ULTRASCHALLSCHWEISSVORRICHTUNG UND VERFAHREN

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschallschweiß ^¬ 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 Schweiß ^¬ vorgang nur noch von der Sonotrode 11 gehalten wird.