DE102014213647A1

DE102014213647A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Ausbilden einer Schweißverbindung

Info

Publication number: DE102014213647A1
Application number: DE102014213647.4A
Authority: DE
Inventors: Florian Woelke; Sarah Overmeier
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-07-14
Filing date: 2014-07-14
Publication date: 2016-01-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zum Ausbilden einer Schweißverbindung, mit einem um eine Schwingungsachse (16) hin- und herschwingenden Werkzeugkopf (15; 15a; 15b), der zumindest mittelbar mit einer Schwingungsquelle (20) zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen verbunden ist, und der an einem Werkzeugträger (25) befestigt ist, wobei der Werkzeugkopf (15; 15a; 15b) dazu ausgebildet ist, diesen in Richtung zweier miteinander zu verbindender Bauteile (1, 2) mit einer in der Schwingungsachse (16) verlaufenden Axialkraft (F_Axial) zu beaufschlagen. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass der Werkzeugträger (25) mittels einer Vorschubeinrichtung (26) in einer im Wesentlichen senkrecht zur Schwingungsachse (16) verlaufenden Vorschubrichtung (27) beweglich angeordnet ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ausbilden einer Schweißverbindung nach dem Oberbegriff der beiden unabhängigen Ansprüche.
Aus der DE 102 49 569 B4 der Anmelderin ist eine Vorrichtung zum Befestigen eines elektrischen Leiters auf einer Kontaktfläche eines Substrates bekannt, die einen um eine Drehachse hin- und herschwingenden Werkzeugkopf aufweist. Der Werkzeugkopf ist mit einer Schwingungsquelle verbunden, die Ultraschallschwingungen auf den Werkzeugkopf überträgt. Ferner ist der Werkzeugkopf an einem Werkzeugträger befestigt, der den Werkzeugkopf mit einer Kontaktkraft gegen den elektrischen Leiter und die mit dem elektrischen Leiter zusammenwirkende Kontaktfläche des Substrats drückt. Das Ultraschallreibschweißen zeichnet sich dadurch aus, dass die über den Werkzeugkopf in die Bauteile eingeleitete Energie zu einer lokalen Erwärmung des Materials im Verbindungsbereich der beiden Bauteile, jedoch nicht zum Aufschmelzen des Materials führt. Mittels der aus der genannten Schrift bekannten Vorrichtung bzw. dem entsprechenden Verfahren lassen sich punktförmige Verbindungen zwischen Bauteilen herstellen.
Insbesondere zum Verbinden beispielsweise von Gehäuseteilen ist es üblicherweise erforderlich bzw. erwünscht, eine mediendichte Verbindung zwischen den Bauteilen ohne zusätzliche Bauelemente wie Dichtelemente o.ä. auszubilden. Eine derartige mediendichte Verbindung zwischen Bauteilen, die beispielsweise das Eindringen von Medien in einen von den Bauteilen begrenzten Innenraum verhindert, lässt sich mit derartigen, punktförmigen Verbindungsbereichen nicht erzielen.
Weiterhin ist aus dem Stand der Technik das sogenannte Rührreibschweißen bekannt, bei dem ein Werkzeugkopf unter ständiger Drehbewegung in eine Richtung um eine Drehachse gleichzeitig translatorisch bewegt wird. Das aus dem Stand der Technik bekannte Rührreibschweißen findet insbesondere bei Bauteilen aus Aluminiumlegierungen Verwendung und zeichnet sich dadurch aus, dass das Material der Bauteile ebenfalls nicht bis zur Schmelztemperatur erhitzt wird. Dadurch können die üblicherweise beim Schmelzschweißen von Aluminiumlegierungen auftretenden Poren und Gefügeumwandlungen vermieden werden. Vor allem bei thermisch schwer schweißbaren Leichtmetall-Werkstoffen (z.B. hoch- und höchstfeste Aluminiumlegierungen und Aluminiumgusswerkstoffen) kommen diese Vorteile des Reibrührschweißens zum Tragen. Nachteilig beim Reibrührschweißen ist es, dass relativ hohe Fügekräfte zwischen den Bauteilen erforderlich sind, und dass breite Schweißnähte mit einem damit einhergehenden starken Verzug der Bauteile entstehen. Daher wird das Reibrührschweißen bei relativ kleinen bzw. relativ dünne Wandstärken aufweisenden Bauteilen in der Praxis selten verwendet.
Offenbarung der Erfindung
Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zum Ausbilden einer Schweißverbindung nach den Oberbegriffen der beiden unabhängigen Ansprüche derart weiterzubilden, dass bei relativ geringen Fügekräften zwischen den Bauteilen insbesondere aus Leichtmetall, wie Aluminiumlegierungen bestehende Bauteile sicher und zuverlässig und mediendicht verbunden werden können. Insbesondere sollen beispielsweise Gehäuseteile, die einen Innenraum begrenzen, in dem z.B. elektronische Bauteile oder Bauelemente angeordnet sind, durch die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren dicht verschlossen werden können.
Diese Aufgabe wird bezüglich der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass der den Werkzeugträger tragende Werkzeugkopf mittels einer Vorschubeinrichtung in einer im Wesentlichen senkrecht zur Schwingungsachse des Werkzeugkopfs verlaufenden Vorschubrichtung beweglich angeordnet ist. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass im Gegensatz zum Stand der Technik, bei der die Vorrichtung lediglich Verbindungsbereiche erzeugt, die der insbesondere punktförmigen Form der Kontaktfläche des Werkzeugkopfs entspricht, es nunmehr vorgesehen ist, dass beispielsweise beliebige linienförmige Verbindungszonen zwischen den Bauteilen erzeugt werden können. Derartige linienförmige, insbesondere geschlossene Verbindungszonen eignen sich in besonderer Art und Weise zur Ausbildung beispielsweise eines mediendichten Gehäuses.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den jeweiligen Unteransprüchen aufgeführt.
In bevorzugter Weiterbildung der Vorrichtung ist es vorgesehen, dass die Schwingungsachse des zylindrisch ausgebildeten Werkzeugkopfs, dessen Längsachse mit der Schwingungsachse zusammenfällt, um einen Winkel zwischen 1° und 5°, vorzugsweise zwischen 2° und 3°, gegenüber einer Senkrechten der Bauteiloberflächen gegen die Vorschubrichtung geneigt angeordnet ist.
Eine weitere konstruktiv bevorzugte Weiterbildung zur Ausbildung einer optimalen Verbindung zwischen den Bauteilen sieht vor, dass der Werkzeugkopf zumindest zwei, in Kontakt mit wenigstens einem Bauteil angeordnete, jeweils einen runden Querschnitt aufweisende Abschnitte aufweist, und dass der der dem wenigstens einen Bauteil zugewandte Abschnitt des Werkzeugkopfs einen geringeren Durchmesser aufweist als der andere Abschnitt des Werkzeugkopfs.
Ganz besonders bevorzugt bei letztgenannter Variante ist es, wenn der dem wenigstens einen Bauteil zugewandte Abschnitt des Werkzeugkopfs an seiner Umfangsfläche mit einer Strukturierung versehen ist. Eine derartige Strukturierung kann beispielsweise in Form von Rillen bzw. Vertiefungen in Umfangsrichtung oder in Längsrichtung des Werkzeugkopfs ausgebildet sein und dient einer nochmals verbesserten Übertragung der Energie des Ultraschallerzeugers in die Bauteile.
Darüber hinaus kann es vorgesehen sein, dass zusätzlich eine Heizeinrichtung vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, den Bereich der beiden Bauteile in dem durch den Werkzeugkopf erzeugten oder zu erzeugenden Verbindungsbereich mit Wärmeenergie zu beaufschlagen. Eine derartige Weiterbildung dient insbesondere dazu, einen größeren Wärmeeintrag in den Verbindungsbereich zwischen den Bauteilen zu erzeugen. Dadurch ist eine Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugkopfs bzw. eine Reduktion der Prozesszeit möglich. Die (zusätzliche) Heizeinrichtung kann beispielsweise in Form einer Elektrode ausgebildet sein, so dass zwischen der Elektrode und der mit elektrischer Masse verbundenen Werkzeugoberfläche ein Lichtbogen entsteht, oder z.B. mittels einer Laserstrahlquelle.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
Diese zeigt in:
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ausbilden einer Ultraschallreibschweißverbindung in einer vereinfachten Seitenansicht,
2 einen Schnitt in der Ebene II-II der 1 und
3 und 4 jeweils gegenüber der 1 modifizierte, mit einer Strukturierung versehene Werkzeugköpfe in Seitenansicht.
Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
In den 1 und 2 ist eine Vorrichtung 10 zum Ausbilden einer Schweißverbindung in Form einer Ultraschallreibschweißverbindung zwischen zwei Bauteilen 1, 2 dargestellt. Die beiden Bauteile 1, 2 bestehen beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung und weisen jeweils eine Fügefläche 5, 6 auf, die parallel zur Zeichenebene der 1 verläuft. Die beiden Bauteile 1, 2 sind mit ihren Fügeflächen 5, 6 in Anlagekontakt zueinander angeordnet, so dass mittels der Vorrichtung 10 zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 eine (nicht dargestellte) Verbindung in Form einer Stumpfnaht über einen Teilbereich der Höhe der beiden Bauteile 1, 2 ausgebildet werden kann. Die beiden Bauteile 1, 2 sind darüber hinaus in Wirkverbindung mit einer Spanneinrichtung angeordnet, die beispielhaft zwei Gegenlager 3, 4 umfasst, gegen die die beiden Bauteile 1, 2 mit einer Spannkraft F_Spann ortsfest fixiert sind.
Die Vorrichtung 10 weist einen zylindrisch ausgebildeten Werkzeugkopf 15 mit einer Schwingungsachse 16 auf. Hierbei ist die Schwingungsachse 16 identisch mit der Längsachse des Werkzeugkopfs 15 bzw. fällt mit dieser zusammen. Der Werkzeugkopf 15 besteht im dargestellten Zeichnungsausschnitt aus zwei Abschnitten 17, 18, wobei der den beiden Bauteilen 1, 2 zugewandte Abschnitt 17 einen Durchmesser d₁ aufweist, der kleiner ist als der Durchmesser d₂ des Abschnitts 18. Der typische Durchmesserbereich des Abschnitts 17 liegt bei etwa 2mm bis 6mm, vorzugsweise etwa 4mm. Der Werkzeugkopf 15 ist mit einer lediglich symbolisch dargestellten Schwingungsquelle 20 wirkverbunden angeordnet, die Ultraschallschwingungen erzeugt, derart, dass der Werkzeugkopf 15 um seine Schwingungsachse 16 in Richtung des Doppelpfeils 22 mit der entsprechenden Ultraschallfrequenz in Umfangsrichtung des Werkzeugkopfs 15 bzw. torsional hin- und herschwingt. Der Frequenzbereich der Schwingungsquelle 20 bzw. des Werkzeugkopfs 15 liegt zwischen 15kHz und 40kHz, vorzugsweise zwischen 15kHz bis 20kHz. Als bevorzugte Schwingungsamplituden des Werkzeugkopfs 15 um die Schwingungsachse 16 haben sich Amplituden zwischen +/–0,09° und +/–2,8°, vorzugsweise +/–0,6° bis +/–0,9°, erwiesen. Weiterhin ist der Werkzeugkopf 15 an einem ebenfalls lediglich symbolisch dargestellten Werkzeugträger 25 befestigt, der mit einer Vorschubeinrichtung 26 gekoppelt ist. Die Vorschubeinrichtung 26 dient dazu, den Werkzeugkopf 15 in Richtung der Vorschubrichtung 27 zu bewegen, vorzugsweise mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit, wobei die Vorschubrichtung 27 im Wesentlichen parallel zur Ebene der Bauteiloberflächen 29 der Bauteile 1, 2 bzw. senkrecht zur Schwingungsachse 16 verläuft. Im dargestellten Ausführungsbeispiel verläuft die Vorschubrichtung 27 parallel zu den Fügeflächen 5, 6 der Bauteile 1, 2. Weiterhin dient der Werkzeugträger 25 dazu, den Werkzeugkopf 15 in Richtung seiner Drehachse 16 mit einer Axialkraft F_Axial zu beaufschlagen.
Die Schwingungsachse 16 des Werkzeugkopfs 15 ist um einen Winkel α zwischen 1° und 5°, vorzugsweise zwischen 2° und 3°, gegenüber einer Senkrechten 28 zu den Bauteiloberflächen 29 der beiden Bauteile 1, 2 entgegen der Vorschubrichtung 27 geneigt angeordnet. Darüber hinaus taucht der zweite Abschnitt 18 des Werkzeugkopfs 15 auf der der Vorschubrichtung 27 abgewandten Seite bis zu einer Tiefe t von ca. 0,2mm in die Bauteiloberfläche 29 der beiden Bauteile 1, 2 ein.
In Bezug auf die Vorschubrichtung 27 des Werkzeugkopfs 15 vor dem Werkzeugkopf 15 ist eine Heizeinrichtung in Form einer Wärmequelle 30 angeordnet, die dazu ausgebildet ist, eine Wärmeenergie in den von dem Werkzeugkopf 15 zu erzeugenden Verbindungsbereich der beiden Bauteile 1, 2 einzukoppeln. Hierzu kann die Wärmequelle 30 beispielsweise in Form einer Laserstrahleinrichtung oder einer Elektrode ausgebildet sein.
Zum Ausbilden der Ultraschallreibschweißverbindung zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 wird der Werkzeugkopf 15 unter Hin- und Herbewegung um die Schwingungsachse 16 durch den Werkzeugträger 25 mit der Kraft F_Axial gegen die Bauteiloberflächen 29 der beiden Bauteile 1, 2 gedrückt. Dabei wird im Einwirkbereich des Werkzeugkopfs 15 die Ultraschallenergie in Wärmeenergie verwandelt, so dass die Verbindung zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 in Form der Ultraschallreibschweißverbindung ausgebildet wird. Nach dem Eintauchen des Werkzeugkopfs 15 in die Bauteiloberflächen 29 der Bauteile 1, 2 wird die Vorschubeinrichtung 26 aktiviert. Durch den Vorschub des Werkzeugkopfs 15 in Vorschubrichtung 27 erfolgt insbesondere eine linienförmige Verbindung zwischen den beiden Bauteilen 1, 2, die beispielsweise bei der Anwendung des Verfahrens bei Gehäuseteilen eine geschlossene Verbindungskontur zwischen den Gehäuseteilen zur Ausbildung einer mediendichten Verbindung ermöglicht.
In den 3 und 4 ist jeweils ein gegenüber der 1 modifizierter Werkzeugkopf 15a, 15b dargestellt. Insbesondere ist es dabei vorgesehen, dass der erste Abschnitt 17a, 17b der beiden Werkzeugköpfe 15a, 15b jeweils mit einer Strukturierung 35 an der Umfangsfläche des ersten Abschnitts 17a, 17b versehen ist. Bei dem Werkzeugkopf 15a ist die Strukturierung 35 in Form einer an dem ersten Abschnitt 17a in Umfangsrichtung radial umlaufenden, spiralartigen Vertiefung 36 ausgebildet, während bei dem Werkzeugkopf 15b in dem ersten Abschnitt 17b jeweils schräg zur Schwingungsachse 16 verlaufende Vertiefungen bzw. Rillen 37 ausgebildet sind.
Die soweit beschriebene Vorrichtung 10 bzw. deren Werkzeugkopf 15, 15a, 15b können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10249569 B4 [0002]

Claims

Vorrichtung (10) zum Ausbilden einer Schweißverbindung, mit einem um eine Schwingungsachse (16) hin- und herschwingenden Werkzeugkopf (15; 15a; 15b), der zumindest mittelbar mit einer Schwingungsquelle (20) zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen verbunden ist, und der an einem Werkzeugträger (25) befestigt ist, wobei der Werkzeugkopf (15; 15a; 15b) dazu ausgebildet ist, diesen in Richtung zweier miteinander zu verbindender Bauteile (1, 2) mit einer in der Schwingungsachse (16) verlaufenden Axialkraft (F_Axial) zu beaufschlagen, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugträger (25) mittels einer Vorschubeinrichtung (26) in einer im Wesentlichen senkrecht zur Schwingungsachse (16) verlaufenden Vorschubrichtung (27) beweglich angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsachse (16) des Werkzeugkopfs (15; 15a; 15b) des zylindrisch ausgebildeten Werkzeugkopfs (15; 15a; 15b) identisch mit dessen Längsachse ist und um einen Winkel (α) zwischen 1Grad und 5Grad, vorzugsweise zwischen 2Grad und 3Grad, gegenüber einer Senkrechten (28) der Bauteiloberflächen (29) entgegen der Vorschubrichtung (27) geneigt angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugkopf (15; 15a; 15b) zumindest zwei, in Kontakt mit wenigstens einem Bauteil (1, 2) stehende, jeweils einen runden Querschnitt aufweisende Abschnitte (17, 18) hat, und dass der dem wenigstens einen Bauteil (1, 2) zugewandte Abschnitt (17; 17a; 17b) des Werkzeugkopfs (15; 15a; 15b) einen geringeren Durchmesser (d₁) aufweist als der andere Abschnitt (18).
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der dem wenigstens einen Bauteil (1, 2) zugewandte Abschnitt (17a; 17b) des Werkzeugkopfs (15a; 15b) an seiner Umfangsfläche mit einer Strukturierung (35) versehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Heizeinrichtung (30) vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, den Verbindungsbereich der beiden Bauteile (1, 2) mit Wärmeenergie zu beaufschlagen.
Verfahren zum Ausbilden einer Schweißverbindung, insbesondere mittels einer Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem zwei Bauteile (1, 2) mittels eines um eine Schwingungsachse (16) hin- und herschwingenden, mit einer Schwingungsquelle (20) zumindest mittelbar verbundenen Werkzeugkopf (15; 15a; 15b) in einem Verbindungsbereich miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugkopf (15; 15a; 15b) in einer Vorschubrichtung (27) entlang von Bauteiloberflächen (29) der Bauteile (1, 2) bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bauteile (1, 2) mit Fügeflächen (5, 6) gegeneinander gelegt werden, wobei die Schwingungsachse (16) des Werkzeugkopfs (15; 15a; 15b) zumindest im Wesentlichen parallel zu den Fügeflächen (5, 6) verläuft.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (1, 2) im Verbindungsbereich erwärmt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme durch einen Lichtbogen oder einen Laserstrahl in den Verbindungsbereich der beiden Bauteile (1, 2) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugkopf (15; 15a; 15b) mit einem ersten, einen geringeren Durchmesser (d₁) als ein zweiter Abschnitt (18) aufweisenden Abschnitt (17; 17a; 17b) vollständig in die beiden Bauteile (1, 2) eintaucht, und dass der zweite Abschnitt (18) zwischen 0,05mm und 0,3mm, vorzugsweise etwa 0,2mm, in die beiden Bauteile (1, 2) eintaucht.