Die Erfindung betrifft eine Torsionssonotrode nach dem Ober ^¬ begriff des Anspruchs 1. Sie betrifft ferner ein Ultraschall ^¬ schweißverfahren unter Verwendung einer solchen Torsionssonotrode . Eine derartige Torsionssonotrode ist beispielsweise aus der EP 1 410 988 AI bekannt. Dabei ist eine Kontaktfläche zur Übertragung einer um eine Torsionsachse gerichteten Torsionsschwingung auf ein zu verschweißendes Bauteil mit linienarti ^¬ gen Einkerbungen versehen. Die Einkerbungen weisen einen V- förmigen Kerbgrund auf; sie können gitternetzartig ausgeführt sein .

Bei Verwendung einer solchen Torsionssonotrode tritt mitunter das Problem auf, dass ein Teil der auf das Bauteil zu über- tragenden Energie verloren geht. Das kann dazu führen, dass das Bauteil nicht mit der gewünschten Festigkeit an ein wei ^¬ teres Bauteil angeschweißt wird. Ferner kann es dazu kommen, dass das Bauteil an seiner der Kontaktfläche gegenüberliegen ^¬ den Oberfläche mit der Kontaktfläche verschweißt oder dass die Oberfläche des Bauteils schmilzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere eine Torsi ^¬ onssonotrode angegeben werden, mit der Schweißverbindungen mit einer reproduzierbaren Festigkeit herstellbar sind. Nach einem weiteren Ziel der Erfindung soll ein Ultraschallschweißverfahren angegeben werden, mit dem Schweißverbindungen gleichbleibender Festigkeit herstellbar sind. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 11 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 10 und 12.

Nach Maßgabe der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Kontaktfläche eine im Wesentlichen senkrecht zur Torsionsachse verlaufende ebene Anschlagfläche aufweist, von der sich inselartig ausgebildete Erhebungen mit einer spitz zulaufen- den Form erstrecken. Damit wird eine hervorragende Übertra ^¬ gung der Ultraschall-Schwingungsenergie von der Kontaktfläche auf das Bauteil erreicht. Durch den beim Ultraschallschweißen verwendeten Schweißdruck werden die inselartigen und spitz zulaufenden Erhebungen in das Bauteil eingedrückt, so dass eine formschlüssige Verbindung zwischen der Kontaktfläche und dem Bauteil erreicht wird. Durch die zwischen den Erhebungen vorgesehene senkrecht zur Torsionsachse verlaufende ebene An ^¬ schlagsfläche ergibt sich eine definierte Eindringtiefe der Erhebungen in das Bauteil. Damit können Ultraschallschweiß- Verbindungen mit gleichbleibender Festigkeit hergestellt werden .

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt ein Abstand zwischen zwei benachbarten Erhebungen 0,4 bis 2,0 mm, vor- zugsweise 0,5 bis 1,0 mm. D. h. die Erhebungen sind - im Ge ^¬ gensatz zum Stand der Technik - nicht nur durch Einkerbungen mit einem V-förmigen Kerbgrund, sondern durch ebene Abschnit ^¬ te der Abstandsfläche voneinander beabstandet. Das ermöglicht stets ein vollständiges Eindringen der Erhebungen in das Bau- teil.

Eine Gesamtgrundfläche sämtlicher Erhebungen ist zweckmäßi ^¬ gerweise kleiner als die Anschlagfläche. Unter dem Begriff "Gesamtgrundfläche" wird die Summe der Grundflächen der Erhe ^¬ bungen verstanden. Die Grundfläche einer Erhebung ist durch die Schnittlinie/n der die Erhebung begrenzenden Seitenflächen/n mit der Abstandsfläche umgrenzt. Dabei kann ein Ver- hältnis von Anschlagfläche zu Gesamtgrundfläche im Bereich von 1,1 bis 8,0, vorzugsweise im Bereich von 2,0 bis 5,5, liegen. Hinsichtlich der Verteilung der Erhebungen auf der Kontaktfläche hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass diese entlang zumindest zweier sich unter einem vorgegebenen Winkel schneidender Geraden angeordnet sind. Die Geraden können sich in einem vorgegebenen Winkel von 30 bis 90°, vorzugsweise 60 oder 90°, schneiden. Nach einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung können die Erhebungen bezüglich der Torsionsachse auch entlang radial verlaufender Geraden angeordnet sein.

Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, dass die Erhe ^¬ bungen eine pyramidale Form aufweisen. Die Erhebungen können insbesondere die Form einer drei- oder vierseitigen Pyramide aufweisen. In diesem Fall entspricht eine Grundfläche einer Erhebung also einem Drei- oder Viereck, insbesondere einem gleichzeitigen Dreieck oder einem Quadrat.

Des Weiteren hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass die Pyramidenflächen der Pyramiden mit der Anschlagfläche einen Neigungswinkel von 50 bis 80°, vorzugsweise 65 bis 75°, bil ^¬ den. D. h. die Pyramiden werden vorteilhafterweise also von relativ steilen Pyramidenflächen begrenzt. Nach weiterer Maßgabe der Erfindung wird ein Ultraschallschweißverfahren mit folgenden Schritten vorgeschlagen:

Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Torsionssonotrode, Eindrücken der Erhebungen in einen mit der Kontaktfläche in Berührung befindlichen Abschnitt eines zu verschweißenden Bauteils bis die Anschlagfläche am Bauteil anliegt, wobei ei- ne maximale Höhe der Erhebungen kleiner als eine Dicke des mit der Kontaktfläche in Berührung befindlichen Abschnitts des Bauteils ist, und

Verschweißen des Bauteils mittels Torsions-Ultraschall- schweißen mit einem damit in Kontakt befindlichen weiteren Bauteil .

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dringen beim Aufbringen des Schweißdrucks die Erhebungen in das Bauteil lediglich bis zu einer Tiefe ein, welche durch die maximale Höhe der Erhe ^¬ bungen gegenüber der Abstandsfläche gegeben ist. Die Eindringtiefe ist kleiner als die Dicke des mit der Kontaktflä ^¬ che in Berührung befindlichen Abschnitts des zu verschweißenden Bauteils. Die Erhebungen durchdringen das Bauteil also nicht. Sie erstrecken sich insbesondere nicht bis in den Be ^¬ reich einer Schweißfläche zwischen dem Bauteil und dem weite ^¬ ren Bauteil.

Zweckmäßigerweise ist die maximale Höhe der Erhebungen klei- ner als das 0,5-Fache der Dicke des zu verschweißenden Bau ^¬ teils. D. h. die Erhebungen dringen beim Aufbringen des

Schweißdrucks also höchstens bis zur Hälfte der Dicke des zu verschweißenden Bauteils ein. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Torsions- sonotrode,

Fig. 2 eine vergrößerte Detailansicht gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt gemäß Fig. 2,

Fig. 4 schematisch die Anordnung von Erhebungen bei einer zweiten Torsionssonotrode und

Fig. 5 eine Schnittansicht durch eine mit einem Bauteil in

Kontakt befindliche Torsionssonotrode.

Fig. 1 bis 3 zeigen Ansichten einer ersten Torsionssonotrode S, welche eine im Wesentlichen ringförmig ausgestaltete Kontaktfläche 1 aufweist. Die Kontaktfläche 1 ist weitgehend ro ^¬ tationssymmetrisch bezüglich einer mit dem Bezugszeichen T bezeichneten Torsionsachse, um welche die Torsionssonotrode S im Betrieb hin und her schwingt. Wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist die Kontaktfläche 1 aus einer senkrecht zur Torsionsachse T verlaufenden ebenen Anschlagfläche 2 und davon sich erstreckenden inselartigen Erhebungen 3 gebildet. Die Erhebungen 3 sind vorteilhafterweise einstückig mit der Torsionssonotrode S hergestellt. Die Herstellung der Erhebun- gen 3 kann durch Fräsen oder Schleifen erfolgen.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, sind die spitz zulaufenden Erhebungen 3 aus vierseitigen Pyramiden gebildet. Eine erste Kante einer Grundfläche G der Pyramiden verläuft parallel zu einer ersten Gerade al . Eine zweite Kante der Grundfläche G verläuft parallel zu einer zweiten Geraden a2. Die erste und die zweite Gerade al, a2 schneiden sich hier unter einem Winkel von 90°. Die Geraden AI, A2 verlaufen vorteilhafterwei- se jeweils parallel zueinander. Ein Abstand zwischen zwei be ^¬ nachbarten parallelen Geraden AI, A2 ist vorteilhafterweise jeweils gleich. Insbesondere ist es zweckmäßig, dass ein Ab ^¬ stand zwischen den parallelen Geraden AI bzw. A2 größer ist als eine Länge einer die Grundfläche der Pyramiden begrenzen ^¬ den Grundlinie.

Wie insbesondere aus den mit unterbrochenen Linien begrenzten Feld F ersichtlich ist, ist eine Summe der Grundfläche G bzw. eine Gesamtgrundfläche der im Feld F befindlichen vier Pyra ^¬ miden deutlich kleiner als der sie umgebende Abschnitt der Anschlagfläche 2. Im vorliegenden Beispiel beträgt das Ver ^¬ hältnis von Gesamtgrundfläche zur Anschlagfläche 2 etwa 1:5. Pyramidenflächen P der Pyramiden bilden hier mit der An- schlagfläche 2 einen Neigungswinkel von 65 bis 75°.

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Kontaktfläche 1' einer zweiten Torsionssonotrode. Die weitere Kontaktfläche 1' ist rund ausgebildet. Eine Anschlagfläche ist hier mit dem Bezugszeichen 2' bezeichnet. Sich von der Anschlagfläche 2' erstreckende Erhebungen 3' liegen hier auf radial bezüglich der Torsionsachse T orientierten Geraden a3.

Die Erhebungen 3, 3' können auch in Form dreiseitiger Pyrami- den oder in kegeliger Form ausgestaltet sein.

Nunmehr wird die Funktion der vorgeschlagenen Torsionssonotrode anhand der Fig. 5 näher erläutert. In Fig. 5 liegt die Kontaktfläche 1 der Torsionssonotrode S an einem zu verschweißenden Bauteil 4 an. Dabei kann es sich beispielsweise um ein aus Kunststoff oder Metall, insbesonde ^¬ re Aluminium, hergestelltes Bauteil handeln. Mit dem Bezugs- zeichen 5 ist ein weiteres Bauteil bezeichnet, an welches das Bauteil 4 anzuschweißen ist. Auch das weitere Bauteil kann aus Kunststoff oder Metall, insbesondere Aluminium, herge ^¬ stellt sein.

Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, dringen die Erhebungen 3 bei Aufbringen des zur Herstellung einer Ultraschallschweißverbindung erforderlichen Schweißdrucks in das Bauteil 4 ein, bis die Anschlagfläche 2 am Bauteil 4 anliegt. Eine maximale Eindringtiefe der Erhebungen 3 ist durch eine Höhe h zwischen der Anschlagfläche 2 und der Spitze der Erhebungen 3 gegeben. Die Höhe h ist kleiner als eine Dicke D, welches das Bauteil

4 im Bereich der Kontaktfläche 1 aufweist. D. h. die Erhebun ^¬ gen 3 dringen im Bereich der Kontaktfläche 1 also nur in das Bauteil 4 ein. Sie durchbringen das Bauteil 4 allerdings nicht bis zu einer der Kontaktfläche 1 gegenüberliegenden Schweißfläche 6, welche sich zwischen dem Bauteil 4 und dem weiteren Bauteil 5 befindet. Wegen der inselartigen Ausgestaltung der spitz zulaufenden

Erhebungen 3 und der dazwischen vorgesehenen ebenen Anschlagfläche 2 dringen die Erhebungen 3 bei Aufbringen des Schweißdrucks immer bis zur selben Tiefe in das Bauteil 4 ein. Damit wird ein reproduzierbarer formschlüssiger Kontakt zwischen der Torsionssonotrode S und dem Bauteil 4 hergestellt. Es wird damit gewährleistet, dass die von der Torsionssonotrode

5 auf das Bauteil 4 übertragene Leistung weitgehend vollstän ^¬ dig in die Schweißfläche 6 eingeleitet wird. Infolgedessen bildet sich eine Schweißfläche 6 mit reproduzierbarer Festig- keit aus. Bezugs zeichenliste

1, 1 ' Kontaktfläche

2, 2 ' Anschlagfläche

3, 3 ' Erhebung

4 Bauteil

5 weiteres Bauteil 6 Schweißfläche

CL I ci.3 Gerade

D Dicke

F Feld

G Grundfläche h Höhe

P Pyramidenflächen

S Torsionssonotrode

T Torsionsachse