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Title:
ULTRASONIC WELDING PROCESS AND ULTRASONIC WELDING DEVICE AND WELD PRODUCED THEREBY
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1996/009134
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an ultrasonic welding process and an ultrasonic welding device for securing at least two superimposed wire ends to contact regions of electrical components, especially to contact regions of commutator bars for rotary electric machines, with a sonotrode and a device for initiating pressure. All the wire ends (16, 18) to be secured to at least one contact region (14) are to be pressed by the pressure (F) against the contact region (14) while at the same time the sonotrode (28) causes the lower wire end (16) to oscillate transversely to the pressure (F).

Inventors:
Schwerdtle
Martin, Altpeter
Arno
Application Number:
PCT/DE1995/000726
Publication Date:
March 28, 1996
Filing Date:
June 03, 1995
Export Citation:
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Assignee:
ROBERT BOSCH GMBH SCHWERDTLE
Martin, Altpeter
Arno
International Classes:
B23K20/10; H01R43/02; H01R39/32; (IPC1-7): B23K20/10; H01R43/02
Foreign References:
DE4128858C1
EP0027826A1
EP0133883A1
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Claims:
Patentansprüche
1. UltraschallSchweißverfahren zum Befestigen von wenigstens zwei übereinanderliegenden Drahtenden an Kontaktbereichen elektrischer Teile, insbesondere an Kontaktbereichen von Lamellen von Kommutatoren für rotierende elektrische Maschinen, mit einer Sonotrode und einer Einrichtung zum Einleiten einer Andruck¬ kraft auf die Drahtenden, dadurch gekennzeichnet, daß alle an mindestens einem Kontaktbereich (14) zu befestigenden Drahtenden (16, 18) mittels der Andruckkraft (F) gleichzeitig gegen den minestens einen Kontaktbereich (14) gedrückt werden und daß das untere auf dem Kontaktbereich (14) aufliegende Draht¬ ende (16) gleichzeitig durch die Sonotrode (28) quer zur Andruckkraft (F) in Schwingung versetzt wird.
2. UltraschallSchweißverfahren nach Anspruch 1, da¬ durch gekennzeichnet, daß die zu befestigenden Drahtenden (16, 18) aller Kontaktbereiche (14) gleichzeitig gegen ihre Kontaktbereiche (14) gedrückt und alle unteren Drahtenden (16) gleichzeitig durch die Sonotrode (28) quer zur Andruckkraft (F) in Schwingung versetzt werden.
3. UltraschallSchweißvorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Einleiten der Andruckkraft (F) Spannglieder (21) mit Führungen (19) für die äußeren Drahtenden (18) und daß die Sonotrode (28) Aufnahmebereiche (44) zur Aufnahme der Drahten¬ den (16) aufweist, die wenigstens der Anzahl der gleichzeitig zu befestigenden unteren Drahtenden (16) entspricht.
4. UltraschallSchweißvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (28) eine hülsenförmige Verlängerung (40) aufweist, an deren Stirnseite (32) die Aufnahmebereiche (44) angeordnet sind.
5. UltraschallSchweißvorrichtung nach einem der vor¬ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmebereiche (44) von zur Stirnseite (32) randoffenen Durchbrüchen (46) der Verlängerung (40) gebildet sind.
6. UltraschallSchweißvorrichtung nach einem der vor¬ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (46) in Richtung der Stirnseite (32) eine Fase (50) aufweisen.
7. UltraschallSchweißvorrichtung nach einem der vor¬ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Grund (48) der Durchbrüche (46) einen An¬ schlag für die Stirnflächen der Drahtenden (16) bildet.
8. UltraschallSchweißvorrichtung nach einem der vor¬ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Weite (w) der Durchbrüche (46) einem Durchmesser der Drahtenden (16) entspricht.
9. UltraschallSchweißvorrichtung nach einem der vor¬ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Durchmesser der Verlängerung (40) einem Durch¬ messer einer gedachten Kreislinie entspricht, auf der die unteren Drahtenden (16) liegen.
10. UltraschallSchweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Einleiten der Andruckkraft (F) die äußeren Drahtenden (18) umgreifende, radial ver¬ lagerbare Spannelemente (21) aufweist.
11. UltraschallSchweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannelemente (21) pneumatisch oder hydraulisch betätigbar sind.
12. UltraschallSchweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (28) eine Torsionssonotrode ist.
13. Schweißverbindung durch ein Verfahren nach An¬ spruch 1 hergestellt, dadurch gekennzeichnet, daß je¬ weils der untere der übereinanderliegenden Drahtenden (16, 18) an seinen Berührungspunkten (22, 24) mit dem darüberliegenden Drahtende (18) einerseits und mit dem ihm zugeordneten Kontaktbereich (14) des elektri¬ schen Teiles (10, 13) andererseits verschweißt ist.
Description:
Ultraschal1-Schweißverfahren und Ultraschall-Schweiß- Vorrichtung sowie eine damit hergestellte Schweißver¬ bindung

Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Schweißver¬ fahren und eine Ultraschall-Schweißvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beziehungsweise 3 so¬ wie eine damit hergestellte Schweißverbindung.

Stand der Technik

Es ist bekannt, bei rotierenden elektrischen Maschi¬ nen, beispielsweise bei Starter-Antriebsmotoren für Kraftfahrzeuge, Kommutatoren als Verbindungselemente zwischen rotierenden Spulen (Ankerwicklung) und deren ruhenden Zuleitungen einzusetzen. Die Kommutatoren weisen hierzu gegeneinander isolierte Lamellen auf, die Kontaktbereiche besitzen, an denen jeweils der Anfang einer Spule und das Ende einer anderen Spule der Ankerwicklung entsprechend der gewählten Anker¬ verschaltung angeschlossen sind. Es sind somit an

jedem Kontaktbereich jeweils zwei Drahtenden der An¬ kerwicklung zu befestigen. Hierzu ist bekannt, die Drahtenden übereinanderliegend auf die Kontaktbe¬ reiche mittels eines Widerstands-Diffusionsschweiß- verfahrens zu befestigen. Hierzu wird eine Schwei߬ elektrode einer Schweißvorrichtung mit dem Kommutator verbunden und die andere Schweißelektrode von außen an das außenliegende Drahtende herangeführt. Durch einen Stromfluß erfolgt dann ein Verschweißen der Drahtenden untereinander sowie des unteren Drahtendes mit dem Kontaktbereich. Hierbei ist nachteilig, daß die Drahtenden einer besonderen Vorbereitung bedür¬ fen, damit diese für das Widerstands-Diffusions- schweißen einsetzbar sind. In der Regel werden die Drahtenden hierzu verzinnt. Weiterhin ist nachteilig, daß jede Lamelle einzeln kontaktiert werden muß, so daß das Befestigen aller Drahtenden an dem Kommutator relativ zeitaufwendig ist.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Ultraschall-Schweißverfahren und die dazu verwendete Schweißvorrichtung mit den im An¬ spruch 1 beziehungsweise 3 genannten Merkmalen bietet dem Stand der Technik gegenüber den Vorteil, daß alle Drahtenden gleichzeitig an den ihnen zugeordneten Kontaktbereichen befestigbar sind, so daß beispiels¬ weise bei Kommutatoren sämtliche Lamellen des Kommutators vorzugsweise gleichzeitig kontaktiert werden können. Dadurch, daß die zu befestigenden Drahtenden mittels einer eine Andruckkraft ausübenden Einrichtung gegen die Kontaktbereiche gedrückt werden

und die Sonotrode gleichzeitig die untenliegenden Drahtenden quer zur Andrückrichtung in Schwingung versetzt, kann zwischen den Drahtenden und den Kontaktbereichen eine ausgezeichnet festhaftende Schweißverbindung hergestellt werden. Sämtliche Schweißverbindungen werden vorzugsweise in einem Arbeitsgang hergestellt, indem alle Drahtenden gleichzeitig gegen die ihnen jeweils zugeordneten Kontaktbereiche gedrückt werden und indem die Sonotrode gleichzeitig alle unteren Drahtenden in Schwingung versetzt. Durch die Schwingungen der un¬ teren Drahtenden kommt es in bekannter Weise an den Berührungspunkten zwischen den übereinanderliegenden Drahtenden und dem unteren Drahtende und dem Kontakt¬ bereich zum Austausch von Gitterstrukturen, so daß es zu einer festen Schweißverbindung kommt. Durch die in der Regel im wesentlichen runde Ausbildung der Drahtenden, ist die Größe der Berührungspunkte relativ klein, so daß lediglich ein relativ kleiner Energieeintrag über die Sonotrode notwendig ist. Diese braucht somit beispielsweise nur für einen relativ kleinen Amplitudenbereich von mechanischen Ultraschallschwingungen ausgelegt sein, die auf die untenliegenden Drahtenden übertragen werden.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vor¬ gesehen, daß die Sonotrode als Torsionssonotrode aus¬ gebildet ist, die vorteilhafterweise wenigstens eine der Anzahl gleichzeitig zu befestigender Drahtenden entsprechende Anzahl von Aufnahmebereichen besitzt. Mit ihren Aufnahmebereichen kann die Sonotrode die untenliegenden Drahtenden formschlüssig angreifen, so

daß mittels Torsionsschwingungen der Sonotrode die untenliegenden Drahtenden gleichmäßig in Schwingungen versetzt werden können. Durch den Aufbau der Sono¬ trode als Torsionssonotrode wird insgesamt auch nur ein relativ kleiner Freiraum für die Torsionssono¬ trode benötigt, die ein gleichzeitiges Angreifen aller unteren Drahtenden ermöglicht. Durch den Aufbau der Torsionssonotrode kann der Ultraschall-Schwei߬ prozeß in einfacher Weise in eine Fertigung, bei¬ spielsweise in eine Montagetaktstraße zur Fertigung von Kommutatoren für elektrische Maschinen eingebun¬ den werden. Infolge der gleichzeitigen Befestigung aller Drahtenden wird nur eine relativ geringe Mon¬ tagezeit für die Befestigung der Drahtenden benötigt, so daß insgesamt eine kurze Taktzeit eingehalten wer¬ den kann.

Ferner ist von Vorteil, wenn die Einrichtung zum Ein¬ leiten einer Andruckkraft die äußeren Drahtenden führende beziehungsweise umgreifende , radial verlagerbare Spannglieder aufweist, die vor¬ zugsweise pneumatisch oder hydraulisch betätigbar sind. Das Heranfahren der Sonotrode an die unteren Drahtenden kann somit mit der Einrichtung zum Auf¬ bringen der Andruckkraft gekoppelt werden, so daß insgesamt eine sehr kompakte, wenig Freiraum be¬ nötigende Ultraschall-Schweißvorrichtung geschaffen ist. Durch die radial verlagerbaren Spannglieder, die vorzugsweise durch Spannbacken einer Spannhülse ge¬ bildet sind, kann ein im wesentlichen gleichmäßiger Krafteintrag auf alle zu befestigenden Drahtenden realisiert werden. Durch die Spannglieder erfolgt

gleichzeitig eine Selbstjustierung der gesamten Ultraschall-Schweißvorrichtung, so daß gewährleistet ist, daß die Sonotrode mit ihren Aufnahmebereichen die unteren Drahtenden exakt erfassen kann. Die Auf¬ nahmebereiche können hierzu vorzugsweise als eine Einlaufphase aufweisende Ausnehmungen der Sonotrode ausgebildet sein, so daß hier ebenfalls eine selbst¬ justierte Positionierung der Sonotrode möglich ist.

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

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs¬ beispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 schematisch eine Teilansicht eines

Kommutators;

Figur 2 schematisch einen Längsschnitt durch eine Sonotrode;

Figur 3 schematisch eine Draufsicht auf eine Sonotrode und

Figur 4 eine Teilansicht einer Abwicklung einer Sonotrode.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Figur 1 zeigt schematisch einen allgemein mit 10 be¬ zeichneten Kommutator in einer Teilansicht. Der Kom¬ mutator 10 ist auf einer Ankerwelle 12 einer nicht dargestellten elektrischen Maschine, beispielsweise einem Starter-Antriebsmotor für Kraftfahrzeuge, ange¬ ordnet. Der Kommutator 10 besitzt gegeneinander iso¬ liert angeordnete Lamellen 13, denen jeweils ein Kon¬ taktbereich 14 zugeordnet ist. Entsprechend der An¬ zahl der Lamellen sind eine ensprechende Anzahl von Kontaktbereichen 14 über den Umfang des Kommutators 10 verteilt, wobei hier lediglich ausschnittsweise drei Lamellen 13 mit ihren Anschluß- bzw. Kontakt¬ bereichen 14 zur Verdeutlichung dargestellt sind. Auf dem Kontaktbereich 14 ist eine untere Reihe von Drahtenden 16 angeordnet, über denen eine obere Reihe von Drahtenden 18 liegt. Die Drahtenden 16 und 18 führen zu eine Ankerwicklung ergebende Spulen inner¬ halb des Ankers, die entsprechend dem Einsatz der elektrischen Maschine wählbar fest verschaltet sind. Zum Befestigen der übereinanderliegenden Drahtenden 16 und 18 untereinander und mit den Kontaktbereichen 14, das heißt, zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung, wird erfindungsgemäß ein Ultraschall-Schweißverfahren eingesetzt. Hierzu wer¬ den die äußeren Drahtenden 18 in axialen Führungen 19 von Spannelementen 21 aufgenommen und von diesen mit einer Andruckkraft F beaufschlagt, während die unteren Drahtenden 16 gleichzeitig mit einer noch näher zu erläuternden ringförmigen Torsionssonotrode 28 in Schwingungen versetzt werden. Die unteren

Drahtenden 16 schwingen dabei in der hier mit dem Doppelpfeil 20 angegebenen Richtung. Die Schwingungs¬ ebene der unteren Drahtenden 16 liegt somit ent¬ sprechend der Schwingungsrichtung 20 quer zu der An¬ druckkraft F. Durch die Schwingung der unteren Draht¬ enden 16 kommt es an den Berührungspunkten 22 zwi¬ schen den unteren und oberen Drahtenden 16 und 18 und den Berührungspunkten 24 zwischen den unteren Draht¬ enden 16 und den Kontaktbereichen 14 zu einer Ultraschall-Verschweißung. Dadurch, daß die Berüh¬ rungspunkte 22 und 24 (eigentlich Berührungsflächen) relativ kleinflächig sind, kann trotz eines relativ geringen Energieeintrages über die Sonotrode eine festhaftende Kaltverschweißung zwischen den Drahten¬ den 16 und 18 beziehungsweise zwischen den Drahtenden 16 und den Kontaktbereiche 14 erfolgen. Die Sonotrode besitzt hierbei beispielsweise eine Torsionsamplitude von ca. 50 μm, also einem Gesamttorsionsweg von ca. 100 μm, der im Ultraschall-Frequenzbereich mechanisch auf die Drahtenden 16 übertragen wird.

Figur 2 zeigt einen Schwingkopf 26 einer Sonotrode 28. Die Sonotrode 28 besitzt einen zylindrischen Grundkörper 30, in den von einer Stirnseite 32 eine Stufenbohrung 34 eingebracht ist. Die Stufenbohrung 34 besitzt einen durchmessergrößeren Bereich 36, der in einen innenliegenden, durchmesserkleineren Bereich 38 übergeht. Der Durchmesser des Bereiches 36 ent¬ spricht dabei in etwa dem Durchmesser des Anschlu߬ bereiches des Kommutators 10. Der Durchmesser des Be¬ reiches 38 ist so gewählt, daß dieser größer ist als ein Durchmesser der Ankerwelle 12. Der Grundkörper 30

besitzt somit eine hülsenförmige Verlängerung 40, die von einer den Bereich 36 umgebenden Wandung 42 ge¬ bildet wird. Die Verlängerung 40 weist an der Stirn¬ seite 32 Aufnahmebereiche 44 auf, die über den Umfang der Verlängerung 40 verteilt sind. Die Teilung, mit der die Aufnahmebereiche 44 über den Umfang der Ver¬ längerung 40 verteilt sind, entspricht der Anordnung der unteren Drahtenden 16 über den Umfang des Kom¬ mutators 10. Die Aufnahmebereiche 44 werden von rand¬ offenen Durchbrüchen durch die Verlängerung 40 ge¬ bildet. Ein Grund 48 der Durchbrüche 46 ist bei¬ spielsweise halbkreisförmig ausgebildet. Die Durch¬ brüche 46 weisen eine Weite w auf, die dem Durch¬ messer der unteren Drahtenden 16 entspricht.

In der in Figur 3 gezeigten Draufsicht auf die Sono¬ trode 28, von der den unteren Drahtenden 16 zu¬ gewandten Seite her gesehen, wird deutlich, daß über den Umfang der Verlängerung 40 die Aufnahmebereiche 44 entsprechend beabstandet zueinander angeordnet sind. Der Bereich 38 der Stufenbohrung 34, in den man in der Figur 3 quasi von oben reinschaut, ist so ausgebildet, daß bei einer an den Kommutator 10 herangeführten Sonotrode 28 ein dort überstehender Stumpf der Ankerwelle 12 hineinragen kann, ohne daß es zu einer Berührung zwischen der Sonotrode 28 und der Ankerwelle 12 kommt. Die Sonotrode 28 wird über eine geeignete Einrichtung an den Kommutator 10 herangeführt, so daß die unteren Drahtenden 16 mit ihren der Sonotrode 28 zugewandten Stirnseiten in die Aufnahmebereiche 44 eingreifen.

Anhand der Figur 4 ist beispielhaft ein Ausschnitt einer Abwicklung der Verlängerung 40 mit einem in einem Aufnahmebereich 44 eingeführten unteren Draht¬ ende 16 gezeigt. Zum besseren Einführen der unteren Drahtenden 16 können die Ausnehmungen 46 Fasen 50 besitzen, die somit eine Selbstzentrierung der Sono¬ trode 28 zu den unteren Drahtenden 16 begünstigt.

Über einen nicht dargestellten Schwingantrieb wird die Sonotrode 28 zu ihrer Längsachse 52 (Figur 2) in mechanische Torsionsschwingungen im Ultraschall- Frequenzbereich versetzt, die auf die unteren Drahtenden 16 übertragen werden. Da der Durchmesser der unteren Drahtenden 16 der Weite w der Durchbrüche 46 entspricht, liegen die unteren Drahtenden 16 form¬ schlüssig an der Verlängerung 40 an, so daß eine im wesentlichen verlustfreie Übertragung der Ultra¬ schall-Schwingungen möglich ist. Durch die Schwin¬ gungen der unteren Drahtenden 16 unterliegen diese einer Relativbewegung in bezug auf die oberen Draht¬ enden 18 und die Kontaktbereiche 14. Hierdurch kommt es unter gleichzeitigem Anliegen der Andruckkraft F zu einer Kaltverschweißung einerseits in den Berüh¬ rungspunkten 22 zwischen den unteren Drahtenden 16 und den oberen Drahtenden 18 und andererseits an den Berührungspunkten 24 zwischen den unteren Drahtenden 16 und den Kontaktbereichen 14. Die Andruckkraft F wird von den Spannelementen 21 aufgebracht. Diese können Bestandteil einer nicht dargestellten Vorrich¬ tung sein, die hierzu vorzugsweise eine Hülsenform oder eine entsprechend gestaltete Ausnehmung besitzt, die ein gleichzeitiges Umgreifen aller äußeren Draht-

10

enden 18 gestattet. Durch Betätigen von in radialer Richtung, entsprechend der Wirkungsrichtung der An¬ druckkraft F verlagerbaren Spannelementen 21, kann auf die äußeren Drahtenden eine gleichmäßige Andruck¬ kraft F ausgeübt werden.

Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel. So sind auch andere Vorrichtungen denkbar, die gleich¬ zeitig sämtliche unteren Drahtenden 16 in eine Re¬ lativbewegung zu den oberen Drahtenden 18 und den Kontaktbereichen 14 versetzen, so daß eine gleichzei¬ tige Kaltverschweißung aller Befestigungspunkte des Kommutators 10 erfolgt. Durch die gleichzeitige Ver¬ schweißung aller Berührungspunkte ist eine sehr zeit¬ sparende und damit kostengünstige Kontaktierung der Drahtenden 16 beziehungsweise 18 möglich, die ohne weiteres in einen automatisch ablaufenden Herstell- und Montageprozeß einbindbar ist.

Das in dem Ausführungsbeispiel dargestellte Prinzip ist selbstverständlich auf die Kontaktierung von meh¬ reren übereinander angeordneten Drahtenden oder Drahtbereichen übertragbar, indem bei entsprechender Lagefixierung der Drahtenden, beispielsweise durch Angreifen einer Andruckkraft F, die jeweils benach¬ barten Drahtenden in eine Relativbewegung zueinander versetzt werden, so daß zwischen den Berührungs¬ punkten der Drahtenden eine Schweißverbindung er¬ folgt. Im übrigen kann bei der Kontaktierung von nebeneinander angeordneten, übereinanderliegenden Drahtenden die Sonotrode beispielsweise eine Kamm-

Struktur besitzen, die entsprechende Ausnehmungen zur Aufnahme der Drahtenden besitzt. Die Sonotrode wird dann in Linearschwingungen versetzt, die - in erwähnter Weise - zu den Schweißverbindungen führen. Dies ist beispielsweise auch zur Kontaktierung von einzelnen oder mehreren nebeneinander liegenden Steckverbindungen, Schaltkontakten, Elektroden oder dergleichen vorteilhaft, wenn an deren Kontaktbe¬ reichen mehrere Anschlußdrähte anzubringen sind.