DE3700257A1

DE3700257A1 - Vorrichtung zum verbinden elektrischer leiter

Info

Publication number: DE3700257A1
Application number: DE19873700257
Authority: DE
Inventors: Helge G Steckmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-01-07
Filing date: 1987-01-07
Publication date: 1988-07-21
Anticipated expiration: 2007-01-08
Also published as: DE3700257C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verbinden elektrischer Leiter, insbesondere in Form von metallischen Litzen, durch Ultra schallenergie, mit einer Ultraschallschwingungen erzeugenden Sonotrode, welche im Sonotrodenkopfbereich eine Arbeitsfläche und einen als Gegenwerkzeug dienenden, zur Arbeitsfläche der Sonotrode zugeordneten und zu dieser verschieblich ausgebildeten Amboß aufweist.

Zur Herstellung einer Verbindung von zwei elektrischen Leitern wird die Verbindungsstelle normalerweise mit einer Hülse überdeckt, um diese dann mit den Leitern zu vercrimpen und gegebenenfalls anschließend zu verschweißen. Dies kann zum Beispiel mittels Löten, Widerstands schweißen oder Ultraschallschweißen erfolgen. Der Nachteil dieser Verfahren besteht grundsätzlich darin, daß die Montage zeitaufwendig ist, da die Leiterenden zunächst in die Hülse eingebracht werden müssen, um anschließend eine feste Verbindung herzustellen. Dement sprechend sind auch die Vorrichtungen zur Durchführung dieser Schweiß arbeiten kompliziert aufgebaut.

In der Massenproduktion hochwertiger Güter mit integrierten elek trischen Geräten unterschiedlicher Art werden auch elektrische Ver bindungsleitungen unterschiedlicher Stärke in großer Anzahl benötigt. Hierzu ist es erforderlich, daß ein Schweißgerät der eingangs genannten Art in der Lage sein muß, Litzen von unterschiedlichen Größen verar beiten zu können. Die eigentlichen Arbeitsflächen am Sonotrodenkopf und dem entsprechend zugeordneten Amboß eignen sich bei den bekannten Geräten nur für Litzengrößen in einem definierten Bereich.

Eine entsprechende stationär ausgebildete Vorrichtung ist der DE-PS-31 51 151 zu entnehmen. Mit Hilfe dieser mit Ultraschall betriebenen Anlage ist es möglich, elektrische Leiter, wie zum Beispiel Litzen, in der Art zu verbinden, daß auf die bisher üblichen, die Knotenstelle umgebenden Hülsen verzichtet werden kann, wobei gleichzeitig eine hohe Festigkeit der Verbindung erzielt wird und keine Übergangswiderstände durch Oxidation entstehen.

Bei dieser bekannten Vorrichtung erfolgt die Anpassung an unterschied liche Leiterstärken durch Anbringen mehrerer Ausnehmungen verschiedener Größe an den Randflächen der Sonotrode und entsprechender Vorsprünge am Amboß. Sonotrodenausnehmungen und Amboßvorsprünge bilden jeweils paar weise Verdichtungsräume unterschiedlicher Abmessungen, die jeweils von zwei Sonotrodenflächen und von zwei Amboßflächen begrenzt sind. Sono trode und Amboß sind daher nicht nur verschiebbar zueinander geführt, was für das Einlegen der miteinander zu verbindenden Leiter erforder lich ist, sondern sind auch um ihre jeweiligen Achsen drehbar, um die zugeordneten Ausnehmungen und Vorsprünge zur Erzielung unterschiedlich großer Verdichtungsräume zueinander einzustellen.

Die bekannte Vorrichtung ist schon wegen der Drehverstellbarkeit von Amboß und Sonotrode von aufwendiger Konstruktion, zumal an den benach barten und zueinander parallelen Flächen von Amboß und Sonotrode enge Spalträume von wenigen hundertstel Millimeter Weite genau eingehalten werden müssen. Amboß und Sonotrode bedürfen daher in jeder der mög lichen Relativstellungen einer genauen Justierung der Spaltmaße. Ein Nachteil dieser bekannten Vorrichtung besteht darin, daß die Arbeitsflächen der Sonotroden, welche einem erheblichen Verschleiß unterliegen, einzeln nicht ausgetauscht werden können. Wird eine Arbeitsfläche der Sonotrode unbrauchbar, so ist es erforderlich, die gesamte Sonotrode abzumontieren und zu ersetzen.

Bei einer weiteren bekannten Vorrichtung dieser Gattung sind zwei getrennte Amboßteile vorgesehen, deren Amboßflächen gemeinsam mit der Sonotrodenfläche den Verdichtungsraum begrenzen.

Da die Amboßflächen nicht zur Übertragung der Schwingungsenergie in den Verdichtungsraum beitragen, sondern im Gegenteil noch eine Dämpfungs wirkung ausüben, besteht die Gefahr, daß die Litzenteile, welche an den Amboßflächen anliegen, keine ausreichende Energie aufnehmen können und daher nicht oder nur ungenügend verschweißt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß bei einfachem Aufbau und leichter Handhabbarkeit sichergestellt ist, daß zwischen Sonotrode und Amboß ein die Leiter im erforderlichen Umfang aufnehmender Ver dichtungsraum mit möglichst geringen Dämpfungsflächen ausgebildet wird, wobei eine problemlose Anpassung an unterschiedlichen Leiterabmessungen mit ausreichender Energieaufnahme gegeben ist.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Arbeits fläche der Sonotrode als integraler Bestandteil eines Werkstückes ausgebildet ist, welches mit der Sonotrode austauschbar befestigt ist. Der Sonotrodenkopf weist hierzu eine Halterung zur Aufnahme des ent sprechend angepaßten Werkstückes auf und die Arbeitsfläche ist an einem Ende des Werkstückes angeordnet.

In vorteilhafter Weise ist die Halterung als Bohrung im Sonotrodenkopf ausgebildet, welche das Werkstück mit der damit integral verbundenen Arbeitsfläche aufnimmt.

Das Werkstück und dementsprechend die Halterung bzw. Bohrung können verschiedene Ausführungen aufweisen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Radius der Bohrung über deren Tiefe ungleich ausgebildet, so daß das Werkstück dement sprechend kegelförmig gestaltet ist.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Radius der Bohrung über deren Tiefe konstant, so daß das Werkstück dementsprechend zylinderförmig ausgebildet ist. Der Querschnitt der Bohrung weist hierbei vorzugsweise einen runden Querschnitt auf. Er kann auch drei oder vieleckig ausgebildet sein.

In Weiterbildung der Erfindung steht die Flächennormale der Arbeits fläche senkrecht auf der Längsachse des Werkstückes, und die Arbeits fläche teilt mit ihren zwei parallel verlaufenden Seiten eine Front fläche des Werkstückes stufenförmig auf. Hierdurch wird eine weitere schwingungsfähige Fläche zur Begrenzung des Verdichtungsraumes zur Ver fügung gestellt, so daß eine größere Energiemenge den Verdichtungsraum bei gleicher Energieerzeugung beaufschlagen kann.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung bildet die Flächennor male der Arbeitsfläche mit der Längsachse des Werkstückes einen Winkel kleiner als 90°. Hierdurch erhält das einzulegende und zu ver schweißende Gut eine vorteilhafte Richtungskomponente, wodurch eine kompakte Lagerung im Verdichtungsraum sichergestellt ist.

Die Arbeitsfläche oder ihre innere Kante ist auf, über oder unter der Mittel-Längsachse des Werkstückes angeordnet. Die Arbeitsfläche weist ferner Ausformungen auf, so daß ein vorteilhafter Energieübergang in das zu verschweißende Gut gewährleistet ist.

Das Werkstück weist in einer Ausführungsform an seinem der Arbeits fläche gegenüberliegenden Ende Mittel zur Verspannung desselben in der Bohrung des Sonotrodenkopfes auf. Die Mittel zur Verspannung des Werkstückes können auch in seinem mittleren Bereich oder an seinem Umfang angeordnet sein. Es ist auch möglich, das Werkstück mit dem Sonotrodenkopf zu verlöten oder zu verkleben.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1a eine Seitenansicht die Sonotrode;

Fig. 1b eine Ansicht von vorn auf den Sonotrodenkopf;

Fig. 2a eine perspektivische Darstellung des Sonotrodenkopfes mit Arbeitsfläche;

Fig. 2b eine Seitenansicht des Werkstückes mit Arbeitsfläche;

Fig. 2c eine Seitenansicht des Werkstückes gemäß Fig. 2b, jedoch mit einer kleineren Arbeitsfläche;

Fig. 3 eine schematische Darstellung in Vorderansicht einer Vor richtung mit geschlossenem Verdichtungsraum, und

Fig. 4 eine schematische Darstellung in Vorderansicht einer Vor richtung nach Fig. 3 mit geöffnetem Verdichtungsraum.

Die Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine Sonotrode 1 mit Sonotro denkopf 2 nach der Erfindung. Der Sonotrodenkopf 2 ist mit einer Halte rung 3 versehen, die als Bohrung für die Aufnahme eines Werkstückes 4 ausgebildet ist, mit dem eine Arbeitsfläche integral verbunden ist, die in Fig. 2a-c näher erläutert wird. Ein Verbindungselement 5 stellt über den Verbindungskörper 6 den schwingungsübertragenden Kontakt zum nicht näher dargestellten Konverter her. Mit der Bezugsziffer 7 ist eine Fläche bezeichnet, welche im Bereich des Schwingungsknotens der Sonotrode liegt und welche zum Verspannen derselben dient. Eine weitere Fläche dieser Art liegt auf der nicht näher dargestellten Seite der Sonotrode.

Die Fig. 1b zeigt die Vorderansicht der Ausführungsform der Sonotrode nach Fig. 1a. Der in diesem Falle viereckig ausgebildete Sono trodenkopf 2 ist mit der Bohrung 3 versehen, deren Radius über die Länge der Bohrung 3 abnimmt, so daß das darin einsetzbare Werkstück 4 eine kegelstumpfförmige Ausbildung aufweist.

Die Fig. 2a zeigt eine gegenüber den Fig. 1a und 1b vergrößerte perspektivische Darstellung des Sonotrodenkopfes 2 mit dem Werkstück 4 und der mit diesem integral verbundenen Arbeitsfläche 8.

Die Fig. 2b und 2c zeigen jeweils ein Werkstück 4 mit unter schiedlich großen Arbeitsflächen 8 b und 8 c.

Jedes Werkstück 4 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel passend zur Bohrung 3 kegelstumpfförmig ausgebildet und weist jeweils eine Spannmutter 9 mit einer Spannschraube 10 auf. Zwischen dem Werkstück 4 und der Spannmutter 9 ist auf der Spannschraube 10 ein gewindefreies Teil 18 der Schraube zur Aufnahme einer nicht dargestellten Gegen scheibe vorhanden.

Die Frontseiten 11 b bzw. 11 c und 12 b bzw. 12 c des jeweiligen Werkstückes 4 sind durch die Arbeitsfläche 8 b bzw. 8 c stufenförmig unterteilt. Die Flächennormale 13 der Arbeitsfläche 8 b bzw. 8 c steht senkrecht auf der Längsachse 14 des Werkstückes 4.

Die Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der Vorrichtung mit einer ortsfest angeordneten Sonotrode 1, einem Sonotrodenkopf 2 und einem zur Sonotrode 1 sowohl vertikal als auch horizontal verschieblich angeordneten Amboß 15. Zur Durchführung der verschiedenen Bewegungen des Ambosses 15 dient eine Transportvorrichtung 16 mit einem Hydrau likzylinder 19 zur Ausführung der vertikalen Bewegung und mit einem weiteren Hydraulikzylinder 20 für die Horizontalbewegung. Der Verdich tungsraum 17 ist hierbei in einer geschlossenen Position dargestellt.

Die Fig. 4 zeigt die gleiche schematische Darstellung wie Fig. 3, jedoch in einer veränderten Position des Ambosses 15 mit seiner Amboßfläche 21 zur Arbeitsfläche 8. In dieser Position ist der Verdichtungsraum 17 geöffnet, so daß das nicht näher dargestellte Schweißgut entnommen und eingeführt werden kann.

Durch ein einfaches Lösen der Schraube 9 (s. hierzu Fig. 2) wird das Werkstück 4 aus dem Sonotrodenkopf 2 entnommen und durch ein anderes ausgetauscht. Dieser Austausch läßt sich schnell und leicht durch führen, wenn eine neue Arbeitsfläche 8 benötigt wird, sei es wegen ihrer Größe oder des Verschleißes. Wie insbesondere aus den Fig. 2a, 2b und 2c ersichtlich ist, überträgt nicht nur die Arbeitsfläche 8 bzw. 8b und 8c Schwingungsenergie auf das zu verschweißende Gut, sondern auch die Fläche 11 bzw. 11 b und 11 c, so daß der Verdichtungsraum 17 von zwei aufeinander senkrecht stehenden (oder bei einer nicht näher darge stellten Ausführungsform unter einem Winkel kleiner als 90° stehenden) Abstrahlungsflächen mit Schwingungsenergie beaufschlagt wird.

Die Arbeitsflächen 8 sind in an sich bekannter Weise ausgeformt.

Claims

1. Vorrichtung zum Verbinden elektrischer Leiter, insbesondere in Form von metallischen Litzen, durch Ultraschallenergie, mit einer Ultra schallschwingungen erzeugenden Sonotrode, welche im Sonotroden kopfbereich eine Arbeitsfläche und einen als Gegenwerkzeug dienen den, zur Arbeitsfläche der Sonotrode zugeordneten und zu dieser verschieblich ausgebildeten Amboß aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsfläche (8 bzw. 8 b, 8 c) der Sonotrode (1) als integraler Bestandteil eines Werkstückes (4) ausgebildet ist, welches mit der Sonotrode (1) austauschbar befestigt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sono trodenkopf (2) eine Halterung (3) zur Aufnahme des entsprechend angepaßten Werkstückes (4) aufweist und die Arbeitsfläche (8 bzw. 8 b, 8 c) an einem Ende des Werkstückes (4) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halte rung (3) als Bohrung im Sonotrodenkopf (2) ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der Bohrung über deren Tiefe ungleich ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der Bohrung über deren Tiefe konstant ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung einen runden Querschnitt aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung einen drei- oder vieleckigen Querschnitt aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder einem der voranstehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächennormale (13) der Arbeitsfläche (8 bzw. 8 b, 8 c) senkrecht auf der Längsachse (14) des Werkstückes (4) steht, und die Arbeitsfläche (8 bzw. 8 b, 8 c) mit ihren zwei parallel verlaufenden Seiten eine Frontfläche (11) des Werkstückes (4) stufenförmig (11 b, 12 b bzw. 11 c, 12 c) teilt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächennormale (13) der Arbeitsfläche (8 bzw. 8 b, 8 c) mit der Längsachse (14) des Werkstückes (4) einen Winkel kleiner als 90° bildet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder einem der voranstehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsfläche (8 bzw. 8 b, 8 c) oder ihre innere Kante (22) auf, über oder unter der Mittel-Längsachse (14) des Werkstückes (4) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder einem der voranstehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsfläche (8 bzw. 8 b, 8 c) Ausformungen aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder einem der voranstehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (4) an seinem der Arbeitsfläche (8 bzw. 8 b, 8 c) gegenüberliegendem Ende Mittel (9, 10, 18) zur Verspannung desselben in der Bohrung des Sonotroden kopfes (2) aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (4) in seinem mittleren Bereich oder an seinem Umfang Mittel zur Verspannung desselben mit dem Sonotrodenkopf (2) aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (4) mit dem Sonotrodenkopf (2) verlötet oder verklebt ist.