Die vorliegende Erfindung befasst sich mit Werkzeugen, insbesondere Sonotroden, zum Schweissen von Werkstücken mittels Reibschweissens , mit Verfahren zum Schweissen eines Werkstücks unter Verwendung eines solchen Werkstücks sowie mit geschweissten Werkstücken .

Eine typische Anwendung solcher Sonotroden ist das Verschweissen von Komponenten von Batteriezellen . Die bekannten Sonotroden haben Schweiss flächen, die üblicherweise mit einer Rändelung ausgestattet sind . Dabei kommt es oft zur Bildung von unerwünschten Metallpartikeln ( sogenannten Whiskers ) , die beispielsweise zu Kurzschlüssen führen können . Eine andere Anwendung ist das Schweissen von Kontaktstellen von IGBT-Modulen ( IGBT : Insulated- Gate Bipolar Transistors ) . Auch dort können Metallpartikel Schaden anrichten .

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die genannten Nachteile aus zuräumen . Insbesondere soll also beim Reibschweissen und insbesondere Ultraschallschweissen von Metallen die Bildung von störenden Metallpartikeln möglichst verhindert werden . Die gleiche Problematik soll auch beim Reibschweissen von Kunststof fen behoben werden, insbesondere von metallisierten oder kohlef as erver stärkt en Kunststof fen .

In einem ersten Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein Werkzeug zum Schweissen eines Werkstücks mittels Reibschweissens , insbesondere mittels Ultraschalls . Bei dem Werkzeug kann es sich um eine Sonotrode oder einen Amboss handeln . Das Werkzeug weist eine Arbeits fläche auf , insbesondere eine Schweiss fläche . Die Arbeits fläche enthält mindestens eine Rille . Erfindungsgemäss weist die Arbeits fläche eine Wölbung auf . Wie sich in Versuchsreihen gezeigt hat , sorgt eine derartige Geometrie der Arbeits fläche für eine erhebliche Reduktion von ungebundenen Metallpartikeln oder Kohlenstof fpartikeln . Ohne dass die Erfindung darauf zu beschränken wäre , wird derzeit davon ausgegangen, dass der beim Schweissen entstehende Material fluss des Werkstücks gezielt in Richtung der Rillen geführt wird . Die Wölbung der Arbeits fläche bewirkt dabei , dass zunächst nur ein Teil der Arbeits fläche in Kontakt mit dem Werkstück gerät , sodass lokal der Druck auf das Werkstück erhöht wird . Dies führt zu einer plastischen Verformung und einem Material fluss . Die Rillen leiten das erweichte Material des Werkstücks gezielt von der Schweissstelle ab und bilden Materialstränge , die sich während und auch nach dem Schweissen nicht ohne weiteres ablösen lassen . Metallpartikel oder Kohlenstof fpartikel werden in diese Materialstränge eingebunden und können sich nicht mehr lösen . Trotzdem können mit dem erfindungsgemässen Verfahren Schweissverbindungen hergestellt werden, die hohen Ausreisskräften standhaf ten .

Die Sonotrode kann eine Längsachse aufweisen, bezüglich deren die Sonotrode zu torsionalen Ultraschallschwingungen anregbar ist . Die Arbeits fläche kann im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse ausgerichtet sein . Des Weiteren kann sich die mindestens eine Rille im Wesentlichen in bezüglich der Längsachse radialer Richtung erstrecken . Alternativ kann es sich auch um eine Sonotrode handeln, die zu linearen Schwingungen anregbar ist , wobei die Schweiss fläche bei bestimmungsgemässer Benutzung entlang einer Oberfläche des Werkstücks schwingt . In diesem Fall können die Rillen parallel oder quer zur Schwingungsrichtung verlaufen .

In einer derzeit bevorzugten Aus führungs form weist die Arbeitsfläche zumindest abschnittsweise eine konvexe Wölbung auf . Insbesondere kann die gesamte Arbeits fläche eine konvexe Wölbung aufweisen . Dies führt dazu, dass beim Schweissen zunächst ein mittlerer Abschnitt der Arbeits fläche in Kontakt mit dem Werk- stück gerät und das Material des Werkstücks entlang der Rillen radial nach aussen geleitet wird. Es ist bevorzugt, wenn sich die mindestens eine Rille bis zum Mittelpunkt der Arbeitsfläche erstreckt .

Alternativ ist es aber auch möglich, dass die Arbeitsfläche zumindest abschnittsweise eine konkave Wölbung aufweist. Insbesondere kann die gesamte Arbeitsfläche eine konkave Wölbung aufweisen. In dieser Variante gerät zunächst ein äusserer Bereich der Arbeitsfläche in Kontakt mit dem Werkstück, und die Rillen sorgen für einen Materialfluss in radiale Richtung nach innen. Hierzu ist es bevorzugt, wenn sich die mindestens eine Rille bis zum Aussenumfang der Arbeitsfläche erstreckt, insbesondere in radiale Richtung.

Die Arbeitsfläche kann eine Wölbungshöhe im Bereich von 0,1 mm bis 0,3 mm aufweisen. Hierunter wird die Höhe der Wölbung in einer Projektion entlang der Längsachse verstanden.

Alternativ oder zusätzlich kann die Arbeitsfläche einen Wölbungsradius im Bereich von 0,5 mm bis 20 mm aufweisen. Insbesondere kann der Wölbungsradius im Fall einer konvexen Wölbung im Bereich von 6 mm bis 12 mm liegen, im Fall einer konkaven Wölbung im Bereich von 12 mm bis 20 mm. Der Wölbungsradius kann auch gleich dem halben Durchmesser der Arbeitsfläche sein; die Arbeitsfläche ist dann halbkugelförmig.

Die mindestens eine Rille kann zumindest abschnittsweise eine Tiefe im Bereich von 0,2 mm bis 0,5 mm aufweisen. Insbesondere kann die Tiefe der Rille im Fall einer konvexen Wölbung der Arbeitsfläche im Bereich von 0,3 mm bis 0,4 mm liegen, im Fall einer konkaven Wölbung der Arbeitsfläche im Bereich von 0,4 mm bis 0, 5 mm.

Die mindestens eine Rille kann zumindest abschnittsweise eine Breite im Bereich von 0,4 mm bis 0, 6 mm aufweisen. Insbesondere kann die Breite der Rille im Fall einer konvexen Wölbung der Ar- beitsfläche im Bereich von 0,4 mm bis 0,5 mm liegen, im Fall einer konkaven Wölbung der Arbeitsfläche im Bereich von 0,45 mm bis 0, 55 mm.

Die mindestens eine Rille kann einen Flankenwinkel aufweisen, der im Bereich von 15° bis 75°, bevorzugt im Bereich von 30° bis 60° liegen kann.

Im Bereich mindestens eines ihrer Enden, insbesondere in einem Mittelpunkt und/oder an einem Aussenumfang der Schweissfläche, kann die Tiefe und/oder die Breite der Rille kleiner sein als in ihrem mittleren Bereich.

Die Rille kann beispielsweise mit einem Fräser in die Arbeitsfläche eingebracht werden und gegen ihr Ende hin auslaufen.

Die Arbeitsfläche kann beispielsweise 8 bis 12, insbesondere 10 bis 12 Rillen aufweisen. Dabei sind die Rillen bevorzugt gleichmässig in Umfangsrichtung über den gesamten Umfang verteilt. Wie sich in Versuchen gezeigt hat, ist im Fall einer konvexen Wölbung der Effekt des Materialfliessens geringer als im Falle einer konkaven Wölbung. Daher empfiehlt sich im Fall einer konvexen Wölbung tendenziell eine grössere Anzahl von Rillen.

Die Arbeitsfläche kann einen senkrecht zur Längsachse gemessenen Durchmesser im Bereich von 1 mm bis 8 mm, bevorzugt von 1,5 mm bis 6 mm aufweisen.

Es ist aber auch denkbar, einen Amboss mit einer Krümmung und mit Rillen entsprechend auszugestalten, um auf Seiten eines Ambosses vorhandene Partikel zu binden.

Das Werkzeug, insbesondere die Sonotrode, kann beispielsweise aus Stahl, Titan oder einem Hartmetall bestehen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweissen eines Werkstücks mittels Ultraschalls mit einem Werkzeug mit einer gewölbten Arbeitsfläche, die mit Rillen versehen ist, aber auch mit Werkstücken, die eine 3-dimensionale Oberflä- ehe mit Strukturmerkmalen aufweisen, die ein Fliessen des aufgeweichten Materials erlauben . Das Verfahren erfolgt insbesondere unter Verwendung eines wie oben beschriebenen Werkzeugs , insbesondere einer wie oben beschriebenen Sonotrode . Das Verfahren enthält einen Schritt , in dem die Arbeits fläche des Werkzeugs mit dem Werkstück in Kontakt gebracht wird und das Werkzeug, insbesondere die Sonotrode , zu Schwingungen angeregt wird, sodass das Werkstück geschweisst wird, insbesondere mit einem weiteren, zweiten Werkstück verschweisst wird . Gemäss dem Verfahren wird bei der Verschweissung das Material des Werkstücks aufgeweicht und entlang der Rillen oder entlang der Strukturmerkmale an der Oberfläche des Werkstücks verdrängt . Durch diesen Material fluss werden all fällige Partikel in eine Materialanhäufung, insbesondere in einem Strang eingebunden, der durch den Durchtritt des auf geschmol zenen Materials entlang der Rille oder durch eine Bewegung entlang der Strukturmerkmale gebildet wird .

Bei der Durchführung dieses Verfahrens resultieren die oben erläuterten Vorteile .

Das Werkstück kann aus einem Metall wie beispielsweise Aluminium bestehen . Insbesondere kann es sich um Aluminium vom Typ H14 handeln . Es hat sich gezeigt , dass aufgrund der Materialeigenschaften und insbesondere der Fliesseigenschaften mit diesem Aluminiumtyp im Vergleich zu anderen Aluminiumtypen noch bessere Resultate erzielbar sind . Alternativ kann das Metall beispielsweise auch Kupfer sein . Um den Ef fekt des Material fliessens zu erhöhen, kann weicheres Kupfer mit einer eher niedrigen Streckgrenze eingesetzt werden . In noch einer weiteren Variante kann das Werkstück auch aus einem Kunststof f bestehen, insbesondere aus einem mit Metall- oder Kohlestof fpartikeln versehenen Kunststof f .

In einigen Anwendungen handelt es sich bei dem Werkstück um einen Anschlusskontakt und bei dem zweiten Werkstück um einen Aufnahmebehälter einer Batterie , an den der Anschlusskontakt anzu- Schweissen ist . Alternativ dazu kann das zweite Werkstück ein Kondensator oder ein Halbleiterelement sein, wie beispielsweise ein IGBT ( engl . „Insulated-Gate Bipolar Transistor" ) .

In einem dritten Aspekt betri f ft die Erfindung auch ein aus mehreren Teilen durch Schweissen zusammengesetztes Werkstück, welches durch ein oben beschriebenes Verfahren erhalten oder erhältlich ist . Das geschweisste Werkstück verfügt somit über eine Schweissstelle , deren Geometrie derj enigen der Arbeits fläche des Werkzeugs entspricht . Insbesondere enthält das zusammengesetzte Werkstück und insbesondere die Schweissstelle also Materialanhäufungen, in welche Metallpartikel ( insbesondere Whiskers ) oder andere Partikel eingebunden sind . Bei den Materialanhäufungen handelt es sich insbesondere um Rippen, die sich bevorzugt in einer radialen Richtung erstrecken . Wie bereits erläutert wurde , enthält ein solches erfindungsgemäss geschweisstes Werkstück deutlich weniger ungebundene Partikel , insbesondere Metallpartikel , an der Oberfläche .

Das Werkstück kann aus einem Metall wie beispielsweise Aluminium, insbesondere Aluminium vom Typ H14 , oder aus Kupfer bestehen .

Im Folgenden wird die Erfindung anhand zweier Aus führungsbeispiele und Zeichnungen näher erläutert . Dabei zeigen :

Figur 1 : eine erste erfindungsgemässe Sonotrode in einer perspektivischen Ansicht ;

Figur 2a : eine Schweiss fläche der ersten erfindungsgemässen Sonotrode in einer perspektivischen Detailansicht ;

Figur 2b : die Schweiss fläche der ersten erfindungsgemässen Sonotrode in einer seitlichen Detailansicht ;

Figur 2c : die Schweiss fläche der ersten erfindungsgemässen Sonotrode in einer Draufsicht ; Figur 3a : eine Schweiss fläche einer zweiten erfindungsgemässen Sonotrode in einer perspektivischen Detailansicht ;

Figur 3b : die Schweiss fläche der zweiten erfindungsgemässen Sonotrode in einer seitlichen Detailansicht ;

Figur 3c : die Schweiss fläche der zweiten erfindungsgemässen Sonotrode in einer Draufsicht ;

Figur 4 : eine Darstellung einer mit einer nicht erfindungsgemässen Sonotrode erzeugten Schweissverbindung;

Figur 5a : eine Darstellung einer mit der ersten erfindungsgemässen Sonotrode erzeugten Schweissverbindung;

Figur 5b : eine Darstellung einer mit der zweiten erfindungsgemässen Sonotrode erzeugten Schweissverbindung;

Figur 6 : eine Schweiss fläche einer dritten erfindungsgemässen Sonotrode in einer perspektivischen Detailansicht ;

Figur 7 : eine Schweiss fläche einer vierten erfindungsgemässen Sonotrode in einer perspektivischen Detailansicht ;

Figur 8 : eine Schweiss fläche einer fünfen erfindungsgemässen Sonotrode in einer perspektivischen Detailansicht ;

Figur 9 : eine Schweiss fläche einer sechsten erfindungsgemässen Sonotrode in einer perspektivischen Detailansicht .

Die Figur 1 zeigt eine erste erfindungsgemässe Sonotrode 10 . Sie 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 5 zum Abgeben der Ultraschallschwingungen an ein hier nicht gezeigtes Werkstück . Die Schweiss fläche 5 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 4 mit dem Grundkörper 1 verbunden. Alternativ könnte die Verbindung beispielsweise durch Laserschweissen geschaffen sein.

Der Bearbeitungsstift 2 ist insgesamt kreiszylinderförmig ausgebildet. Er kann einen Durchmesser d im Bereich von beispielsweise 1,5 mm bis 6 mm aufweisen. Besteht der Bearbeitungsstift 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 Resonanzfrequenz von 20 kHz entspricht. Besteht der Bearbeitungsstift 2 hingegen beispielsweise aus einem Hartmetall wie etwa Wolf ramcarbid, so beträgt die halbe Wellenlänge bei der genannten Frequenz etwa 130 mm. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel besteht der Grundkörper 1 aus Titan und hat eine Länge, die in diesem Beispiel der halben Wellenlänge in diesem Material entspricht .

Die Figuren 2a bis 2c zeigen die Schweissfläche 5 im Detail. Die gesamte Schweissfläche 5 weist eine konvexe Wölbung mit einem Wölbungsradius von 9 mm und einer Wölbungshöhe h von 0,2 mm auf. In der Schweissfläche 5 sind 12 in Umfangsrichtung über den gesamten Umfang gleichmässig verteilte Rillen 6 ausgebildet, die sich in radialer Richtung erstrecken, und zwar von einem Mittelpunkt 7 bis zum Aussenumfang 8 der Schweissfläche 5. Die Rillen 6 haben am Mittelpunkt 7 eine Tiefe t von 0,36 mm und weisen eine Breite von 0,45 mm auf und laufen zum Aussenumfang 8 hin aus. Sie weisen einen Flankenwinkel a auf, der in diesem Beispiel 45° beträgt.

Die Figuren 3a bis 3c zeigen eine zweite Ausführungsform, bei der jedoch die Schweissfläche 5 konkav gewölbt ist und nur 10 Rillen 6 enthält. Die Rillen 6 haben am Aussenumfang 8 eine Tiefe von 0,42 mm und eine Breite von 0,49 mm und laufen zum Mittelpunkt 7 hin aus.

Abweichend von den oben beschriebenen Aus führungs formen kann die Sonotrode natürlich auch einstückig ausgebildet sein. Die Figuren 4 bis 5a zeigen Ausschnitte von geschweissten Werkstücken 21 , die mit nicht erfindungsgemässen bzw . mit erfindungsgemässen Sonotroden geschweisst wurden .

In Figur 4 ist eine Schweissstelle dargestellt , die mit einer herkömmlichen Sonotrode geschweisst wurde , die eine im Wesentlichen ebene Schweiss fläche mit einer Rändelung hat . Am Rand der Schweissstelle sind mehrere unerwünschte Metallpartikel 23 ( „Whiskers" ) zu sehen, die zu Qualitätsproblemen führen können .

Die in Figur 5a wiedergegebene Schweissstelle wurde mit der ersten erfindungsgemässen Sonotrode gemäss Figuren 2a bis 2c erzeugt . Das Bild lässt eindeutig erkennen, dass die Sonotrode aufgrund ihrer konvexen Wölbung nur in einem mittleren Bereich in Kontakt mit dem Werkstück 21 war . Die Rillen der Sonotrode haben einen beim Schweissen entstandenen Material fluss radial nach aussen zur dickeren Materialsträngen geformt , die sich auch nach dem Schweissen nicht ohne weiteres ablösen lassen und in welche Metallpartikel eingebunden sind .

Die in Figur 5b gezeigte Schweissstelle wurde mit der zweiten erfindungsgemässen Sonotrode gemäss Figuren 3a bis 3c hergestellt . Wie sich dem Foto entnehmen lässt , war die Sonotrode hier aufgrund der konkaven Wölbung der Schweiss fläche nur in ihrem Aussenbereich im Kontakt mit dem Werkstück 21 .

Mit einer Sonotrode mit konvex gewölbter Schweiss fläche wurden Schweissungen mit den unten aufgeführten Eingangsparametern Amplitude , Energie und Druck durchgeführt . Es ergaben sich bei mindestens 10 Versuchen Schweiss zeiten im Bereich von 220 ms bis 240 ms und Spitzenleistungen im Bereich von 240 W bis 280 W, wobei nur in einem Fall ein „Whisker" entstand . Die Schweissungen hielten Abziehkräften im Bereich von 10 N bis über 140 N stand .

Wenn die Werkstücke vor dem Schweissen gereinigt wurden, ergaben sich in 10 Versuchen ebenfalls keine oder nur wenige „Whiskers" , aber die Schweissungen hielten durchgängig sogar Abziehkräften von mehr als etwa 60 N stand.

Mit einer Sonotrode mit konkav gewölbter Schweissfläche wurden Schweissungen mit den unten aufgeführten Eingangsparametern Amplitude, Energie und Druck durchgeführt. Es ergaben sich Schweisszeiten im Bereich von 90 ms bis 100 ms und Spitzenleistungen im Bereich von 450 W bis 550 W, wobei in 10 Versuchen höchstens drei „Whiskers" entstanden. Die Schweissungen hielten Abziehkräften im Bereich von etwa 50 N bis etwa 190 N stand.

Wenn die Werkstücke vor dem Schweissen gereinigt wurden, hielten die Schweissungen durchgängig Abziehkräften von mehr als 140 N stand .

Zum Schweissen mit konvex gewölbter Schweissfläche hat sich die folgende Parameterkombination als besonders günstig erwiesen:

- Amplitude: 90 % der maximal mit der Sonotrode erreichbaren Amplitude, beispielsweise 15 pm bis 50 pm;

- Durchmesser: 1,5 mm bis 6 mm (entsprechend einer Fläche von 1,77 mm ² bis 28,3 mm ² ) ;

- Kraft: 100 N bis 600 N;

- Energie: 5 Ws bis 500 Ws, insbesondere 20 Ws bis 60 Ws, insbesondere 30 Ws bis 50 Ws, beispielsweise 40 Ws;

- mittlere Zeit: 100 ms bis 400 ms, insbesondere 200 ms bis 300 ms, beispielsweise 230 ms.

Zum Schweissen mit konkav gewölbter Schweissfläche hat sich die folgende Parameterkombination als günstig erwiesen:

- Amplitude: 75 % der maximal mit der Sonotrode erreichbaren Amplitude, beispielsweise 15 pm bis 50 pm;

- Durchmesser: 1,5 mm bis 6 mm (entsprechend einer Fläche von 1,77 mm ² bis 28,3 mm ² ) ; - Kraft: 100 N bis 600 N;

- Energie: 5 Ws bis 500 Ws, insbesondere 20 Ws bis 60 Ws, insbesondere 30 Ws bis 50 Ws, beispielsweise 40 Ws;

- mittlere Zeit: 100 ms bis 400 ms, insbesondere 200 ms bis 300 ms, beispielsweise 230 ms.

Die Figuren 6 bis 9 zeigen Arbeitsflächen weiterer erfindungsgemässer Sonotroden, die jeweils einen Durchmesser d = 2,5 mm und Arbeitsflächen 5 mit den folgenden geometrischen Parametern aufweisen: