DE102006006344A1

DE102006006344A1 - Ultraschall-Schweißvorrichtung mit dynamisch aktivem Werkstückhalter

Info

Publication number: DE102006006344A1
Application number: DE102006006344A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dr. König; Stefan Hedemann; Michael Klohr
Original assignee: Sumitomo Electric Bordnetze GmbH
Current assignee: Sumitomo Electric Bordnetze GmbH
Priority date: 2006-02-08
Filing date: 2006-02-08
Publication date: 2007-08-16

Abstract

Um eine Ultraschall-Schweißvorrichtung anzugeben, bei welcher der Werkstückhalter so konstruiert wird, dass eine Prozessoptimierung beim Ultraschweißprozess bewirkt wird, ist vorgesehen, dass der Werkstückhalter (18), insbesondere aufgrund seiner Geometrie und Massenverteilung, während des Schweißprozesses als mechanisches Schwingsystem wirkt, welches die Bindungsbildung an der Schweißstelle unterstützt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Schweißvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Das Ultraschallschweißen ist ein seit langem bekanntes Fügeverfahren zur elektrischen Kontaktierung elektronischer Schaltkreise, zur Herstellung von Draht-Draht-Verbindungen sowie zur mechanischen Verbindung von massiven Kunststoff- und Metallkomponenten. Während des Schweißprozesses werden die zu verfügenden Werkstücke durch Reibungskräfte und plastische Verformung auf atomaren Abstand gebracht, so dass eine Festkörperschweißverbindung entsteht. Bei der Bearbeitung nur eines Werkstückes können die erzeugten Schwingungen auch dazu benutzt werden, das Werkstück zu verformen oder zu schneiden. Die mechanischen Schwingungen der Sonotrode werden in den bekannten Vorrichtungen von einem elektromechanischen, in der Regel aus einem piezoelektrischen Kristall bestehenden Konverter erzeugt, der von einem Ultraschallgenerator mit einem elektrischen Wechselstromkreis angeregt wird. Der Konverter schwingt dabei mit einer vorgegebenen Amplitude bei einer entsprechenden Ultraschall-Resonanzfrequenz, wobei ein typischer Wert z. B. 35 kHz für die Frequenz ist. Das aus Konverter und Sonotrode bestehende Schwinggebilde ist so eingerichtet, dass es ebenfalls in der oder nahe der Resonanzbedingung schwingt und die für die Bindungsbildung nötige Energie den zu fügenden Werkstücken zuführt. Als Gegenwerkzeug zu der Sonotrode ist ein Werkstückhalter vorgesehen, welcher gewöhnlich aus einem Amboss und einem Ambosshalter besteht, so dass sich auf das Werkstück oder die Werkstücke zwischen der Sonotrode und dem Amboss eine Klemmkraft ausüben lässt.

Maßgebend für die Bindungsbildung während des Schweißprozesses ist die Relativbewegung zwischen den Werkstücken, der Sonotrode und dem Werkstückhalter in der Bindungsfläche, welche durch die Amplitude der Sonotrodenschwingung bestimmt wird. Aus dem Stand der Technik sind lediglich Vorrichtungen bekannt, bei welchen die mechanische Fixierung der Werkstücke über einen dynamisch passiven Werkstückhalter erfolgt, bei dessen Konstruktion man darauf abzielt, die Werkstücke möglichst stabil in einer Position zu halten. Bei diesen Vorrichtungen fließt der größte Teil der Schwingungsenergie durch die Bindungsstelle in den Werkstückhalter und weiter in dessen Verankerung und geht dadurch verloren.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Ultraschall-Schweißvorrichtung anzugeben, bei welcher der Werkstückhalter so konstruiert wird, dass eine Prozessoptimierung beim Ultraschweißprozess insbesondere von metallischen und polymerbasierten Komponenten hinsichtlich der Stabilität der Bindungsbildung, der Güte der Schweißverbindung, der mechanischen und elektrischen Zuverlässigkeit und Langzeitstabilität als auch des Verschleißes von Ultraschallwerkzeugen bewirkt wird. Insbesondere soll die erfindungsgemäße Ultraschall-Schweißvorrichtung beim Ultraschallschweißen von Folienflachleitern (FFC, FPC) in der Automobilindustrie einsetzbar sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mittels einer Ultraschall-Schweißvorrichtung mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.

Dadurch, dass der Werkstückhalter, insbesondere aufgrund seiner Geometrie und Massenverteilung, während des Schweißprozesses als mechanisches Schwingsystem wirkt, welches die Bindungsbildung an der Schweißstelle unterstützt, ist es vorteilhaft möglich, Ultraschallenergie, die ansonsten als Verlustleistung im Werkstückhalter in Wärmeenergie umgewandelt wird, in die Schweißstelle zurückzuführen, und so den Wirkungsgrad des Prozesses unmittelbar zu erhöhen. Die mittels Ultraschall in das Werkstück eingekoppelte mechanische Leistung wird ohne Modifikation der Schwingungsamplitude der Sonotrode erhöht.

Durch die aktive Unterstützung der Bindungsbildung durch den Werkstückhalter ist

– eine Verkürzung der Schweiß- und damit der gesamten Prozesszeit,
– eine Reduzierung der Prozessparameter, insbesondere von Anpressdruck und Energie,
– eine Erhöhung der Standzeit von Ultraschallwerkzeugen infolge geringerer Belastung und
– eine Erhöhung der Prozesstoleranz bei kontaminierten und verschmutzten Werkstücken

erreichbar.

Zwei Ausgestaltungen der Erfindung sind hierbei zu unterscheiden, wobei im Einzelfall in Abhängigkeit des herzustellenden Produktes zu entscheiden ist, welche der Ausgestaltungen vorzuziehen ist.

Im ersten, speziellen Fall ist vorgesehen, dass das entstehende mechanische Schwingsystem eine Resonanzfrequenz aufweist, welche der Frequenz der Ultraschallschwingungen der Sonotrode im Wesentlichen entspricht. Dies bedeutet, dass bei geeigneter Wahl der Geometrie des Werkstückhalters dieser durch die Schwingungen der Sonotrode zu phasenverschobenen Resonanzschwingungen angeregt wird. Dies bietet sich besonders an, wenn große Amplituden der Relativbewegung an der Schweißstelle benötigt werden. Allerdings muss hier wegen einer etwaigen Resonanzüberhöhung eine vorsichtige Kontrolle des Schweißprozesses erfolgen.

Der zweite, allgemeinere Fall entspricht dem Nichtresonanzfall, in dem ebenfalls eine Verbesserung der Bindungsbildung erzielt wird, indem es zu einer Reflexion der in den Werkstückhalter induzierten Schwingungen und zu einer Konzentration der mechanischen Energie in der Spitze des Werkstückhalters nahe der Schweißstelle kommt. Dieser Effekt ist bei geeigneter Wahl der Geometrie des Werkstückhalters bei jeder Anregungsfrequenz vorhanden.

Insbesondere ist bevorzugt, dass der Werkstückhalter eine wulstartige Verdickung aufweist, welche als Reflektor für die von der Sonotrode erzeugten Ultraschallschwingungen wirkt.

Der Werkstückhalter wird hierbei überwiegend schlank gestaltet, mit Ausnahme der wulstartigen Verdickung, welche eine vergrößerte Massenanhäufung in der Mitte des Werkstückhalter darstellt, an welcher die Ultraschallschwingungen reflektiert werden. Verschiedenste Ausführungen dieser Massenanhäufung sind denkbar, z. B. kugelförmig oder in der Form einer Scheibe.

Die optimale Werkstückhalter-Form hängt stark von Werkstoff, Geometrie und Struktur der zu verbindenden Werkstücke ab. Dabei sind die Schwingeigenschaften der Werkstücke und der Sonotrode als konstant anzusehen, während die Eigenschaften des Werkstückhalters, insbesondere Material, Geometrie und Massenverteilung, und insbesondere die Massenverteilung entlang der Symmetrieachse im Falle einer zylindersymmetrischen Ausgestaltung des Werkstückhalters, als Variablen eines Optimierungsproblems behandelt werden.

Grundsätzlich ist es vorteilhaft, dass der Werkstückhalter im Wesentlichen aus homogenem Material angefertigt ist. Dadurch werden ungewünschte und schwer kontrollierbare Reflexionen an Materialgrenzflächen unterdrückt. Andererseits ist zumindest eine Ausführung vorgesehen, in welcher der Werkstückhalter einen Massenring aufweist, welcher axial verschiebbar ist, durch welchen eine Feinanpassung der Frequenz erfolgen kann, mit welcher der Werkstückhalter schwingt.

Weiter ist bevorzugt, dass das mechanische Schwingsystem durch die Schwingungen der Sonotrode zu elliptischen Schwingungen anregbar ist. Im Werkstückhalter ergibt sich also eine überlagerte Schwingung mit vertikalen und horizontalen Anteilen. Um dies zu erreichen, müssen zumindest kleine Abweichungen in der Symmetrie bei der Konstruktion des Werkstückhalters vorgesehen sein. Durch die elliptischen Schwingungen kann ein Transport von Fremdpartikeln aus der Bindungszone induziert werden. Dies ist besonders beim Schweißen von stark verschmutzten Werkstoffen erwünscht.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Design eines geeigneten Werkstückhalters ist dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie des Werkstückhalters mathematisch und/oder messtechnisch optimiert wird, damit der Werkstückhalter während des Schweißprozesses in einer Form schwingt, welche die Bindungsbildung während der Schweißung aktiv unterstützt.

Dabei ist bevorzugt, die optimale Form des Werkstückhalters in einem iterativen Prozess aus ingenieurwissenschaftlich mathematischen Verfahren, insbesondere durch Anwendung einer Finite-Elemente-Methode oder einer elektromechanischen Analogie, und schwingungstechnischer Analyse, insbesondere durch Laserinterferometrie, zu ermitteln. Insbesondere ist hierbei die Ankopplung und mechanische Fixierung des Werkstückhalters im Restsystem des Schweißautomaten mit entsprechenden Dämpfungs- und Federelementen zu berücksichtigen.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Ultraschall-Schweißvorrichtung,
2 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Werkstückhalters mit eingezeichneter Schwingungsamplitudenverteilung und
3a, b eine Gegenüberstellung eines erfindungsgemäßen Werkstückhalters und einer analogen elektrischen Ersatzschaltung.
1 zeigt eine Seitenansicht einer insgesamt mit 100 bezeichneten Ultraschall-Schweißvorrichtung. Sie umfasst einen nicht dargestellten Wandler 10 zur Umwandlung elektrischer Schwingungen in Ultraschallschwingungen, der über einen ebenfalls nicht dargestellten Amplitudentransformator 12 mit einer Sonotrode 14 verbunden ist. Die Sonotrode 14 wird dabei in Längsschwingungen versetzt, wie dies durch den Doppelpfeil angedeutet ist. Ein Werkstück 16, bei dem es sich insbesondere um eine Materialbahn eines thermoplastischen Materials oder einen metallischen Leiter mit thermoplastischer Isolierung handelt, wird durch eine in der Figur nicht gezeigte Zuführungsvorrichtung zwischen der Sonotrode 14 und einem Werkstückhalter 18 durchgeführt, wobei es an einer Schweißstelle 20 zur Übertragung der Ultraschallschwingungen von der Sonotrode 14 in das Werkstück 16 kommt. Der Werkstückhalter 18 ist zylindersymmetrisch ausgestaltet und weist näherungsweise in der Mitte zwischen der Schweißstelle 20 und einer gegenüberliegenden Abschlussfläche 22, welche geeignet verankert ist, eine wulstartige Verdickung 24 auf, welche scheibenförmig ausgestaltet ist. Der Werkstückhalter 18 ist bevorzugt aus einem homogenen Material gefertigt und aus einem massiven Block gefräst.
Durch eine mathematisch und messtechnisch optimierte Geometrie des Werkstückhalters 18 wird dieser während des Schweißprozesses so zu Schwingungen angeregt, dass eine aktive Unterstützung des Schweißprozesses an der Schweißstelle 20 erfolgt. Hierbei führt der Werkstückhalter 18 in der lokalen Umgebung der Schweißstelle 20 Schwingungen mit linearen und elliptischen Anteilen aus, das heißt, es werden auch Schwingungsformen mit Komponenten senkrecht zur Schwingungsamplitude der aktive Sonotrode 14 angeregt. Durch die wulstartige Verdickung 24 kommt es zu einer geeigneten Reflexion der Ultraschallschwingungen in Richtung der Schweißstelle 20 und somit zu einer Konzentration der Schwingungsenergie an diesem Punkt.
2 zeigt eine Seitenansicht des Werkstückhalters 18 mit eingezeichneter Schwingungsamplitudenverteilung. Der dargestellte Werkstückhalter 18 ist hinsichtlich des Ultraschallschweißprozesses von Folienflachleitern (FFC) entwickelt und optimiert. Durch einen Positionssensor 26 wird die Schwingungsamplitude des Werkstückhalters 18 an verschiedenen, in der Figur durch fortlaufende Zahlen angedeuteten Messpunkten während eines Testbetriebes ermittelt. Die so ermittelten Schwingungsdaten dienen unmittelbar als Eingangsgrößen für eine dynamisch-mathematische Modellierung, durch welche eine Optimierung der Masseverteilung im Werkstückhalter 18 erfolgen soll. Alternativ können die Messdaten auch durch Laserinterferometrie an denselben Punkten ermittelt werden. Der Werkstückhalter 18 wird durch die Längsschwingungen der Sonotrode 14 ebenfalls zur Ausführung von Längsschwingungen angeregt, deren Amplitudenverteilung 28 angegeben ist. Außerdem werden senkrecht dazu Seitenschwingungen angeregt, deren Amplitudenverteilung 30 ebenfalls angegeben ist, wobei diese naturgemäß kleiner als die Amplitudenverteilung 28 ist. Beide Amplitudenverteilungen 28 und 30 zeigen an, dass die wulstartige Verdickung 24 als Reflektor wirkt, da die Schwingungsamplituden im Bereich zwischen der wulstartigen Verdickung 24 und der Abschlussfläche 22 erheblich geringer sind als im Bereich zwischen der wulstartigen Verdickung 24 und der Schweißstelle 20. Dies repräsentiert somit auch die Leistung, welche für den Schweißprozess unmittelbar verwendet werden kann und nicht durch die Abschlussfläche 22 abfließt und verloren geht.
3a, b zeigen eine Gegenüberstellung eines erfindungsgemäßen Werkstückhalters 18 und einer analogen elektrischen Ersatzschaltung, welche im Rahmen einer elektromechanischen Analogie angefertigt werden kann. Dabei entsprechen sich paarweise die Größen Kraft F 32 und Spannung U 36, sowie Geschwindigkeit v 34 und Strom I 38 in den beiden Modellen, wobei beachtet werden muss, dass im mechanischen Fall im Gegensatz zum elektromagnetischen Fall zwei Freiheitsgrade für die ausgeführten Schwingungen bestehen. Analog können in den beiden Modellen die mechanische Impedanz Z_mech = F/v und die elektrische Impedanz Z_elek = U/I berechnet werden. Zu bestimmen sind für den Werkstückhalter 18 die Leistung der reflektierten Welle 42 und der transmittierten Welle 44 in Abhängigkeit von der Leistung der von der Sonotrode 14 erzeugten, einfallenden Welle 40 (3a). Variabel ist dabei die mechanische Abschlussimpedanz, welche durch die Eigenschaften der wulstartigen Verdickung 24 bestimmt wird. Bei einer Anpassung der mechanischen Abschlussimpedanz wird die Leistung der transmittierten Welle minimiert, so dass mehr Energie für den Schweißprozess zur Verfügung steht. In den meisten praktischen Fällen wird ein bestimmtes Verhältnis von transmittierten zu reflektierten Wellen wünschenswert sein, welches man an die Prozessrandbedingungen im Einzelfall anpassen muss.
In der elektrischen Ersatzschaltung (3b) entspricht der mechanischen Abschlussimpedanz der wulstartigen Verdickung 24 der Bereich der elektrischen Abschlussimpedanz 46. Die mechanischen Eigenschaften des oberen Teils des Werkstückhalters 18 werden geeignet durch einen elektromagnetischen Schwingkreis 48 modelliert, welcher als dynamischer Energiespeicher wirkt. Die vom elektromagnetischen Schwingkreis 48 gespeicherte Energie hängt dabei von der Größe der anzupassenden elektrischen Abschlussimpedanz 46 ab.

100: Ultraschall-Schweißvorrichtung
10: Wandler
12: Amplitudentransformator
14: Sonotrode
16: Werkstück
18: Werkstückhalter
20: Schweißstelle
22: gegenüberliegende Abschlussfläche/Verankerung
24: wulstartige Verdickung
26: Positionssensor
28: Amplitudenverteilung Längsschwingungen
30: Amplitudenverteilung Seitenschwingungen
32: Kraft
34: Geschwindigkeit
36: Spannung
38: Strom
40: einfallende Welle
42: reflektierte Welle
44: transmittierte Welle
46: elektrische Abschlussimpedanz
48: elektromagnetischer Schwingkreis

Claims

Ultraschall-Schweißvorrichtung, welche eine Ultraschall-Erzeugungseinrichtung mit einer Sonotrode und einen Werkstückhalter (18) umfasst, wobei von der Sonotrode während eines Schweißprozesses Ultraschallschwingungen auf ein zwischen der Sonotrode und dem Werkstückhalter befindliches Werkstück zum Zwecke einer Bindungsbildung an einer Schweißstelle im Werkstück übertragbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückhalter (18) während des Schweißprozesses als mechanisches Schwingsystem wirkt, welches die Bindungsbildung an der Schweißstelle (20) unterstützt.
Ultraschall-Schweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückhalter (18) eine Masseverteilung aufweist derart, dass der Werkstückhalter (18) während des Schweißprozesses als mechanisches Schwingsystem wirkt, welches die Bindungsbildung an der Schweißstelle (20) unterstützt.
Ultraschall-Schweißvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das entstehende mechanische Schwingsystem eine Resonanzfrequenz aufweist, welche der Frequenz der Ultraschallschwingungen im Wesentlichen entspricht.
Ultraschall-Schweißvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückhalter (18) im Wesentlichen zylindersymmetrisch ist.
Ultraschall-Schweißvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückhalter (18) im Wesentlichen aus homogenem Material angefertigt ist.
Ultraschall-Schweißvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückhalter (18) mindestens eine wulstartige Verdickung (24) aufweist, welche als Reflektor für die von der Sonotrode (14) erzeugten Ultraschallschwingungen wirkt.
Ultraschall-Schweißvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückhalter (18) mindestens einen Massenring aufweist, welcher axial verschiebbar ist.
Ultraschall-Schweißvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Schwingsystem durch die Schwingungen der Sonotrode (14) zu elliptischen Schwingungen anregbar ist.
Werkstückhalter zur Verwendung in einer Ultraschall-Schweißvorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Verfahren zum Design eines Werkstückhalters nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie des Werkstückhalters (18) mathematisch und/oder messtechnisch optimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaften des entstehenden mechanischen Schwingsystems durch Anwendung einer Finite-Elemente-Methode berechnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaften des entstehenden mechanischen Schwingsystems durch die Analyse eines analogen Widerstandsnetzwerkes bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitudenverteilung im mechanischen Schwingsystem gemessen wird, insbesondere durch Laserinterferometrie.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein iteratives Verfahren angewendet wird, in welchem die Eigenschaften des mechanischen Schwingsystems abwechselnd berechnet und gemessen werden.