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DE102014216002A1 - Sonotrode, Verfahren zum Schweißen einer Kugel sowie Bauteilverbindung - Google Patents

Sonotrode, Verfahren zum Schweißen einer Kugel sowie Bauteilverbindung Download PDF

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DE102014216002A1
DE102014216002A1 DE102014216002.2A DE102014216002A DE102014216002A1 DE 102014216002 A1 DE102014216002 A1 DE 102014216002A1 DE 102014216002 A DE102014216002 A DE 102014216002A DE 102014216002 A1 DE102014216002 A1 DE 102014216002A1
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DE
Germany
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ball
sonotrode
component
trough
shaped
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102014216002.2A
Other languages
English (en)
Inventor
Clemens Stefanziosa
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke AG filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
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Priority to CN201580022894.7A priority patent/CN106457680A/zh
Priority to EP15742217.1A priority patent/EP3180179A1/de
Priority to PCT/EP2015/066758 priority patent/WO2016023720A1/de
Publication of DE102014216002A1 publication Critical patent/DE102014216002A1/de
Priority to US15/403,236 priority patent/US20170120504A1/en
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Abstract

Verfahren zum Verschweißen einer Kugel mit einem anderen Bauteil, gekennzeichnet durch folgende Schritte: - Bereitstellen einer Sonotrode, welche eine muldenförmige, insbesondere eine kugelkalottenförmige, Aufnahme aufweist, – Andrücken der Kugel an das andere Bauteil mittels der Sonotrode, wobei die Kugel in die muldenförmige Ausnehmung ragt, und – in Schwingungen Versetzen der Kugel mittels der Sonotrode, derart, dass Material der Kugel und/oder Material des anderen Bauteils aufschmilzt und die Kugel mit dem anderen Bauteil verschweißt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sonotrode gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, ein Verfahren zum Verschweißen einer Kugel gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 9 sowie eine Bauteilverbindung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 17.
  • Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Bauteilverbindungen bekannt, bei denen Kugeln als Verbindungselemente eingesetzt werden. Beispielsweise ist aus der DE 10 2009 049 602 B3 eine „Bauteilverbindung” bekannt, bei der auf ein Karosserieblech eine als Verbindungselement dienende Kugel aufgeschweißt ist, die formschlüssig in eine in einem anderen Blech vorgesehene Ausnehmung eingreift.
  • Aufgabe der Erfindung ist es,
    • a) ein modifiziertes Verfahren zum Verschweißen einer Kugel mit einem anderen Bauteil anzugeben, sowie
    • b) ein „Werkzeug”, mit dem eine derartige Schweißverbindung herstellbar ist,
    • c) sowie eine entsprechende Bauteilverbindung.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 bzw. 9 bzw. 17 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Ein wesentlicher Gedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, eine Kugel mittels einer (Ultraschall-)Sonotrode mit einem anderen Bauteil zu verschweißen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Sonotrode bereitgestellt, welche eine muldenförmige „Aufnahme” aufweist. Die „Aufnahme” kann insbesondere kugelkalottenförmig ausgestaltet sein. Die Kugel wird mittels der Sonotrode an das andere Bauteil angedrückt, derart, dass die Kugel in die muldenförmige Ausnehmung hinein ragt Die muldenförmige Ausnehmung liegt somit vergleichbar einer Gelenkpfanne von außen her an der Kugel an. Vorzugsweise liegt die muldenförmige Ausnehmung großflächig an der Kugel an.
  • Mittels der Sonotrode wird die Kugel in Schwingungen versetzt, derart, dass Material der Kugel und/oder Material des anderen Bauteils lokal, d. h. im Berührbereich aufschmilzt und die Kugel mit dem anderen Bauteil verschweißt. Durch „Ultraschall-Schweißen” kann eine qualitativ hochwertige Verbindung zwischen der Kugel und dem anderen Bauteil erreicht werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zum Verschweißen einer Kunststoffkugel mit einem aus Kunststoff bestehenden anderen Bauteil geeignet. Bei dem anderen Bauteil kann es sich insbesondere um ein faserverstärktes Kunststoffbauteil, z. B. um ein Karosseriebauteil eines Fahrzeugs, handeln.
  • Die Kunststoffkugel kann eine rein aus einem homogenen Kunststoffmaterial (z. B. Thermoplastmaterial) bestehende Kugel sein. Alternativ dazu kann die Kugel auch aus einem Kunststoffmaterial (z. B. Thermoplastmaterial) bestehen, das durch Fasern (z. B. Kohlefasern, Glasfasern o. ä.) oder durch Partikel verstärkt ist, wobei die Fasern bzw. Partikel in dem Kunststoffmaterial der Kugel (z. B. Thermoplastmaterial) verteilt sind.
  • Die Kugel muss aber nicht notwendigerweise vollständig aus einem Kunststoffmaterial (z. B. Thermoplastmaterial) bestehen. Prinzipiell kann die Kugel aus einem beliebigen Material bestehen und auf ihrer gesamten Oberfläche oder auf einem Teilbereich ihrer Oberfläche mit einer Kunststoffschicht (z. B. Thermoplastmaterial) beschichtet sein.
  • Alternativ zu einer Kunststoffkugel, die auf ein Kunststoffbauteil aufgeschweißt wird, kann die Kugel und/oder das andere Bauteil auch aus einem anderen Material, wie z. B. einem Metall (z. B. Aluminium, Kupfer, Stahl) bestehen.
  • Sofern es sich bei dem anderen Bauteil um ein Kunststoffbauteil handelt, kann dieses als Bauteil ausgestaltet sein, das ausschließlich aus einem homogenen Kunststoffmaterial (z. B. Thermoplastmaterial) besteht. Alternativ dazu kann es sich um ein durch Kurz-, Lang- oder Endlosfasern und/oder durch Partikel verstärktes Kunststoffbauteil (z. B. aus Thermoplastmaterial) handeln. Analog zur Kugel, kann das andere Bauteil auch aus einem anderen Material bestehen und lediglich ganz oder in zumindest einem Teilbereich mit einer Schicht aus Kunststoffmaterial (z. B. Thermoplastmaterial) überzogen bzw. beschichtet sein.
  • Ein wesentlicher Unterschied des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber vielen anderen aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschall-Schweißverfahren, bei denen zwei Bauteile mittels Ultraschall miteinander verschweißt werden, besteht darin, dass die erfindungsgemäß verwendete Kugel ein Bauteil ist, das in allen Raumrichtungen symmetrisch ist. Die Kugel braucht also nicht in besonderer Weise in Bezug auf das andere Bauteil ausgerichtet werden, sie ist vielmehr immer perfekt ausgerichtet. Sofern es sich bei dem anderen Bauteil um ein Bauteil handelt, das im Bereich der „Schweißstelle” eben oder im Wesentlichen eben ist, besteht vor dem Verschweißen zwischen der Kugel und dem anderen Bauteil eine Punktberührung oder eine im Wesentlichen punktförmige Berührung, was beim Einleiten von Ultraschall in die Kugel zu einer extrem hohen Energiedichte im Bereich des Berührpunkts und somit zu einem sauberen Aufschmelzen der Kugel und/oder des anderen Bauteils lokal begrenzt im Bereich der Berührstelle führt. Im Ergebnis führt dies zu einer qualitativ hochwertigen, symmetrischen Schweißverbindung zwischen der Kugel und dem anderen Bauteil.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird die Kugel mittels der Sonotrode in translatorische Schwingungen versetzt. Die Schwingungsrichtung der Kugel verläuft durch den Mittelpunkt der Kugel und im Wesentlichen senkrecht zu der Stelle, an der die Kugel mit dem anderen Bauteil verschweißt wird (Berühr- oder Verbindungsstelle).
  • Alternativ oder ergänzend zu einer translatorischen Schwingungsbewegung kann die Kugel mittels der Sonotrode in rotatorische Schwingungen versetzt werden. In diesem Fall oszilliert die Kugel um eine durch den Kugelmittelpunkt und die Verbindungsstelle, an der die Kugel mit dem anderen Bauteil verschweißt wird, verlaufende Achse (torsionale Ultraschall-Schwingung).
  • Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, der sich unmittelbar aus der vollständigen Symmetrie einer Kugel ergibt, besteht darin, dass die Wegstrecke, die der Schall zurücklegen muss, d. h. der Abstand zwischen der Stelle, an der die Kugel mit dem anderen Bauteil verschweißt wird und der muldenförmigen Aufnahme (Schalleinleitungsstelle), immer gleich groß ist.
  • Während es bei herkömmlichen durch Ultraschallschweißen hergestellten Bauteilverbindungen bereits bei einer leichten Schrägstellung des Handgeräts (Sonotrode) zu unterschiedlich langen Schallwegen und damit schwankenden Schweißergebnissen kommen kann, ist dies bei der Verwendung einer Kugel aufgrund ihrer vollständigen Symmetrie gerade nicht der Fall, was eine hohe Wiederholgenauigkeit ermöglicht. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit insbesondere für Großserienanwendungen geeignet. Zudem ist im Gegensatz zu einem „Würfel” keine exakte Positionierung des anderen Bauteils erforderlich, da stets eine punktförmige, für das Ultraschallschweißen günstige, „Berührsitution” vorliegt.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Ansaugeinrichtung vorgesehen, welche an der Sonotrode angeordnet oder in die Sonotrode integriert ist. Prinzipiell kann die Ansaugeinrichtung auch von der Sonotrode entfernt angeordnet und über mindestens einen Ansaugkanal mit der Sonotrode in Fluidverbindung stehen.
  • Mittels einer derartigen Ansaugeinrichtung kann die Kugel an die muldenförmige Ausnehmung angesaugt bzw. in die muldenförmige Ausnehmung eingesaugt und im angesaugten oder eingesaugten Zustand mittels der Sonotrode an das andere Bauteil herangeführt und daran angedrückt werden.
  • Die Kugel kann somit durch Ansaugen aus einem „Kugelreservoir”, insbesondere einem mit einer Vielzahl von Kugeln gefüllten Vorratsbehälter, entnommen werden. Wenn die Sonotrode mittels eines Roboters geführt wird, kann das Entnehmen der Kugel aus dem Kugelreservoir und das Heranführen bzw. Ansetzen der Kugel an das andere Bauteil vollständig automatisiert werden.
  • Zum Ansaugen der Kugel kann ein Unterdruckkanal vorgesehen sein, der in die muldenförmige Ausnehmung mündet. Durch Erzeugen eines Unterdrucks in dem Unterdruckkanal wird die Kugel an die muldenförmige Ausnehmung angesaugt bzw. in die muldenförmige Ausnehmung eingesaugt.
  • Eine Sonotrode gemäß der Erfindung weist dementsprechend eine muldenförmige, insbesondere eine kugelkalottenförmige Aufnahme auf, die dazu vorgesehen ist, flächig berührend an die Kugel angelegt zu werden und Ultraschall-Schwingungen auf die Kugel zu übertragen.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die muldenförmige Aufnahme einen Krümmungsradius auf, der gleich dem Radius der Kugel ist. Prinzipiell könnte der Krümmungsradius der muldenförmigen Aufnahme aber auch kleiner als der Krümmungsradius der Kugel sein. In diesem Fall ergäbe sich zwischen der muldenförmigen Ausnehmung und der Kugel lediglich eine kreisförmige Berührung entlang des Randes der muldenförmigen Ausnehmung. Wenn der Krümmungsradius der muldenförmigen Aufnahme etwas größer als der Krümmungsradius der Kugel ist, ergibt sich lediglich eine leicht flächige Berührung zwischen der Kugel und der muldenförmigen Aufnahme.
  • Beispielsweise ist denkbar, dass Kugeln mit einem Durchmesser von 6,35 mm, d. h. mit einem Radius von 3,175 mm verwendet werden. Wenn der Krümmungsradius der muldenförmigen Aufnahme gleich dem Radius der Kugel ist, Ist der Krümmungsradius der muldenförmigen Aufnahme somit ebenfalls 3,175 mm.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist an dem anderen Bauteil an der Stelle, an der die Kugel angeschweißt werden soll, eine „physische Markierung”, z. B. eine „Vertiefung” vorgesehen. Eine solche „physische Markierung” oder Vertiefung, die z. B. als kreisförmige Mulde, als Körnung, o. ä. ausgebildet sein kann, ermöglicht haptisch eine exakte Positionierung der Kugel in Bezug auf das andere Bauteil und erleichtert somit das Setzen bzw. Anschweißen der Kugel, insbesondere wenn die Sonotrode von Hand geführt bzw. gehalten wird.
  • Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 das Grundprinzip des Anschweißens einer Kugel auf ein anderes Bauteil mittels einer Ultraschall-Sonotrode; und
  • 2a, 2b, dass aufgrund der Kugelgeometrie auch bei einer Schrägstellung der Sonotrode der Abstand zwischen der Schalleinleitungsstelle und dem Berührpunkt gleich ist.
  • 1 zeigt ein ebenes Bauteil 1, das z. B. ein faserverstärktes Kunststoffbauteil (z. B. ein faserverstärktes Karosserieteil eines Fahrzeugs) sein kann. Eine Kugel 2, die ebenfalls aus einem Kunststoffmaterial bestehen kann, soll mittels einer Ultraschall-Sonotrode 3 auf die Oberfläche 1a des Bauteils 1 aufgeschweißt werden.
  • Die hier nur äußerst schematisch dargestellte Ultraschall-Sonotrode weist an ihrer Unterseite bzw. an ihrer unteren Stirnseite 3a eine muldenförmige oder kugelkalottenförmige Aufnahme 3b auf. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht der Radius der kugelkalottenförmigen Aufnahme 3b exakt oder im Wesentlichen dem Radius der Kugel 2.
  • In die kugelkalottenförmige Aufnahme 3b mündet ein Unterdruckkanal 4a, der über einen hiervon abzweigenden Unterdruckkanal 4b mit einer hier nur äußerst schematisch dargestellten, an der Sonotrode 3 angeordneten Unterdruckerzeugungseinrichtung 5 in Fluidverbindung steht. Mittels der Unterdruckerzeugungseinrichtung 5 kann über die Unterdruckkanäle 4a, 4b in der muldenförmigen Aufnahme 3b ein Sog erzeugt werden, was durch einen Pfeil 6 angedeutet ist. Durch den Sog wird die Kugel 2 an die Sonotrode 3 angesaugt, derart, dass ein oberer Bereich der Kugel 2 in die muldenförmige Aufnahme hinein ragt.
  • Im angesaugten Zustand kann die Kugel 2 durch Verfahren der Sonotrode, z. B. mittels eines Industrieroboters, an das Bauteil 1 bzw. an die Oberfläche 1a des Bauteils 1 herangeführt und gegen das Bauteil 1 gedrückt werden. Mittels einer hier nicht näher dargestellten, in die Sonotrode 3 integrierten Schwingungserzeugungseinrichtung kann die Kugel 2 in translatorische Schwingungen (angedeutet durch einen Doppelpfeil 7) und/oder in rotatorische Schwingungen (angedeutet durch einen Doppelpfeil 8) versetzt werden. Dadurch entsteht im Berührbereich (im Wesentlichen Punktberührung) der Kugel 2 mit der Oberfläche 1a des Bauteils 1 eine sehr hohe Energiedichte, die lokal begrenzt zum Aufschmelzen des Materials der Kugel und/oder des Materials des Bauteils 1 und somit zu einem Verschweißen der Kugel mit dem Bauteil 1 führt.
  • Vollständigkeitshalber sei auf die 2a und 2b verwiesen. Wie aus 2a ersichtlich ist, ist der Abstand d zwischen der Schalleinleitungsstelle und dem Berührpunkt aufgrund der vollkommen symmetrischen Geometrie der Kugel 2 auch bei einer Schrägstellung der Sonotrode stets gleich groß.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009049602 B3 [0002]

Claims (17)

  1. Sonotrode (3), welche eine Schwingungserzeugungseinrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Sonotrode (3) dazu vorgesehen ist, eine Kugel (2) mit einem anderen Bauteil (1) zu verschweißen, wobei – die Sonotrode (3) eine muldenförmige, insbesondere eine kugelkalottenförmige, Aufnahme (3b) aufweist, die dazu vorgesehen ist, flächig berührend an die Kugel (2) angelegt zu werden und von der Schwingungserzeugungseinrichtung erzeugte Ultraschall-Schwingungen auf die Kugel (2) zu übertragen.
  2. Sonotrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungserzeugungseinrichtung dazu vorgesehen und bestimmt ist, translatorische Schwingungen (7) zu erzeugen.
  3. Sonotrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungserzeugungseinrichtung dazu vorgesehen und bestimmt ist, rotatorische Schwingungen (8) zu erzeugen.
  4. Sonotrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (3) einen in die muldenförmige Aufnahme mündenden Unterdruckkanal (4a, 4b) aufweist.
  5. Sonotrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Saugeinrichtung (5) vorgesehen ist, mittels der in dem Unterdruckkanal (4a, 4b) ein Unterdruck (6) zum Ansaugen der Kugel (2) erzeugbar ist.
  6. Sonotrode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugeinrichtung (5) in oder an der Sonotrode (3) angeordnet ist.
  7. Sonotrode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die muldenförmige Aufnahme (3b) einen Krümmungsradius aufweist, der gleich dem Radius der Kugel (2) ist.
  8. Sonotrode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Krümmungsradius gleich 0,5·6,35 mm oder 3,175 mm ist.
  9. Verfahren zum Verschweißen einer Kugel (2) mit einem anderen Bauteil (1), gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Bereitstellen einer Sonotrode (3), welche eine muldenförmige, insbesondere eine kugelkalottenförmige, Aufnahme (3b) aufweist, – Andrücken der Kugel (2) an das andere Bauteil (1) mittels der Sonotrode (3), wobei die Kugel (2) in die muldenförmige Ausnehmung (3b) ragt, und – in Schwingungen Versetzen der Kugel (2) mittels der Sonotrode (3), derart, dass Material der Kugel (2) und/oder das Material des anderen Bauteils (1) aufschmilzt und die Kugel (2) mit dem anderen Bauteil (1) verschweißt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugel (2) mittels der Sonotrode (3) in translatorische Schwingungen (7) versetzt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugel (2) mittels der Sonotrode (3) in rotatorische Schwingungen (8) versetzt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das andere Bauteil (1) an der Stelle, an der die Kugel (2) angedrückt wird, im Wesentlichen oder exakt eben ist, so dass vor dem Verschweißen zwischen der Kugel (2) und der Stelle, an der die Kugel (2) angedrückt wird, eine punktförmige Berührung besteht.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugel (2) mittels einer Ansaugeinrichtung (5) an oder in die muldenförmige Ausnehmung an- oder eingesaugt wird und im angesaugten oder eingesaugten Zustand mittels der Sonotrode (3) an das andere Bauteil (1) angedrückt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugel (2) durch das Ansaugen aus einem Kugelreservoir, insbesondere aus einem mit einer Vielzahl von Kugeln befüllten Vorratsbehälter, entnommen wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Kugel (2) eine Kugel aus Kunststoffmaterial verwendet wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das andere Bauteil (1) ebenfalls aus Kunststoffmaterial, insbesondere aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial, ist.
  17. Bauteilverbindung, bestehend aus einer Kugel (2) und einer anderen Bauteil (1), wobei die Kugel (2) an das andere Bauteil durch Ultraschall-Schweißen angeschweißt worden ist.
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