Die vorliegende Erfindung befasst sich mit Ultraschallsonotroden, Verfahren zum Herstellen von Ultraschallsonotroden und Verfahren zum Schweissen .

Derartige Ultraschallsonotroden werden beispielsweise bei der Herstellung von Batteriezellen verwendet , insbesondere von sogenannten „ Jelly-Roll-Batteriezellen" . Diese enthalten mehrere Folien, die auf einen gemeinsamen Wickeldorn aufgewickelt werden . Der Wickeldorn wird mit Hil fe von Ultraschall am Gehäuse der Batteriezelle festgeschweisst . Entsprechend der Breite der Folien haben die auf gewickelten Jelly-Rolls aktuell Höhen von beispielsweise 90 mm, wobei diese Dimensionen immer mehr zunehmen . Dies erschwert die Zugänglichkeit der zum Schweissen vorgesehenen Stellen für das Ultraschallschweissen .

Denkbar wäre es zwar, lediglich die Länge der Sonotrode zu ver- grössern, um Zugang zu den Schweissstellen zu erlangen . Hierdurch würden j edoch relativ hohe Material- und Herstellungskosten entstehen .

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Ultraschallsonotroden bereitzustellen, mit denen die geschilderten Nachteile überwunden werden können . Insbesondere sollen mit der Sonotrode Bauteile an Schweissstellen miteinander verbunden werden können, die nur schwer zugänglich sind . Trotzdem sollen die Material- und Herstellungskosten möglichst gering sein .

Diese und weitere Aufgaben werden in einem ersten Aspekt der Erfindung gelöst durch eine Ultraschallsonotrode . Diese enthält einen Grundkörper mit einer Einkoppel fläche zum Einkoppeln von Ultraschallschwingungen und einen sich entlang einer Längsachse erstreckenden Bearbeitungssti ft mit einer Arbeits fläche zum Ab- geben der Ultraschallschwingungen an ein Bauteil . Die Arbeitsfläche kann beispielsweise eine Schweiss fläche zum Schweissen des Bauteils sein .

Erfindungsgemäss ist der Bearbeitungssti ft stof f- und/oder kraf tschlüssig mit dem Grundkörper verbunden .

Der mindestens zweiteilige Aufbau der Ultraschallsonotrode ermöglicht die Anpassung an die für die konkrete Anwendung erforderlichen Geometrien durch entsprechende Auswahl der Materialien und Dimensionen vor allem des Bearbeitungssti ftes . Wie weiter unten noch erläutert wird, kann der Bearbeitungssti ft entlang der Längsachse eine Länge aufweisen, die ein ganz zahliges Vielfaches der halben Resonanzwellenlänge entspricht . Durch Auswahl eines Materials mit geeigneter Schallgeschwindigkeit kann die Länge entsprechend den äusseren Vorgaben ermöglicht werden . Des Weiteren können werkseitig mehrere Bauformen der Bearbeitungssti fte mit ein und derselben Bauform des Grundkörpers kombiniert werden, was die Anzahl der verschiedenen zur Herstellung benötigten Komponenten reduziert .

Die stof f- und/oder kraf tschlüssige Verbindung des Bearbeitungssti ftes mit dem Grundkörper sorgt für eine weitgehend verlustfreie Übertragung der Schallenergie vom Grundkörper in den Bearbeitungssti ft und damit zum Bauteil , als dies beispielsweise mit einer Schraubverbindung möglich wäre . Zudem lassen sich mit Schraubverbindungen nicht die für Ultraschallschweissen erforderlichen geringen Toleranzen erreichen .

In einer möglichen Aus führungs form ist der Bearbeitungssti ft durch Einpressen in eine im Grundkörper gebildete Einpressöf fnung mit dem Grundkörper verbunden . Diese Art der Verbindung hat sich als besonders einfach und dennoch zuverlässig erwiesen .

Alternativ oder zusätzlich kann der Bearbeitungssti ft durch Laserschweissen mit dem Grundkörper verbunden sein . Vorteilhafterweise ist der Bearbeitungssti ft zumindest abschnittsweise oder sogar insgesamt kreis zylinderförmig ausgebildet . Dies ermöglicht eine kostengünstige und einfache Bereitstellung des Bearbeitungssti fts aus einem stangenförmigen Material . Ebenfalls erfasst von der Erfindung sind Bearbeitungssti fte , die über eine gestufte Umfangs fläche verfügen und/oder hohl sind .

In bevorzugten Aus führungs formen besteht der Bearbeitungssti ft aus einem Metall . Beispielsweise kann es sich bei dem Metall um Stahl , Titan oder Aluminium handeln . Insbesondere im Falle von Stahl kann die Länge des Bearbeitungssti ftes im Bereich von 60 mm bis 200 mm liegen, bevorzugt im Bereich von 70 mm bis 180 mm . Werden beispielsweise Torsionsschwingungen mit einer Resonanzfrequenz von 20 kHz verwendet , so beträgt eine halbe Wellenlänge etwa 80 mm und eine ganze Wellenlänge etwa 160 mm .

Alternativ dazu kann der Bearbeitungssti ft ein Hartmetall enthalten oder daraus bestehen, beispielsweise Wol f ramcarbid, gegebenenfalls mit Cobalt als Bindemittel . Da die Schallgeschwindigkeiten in typischen Hartmetallen geringer sind als die von Stahl , können Bearbeitungssti fte mit grösserer Länge verwendet werden, die beispielsweise im Bereich von 100 mm bis 300 mm liegen, bevorzugt im Bereich von 120 mm bis 280 mm . Auf diese Weise kann auch an noch schwerer zugänglichen Stellen geschweisst werden .

In anderen Aus führungs formen kann der Bearbeitungssti ft auch aus einer Keramik bestehen .

Geringere Resonanz frequenzen von beispielsweise 15 kHz ermöglichen ebenfalls längere Bearbeitungssti fte . Von der Erfindung sind aber auch Bearbeitungssti fte umfasst , die grössere Resonanz frequenzen von beispielsweise bis zu 40 kHz aufweisen .

In einigen Aus führungs formen kann der Bearbeitungssti ft mit einer verschleissresistenten Beschichtung versehen sein . Für einen geeignete Kompromiss aus Zugänglichkeit und Stei figkeit hat es sich als günstig erwiesen, wenn der Bearbeitungssti ft einen Durchmesser aufweist , der im Bereich von 2 mm bis 10 mm liegt , bevorzugt im Bereich von 3 mm bis 7 mm .

Der Grundkörper kann beispielsweise aus Titan, Stahl oder Aluminium bestehen .

Die Sonotrode kann beispielsweise als Torsionssonotrode ausgebildet sein, welche zu Torsionsschwingungen um ihre Längsachse anregbar ist . Natürlich sind auch Longitudinalsonotrode von der Erfindung umfasst , welche zu Longitudinalschwingungen entlang der Längsachse anregbar sind .

Insbesondere wenn es sich um eine Torsionssonotrode handelt , ist es von Vorteil , wenn die Arbeits fläche an einer dem Grundkörper gegenüberliegende Stirnfläche des Bearbeitungssti ftes gebildet ist . Alternativ oder zusätzlich kann j edoch auch eine Arbeitsfläche an einer Umfangs fläche des Bearbeitungssti fts angeordnet sein .

In einem weiteren Aspekt betri f ft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer wie oben beschriebenen erfindungsgemässen Ultraschallsonotrode . Dieses enthält einen Schritt , in dem der Bearbeitungssti ft stof f- und/oder kraf tschlüssig mit dem Grundkörper verbunden wird . Wie bereits erläutert wurde , kann dies beispielsweise durch Einpressen des Bearbeitungssti ftes in eine im Grundkörper gebildete Einpressöf fnung geschehen und/oder durch Laserschweissen .

Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung betri f ft ein Verfahren zum Schweissen mindestens zweier Bauteile mittels einer wie oben beschriebenen erfindungsgemässen Ultraschallsonotrode . Dieses Verfahren enthält einen Schritt , in dem die Arbeits fläche der Ultraschallsonotrode mit mindestens einem der Bauteile in Kontakt gebracht wird, um die Bauteile mittels Ultraschalls zu

Schweissen, insbesondere miteinander zu verschweissen . Die geschweissten Bauteile können beispielsweise aus Kupfer, Aluminium, einem Kunststof f oder auch aus einer metallisierten Keramik bestehen .

In der eingangs erwähnten Anwendung kann es sich bei einem ersten der Bauteile um einen Wickeldorn einer Jelly-Roll-Batterie- zelle handeln und bei einem zweiten der Bauteile um ein Batteriegehäuse der Batteriezelle . Die erfindungsgemässe Sonotrode kann j edoch beispielsweise auch für das Schweissen von Batterie- Pouches , Kondensatoren, IGBTs ( engl . insulated-gate bipolar transistors ) oder anderen Halbleiterbauelementen verwendet werden, wenn ein Schweissen an schwer zugänglichen Stellen erfolgen muss .

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Aus führungsbeispiels und einiger Zeichnungen näher erläutert . Dabei zeigen :

Figur 1 : eine erfindungsgemässe Ultraschallsonotrode in einer Seitenansicht ;

Figur 2 : eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Verfahrens zum Schweissen einer Jelly-Roll- Batteriezelle .

Die in Figur 1 gezeigte Ultraschallsonotrode 10 verfügt über einen Grundkörper 1 mit einer Einkoppel fläche 3 zum Einkoppeln von Ultraschallschwingungen und einen sich entlang einer Längsachse L erstreckenden Bearbeitungssti ft 2 mit einer Schweiss fläche 4 zum Abgeben der Ultraschallschwingungen an ein hier nicht gezeigtes Bauteil ( siehe dazu Figur 2 ) . Die Schweiss fläche 4 ist an einer dem Grundkörper 1 gegenüberliegenden Stirnfläche des Bearbeitungssti fts 2 angeordnet . Der Bearbeitungssti ft 2 ist durch Einpressen in eine im Grundkörper 1 gebildete Einpressöf fnung 5 mit dem Grundkörper 1 verbunden . Alternativ könnte die Verbindung beispielsweise durch Laserschweissen geschaf fen sein .

Der Bearbeitungssti ft 2 ist insgesamt kreis zylinderförmig ausgebildet . Er kann Dicken im Bereich von beispielsweise 3 mm bis 6 mm aufweisen . Besteht der Bearbeitungssti ft 2 aus Stahl , so kann er beispielsweise eine Länge 1 von 80 mm oder 160 mm aufweisen, was einer halben bzw . ganzen Wellenlänge bei einer Resonanz frequenz von 20 kHz entspricht . Besteht der Bearbeitungssti ft 2 hingegen beispielsweise aus einem Hartmetall wie etwa Wol f ramcarbid, so beträgt die halbe Wellenlänge bei der genannten Frequenz etwa 130 mm . Im hier gezeigten Aus führungsbeispiel besteht der Grundkörper 1 aus Titan und hat eine Länge , die in diesem Beispiel der halben Wellenlänge in diesem Material entspricht .

In Figur 2 ist ein erfindungsgemässes Verfahren zum Schweissen zweier Bauteile dargestellt . Dabei handelt es sich um Bestandteile einer Jelly-Roll-Batteriezelle 20 . In den vorausgehenden Schritten, die nicht zwingender Bestandteil des erfindungsgemässen Verfahrens sind und daher auch nicht dargestellt sind, werden mehrere Folien ( eine Anodenfolie 21 , eine Trennfolie 22 und eine Kathodenf olie 23 ) auf einem gemeinsamen Wickeldorn 24 aufgewickelt . Anschliessend wird das so entstandene Zwischenprodukt in ein Batteriegehäuse 25 eingesetzt . Der Wickeldorn 24 ist hohl ausgebildet und weist an dem hier unten dargestellten Ende eine Deckel fläche 26 auf .

In dem in Figur 2 dargestellten erfindungsgemässen Schritt wird der Bearbeitungssti ft 2 der Ultraschallsonotrode 10 in den Hohlraum des Wickeldorns 24 eingesetzt , bis die Schweiss fläche 4 auf der Oberseite der Deckel fläche 26 aufsetzt . Werden dann Torsionsschwingungen in die Einkoppel fläche 3 eingeleitet , so werden diese auf die Schweiss fläche 4 übertragen, wodurch eine Unterseite der Deckel fläche 26 mit einer Oberseite eines Bodens 27 des Batteriegehäuses 25 schweisst .