sich überlappende Abschnitte eines aus einem Metall bestehenden Materials verwendet wird, das sowohl zu der Glasscheibe als auch zu den Metallstreifen hin insbesondere durchgehende Öffnungen aufweist, und dass mittels Rollnahtschweißens oder Punktschweißens der Metallstreifen mit dem ersten Element abdichtend verbunden wird.

Das Punktschweißen muss zum Abdichten überlappend erfolgen. Zur Erzielung einer Festigkeit reicht das Punktschweißen. So kann auch ergänzend oder alternativ vorgesehen sein, dass mit der Glasscheibe aus Metall bestehende sonstige Elemente durch z. B. Punktschweißen verbunden werden.

Das entsprechende Verfahren zur Herstellung von Vakuum-Isolierglas wird durch zuvor und nachstehend beschriebene Merkmale, die auch den Ansprüchen zu entnehmen sind, weitergebildet.

Eine Sonotrode einer Ultraschallschweißvorrichtung mit einem scheibenförmigen, eine umfangsseitige Struktur aufweisenden Sonotrodenkopf zeichnet sich dadurch aus, dass die Struktur durch zumindest drei umlaufende erste Erhebungen und quer zu diesen verlaufende und in die ersten Erhebungen übergehende zweite Erhebungen ausgebildet ist, wobei zweite Erhebung zwischen einer ersten und einer zweiten ersten Erhebung versetzt zu zweiten Erhebungen zwischen der zweiten ersten Erhebung und einer benachbarten dritten ersten Erhebung verlaufen. Dabei liegen die ersten und zweiten Erhebungen mit ihren freien Außenrändern insbesondere in einer gemeinsamen Ebene.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kom- bination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Ultraschall-Rollnahtschweißvorrichtung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Kopf der Sonotrode der

Ultraschall-Rollnahtschweißvorrichtung der Fig. 1,

Fig. 3 eine Draufsicht auf ein Isolier glas und

Fig. 4 einen Schnitt des Isolierglases entlang der Linie IV - IV in Fig. 3.

Um schwer verbindbare Materialien mittels Ultraschall zu verschweißen ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwischen den zu verbindenden Materialien eine Schweißmittlerschicht angeordnet wird, die gute Schweißeigenschaften aufweist und offene Hohlräume derart besitzt, dass eine durchgehende Verbindung zwischen den zu verbindenden Materialien besteht. Hierdurch wird die Möglichkeit eröffnet, die Zwischenschicht im gewünschten Umfang umzuformen, wobei gleichzeitig eine gute abdichtende Verbindung mit den angrenzenden Materialien erfolgt. Dabei wird die Dichtheit durch die Hohlräume nicht zerstört, da diese ihrerseits umlaufend von dem Material der Zwischenschicht begrenzt sind, das wiederum mit den an sich schwer verbindbaren Materialien verschweißt wird.

Ein bevorzugtes, jedoch nicht schutzeinschränkendes Beispiel ist das Verschweißen von Metallstreifen mit den Außenflächen von Glasscheiben, um ein Vakuum- Isolierglas zur Verfügung zu stellen, also bei dem die Gläser zueinander beabstandet sind und der Zwischenraum evakuiert wird.

Ein entsprechender Anwendungsfall ist rein beispielhaft der Fig. 3 zu entnehmen. Man erkennt einen Ausschnitt einer der Glasscheiben 10, über deren Rand ein Metallstreifen 14 vorsteht, der mit einem nicht dargestellten Metallstreifen einer gleichfalls nicht erkennbaren und zu der Scheibe 10 beabstandeten Scheibe dichtend verbunden wird. Bei den Metallstreifen 14 kann es sich um solche mit einer Dicke zwischen 0,1 mm und 0,3 mm handeln. Als Material ist beispielhaft eine Nickel-Basislegierung zu nennen.

Um den Metallstreifen 14 mit der Glasscheibe 10 zu verschweißen, wird in dem Bereich, in dem das abdichtende Verschweißen erfolgen soll, eine Zwischenschicht 12 angeordnet, die auch als Seh weißmittler Schicht zu bezeichnen ist. Diese kontaktiert vor dem Schweißen vorzugsweise unmittelbar sowohl die Glasscheibe 10 als auch den Metallstreifen 14. Vorzugsweise soll zum Ausdruck bringen, dass die Glasscheibe 10 z. B. eine Beschichtung wie Metallbeschichtung aufweisen kann.

Die Zwischenschicht 12 besteht im Ausführungsbeispiel aus zwei sich überlappenden Abschnitten 16, 18. Der sich überlappende Bereich ist mit dem Bezugszeichen 20 gekennzeichnet.

Auch der Metallstreifen 14 besteht aus sich überlappenden Abschnitten 22, 24 mit einem Überlappungsbereich 26. Der Metallstreifen 14 kann aber auch als ein Rahmen ausgebildet sein, der über den Rand der Glasscheibe 10 hinausragt.

Wie sich aus der Prinzipdarstellung gemäß Fig. 3 ergibt, besteht die Zwischenschicht 12, d. h. die streifenförmigen Abschnitte 16, 18 aus einem Streckmetall mit Durchgangsöffnungen 28, 30, die sowohl zur Glasscheibe 10 als auch zu den Abschnitten 22, 24 des Metallstreifens 14 hin offen sind. Zum Verschweißen der Abschnitte 22, 24 mit der Glasscheibe 10 wird sodann eine Ultraschall-Rollnahtschweißvorrichtung benutzt, um die Abschnitte 22, 24 des Metallstreifens 14 mit der Glasscheibe 10 abdichtend zu verschweißen, wobei zwischen diesen die Schweißmittlerschicht 12, also die Abschnitte 16, 18 verlaufen. Der Schweißstreifen ist in der Fig. 3 mit dem Bezugszeichen 32, 34 gekennzeichnet.

Ungeachtet der Überlappung sowohl der Abschnitte 16, 18 in dem Bereich 20 als auch der Metallstreifenabschnitte 22, 24 im Bereich 26 ist eine hinreichende Abdichtung zwi- sehen den Metallstreifen 14 und der Glasscheibe 10 gewährleistet. Ursächlich hierfür sind die sowohl zu der Glasscheibe 10 als auch zu den Abschnitten 22, 24 des Metallstreifens 14 offenen Hohlräume 28, 30 der Zwischenschicht 12, die bei Einwirkung des Ultraschalls ein gutes Umformen der Zwischenschicht 12 auch im Überlappungsbereich 20, 26 sicherstellt, wodurch eine einwandfreie abdichtende Verbindung zwischen dem Metallstreifen 14 und der Glasscheibe 10 gewährleistet.

Wie sich aus der Schnittdarstellung gemäß Fig. 4 ergibt, werden die die Hohlräume 28 begrenzenden Bereiche oder Stege 36, 38 sowohl punktuell (Bezugszeichen 40, 42) mit der Glasscheibe 10 als auch punktuell (Bezugszeichen 44, 46) mit dem Metallstreifen 14 bzw. dem Abschnitt 22 verschweißt, so dass zum einen die erforderliche stoffschlüssige Verbindung und mechanische Festigkeit und zum anderen die gewünschte Dichtheit gegeben ist. Dabei fließt das Material der Zwischenschicht 12 in den Bereich der Hohlräume 28, 30, so dass aufgrund des hierdurch bedingten Umformens die erforderliche Schweißverbindung einerseits zu dem Glas 10 und andererseits zu dem Metallstreifen 14 gegeben ist.

Eine Vorrichtung, mit der das Rollnahtschweißen durchgeführt wird, ist rein prinzipiell der Fig. 1 zu entnehmen.

Die dargestellte Ultraschall-Rollnahtschweißvorrichtung 100 umfasst eine Schwingereinheit 112, ein diese aufnehmendes Gehäuse 114 sowie eine als Grundplatte bezeichnete Halterung 116, die z. B. von einem Aufnahmewinkel 118 ausgeht, der auf einem nicht dargestellten Schlitten befestigt ist, um die gesamte Ultraschall- Rollnahtschweißvorrichtung 100 in die Zeichenebene hinein bzw. aus dieser heraus verschieben zu können.

Die Schwingereinheit 112 besteht in bekannter Weise aus Konverter, Booster und So- notrode 120 mit Sonotrodenkopf 122, mittels dessen die Metallstreifen 14 mit der Glasscheibe 10 über die Seh weißmittler Schicht 12 verschweißt werden. Hierzu wird die So- notrode 120 in ihrer Längsrichtung, also entlang ihrer Längsachse 124 in Schwingung versetzt. Der Schwingungsbauch der Amplitude der Ultraschallschwingung verläuft in der Schweißfläche des Sonotrodenkopfs 122. Insoweit wird auf die Technik und Funktion des Metallschweißens mit Ultraschall verweisen (siehe z. B. DE-Z.: Die Bibliothek der Technik, Bd. 108, Ultraschall-Metallschweißen, Verlag Moderne Industrie, Lands- berg/Lech, insbesondere S. 28). Die Schwingereinheit 112, die in dem Gehäuse 114 über Radiallager 126, 128 um ihre Längsachse 124 drehbar gelagert ist, wird gleichzeitig in Drehbewegung versetzt. Hierzu geht von dem Gehäuse 114 bzw. mit diesem verbundene Streben ein Servomotor 132 aus, der z. B. über einen Zahnriemen 134 die Schwingereinheit 112 dreht. Der Servomotor 132 weist eine Steckverbindung 136 zur Stromversorgung auf.

Das Gehäuse 114 und damit die Schwingereinheit 112 kann gegenüber der Halterung 116 um eine senkrecht zur Schwingerlängsachse 124 und vorzugsweise horizontal verlaufende erste Achse 138 schwenk- bzw. kippbar sein, um den Sonotrodenkopf 120 an den Verlauf der zu verschweißenden Elemente feinfühlig anpassen zu können, um also unabhängig von z. B. Höhen- bzw. Dickenunterschieden der Bauteile über den Sonotrodenkopf 122 stets gleiche Zustellkräfte einleiten zu können. Hierzu ist das Gehäuse 114 und damit die Schwingereinheit 112 gegenüber der Halterung 116 über einen differenz- druckbetätigten Zylinder 139 schwenkbar gelagert, der um eine zweite Achse 140 gelenkig mit der Grundplatte 116 verbunden ist. Die zweite Achse 140 verläuft parallel zu der zuvor genannten ersten Achse 138.

Der über zwei nicht dargestellte Proportionalventile beaufschlagte differenzdruck- betätigte Zylinder 139 ist seinerseits über einen Kolben 142 gelenkig um eine dritte Achse 144 schwenkbar, die parallel zu der ersten und zweiten Achse 138, 140 verläuft, und mit dem Gehäuse 114 bzw. den Streben verbunden ist, so dass der Sonotrodenkopf 122 in Abhängigkeit von der Stellung des Kolbens 142 verstellbar ist. Diese Verstellung wird durch den Doppelpfeil 146 am Sonotrodenkopf 122 angedeutet.

Um die Schwingereinheit 112 verschwenken zu können, gehen von dem Gehäuse 114 Zapfen aus, die in Abschnitten der Halterung 116 gelagert sind. Dabei verläuft die erste Achse 138 im oder etwa im Schwerpunkt von der Schwingereinheit 112 bzw. der Schwingereinheit 112 und dem Gehäuse 114 einschließlich der von diesem ausgehenden Streben.

Um eine feinfühlige Anpassung an den Verlauf der zu verschweißenden Bauteile zu ermöglichen, sind des Weiteren der Differenzdruckzylinder 139 sowie der Kolben 142 gegenüber von den Achsen 140, 144 durchsetzten Anlenkpunkten mittels Federn 152, 154 spielfrei gelagert, so dass ein nahezu unverzögertes Nachführen des Sonotroden- kopfs 122 an den Verlauf der zu verschweißenden Teile möglich ist.

Um ein Verschweißen der Bauteile, also im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 und 4 der Metallstreifenabschnitte 22, 24 mit der Glasscheibe 10 sicherzustellen, weist nach einem eigenerfinderischen hervorzuhebenden Vorschlag der Sonotrodenkopf 122, d. h. dessen umlaufende Schweißfläche eine spezielle Struktur auf, wie dies beispielhaft aus der Draufsicht gemäß Fig. 2 ersichtlich ist.

So weist der Sonotrodenkopf 122 radial umlaufende vier erste stegartige Erhebungen 156, 158, 160, 162 auf, zwischen denen und quer bzw. senkrecht zu diesen axial verlaufende zweite Erhebungen wie Stege 164, 166, 168, 170, 172, 174, 176 verlaufen. Dabei sind die zweiten Stege 166, 168 zwischen zwei ersten Erhebungen 156, 158 versetzt zu den zweiten Stegen 170, 172, 174, 176 zwischen den ersten Stegen 158, 160 angeordnet, wodurch sich umfangsseitig geschlossene Zwischenräume bilden. Es ergibt sich folglich ein Muster von in Reihen angeordneten und von Reihe zu Reihe versetzt angeordneten Rechtecken, die ein Muster eines Mauerwerks bilden.

Somit begrenzen die ersten und zweiten Stege 156, 158, 160, 162, 164, 166, 168, 170, 172, 174, 176 im Ausführungsbeispiel rechteckförmige Hohlräume, da die Stege 156, 158, 160, 162, 164, 166, 168, 170, 172, 174, 176 mit ihren äußeren Rändern in einer Ebene verlaufen. Dies wiederum bewirkt beim Verschweißen der Bauelemente untereinander, dass sich durch die Stege 156, 158, 160, 162, 164, 166, 168, 170, 172, 174, 176 bedingte Schweißnähte mit von diesen begrenzten Zwischenräumen ergeben. Durch die sowohl neben- als auch hintereinander angeordneten Zwischenräume ist sichergestellt, dass auch dann, wenn eine der Schweißnähte die erforderliche Dichtheit nicht gewährleistet, insgesamt eine erforderliche Abdichtung erfolgt. Diese ist dann nicht gewährleistet, wenn die nach dem Stand der Technik bekannte Struktur wie Riffelung, Pyramidenstruktur oder ausschließlich radial umlaufende Stege im Sonotrodenkopf vorgesehen sind. Folglich ist bei Anwendung des erfindungsgemäßen strukturierten So- notrodenkopfs sichergestellt, dass die Metallstreifen 14 gegenüber den Glasscheiben 10 im erforderlichen Umfang abgedichtet sind.

Die Metallstreifen 14 werden nach ihrem Verschweißen mit den Glasscheiben 10 z. B. mittels Laser- oder Elektronenstrahlschweißens dichtend verbunden.

Ganz allgemein bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum abdichtenden Verschweißen von schwer schweißbaren Materialien, die sich insbesondere durch eine Zugfestigkeit auszeichnen, die größer als 300 N/mm² ist. Beispielhaft seien als schwer schweißbare Materialien Eisen, Stahl, Nickel, Wolfram, Chrom bzw. Legierung genannt, die neben den zuvor genannten Elementen auch Aluminium, Kupfer, Silber und/oder Magnesium enthalten kann.

Die Zwischenschicht, die das Verschweißen der Materialien bei gleichzeitigem Abdichten untereinander sicherstellt, besteht aus einem gut schweißbaren Material, das eine Zugfestigkeit von < 300 N/mm² aufweisen sollte. Insbesondere Buntmetalle sind geeignet. Aluminium zeichnet sich als hervorzuhebendes Material aus, wobei eine Zwischenschicht in Form eines Streckmetalls, eines Netzes, eines Lochbleches, einer Öffnung aufweisenden Folie oder eines offenporigen Schaums eingesetzt werden kann. Typische Dicken der Zwischenschicht liegen zwischen 0,1 mm und 0,3 mm.

Claims

PatentansprücheVerfahren zum abdichtenden Verschweißen von Elementen mittels Ultraschall

1. Verfahren zum abdichtenden Verschweißen eines ersten Elementes aus einem ersten Material mit einem zweiten Element aus dem ersten oder einem zweiten Material mittels Ultraschall, wobei zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element in zu verbindendem und/oder gegeneinander abzudichtendem Bereich ein Zwischenelement angeordnet wird und anschließend Ultraschallschwingungen über eine Sonotrode übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes Material eines aus der Gruppe Glasmaterial, Keramikmaterial und als zweites Element eines aus der Gruppe Glasmaterial, Keramikmaterial, Eisen, Stahl, Nickel, Wolfram, Chrom, Aluminium, Kupfer, Silber, Magnesium, Legierung einer oder mehrerer dieser Elemente verwendet wird, und dass als Zwischenelement ein solches verwendet wird, das sowohl zu dem ersten Element als auch zu dem zweiten Element hin offene Durchbrechungen aufweist, die während des Verschweißens zumindest bereichsweise mit Material des Zwischenelementes ausgefüllt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Material des Zwischenelementes ein gut schweißbares Material verwendet wird, das eine Zugfestigkeit von < 300 N/mm² aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als das gut schweißbare Material zumindest ein solches aus der Gruppe Aluminium, Kupfer, Silber, Magnesium, Legierung enthaltend Aluminium und/oder Kupfer und/oder Silber verwendet wird.

4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Zwischenelement ein Streckmetall, ein Netz, ein Lochblech, eine Öffnungen wie Durchgangsöffnungen aufweisende Folie oder ein offenporiger Schaum verwendet wird.

5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Zwischenschicht ein solches einer Dicke D mit 0,1 mm < D < 0,3 mm verwendet wird.

6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element mit dem zweiten Element über das Zwischenelement mittels Rollnahtschweißens oder Punktschweißens verbunden wird.

7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schweißen mittels eines in seiner Umfangsfläche strukturierten scheibenförmigen Sonotrodenkopfs einer Sonotrode einer Ultraschallschweißvorrichtung durchgeführt wird, wobei in der Umfangsfläche eine Struktur ausgebildet wird, die aus zumindest drei umlaufenden ersten Erhebungen und quer zu diesen verlaufenden und in die ersten Erhebungen übergehenden zweiten Erhebungen besteht, und dass zweite Erhebung zwischen einer ersten und einer zweiten ersten Erhebung versetzt zu zweiten Erhebungen zwischen der zweiten ersten Erhebung und einer benachbarten dritten ersten Erhebung verlaufen.

8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Erhebungen mit ihren freien Außenrändern in einer gemeinsamen Ebene verlaufen.

9. Verfahren zum Herstellen eines Vakuum-Isolierglases mit einer ersten Scheibe und einer zu dieser beabstandeten zweiten Scheibe als jeweils erstes Element mit den Verfahrens schritten

umlaufendes Anordnen von zumindest einem streifenförmigen Zwischenelement auf umlaufenden Randbereich der Außenseite einer jeweiligen Glasscheibe,

Auflegen eines über den jeweiligen Randbereich vorstehenden Materialstreifens als zweites Element auf das zumindest eine Zwischenelement,

Verschweißen des Metallstreifens mit der Glasscheibe über das zumindest eine Zwischenelement und

abdichtendes Verbinden der Metallstreifen untereinander,

wobei bei gegeneinander abgedichteten Metallstreifen der Zwischenraum zwischen den Glasscheiben evakuiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass als das zumindest eine Zwischenelement sich überlappende Abschnitte aus einem aus Metall bestehenden Material verwendet wird, das sowohl zu der Glasscheibe als auch zu dem Metallstreifen hin offene Durchbrechungen aufweist, und dass das abdichtende Verbinden zwischen dem Metallstreifen und der Glasscheibe mittels Rollnahtschweißens und/oder Punktschweißens durchgeführt wird.

10. Sonotrode (124) einer Ultraschallschweißvorrichtung (100) mit einem scheibenförmigen umfangsseitig eine Struktur aufweisenden Sonotrodenkopf (122), dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur des Sonotrodenkopfs (122) durch zumindest drei umlaufende erste Erhebungen (156, 158, 160, 162) und quer zu diesen verlaufenden und in diese übergehende zweite Erhebungen (164, 166, 168, 170, 172, 174, 176, 178) gebildet ist, wobei zweite Erhebungen (164, 166, 168) zwischen einer ersten und einer zweiten ersten Erhebung (156, 158) versetzt zu zweiten Erhebungen (170, 172, 174, 176) zwischen der zweiten ersten Erhebung und einer benachbarten dritten ersten Erhebung (160) verlaufen.

11. Sonotrode nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Erhebungen (156, 158, 160, 162, 164, 166, 168, 170, 172, 174, 176) mit ihren freien Außenrändern in einer gemeinsamen Ebene verlaufen.

12. Sonotrode nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Erhebungen (156, 158, 160, 162, 164, 166, 168, 170, 172, 174, 176) ein Muster von versetzt zueinander verlaufenden Vielecken wie Rechtecken, Quadraten, Trapezen, Waben oder Rhomben bilden.