WO2013050498A1 - Ultraschallschweissvorrichtung und verfahren - Google Patents

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WO2013050498A1
WO2013050498A1 PCT/EP2012/069662 EP2012069662W WO2013050498A1 WO 2013050498 A1 WO2013050498 A1 WO 2013050498A1 EP 2012069662 W EP2012069662 W EP 2012069662W WO 2013050498 A1 WO2013050498 A1 WO 2013050498A1
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holding device
sonotrode
ultrasonic welding
pin
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PCT/EP2012/069662
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French (fr)
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Michael Bulatow
Christoph Radtke
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Continental Automotive Gmbh
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    • B29C66/8322—Joining or pressing tools reciprocating along one axis

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic welding ⁇ device and a method for welding workpieces.
  • Ultrasonic welding devices are used to weld workpieces by means of ultrasonic vibration.
  • the ultrasonic vibration is generated by a vibration generator and transmitted via a sonotrode to a second workpiece.
  • the second workpiece is in contact with a first workpiece, wherein the first workpiece is prevented from swinging by an anvil.
  • a strong increase in temperature occurs, which leads to a permanent welded connection of the first and the second workpiece in the region of the contact surface.
  • An ultrasonic welding apparatus comprises an anvil means for holding a first workpiece, a vibration generator for generating mechanical vibrations and a sonotrode.
  • the sonotrode is in tune with the coupled mechanically generator, for transmitting the mechanical vibrations to a second workpiece.
  • the ultrasonic welding apparatus further comprises a holding device for holding the second workpiece.
  • the holding device is mechanically coupled to the vibration generator such that, during operation of the vibration generator, the holding device oscillates synchronously with the sonotrode.
  • the mechanical vibrations are preferably ultrasonic vibrations which are generated by the vibration generator.
  • the sonotrode can transmit the vibrations from the vibration generator to the second workpiece and thus cause the second workpiece to vibrate.
  • the invention is based on the finding that inaccuracies in the resulting welded joint, in particular with regard to the relative position of the two welded workpieces, often by an imprecise positioning of the second workpiece before the welding process and / or slipping of the second workpiece relative to the sonotrode caused during the welding process.
  • the second workpiece can therefore be brought into an exact and reproducible position relative to the sonotrode and the first workpiece by means of the holding device. Further, the second workpiece may be held in position relative to the sonotrode during the welding operation. Slippage of the second workpiece relative to the sonotrode during welding is thereby prevented.
  • the holding device thus ensures an exact and re ⁇ producible welding of the first workpiece with the second workpiece. This allows a more precise welded connection.
  • the holding device is designed such that the holding device in such a way with a structure of the second Maschinen- Piece can be brought into a releasable positive connection, that at least two mechanical degrees of translational freedom of the second workpiece can be blocked.
  • a structure here means a shaping of the boundary surfaces (for example elevations and recesses) of the second workpiece.
  • the holding device is designed such that the second workpiece can be fixed relative to the holding device at least within the oscillation plane of the sonotrode.
  • An ultrasonic welding apparatus has a pin which is formed such that the pin can be at least partially inserted in a recess of the second workpiece.
  • the pin preferably has a cylindrical shape. However, the pin can also have any other shape.
  • the pin is preferably designed such that it can be brought in the region of the insert over its entire surface in a detachable positive-locking contact with the second workpiece.
  • the second workpiece can be positioned relative to the sonotrode accurately and reproducibly and sufficiently fixed during a welding Ver ⁇ a simple and kos ⁇ -effective manner.
  • the pin has a conical shape.
  • the pin is resiliently mounted by means of a spring device such that the Pin can be pressed with a spring force against the second workpiece.
  • the spring force preferably acts parallel to the surface normal of the vibration plane of the second workpiece.
  • the pin By the spring means, the pin can be pressed in an advantageous manner with a defined and uniform force against the second workpiece. As a result, the contact between the pin and the second workpiece is reliably maintained even during welding, whereby a sufficient fixation of the second workpiece is achieved relative to the sonotrode. Furthermore, the pin can be brought into a positive connection due to the conical shape with different recess sizes and recess shapes (for example, round, square, triangular). This allows greater tolerances in the manufacture of the pin and the recess.
  • the holding device is mechanically coupled via the sonotrode with the vibration generator.
  • the holder is therefore directly with the horn ver ⁇ prevented.
  • the second workpiece can be positioned with high accuracy relative to the sonotrode.
  • the vibration of the sonotrode will be transmitted directly to the holding device.
  • the synchronicity of the vibration of the holding device to the vibration of the sonotrode can thereby be improved.
  • the holding device is designed such that the holding device can be released from the second workpiece before or during a welding operation.
  • the welding process is the period of time during which the vibration of the sonotrode has an effect on the two workpieces (heating and / or welding of the workpieces).
  • the second workpiece may be further positioned in front of the welding operation by the holding device relative to the sonotrode accurately and reproduction ⁇ ible.
  • the connection between the second workpiece and the holding device can be released before or during the welding process, so that the second workpiece is held only by the sonotrode.
  • the second workpiece can be deformed due to the ultrasonic vibrations used.
  • an exact and reproducible positioning of the second workpiece before the welding process is still possible.
  • the reliability of the ultrasonic welding device can thus be further increased.
  • the holding device is designed such that the holding device can be released from the second workpiece before or during the welding operation and the holding device is released from the second workpiece before or during the welding operation.
  • Figure 1 is a schematic illustration of an ultrasonic welding apparatus with two ⁇ workpieces to be welded
  • Figure 2 is a schematic representation (full section) of a
  • Figure 3 is a schematic representation of an ultrasonic welding ⁇ device with spring means and two workpieces to be welded;
  • Figure 4 is a schematic representation (full section) of a spring-mounted pin and a workpiece
  • Figure 5 is a schematic representation of an ultrasonic welding apparatus with two to be welded
  • FIG. 1 shows a first embodiment of an ultra sonic welding device ⁇ 1 having a backbone 14, a vibration generator 13, a horn 11, a holding device 12 and an anvil assembly 21st ⁇
  • the anvil device 21 serves as a support and holder for a first workpiece 31.
  • the surface of the anvil device 21 can be roughened or have a structure in order to reinforce a frictional connection with the first workpiece 31.
  • anvil device 21 may also have an additional retention mechanism.
  • the vibration generator 13 is coupled to the sonotrode 11 and the holding device 12, so that during operation of the
  • Vibration generator 13 the holding device 12 oscillates in synchronism with the sonotrode 11.
  • the vibration generator 13 may preferably generate a mechanical ultrasonic vibration during operation (for example via a piezoelectric effect).
  • the sonotrode 11 can carry the produced mechanical vibrations of the vibration generator 13 on a second workpiece 32 by ⁇ , so that the second workpiece 32 synchronously with the sonotrode 11 in an oscillation plane (x, y) oscillates.
  • the vibration is transmitted via a non-positive connection of the sonotrode 11 to the second workpiece 32.
  • the surface of the sonotrode 11 may be roughened in the region of the connection or have a structure.
  • the holding device 12 can hold the second workpiece 32 by the holding device 12 is brought with a structure of the second workpiece 32 in a releasable positive connection. Since the holding device 12 synchronously swings to the sonotrode 11, at least two me chanical ⁇ translational degrees of freedom of the second workpiece 32 within the plane of vibration (x, y) are blocked relative to the sonotrode. 11
  • the holding device 12 preferably has a pin 12a, which is shown in detail in FIG.
  • the pin is preferably made of rubber or plastic.
  • Figure 2 shows an embodiment with a cylindrical pin 12a, which is partially inserted positively into a recess of the second workpiece 32, so that it is in the region of the insert with the recess in releasable contact.
  • the second workpiece 32 is thus fixed relative to the pin 12a in two translational directions within the plane of oscillation (x, y).
  • Figure 3 shows a second embodiment of the ultra-sound ⁇ welding apparatus 1, which has a conical pin 12b compared to the first embodiment, a spring means 15 and a holding device ⁇ 12th
  • the spring device 15 is mechanically coupled to one side with the vibration generator 13 and to an opposite side with the holding device 12.
  • the spring device 15 is preferably designed such that it is not in resonance with a conventional ultrasonic vibration of the vibration generator 13.
  • the holding device 12 is resiliently mounted on the spring means 15 and presses with a spring force F of the spring means 15 against the second workpiece 32nd
  • FIG. 4 shows, in one exemplary embodiment, a full section through the spring device 15, the holding device 12 with a conical pin 12 b and the second workpiece 32.
  • the spring device 15 has an inner guide 17, an outer guide 16 and a spring 18.
  • the outer guide 16 is mechanically coupled to the vibration generator 13 and the spring 18.
  • the spring 18 is mechanically coupled to the inner guide 17.
  • the spring 18 acts with the spring force F on the inner guide 17 a.
  • the spring 18 is preferably a spiral spring. However, it may also be any other type of spring (eg. Elastomer spring, leaf spring).
  • the spring 18 may preferably have an internal damping or an additional damping element (spring-damping system).
  • the inner guide 17 is disposed within the outer guide 16 and resiliently supported by the spring 18.
  • the inner guide 17 is further mechanically coupled to the pin 12b.
  • the inner guide 17 and the pin 12b coupled thereto can thus be moved parallel to the axis of symmetry S along an inner wall of the outer guide 16.
  • the pin 12b has a conical shape, which tapers toward the second workpiece 32.
  • the pin 12b is along a generatrix (by the reference symbol 12b Be ⁇ ⁇ indicated) in form-locking contact with the second workpiece 32.
  • the pin 12b is in this case with the spring force F is pressed against the second workpiece 32nd
  • the second workpiece 32 preferably has a cylindrical recess.
  • the recess may also have any other shape, for example, square, triangular or conical.
  • FIG. 5 shows a third exemplary embodiment of an ultrasonic welding device 1, in which, in contrast to the first Embodiment, the holding device 12 is mechanically coupled via the sonotrode 11 with the vibration generator 13.
  • the ultrasonic welding device 1 further has a mechanism 19 which is arranged between the sonotrode 11 and the pin 12 and connected to these.
  • the mechanism 19 may release the holding device 12 from the second workpiece 32, in particular before or during the welding operation.
  • the mechanism 32 may move the pin 12 such that the pin 12 is led out of the second workpiece 32.
  • the mechanism 19 is preferably electrically controllable.
  • the holding device 12 can in this case preferably be connected rigidly to the sonotrode 11 via the mechanism 19.
  • the mechanism 19 may also include a spring-damping system, with which the vibrations of the sonotrode 11 controlled attenuated to the pin 12 can be transmitted.
  • the first workpiece 31 and the second workpiece 32 are made of a weldable material, preferably of a metal or plastic.
  • the first workpiece 31 is placed on the anvil device 21.
  • the first workpiece 31 is at least in the area to be welded ver ⁇ full contact with the area
  • Anvil device 21 and can thereby by the
  • Anvil device 21 are fixed at least temporarily.
  • the second workpiece 32 is inserted into the holding device 12 and aligned and held by the holding device 12 (or the pin 12 a, 12 b) relative to the sonotrode 11.
  • the second workpiece 32 is at least in the area to be welded d with the first workpiece 31 and the sonotrode 11 over the entire surface in contact. Subsequently, an ultrasonic vibration by the holding device 12 and aligned and held by the holding device 12 (or the pin 12 a, 12 b) relative to the sonotrode 11.
  • the second workpiece 32 is at least in the area to be welded d with the first workpiece 31 and the sonotrode 11 over the entire surface in contact. Subsequently, an ultrasonic vibration by the
  • Vibration generator 13 is generated and the welding process started.
  • the ultrasonic vibration is transmitted via the sonotrode 11 to the second workpiece 32.
  • the second workpiece 32 thus oscillates relative to the first workpiece 31 in the
  • the first workpiece 31 can be prevented by the anvil means 21 at least temporarily at the swinging.
  • the workpieces 31 and 32 heat the area to be welded d.
  • the ultrasonic vibration is generated until a welding of the first workpiece 31 to the second workpiece 32 has taken place (for example, by a fusion of the surfaces of the workpieces 31 and 32 in the area d).
  • the welding operation is terminated by turning off the vibration generator 13 so that the ultrasonic vibration stops.
  • the holding device 12 holds the second workpiece 32 in position relative to the sonotrode 11 during the entire welding operation, whereby a more precise welded connection is achieved with regard to the positioning of the two welded workpieces relative to each other.
  • an ultrasonic welding apparatus 1 is used ⁇ according to the third embodiment.
  • the second process example is similar to the first drive Ver ⁇ example. However, the fixture 12 is released from the second workpiece 32 via the mechanism 19 prior to or during the welding operation. After dissolution, the second work piece 32 is no longer in contact with the holding device 12 so that the second workpiece 32 is at least temporarily held only by the horn 11 during the welding process ⁇ .

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Abstract

Die Ultraschallschweißvorrichtung (1) weist eine Ambosseinrichtung (21) zum Halten eines ersten Werkstücks (31), einen Schwingungsgenerator (13) zum Erzeugen von mechanischen Schwingungen, eine Sonotrode (11), welche mit dem Schwingungsgenerator (13) mechanisch gekoppelt ist, zur Übertragung der mechanischen Schwingungen auf ein zweites Werkstück (32), und eine Halteeinrichtung (12) zum Halten des zweiten Werkstücks (32), auf. Die Halteeinrichtung (12) ist derart mit dem Schwingungsgenerator (13) mechanisch gekoppelt, dass bei Betrieb des Schwingungsgenerators (13) die Halteeinrichtung (12) synchron zu der Sonotrode (11) schwingt.

Description

Beschreibung
ULTRASCHALLSCHWEISSVORRICHTUNG UND VERFAHREN
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschallschwei߬ vorrichtung und ein Verfahren zum Verschweißen von Werkstücken.
Ultraschallschweißvorrichtungen dienen dem Verschweißen von Werkstücken mittels einer Ultraschallschwingung. Die Ultraschallschwingung wird von einem Schwingungsgenerator erzeugt und über eine Sonotrode auf ein zweites Werkstück übertragen. Das zweite Werkstück ist dabei mit einem ersten Werkstück in Kontakt, wobei das erste Werkstück durch einen Amboss am Mitschwingen gehindert wird. Im Bereich der Kontaktfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstück kommt es aufgrund von Reibungswärme zu einem starken Temperaturanstieg, welcher zu einer dauerhaften Schweißverbindung des ersten und des zweiten Werkstücks im Bereich der Kontaktfläche führt.
Bei der oben beschriebenen Ultraschallschweißvorrichtung kann es jedoch zu Ungenauigkeiten hinsichtlich der relativen Lage der beiden verschweißten Werkstücke kommen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Ultra¬ schallschweißvorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb der Ultraschallschweißvorrichtung bereitzustellen, mit denen präzisere Schweißverbindungen ermöglicht werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Ultraschallschweißvorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb der Ultraschallschweißvorrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Eine Ultraschallschweißvorrichtung gemäß Anspruch 1 weist eine Ambosseinrichtung zum Halten eines ersten Werkstücks, einen Schwingungsgenerator zum Erzeugen von mechanischen Schwingungen und eine Sonotrode auf. Die Sonotrode ist mit dem Schwin- gungsgenerator mechanisch gekoppelt, zur Übertragung der mechanischen Schwingungen auf ein zweites Werkstück. Die Ultraschallschweißvorrichtung weist ferner eine Halteeinrichtung zum Halten des zweiten Werkstücks auf. Die Halteeinrichtung ist derart mit dem Schwingungsgenerator mechanisch gekoppelt, dass bei Betrieb des Schwingungsgenerators die Halteeinrichtung synchron zu der Sonotrode schwingt.
Bei den mechanischen Schwingungen handelt es sich vorzugsweise um Ultraschallschwingungen, welche von dem Schwingungsgenerator erzeugt werden. Die Sonotrode kann die Schwingungen von dem Schwingungsgenerator auf das zweite Werkstück übertragen und somit das zweite Werkstück in Schwingungen versetzen. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Ungenauig- keiten bei der entstehenden Schweißverbindung, insbesondere hinsichtlich der relativen Lage der beiden verschweißten Werkstücke, häufig durch eine unpräzise Positionierung des zweiten Werkstücks vor dem Schweißvorgang und/oder ein Ver- rutschen des zweiten Werkstücks relativ zur Sonotrode während des Schweißvorgangs verursacht werden.
Gemäß der Erfindung kann deshalb mittels der Halteeinrichtung das zweite Werkstück relativ zur Sonotrode und zum ersten Werkstück in eine exakte und reproduzierbare Position gebracht werden. Ferner kann das zweite Werkstück während des Schweißvorgangs relativ zur Sonotrode in Position gehalten werden. Ein Verrutschen des zweiten Werkstücks relativ zu der Sonotrode während der Verschweißung wird hierdurch verhindert.
Die Halteeinrichtung gewährleistet somit eine exakte und re¬ produzierbare Verschweißung des ersten Werkstücks mit dem zweiten Werkstück. Damit wird eine präzisere Schweißverbindung ermöglicht .
In einer Ausgestaltung der Ultraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 2 ist die Halteeinrichtung derart ausgebildet, dass die Halteeinrichtung derart mit einer Struktur des zweiten Werk- Stücks in eine lösbare formschlüssige Verbindung gebracht werden kann, dass mindestens zwei mechanische Translationsfrei- heitsgrade des zweiten Werkstücks blockiert werden können. Unter einer Struktur ist hierbei eine Formgebung der Begrenzungsflächen (bspw. Erhebungen und Aussparungen) des zweiten Werkstücks zu verstehen.
Die Halteeinrichtung ist - mit anderen Worten - derart aus- gebildet, dass das zweite Werkstück relativ zu der Halteeinrichtung zumindest innerhalb der Schwingungsebene der Sonotrode fixiert werden kann.
Hierdurch wird eine exakte und reproduzierbare Positionierung des zweiten Werkstücks relativ zu Sonotrode erreicht. Ferner wird eine ausreichende Fixierung des zweiten Werkstücks relativ zur Sonotrode während einer Verschweißung mit geringem Aufwand ermöglicht . Eine Ultraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 3 weist einen Stift auf, welcher derart ausgebildet ist, dass der Stift zumindest teilweise in einer Aussparung des zweiten Werkstücks eingeführt werden kann. Der Stift weist bevorzugt eine zylindrische Form auf. Der Stift kann jedoch auch eine beliebige andere Form aufweisen. Der Stift ist bevorzugt derart ausgebildet, dass er im Bereich des Einschubs vollflächig in einen lösbaren formschlüssigen Kontakt mit dem zweiten Werkstück gebracht werden kann. Durch die Verwendung eines solchen Stiftes kann auf einfache und kos¬ tengünstige Weise das zweite Werkstück relativ zur Sonotrode exakt und reproduzierbar positioniert und während einer Ver¬ schweißung ausreichend fixiert werden. In einer Ausgestaltung der Ultraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 4 weist der Stift eine konische Form auf. Der Stift ist mittels einer Federeinrichtung derart federnd gelagert, dass der Stift mit einer Federkraft gegen das zweite Werkstück gedrückt werden kann.
Die Federkraft wirkt hierbei bevorzugt parallel zu der Flä- chennormalen der Schwingungsebene des zweiten Werkstücks.
Durch die Federeinrichtung kann der Stift in vorteilhafter Weise mit einer definierten und gleichmäßigen Kraft gegen das zweite Werkstück gedrückt werden. Hierdurch wird der Kontakt zwischen dem Stift und dem zweiten Werkstück auch während einer Verschweißung zuverlässig aufrechterhalten, wodurch eine ausreichende Fixierung des zweiten Werkstücks relativ zur Sonotrode erreicht wird. Ferner kann der Stift aufgrund der konischen Form mit unterschiedlichen Aussparungsgrößen und Aussparungsformen (bspw. rund, quadratisch, dreieckig) in eine formschlüssige Verbindung gebracht werden. Dies erlaubt größere Toleranzen bei der Fertigung des Stifts und der Aussparung.
In einer Ausgestaltung der Ultraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 5 ist die Haltevorrichtung über die Sonotrode mit dem Schwingungsgenerator mechanisch gekoppelt. Die Haltevorrichtung ist somit direkt mit der Sonotrode ver¬ bunden. Hierdurch kann das zweite Werkstück mit einer hohen Genauigkeit relativ zu der Sonotrode positioniert werden.
Ferner wird die Schwingung der Sonotrode direkt auf die Hal- tevorrichtung übertragen werden. Die Synchronität der Schwingung der Haltevorrichtung zu der Schwingung der Sonotrode kann dadurch verbessert werden.
In einer Ausgestaltung der Ultraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 6 ist die Haltevorrichtung derart ausgebildet, dass die Haltevorrichtung von dem zweiten Werkstück vor oder während eines Schweißvorgangs gelöst werden kann. Als Schweißvorgang wird die Zeitspanne bezeichnet, während der die Schwingung der Sonotrode eine Wirkung auf die beiden Werkstücke entfaltet (Erwärmung und/oder Verschweißung der Werkstücke) .
Das zweite Werkstück kann weiterhin vor dem Schweißvorgang von der Haltevorrichtung relativ zu Sonotrode exakt und reprodu¬ zierbar positioniert werden. Jedoch kann die Verbindung zwischen zweitem Werkstück und der Haltevorrichtung vor oder während dem Schweißvorgang gelöst werden, so dass das zweite Werkstück nur noch von der Sonotrode gehalten wird.
Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn aufgrund des Haltens des zweiten Werkstückes durch die Haltevorrichtung während des Schweißvorgangs das zweite Werkstück aufgrund der verwendeten Ultraschallschwingungen deformiert werden kann. Ein exaktes und reproduzierbares Positionieren des zweiten Werkstückes vor dem Schweißvorgang ist jedoch weiterhin möglich. Die Zuverlässigkeit der Ultraschallschweißvorrichtung kann damit weiter erhöht werden.
In einem Verfahren nach Anspruch 7 zum Betrieb einer Ultraschallschweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 wird das erste Werkstück derart in Verbindung mit der
Ambosseinrichtung gebracht, dass das erste Werkstück von der Ambosseinrichtung gehalten wird. Das zweite Werkstück wird derart in Verbindung mit der Halteeinrichtung gebracht, dass das zweite Werkstück von der Halteeinrichtung gehalten wird und gleichzeitig zumindest teilweise mit der Sonotrode und dem ersten Werkstück in Kontakt steht. Daraufhin wird die Sonotrode durch den Schwingungsgenerator in Schwingung versetzt, so dass das erste Werkstück mit dem zweiten Werkstück im Bereich des Kontakts verschweißt wird. Bezüglich der Vorteile wird auf die Ausführung zu den Ansprüchen 1 bis 5 verwiesen, welche in analoger Weise gelten. In einem Verfahren nach Anspruch 8 ist die Haltevorrichtung derart ausgebildet, dass die Haltevorrichtung von dem zweiten Werkstück vor oder während des Schweißvorgangs gelöst werden kann und die Haltevorrichtung vor oder während des Schweißvorgangs von dem zweiten Werkstück gelöst wird.
Hinsichtlich der Vorteile wird auf die Ausführung zu dem Anspruch 6 verweisen, welcher in analoger Weise gültig ist. Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
In den Figuren sind gezeigt: Figur 1 eine schematische Darstellung einer Ultraschall¬ schweißvorrichtung mit zwei zu verschweißenden Werkstücken;
Figur 2 eine schematische Darstellung (Vollschnitt) eines
Stifts und eines Werkstücks;
Figur 3 eine schematische Darstellung einer Ultraschall¬ schweißvorrichtung mit Federeinrichtung und zwei zu verschweißenden Werkstücken;
Figur 4 eine schematische Darstellung (Vollschnitt) eines federnd gelagerten Stifts und eines Werkstücks;
Figur 5 eine schematische Darstellung einer Ultraschall- Schweißvorrichtung mit zwei zu verschweißenden
Werkstücken .
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Ultra¬ schallschweißvorrichtung 1 mit einem Grundgerüst 14, einem Schwingungsgenerator 13, einer Sonotrode 11, einer Halteeinrichtung 12 und einer Ambosseinrichtung 21. ^
Die Ambosseinrichtung 21 dient als Auflage und Halterung für ein erstes Werkstück 31. Die Oberfläche der Ambosseinrichtung 21 kann aufgeraut sein oder eine Struktur aufweisen, um einen Kraft- schluss mit dem ersten Werkstück 31 zu verstärken. Die
Ambosseinrichtung 21 kann jedoch auch einen zusätzlichen Haltemechanismus aufweisen.
An dem Grundgerüst 14 ist der Schwingungsgenerator 13 befestigt. Der Schwingungsgenerator 13 ist mit der Sonotrode 11 und der Halteeinrichtung 12 gekoppelt, so dass bei Betrieb des
Schwingungsgenerators 13 die Halteeinrichtung 12 synchron zu der Sonotrode 11 schwingt. Der Schwingungsgenerator 13 kann im Betrieb bevorzugt eine mechanische Ultraschallschwingung erzeugen (beispielsweise über einen piezoelektrischen Effekt) .
Die Sonotrode 11 kann die erzeugten mechanischen Schwingungen des Schwingungsgenerators 13 auf ein zweites Werkstück 32 über¬ tragen, so dass das zweite Werkstück 32 synchron mit der Sonotrode 11 in einer Schwingungsebene (x, y) schwingt. Die Übertragung der Schwingung erfolgt über eine kraftschlüssige Verbindung der Sonotrode 11 mit dem zweiten Werkstück 32. Zur Verstärkung des Kraftschlusses kann die Oberfläche der Sonotrode 11 im Bereich der Verbindung aufgeraut sein oder eine Struktur aufweisen.
Die Halteeinrichtung 12 kann das zweite Werkstück 32 halten, indem die Halteeinrichtung 12 mit einer Struktur des zweiten Werkstücks 32 in eine lösbare formschlüssige Verbindung gebracht wird. Da die Halteeinrichtung 12 synchron zu der Sonotrode 11 schwingt können relativ zur Sonotrode 11 mindestens zwei me¬ chanische Translationsfreiheitsgrade des zweiten Werkstücks 32 innerhalb der Schwingungsebene (x, y) blockiert werden.
Hierzu weist die Halteeinrichtung 12 vorzugsweise einen Stift 12a auf, welcher in Figur 2 im Detail gezeigt wird. Der Stift besteht bevorzugt aus Gummi oder Kunststoff.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem zylindrischen Stift 12a, welcher teilweise in eine Aussparung des zweiten Werkstücks 32 formschlüssig eingeführt ist, so dass er im Bereich des Einschubs mit der Aussparung in lösbaren Kontakt steht. Das zweite Werkstück 32 ist somit relativ zum Stift 12a in zwei Translationsrichtungen innerhalb der Schwingungsebene (x, y) fixiert .
Figur 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Ultra¬ schallschweißvorrichtung 1, welche im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel eine Federeinrichtung 15 und eine Halte¬ einrichtung 12 mit einem konischen Stift 12b aufweist.
Die Federeinrichtung 15 ist zu einer Seite mit dem Schwingungsgenerator 13 und zu einer gegenüberliegenden Seite mit der Halteeinrichtung 12 mechanisch gekoppelt. Die Federeinrichtung 15 ist bevorzugt derart ausgebildet, dass sie nicht in Resonanz mit einer gebräuchlichen Ultraschallschwingung des Schwingungsgenerators 13 steht.
Die Halteeinrichtung 12 ist über die Federeinrichtung 15 federnd gelagert und drückt mit einer Federkraft F der Federeinrichtung 15 gegen das zweite Werkstück 32.
Figur 4 zeigt in einem Ausführungsbeispiel einen Vollschnitt durch die Federeinrichtung 15, der Haltevorrichtung 12 mit einem konischen Stift 12b und das zweite Werkstück 32.
Die Federeinrichtung 15 weist eine Innenführung 17, eine Außenführung 16 und eine Feder 18 auf. Die Außenführung 16 ist mit dem Schwingungsgenerator 13 und der Feder 18 mechanisch gekoppelt.
Die Feder 18 ist mit der Innenführung 17 mechanisch gekoppelt. Die Feder 18 wirkt mit der Federkraft F auf die Innenführung 17 ein .
Bei der Feder 18 handelt es sich bevorzugt um eine Spiralfeder. Es kann sich jedoch auch um eine beliebige andere Art von Feder handeln (bspw. Elastomerfeder, Blattfeder).
Die Feder 18 kann bevorzugt eine Eigendämpfung oder ein zusätzlich dämpfendes Element aufweisen (Feder-Dämpfungs-System) .
Die Innenführung 17 ist innerhalb der Außenführung 16 angeordnet und über die Feder 18 federnd gelagert. Die Innenführung 17 ist ferner mit dem Stift 12b mechanisch gekoppelt. Die Innenführung 17 und der daran angekoppelte Stift 12b können somit parallel zur Symmetrieachse S entlang einer Innenwand der Außenführung 16 bewegt werden.
Der Stift 12b weist eine konische Form auf, welche sich zu dem zweiten Werkstück 32 hin verjüngt.
Der Stift 12b steht entlang einer Mantellinie (durch die Be¬ zugszeichen 12b λ angedeutet) in formschlüssigen Kontakt mit dem zweiten Werkstück 32. Der Stift 12b wird hierbei mit der Fe- derkraft F gegen das zweite Werkstück 32 gedrückt.
Das zweite Werkstück 32 weist bevorzugt eine zylinderförmige Aussparung auf. Die Aussparung kann jedoch auch eine beliebige andere Form aufweisen, beispielsweise quadratisch, dreieckig oder konisch.
Der weitere Aufbau und die Funktionsweise des zweiten Aus¬ führungsbeispiels ergeben sich in analoger Weise aus der Be¬ schreibung des ersten Ausführungsbeispiels.
Figur 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Ultra¬ schallschweißvorrichtung 1, bei dem im Gegensatz zu dem ersten Ausführungsbeispiel die Haltevorrichtung 12 über die Sonotrode 11 mit dem Schwingungsgenerator 13 mechanisch gekoppelt ist.
Die Ultraschallschweißvorrichtung 1 weist ferner einen Me- chanismus 19 auf, welcher zwischen der Sonotrode 11 und dem Stift 12 angeordnet und mit diesen verbunden ist.
Der Mechanismus 19 kann die Haltevorrichtung 12 von dem zweiten Werkstück 32 insbesondere vor oder während des Schweißvorgangs lösen. Hierzu kann der Mechanismus 32 den Stift 12 derart bewegen, dass der Stift 12 aus dem zweiten Werkstück 32 herausgeführt wird. Der Mechanismus 19 ist bevorzugt elektrisch steuerbar.
Die Haltevorrichtung 12 kann hierbei über den Mechanismus 19 bevorzugt starr mit der Sonotrode 11 verbunden werden. Der Mechanismus 19 kann jedoch auch ein Feder-Dämpfungssystem aufweisen, mit dem die Schwingungen der Sonotrode 11 kontrolliert gedämpft auf den Stift 12 übertragen werden können. Im Folgenden soll in einem ersten Verfahrensbeispiel der Betrieb der Ultraschallschweißvorrichtung 1 erläutert werden:
Das erste Werkstück 31 und das zweite Werkstück 32 bestehen aus einem verschweißbaren Material, bevorzugt aus einem Metall oder Kunststoff.
Das erste Werkstück 31 wird auf die Ambosseinrichtung 21 gelegt. Das erste Werkstück 31 steht dabei zumindest im zu ver¬ schweißenden Bereich d in vollflächigem Kontakt mit der
Ambosseinrichtung 21 und kann hierdurch von der
Ambosseinrichtung 21 zumindest zeitweise fixiert werden.
Das zweite Werkstück 32 wird in die Halteeinrichtung 12 eingelegt und durch der Halteeinrichtung 12 (bzw. den Stift 12a, 12b) relativ zu der Sonotrode 11 ausgerichtet und gehalten. Das zweite Werkstück 32 steht dabei zumindest im zu verschweißenden Bereich d mit dem ersten Werkstück 31 und der Sonotrode 11 vollflächig in Kontakt. Anschließend wird eine Ultraschallschwingung durch den
Schwingungsgenerator 13 erzeugt und der Schweißvorgang gestartet. Die Ultraschallschwingung wird über die Sonotrode 11 auf das zweite Werkstück 32 übertragen. Das zweite Werkstück 32 schwingt somit relativ zum ersten Werkstück 31 in der
Schwingungsebene (x, y) . Das erste Werkstück 31 kann von der Ambosseinrichtung 21 zumindest zeitweise am Mitschwingen gehindert werden. Durch die daraus resultierende Oberflächen¬ reibung zwischen dem ersten Werkstück 31 und dem zweiten Werkstück 32 erwärmen sich die Werkstücke 31 und 32 im zu verschweißenden Bereich d. Die Ultraschallschwingung wird solange erzeugt, bis eine Verschweißung des ersten Werkstücks 31 mit dem zweiten Werkstück 32 erfolgt ist (beispielsweise durch eine AufSchmelzung der Oberflächen der Werkstücke 31 und 32 im Bereich d) .
Nach der Verschweißung der Werkstücke 31 und 32 wird der Schweißvorgang beendet, indem der Schwingungsgenerator 13 abgeschaltet wird, so dass die Ultraschallschwingung aufhören.
Die Halteeinrichtung 12 hält während des gesamten Schweißvorgangs das zweite Werkstück 32 relativ zu der Sonotrode 11 in Position, wodurch eine präzisere Schweißverbindung hinsichtlich der Positionierung der beiden verschweißten Werkstücke relativ zueinander erreicht wird.
In einem zweiten Verfahrensbeispiel wird eine Ultraschall¬ schweißvorrichtung 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel verwendet .
Das zweite Verfahrensbeispiel ist ähnlich zu dem ersten Ver¬ fahrensbeispiel. Jedoch wird die Haltevorrichtung 12 vor oder während des Schweißvorgangs von dem zweiten Werkstück 32 über den Mechanismus 19 gelöst. Nach dem Lösen steht das zweite Werkstück 32 nicht mehr im Kontakt mit der Haltevorrichtung 12, so dass das zweite Werkstück 32 zumindest zeitweise während dem Schwei߬ vorgang nur noch von der Sonotrode 11 gehalten wird.

Claims

Patentansprüche
1. Ultraschallschweißvorrichtung (1) mit
- einer Ambosseinrichtung (21) zum Halten eines ersten Werkstücks (31),
- einem Schwingungsgenerator (13) zum Erzeugen von mechanischen Schwingungen,
- einer Sonotrode (11), welche mit dem Schwingungsgenerator (13) mechanisch gekoppelt ist, zur Übertragung der mechanischen Schwingungen auf ein zweites Werkstück (32),
- einer Halteeinrichtung (12) zum Halten des zweiten Werkstücks (32) ,
wobei
die Halteeinrichtung (12) derart mit dem Schwingungsgenerator (13) mechanisch gekoppelt ist, dass bei Betrieb des Schwin¬ gungsgenerators (13) die Halteeinrichtung (12) synchron zu der Sonotrode (11) schwingt.
2. Ultraschallschweißvorrichtung (1) nach Anspruch 1,
wobei die Halteeinrichtung (12) derart ausgebildet ist, dass die Halteeinrichtung (12) mit einer Struktur des zweiten Werkstücks (32) derart in eine formschlüssige Verbindung gebracht werden kann, dass mindestens zwei mechanische Translationsfrei- heitsgrade (x, y) des zweiten Werkstücks (32) blockiert werden können.
3. Ultraschallschweißvorrichtung (1) nach Anspruch 2,
wobei die Halteeinrichtung (12) einen Stift (12a, 12b) aufweist, welcher derart ausgebildet ist, dass der Stift (12a, 12b) zumindest teilweise in eine Aussparung des zweiten Werkstücks (32) eingeführt werden kann.
4. Ultraschallschweißvorrichtung (1) nach Anspruch 3 mit einer Federeinrichtung (15),
wobei der Stift (12b) eine konische Form aufweist und mittels der Federeinrichtung (15) derart federnd gelagert ist, dass der Stift (12b) mit einer Federkraft (F) gegen das zweite Werkstück (32) gedrückt werden kann.
5. Ultraschallschweißvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei die Haltevorrichtung (12) über die Sonotrode (11) mit dem Schwingungsgenerator (13) mechanisch gekoppelt ist.
6. Ultraschallschweißvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ,
wobei die Haltevorrichtung (12) derart ausgebildet ist, dass die Haltevorrichtung von dem zweiten Werkstück (32) vor oder während eines Schweißvorgangs gelöst werden kann.
7. Verfahren zum Betrieb einer Ultraschallschweißvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
wobei
- das erste Werkstück (31) derart in Verbindung mit der
Ambosseinrichtung (21) gebracht wird, dass das erste Werkstück
(31) von der Ambosseinrichtung (21) gehalten wird,
- das zweite Werkstück (32) derart in Verbindung mit der Halteeinrichtung (12) gebracht wird, dass das zweite Werkstück
(32) mittels der Halteeinrichtung (12) relativ zu der Sonotrode (11) positioniert und zumindest zeitweise gehalten wird, und zumindest teilweise mit dem ersten Werkstück (31) und der Sonotrode (11) in Kontakt steht,
- ein Schweißvorgang gestartet wird, indem die Sonotrode (11) durch den Schwingungsgenerator (13) in Schwingung versetzt wird.
8. Verfahren zum Betrieb einer Ultraschallschweißvorrichtung (1) nach Anspruch 7, wobei die Haltevorrichtung (12) derart aus- gebildet ist, dass die Haltevorrichtung von dem zweiten Werkstück (32) vor oder während des Schweißvorgangs gelöst werden kann und die Haltevorrichtung (12) vor oder während des Schweißvorgangs von dem zweiten Werkstück (32) gelöst wird.
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