DE20022186U1 - Device for spot welding at least two components using ultrasound - Google Patents

Device for spot welding at least two components using ultrasound

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Description

PATENTANWALT Fasanenstr. 7PATENT ATTORNEY Fasanenstr. 7 DR.-ING. WERNER LORENZ D-89522 HeidenheimDR.-ING. WERNER LORENZ D-89522 Heidenheim

26.01.2001 WS/ul26.01.2001 WS/ul

Akte: STF 4988GM/DE
Anmelder:File: STF 4988GM/DE
Applicant:

Star Fix GmbH
Hauptstr. 31
73540 HeubachStar Fix GmbH
Main Street 31
73540 Heubach

Vorrichtung zum punktuellen Verschweißen von weniastens zwei
Bauteilen mittels Ultraschall Device for spot welding of at least two
Components using ultrasound

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum punktuellen Verschweißen von wenigstens zwei Bauteilen mittels Ultraschall, wobei wenigstens eines der Bauteile aus Kunststoff besteht, mit einer Schweißzange, welche einen Ultraschallkopf und eine an dem Ultraschallkopf angebrachte Sonotrode aufweist, wobei die Sonotrode zum Verschweißen der wenigstens zwei Bauteile in Richtung des herzustellenden Schweißpunktes verfahrbar ist.The invention relates to a device for spot welding at least two components by means of ultrasound, wherein at least one of the components consists of plastic, with a welding gun which has an ultrasound head and a sonotrode attached to the ultrasound head, wherein the sonotrode can be moved in the direction of the welding point to be produced in order to weld the at least two components.

Derartige Vorrichtungen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik in verschiedenen Ausführungen bekannt.Such devices are known from the general state of the art in various designs.

Zum einen existieren sogenannte Handschweißzangen, mit denen eine Bedienperson Ultraschallschweißungen an beliebigen Stellen der miteinander zu verschweißenden Bauteile anbringen kann. Der Nachteil dabei ist jedoch, daß die genaue Lage und die Gestalt des jeweils hergestellten Schweißpunktes sehr stark von dem Bediener abhängt und eine gleichbleibende Qualität nicht gewährleistet werden kann.On the one hand, there are so-called hand welding guns with which an operator can apply ultrasonic welds to any point on the components to be welded together. The disadvantage of this, however, is that the exact position and shape of the weld point produced depends very much on the operator and consistent quality cannot be guaranteed.

Zum anderen sind vollkommen andersartige Vorrichtungen bekannt, welche mit mehreren solchen Schweißzangen ausgestattet sind und in welchen die miteinander zu verschweißenden Bauteile komplett aufgenommen werden können. Hierbei handelt es sich allerdings um äußerst große Vorrichtungen, die einen großen Platzbedarf erfordern und die darüber hinaus insbesondere bei Bauteilen mit komplizierten Formen äußerst aufwendig und somit teuer sind.On the other hand, completely different devices are known which are equipped with several such welding tongs and in which the components to be welded together can be completely accommodated. However, these are extremely large devices which require a lot of space and which are also extremely complex and therefore expensive, especially for components with complicated shapes.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum punktuellen Verschweißen von wenig-It is therefore an object of the present invention to provide a device for spot welding of less-

stens zwei Bauteilen mittels Ultraschall zu schaffen, welche einerseits eine gleichbleibend hohe Qualität der einzelnen Schweißpunkte gewährleistet und welche andererseits kostengünstig realisiert werden kann und somit auch für Kleinserien geeignet ist.at least two components using ultrasound, which on the one hand ensures a consistently high quality of the individual welding points and which on the other hand can be implemented cost-effectively and is therefore also suitable for small series.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß an der dem Ultraschallkopf gegenüberliegenden Seite des herzustellenden Schweißpunktes ein Aufnahmeelement angeordnet ist, an welchem wenigstens eines der wenigstens zwei Bauteile abstützbar ist, und daß die Schweißzange an einer Handlingeinrichtung angeordnet und mittels derselben bewegbar ist.According to the invention, this object is achieved in that a receiving element is arranged on the side of the welding point to be produced opposite the ultrasonic head, on which at least one of the at least two components can be supported, and in that the welding tongs are arranged on a handling device and can be moved by means of the same.

Durch das erfindungsgemäße Aufnahmeelement an der dem Ultraschallkopf gegenüberliegenden Seite des herzustellenden Schweißpunktes wird beim Verschweißen der Bauteile eine Gegenlagerung geschaffen, welche die von dem Ultraschallkopf bzw. die von der an dem Ultraschallkopf angebrachten Sonotrode ausgehenden Kräfte aufnimmt und so Verformungen der Bauteile verhindert. Hierdurch wird außerdem sichergestellt, daß für die miteinander zu verschweißenden Bauteile eine definierte Lage gegeben ist. Dies führt im Ergebnis zuThe receiving element according to the invention on the side of the welding point to be produced opposite the ultrasound head creates a counter bearing when the components are welded, which absorbs the forces emanating from the ultrasound head or the sonotrode attached to the ultrasound head and thus prevents deformation of the components. This also ensures that a defined position is given for the components to be welded together. This leads to

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Schweißpunkten, deren Position und Aufbau konstant ist, so daß sich eine gleichbleibend hohe Schweißqualität ergibt.Welding points whose position and structure are constant, resulting in consistently high welding quality.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Schweißzange an einer Handlingeinrichtung kann dieselbe frei programmierbar bewegt werden und ist somit in der Lage, die verschiedenen Stellen an den Bauteilen, an denen die Schweißpunkte entstehen sollen, sehr präzise anzufahren. Durch diese hohe Präzision kann die von der Sonotrode zurückzulegende Wegstrecke und der aufzubringende Druck äußerst genau festgelegt werden, was ebenfalls zur Erhöhung der Qualität des entstehenden Schweißpunktes beiträgt.The inventive arrangement of the welding gun on a handling device means that it can be moved in a freely programmable manner and is thus able to move very precisely to the various locations on the components where the welding points are to be created. This high level of precision means that the distance to be covered by the sonotrode and the pressure to be applied can be determined extremely precisely, which also helps to increase the quality of the resulting welding point.

Gegenüber bekannten Vorrichtungen, die von Hand bedient werden, ergeben sich somit erhebliche Vorteile bezüglich der Präzision und der dadurch entstehenden Schweißqualität. Jedoch weist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch gegenüber vollautomatisch arbeitenden Vorrichtungen mit mehreren Schweißzangen erhebliche Vorteile auf, da sie sehr flexibel, d.h. bei den verschiedensten Bauteilen, eingesetzt werden kann und verhältnismäßig geringe Kosten erforderlich macht.Compared to known devices that are operated manually, this results in significant advantages in terms of precision and the resulting welding quality. However, the device according to the invention also has significant advantages over fully automatic devices with multiple welding tongs, as it can be used very flexibly, i.e. for a wide variety of components, and requires relatively low costs.

Eine besonders große Flexibilität im Bezug. auf die unterschiedlichen Formen der miteinander verschweißbaren Bauteile verbunden mit einer sehr hohen Wiederholgenauigkeit kann sich ergeben, wenn in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Handlingeinrichtung als Handlingroboter, insbesondere als Sechs-Achsen-Roboter, ausgebildet ist.A particularly high level of flexibility with regard to the different shapes of the components that can be welded together, combined with a very high level of repeatability, can be achieved if, in an advantageous development of the invention, the handling device is designed as a handling robot, in particular as a six-axis robot.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Schweißzange einen Grundkörper aufweisen, an dem der Ultraschallkopf angebracht ist, wobei das Aufnahmeelement zur Realisierung einer Ausgleichsbewegung in Längsrichtung der Schweißzange relativ zu dem Grundkörper verfahrbar ist. Auf diese Weise kann das Aufnahmeelement sehr sanft und äußerst genau an die zu verschweißenden Bauteile herangefahren werden.In a further advantageous embodiment of the invention, the welding gun can have a base body to which the ultrasonic head is attached, wherein the receiving element can be moved relative to the base body to realize a compensating movement in the longitudinal direction of the welding gun. In this way, the receiving element can be moved very gently and extremely precisely to the components to be welded.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen sowie aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispiel. Further advantageous embodiments and developments of the invention emerge from the remaining subclaims and from the exemplary embodiment shown in principle below with reference to the drawing.

Die einzige Figur zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum punktuellen Verschweißen zweier Bauteile mittels Ultraschall.The single figure shows a device according to the invention for spot welding two components by means of ultrasound.

Eine Vorrichtung 1 zum Verschweißen zweier Bauteile 2 und 3 weist eine Schweißzange 4 auf, die an einer Handlingeinrichtung 5 angebracht ist, welche beispielsweise als ein Handlingroboter mit sechs Achsen ausgeführt sein kann. Die Handlingeinrichtung 5, die selbstverständlich auch eine geringere oder höhere Anzahl an Achsen aufweisen kann, ist nur teilweise und sehr schematisch dargestellt, ihr Aufbau und ihre Wirkungsweise sind jedoch allgemein bekannt.A device 1 for welding two components 2 and 3 has a welding gun 4 which is attached to a handling device 5, which can be designed, for example, as a handling robot with six axes. The handling device 5, which can of course also have a smaller or larger number of axes, is only partially and very schematically shown, but its structure and mode of operation are generally known.

Die Schweißzange 4 weist einen an der Handlingeinrichtung 5 angebrachten Grundkörper 6, einen mit dem Grundkörper 6 verbundenen Ultraschallkopf 7 und eine an dem Ultraschallkopf 7 angebrachte Sonotrode 8 auf. Die in an sich bekannter Weise aufgebaute Sonotrode 8 ist zum Verschweißen der Bauteile 2 und 3 mittels Ultraschall vorgesehen, wozu sie in Richtung eines herzustellenden Schweißpunktes 9 verfahrbar ist. Die Bewegung des Ultraschallkopfes 7 mit der Sonotrode 8The welding gun 4 has a base body 6 attached to the handling device 5, an ultrasonic head 7 connected to the base body 6 and a sonotrode 8 attached to the ultrasonic head 7. The sonotrode 8, which is constructed in a manner known per se, is intended for welding the components 2 and 3 using ultrasound, for which purpose it can be moved in the direction of a welding point 9 to be produced. The movement of the ultrasonic head 7 with the sonotrode 8

erfolgt gemäß dem Pfeil A in Längsrichtung der Schweißzange 4. Da die prinzipiellen Vorgänge beim Ultraschallschweißen an sich bekannt sind, wird an dieser Stelle nicht näher auf dieselben eingegangen.is carried out according to arrow A in the longitudinal direction of the welding gun 4. Since the basic processes in ultrasonic welding are known per se, they will not be discussed in more detail here.

An der dem Ultraschallkopf 7 bzw. der Sonotrode 8 gegenüberliegenden Seite des herzustellenden Schweißpunktes 9 ist ein Aufnahmeelement 10 angeordnet, an welchem das Bauteil 2 abgestützt ist. Das Aufnahmeelement 10 ist Teil der Schweißzange 4, ist mit dem Grundkörper 6 über einen Bügel 11 verbunden und kann gegenüber demselben zur Realisierung einer Ausgleichsbewegung in Längsrichtung der Schweißzange 4 verfahren werden. Das Aufnahmeelement 10 bewegt sich gemäß dem Pfeil B. Diese Verfahrbewegung kann beispielsweise pneumatisch realisiert werden.On the side of the welding point 9 to be produced opposite the ultrasound head 7 or the sonotrode 8, a receiving element 10 is arranged, on which the component 2 is supported. The receiving element 10 is part of the welding gun 4, is connected to the base body 6 via a bracket 11 and can be moved relative to the latter to realize a compensating movement in the longitudinal direction of the welding gun 4. The receiving element 10 moves according to the arrow B. This movement can be realized pneumatically, for example.

Die beiden aus Kunststoff bestehenden Bauteile 2 und 3 sind bereits vor der Verschweißung über einen Schweißdom 12 lose miteinander verbunden, der im vorliegenden Fall von dem Bauteil 2 ausgeht und in eine Ausnehmung 13 in dem Bauteil 3 eingreift und ebenfalls aus Kunststoff besteht. Prinzipiell sind für die Bauteile 2 und 3 sowie für den Schweißdom 12 die verschiedenstenThe two plastic components 2 and 3 are already loosely connected to one another before welding via a welding dome 12, which in the present case starts from component 2 and engages in a recess 13 in component 3 and is also made of plastic. In principle, a wide variety of materials are available for components 2 and 3 as well as for the welding dome 12.

Kunststoffe verwendbar. Theoretisch wäre es auch möglich, daß eines der beiden Bauteile 2 oder 3 aus einem anderen Material als Kunststoff besteht.Plastics can be used. Theoretically, it would also be possible for one of the two components 2 or 3 to be made of a material other than plastic.

Um nun die beiden Bauteile 2 und 3 miteinander zu verschweißen, wird die Handlingeinrichtung 5, beispielsweise durch vorherige Programmierung, zu dem Schweißdom 12 bewegt, worauf das Aufnahmeelement 10 an das Bauteil 2 angelegt wird. Daraufhin wird die Sonotrode 8 auf dem Schweißdom 12 aufgelegt und in Schwingungen versetzt. Auf diese Art und Weise verschweißt die Sonotrode 8 den Schweißdom 12 derart, daß der Schweißpunkt 9 entsteht. Hierbei dient das Aufnahmeelement 10 zur Abstützung des Bauteils 2 gegenüber den von der Sonotrode 8 einwirkenden Kräften und zur exakten Lagefixierung desselben. Nach Fertigstellung des Schweißpunktes 9 kann die Handlingeinrichtung 5 die Schweißzange 4 an einen anderen, nicht dargestellten Schweißpunkt zwischen den Bauteilen 2 und 3 bewegen.In order to weld the two components 2 and 3 together, the handling device 5 is moved, for example by prior programming, to the welding dome 12, whereupon the receiving element 10 is placed on the component 2. The sonotrode 8 is then placed on the welding dome 12 and set in vibration. In this way, the sonotrode 8 welds the welding dome 12 in such a way that the welding point 9 is created. The receiving element 10 serves to support the component 2 against the forces exerted by the sonotrode 8 and to fix its exact position. After the welding point 9 has been completed, the handling device 5 can move the welding tongs 4 to another welding point (not shown) between the components 2 and 3.

Auf diese Weise ergibt sich eine gleichermaßen flexible und präzise arbeitende Vorrichtung 1 zum Verschweißen der beiden Bauteile 2 und 3 mit Ultraschall. Als Bauteile 2 und 3 sind unter anderem Innenverklei-This results in a device 1 that is both flexible and precise for welding the two components 2 and 3 using ultrasound. Components 2 and 3 include interior trim,

düngen von PKW, Gehäuse von elektrischen Geräten, Mobiltelefone und ähnliches denkbar. Selbstverständlich können auch mehr als zwei Bauteile mit Hilfe der Vorrichtung 1 miteinander verschweißt werden.fertilizing of cars, housings of electrical devices, mobile phones and the like. Of course, more than two components can also be welded together using the device 1.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum punktuellen Verschweißen von wenigstens zwei Bauteilen mittels Ultraschall, wobei wenigstens eines der Bauteile aus Kunststoff besteht, mit einer Schweißzange, welche einen Ultraschallkopf und eine an dem Ultraschallkopf angebrachte Sonotrode aufweist, wobei die Sonotrode zum Verschweißen der wenigstens zwei Bauteile in Richtung des herzustellenden Schweißpunktes verfahrbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß an der dem Ultraschallkopf (7) gegenüberliegenden Seite des herzustellenden Schweißpunktes (9) ein Aufnahmeelement (10) angeordnet ist, an welchem wenigstens eines der wenigstens zwei Bauteile (2, 3) abstützbar ist, und daß die Schweißzange (4) an einer Handlingeinrichtung (5) angeordnet und mittels derselben bewegbar ist. 1. Device for spot welding at least two components by means of ultrasound, wherein at least one of the components consists of plastic, with a welding gun which has an ultrasound head and a sonotrode attached to the ultrasound head, wherein the sonotrode can be moved in the direction of the welding point to be produced in order to weld the at least two components, characterized in that a receiving element ( 10 ) is arranged on the side of the welding point ( 9 ) to be produced opposite the ultrasound head ( 7 ), on which at least one of the at least two components ( 2 , 3 ) can be supported, and that the welding gun ( 4 ) is arranged on a handling device ( 5 ) and can be moved by means of the same. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Handlingeinrichtung (5) als Handlingroboter ausgebildet ist. 2. Device according to claim 1, characterized in that the handling device ( 5 ) is designed as a handling robot. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Handlingroboter (5) ein Sechs-Achsen-Roboter ist. 3. Device according to claim 2, characterized in that the handling robot ( 5 ) is a six-axis robot. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einem der wenigstens zwei Bauteile (2, 3) ein Schweißdom (12) zugeordnet ist, der zur Bildung des Schweißpunktes (9) durch die Sonotrode (8) verschweißt wird. 4. Device according to one of claims 1, 2 or 3, characterized in that at least one of the at least two components ( 2 , 3 ) is assigned a welding dome ( 12 ) which is welded by the sonotrode ( 8 ) to form the welding point ( 9 ). 5. Vorrichtung nach einem Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißdom (12) aus Kunststoff besteht. 5. Device according to claim 4, characterized in that the welding dome ( 12 ) consists of plastic. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißzange (4) einen Grundkörper (6) aufweist, an dem der Ultraschallkopf (7) angebracht ist, wobei das Aufnahmeelement (10) zur Realisierung einer Ausgleichsbewegung in Längsrichtung der Schweißzange (4) relativ zu dem Grundkörper (6) verfahrbar ist. 6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the welding tongs ( 4 ) have a base body ( 6 ) to which the ultrasonic head ( 7 ) is attached, wherein the receiving element ( 10 ) is movable relative to the base body ( 6 ) in order to realize a compensating movement in the longitudinal direction of the welding tongs ( 4 ). 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (6) mit der Handlingeinrichtung (5) verbunden ist. 7. Device according to claim 6, characterized in that the base body ( 6 ) is connected to the handling device ( 5 ).
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