WO2008155013A1 - Ultrasonic welding station - Google Patents

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WO2008155013A1
WO2008155013A1 PCT/EP2008/004389 EP2008004389W WO2008155013A1 WO 2008155013 A1 WO2008155013 A1 WO 2008155013A1 EP 2008004389 W EP2008004389 W EP 2008004389W WO 2008155013 A1 WO2008155013 A1 WO 2008155013A1
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WO
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ultrasonic welding
welding station
station according
unit
control unit
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/004389
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German (de)
French (fr)
Inventor
Helge Steckmann
Original Assignee
Ultrasonics Steckmann Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Ultrasonics Steckmann Gmbh filed Critical Ultrasonics Steckmann Gmbh
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R43/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors
    • H01R43/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors for soldered or welded connections
    • H01R43/0207—Ultrasonic-, H.F.-, cold- or impact welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/10—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating making use of vibrations, e.g. ultrasonic welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/24—Preliminary treatment

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic welding station, in particular for welding together a number of metallic workpieces.
  • An ultrasonic welding station is typically used to perform ultrasonic welding. It is used, for example, to weld electrical conductors after the compaction preparatory to the welding, as known from DE 37 19 083 C1 or WO 95/10866.
  • a contact force which is applied via a sonotrode, which rests on one side of the contact surface to be formed, and at the same time the action of high-frequency vibrations , which usually have a frequency of 20 kHz exposed, so that the two workpieces are rubbed against each other at their contact boundary with high shear force.
  • a metallic compound by interaction of deformed on the metal surface electron structures. Prerequisite is a pure metal surface and a close contact of the workpieces to be welded together.
  • the plastic deformation of metal parts to be joined is the most important component of said connecting mechanism.
  • the degree of deformation depends both on the adjustable ultrasonic parameters, such as the power supplied by the generator, the vibration amplitude and the exposure time, as well as the profile of the tool surfaces and the material properties of the workpieces to be joined.
  • the heat production in small metal parts is due to the dissipation of the vibrational energy in the volume of the metal part by plastic shear deformation. prevented.
  • the shear strain transferred from the vibrating sonotrode to the surface of the metal is considered to be the ratio of the vibration amplitude to the sample thickness. This deformation is thus above the elastic limit.
  • the shearing deformation in the metal increases with vertical action to 195%. This deformation is far in the plastic range, wherein the shear direction changes at the frequency of 20 kHz.
  • the stress-strain deformation diagram of such a plastic deformation represents a hysteresis loop, the surface of which reflects the energy dissipated mainly as heat.
  • the ultrasonic welding process has some advantages over other, previously common, methods. This includes:
  • the mechanical vibrations of a sonotrode are introduced to the top of the metal parts to be joined in the horizontal axis, wherein the sonotrode is lowered with a given force generated by a pneumatic force on the surface of the upper part. This force is maintained constant during the ultrasonic welding process.
  • the pieces of metal to be processed are not necessarily made of the same material and, due to other external conditions, do not necessarily provide the optimum conditions for a fast and durable connection by the ultrasonic welding process.
  • the invention is therefore based on the object to provide an ultrasonic welding station, which connects a number of metal pieces particularly fast and reliable.
  • the invention is based on the consideration, for a particularly fast and reliable connection of metal pieces with each other, the temperature of at least that of the workpieces to be welded, which consists of a more conductive material and thus would require a longer start-up or excitation time, even before the welding process should be approximated in the welding at least at the contact surface necessary temperature.
  • the heating unit advantageously comprises a number of hot air blowers, whose output beam is expediently directed onto the workpiece, and / or a number of thermal radiators, which are in a particularly advantageous embodiment are designed as infrared emitters.
  • the heating unit therefore expediently comprises a suitable control unit.
  • control unit on the input side is advantageously connected to a sensor unit which transmits the necessary parameters to the control unit.
  • the sensor unit expediently comprises a temperature sensor. Any heating of the workpiece to be welded against, for example, the room temperature, especially in cold rooms or workshops, favors the possible speed and durability of the weld. Particularly useful, however, is the default setting of the heating unit to a temperature range to be reached for the workpiece to be processed between 30 and 50 degrees Celsius, with a default to a temperature of about 40 degrees Celsius proves to be particularly advantageous.
  • the advantages achieved by the invention are in particular that by one of the ultrasonic welding unit upstream heating unit two workpieces made of metal, which are to enter into a permanent connection with each other, the two metals must not be identical, can be particularly reliable and quickly welded together.
  • Fig. 3 is a contact and weld after the ultrasonic welding process in plan view.
  • the ultrasonic welding station 1 comprises an ultrasonic welding unit 2, which is preceded by a heating unit 4. At least one of the workpieces not to be welded together, which pass through the ultrasonic welding station 1 in the direction of the arrow and are welded together in the ultrasonic welding unit 2, passes through before the start of the work. raschall welding operation, the heating unit 4 and is heated to a temperature which is particularly suitable for ultrasonic welding.
  • the heating unit 4 For detecting and controlling the power to be provided as a function of the actual temperature and the predetermined target temperature of the workpiece to be processed, the heating unit 4 comprises a control unit 6.
  • This control unit 6 is in turn connected to the data input side with a sensor unit, not shown here with a temperature sensor, the is adapted to detect the temperature of the workpiece to be processed.
  • the sensor unit transmits the recorded data as parameters to be processed to the control unit 6.
  • the sensor unit optionally comprises a measuring unit (not shown here) for measuring the thickness of at least one of the workpieces to be processed, in order to be able to transmit a corresponding parameter to the control unit for requesting the required power depending on the determined material thickness.
  • a measuring unit (not shown here) for measuring the thickness of at least one of the workpieces to be processed, in order to be able to transmit a corresponding parameter to the control unit for requesting the required power depending on the determined material thickness.
  • the control unit 6 can also be optionally equipped with a choice for the default of the material of the workpiece to be heated, since the conductivity of the material plays a crucial role in the supply of necessary for heating to the predetermined target temperature energy. If it is a particularly conductive material, heat is lost more quickly than less conductive materials. Thus, this work more power must be supplied in the form of heat energy.
  • the supply of heat to at least one of the workpieces is dependent on the positioning of the workpieces. If both workpieces are to be heated, it is expedient in each case to provide a heating unit 4 both above and below the feed of the workpieces. If the heating of only one of the workpieces is necessary, the heating unit 4 is to be provided accordingly. hen, that it supplies the heat energy of the position of the workpiece to be heated accordingly.
  • the sonotrode 8 is subject to the action of high-frequency oscillations, which usually have a frequency of 20 kHz, so that the two workpieces are rubbed against each other at their contact boundary, ie in the area in which they have contact with each other, with high shear force ,
  • the mechanical vibrations of the sonotrode 8 are placed on the sonotrode 8 facing, so shown in FIG. 1 upper of the metal parts to be joined in the horizontal axis, the sonotrode 8 with a force generated by a pneumatic not shown here, which is about thirty kp , on the surface of the upper part is lowered. This force is maintained constant during the ultrasonic welding process.
  • the high-frequency shear creates a dense contact of pure metals, between the surface of a cooperation is possible, which need not be identical metals, but also different metals can be connected together.
  • the high-frequency shear force but also destroyed the oxide layers and impurities on the metal surfaces, crushed and hurled from the joint surface or at least transported to the edge.
  • the heating unit 4 is positioned on the same side as the ultrasonic welding unit 2 from the workpieces, as shown in FIG. If the workpiece is to be heated, which is supplied in opposite directions to the ultrasonic welding unit 2 and thus to the engagement direction of the sonotrode 8, the heating unit 4 is expediently provided on the side of the workpieces to be welded together, opposite the ultrasonic welding unit 2.
  • the sonotrode 8 has a circular end face with a peripheral contact area to the workpiece, which applies the force to the workpieces, as shown in FIG. 2.
  • This spur gear is provided with a corrugation, which ensures the teeth in the workpiece and thus the lateral movement of the workpieces to each other, whereby said high-frequency shearing force is generated.
  • the execution of the corrugation is dependent on the application and can be provided appropriately. It ensures at the welding and contact point for a destruction of the previous surface structure, as shown in Fig. 3.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
  • Lining Or Joining Of Plastics Or The Like (AREA)

Abstract

The invention relates to an ultrasonic welding station (1) with an ultrasonic welding unit (2) for connecting a number of metal pieces to one another in a quick and reliable manner. According to the invention, a heating unit (4) is mounted upstream of the ultrasonic welding unit.

Description

Beschreibung description
Ultraschall-SchweißstationUltrasonic welding station
Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschall-Schweißstation, insbesondere zum Verschweißen einer Anzahl von metallischen Werkstücken miteinander.The invention relates to an ultrasonic welding station, in particular for welding together a number of metallic workpieces.
Eine Ultraschall-Schweißstation dient typischerweise zur Durchführung von Ultraschall-Schweißungen. Sie wird beispielsweise eingesetzt, um elektrische Leiter nach erfolgter, die Schweißung vorbereitender Kompaktierung zu verschweißen, wie aus der DE 37 19 083 C1 oder der WO 95/10866 bekannt. Dazu werden in dem in der Ultraschall-Schweißstation durchgeführten Ultraschall-Schweißverfahren zwei miteinander zu verbindende metallische Werkstücke (oder Leiter) durch eine Anpresskraft, die über eine Sonotrode, die auf einer Seite der zu bildenden Kontaktfläche aufliegt, zusammengepresst und gleichzeitig der Einwirkung von hochfrequenten Schwingungen, die üblicherweise eine Frequenz von 20 kHz aufweisen, ausgesetzt, so dass die beiden Werkstücke an ihrer Kontaktgrenze mit großer Scherkraft aneinander gerieben werden.An ultrasonic welding station is typically used to perform ultrasonic welding. It is used, for example, to weld electrical conductors after the compaction preparatory to the welding, as known from DE 37 19 083 C1 or WO 95/10866. For this purpose, in the ultrasonic welding process carried out in the ultrasonic welding station, two metallic workpieces (or conductors) to be joined together are pressed together by a contact force, which is applied via a sonotrode, which rests on one side of the contact surface to be formed, and at the same time the action of high-frequency vibrations , which usually have a frequency of 20 kHz exposed, so that the two workpieces are rubbed against each other at their contact boundary with high shear force.
Durch die hochfrequente Scherkraft werden die Oxidschichten und Unreinigkeiten an den Metalloberflächen zerstört, zerkleinert und aus der Fügefläche geschleudert oder zumindest bis zum Rand transportiert. Dadurch entsteht ein dichter Kontakt reiner Metalle, zwischen deren Oberfläche eine Zusammenwirkung möglich ist, wobei es sich nicht um identische Metalle handeln muss, sondern auch verschiedene Metalle miteinander verbunden werden können.Due to the high-frequency shear force, the oxide layers and impurities on the metal surfaces are destroyed, crushed and thrown out of the joint surface or at least transported to the edge. This creates a dense contact of pure metals, between the surface of a cooperation is possible, which need not be identical metals, but also different metals can be connected together.
Die Kombination von drei Faktoren, wozu die statische Anpresskraft, die oszillierende Scherkraft und ein moderater Temperaturanstieg in dem Kontaktbereich gehören, erzeugen die beabsichtigte feste und dauerhafte Verbindung. Grund- sätzlich sind folgende Bindungsmechanismen an der Kontaktgrenze der Metalle zueinander vorgesehen:The combination of three factors, including static contact force, oscillating shear force and moderate temperature rise in the contact area, create the intended firm and permanent connection. Reason- In addition, the following bonding mechanisms are provided at the contact boundary of the metals with respect to one another:
1. Mechanische Verzahnung1. Mechanical gearing
- eine Verbindung durch ineinander geflossene Unregel-mäßigkeiten auf den Metalloberflächen, die durch Wirkung von wechselnden Scherkräften entstehen. Voraussetzung hierfür sind eine drastische plastische Verformung und das Fließen des Materials in der Schweißzone.- A compound by interflowing irregularities on the metal surfaces, which arise by the action of alternating shear forces. This requires a drastic plastic deformation and the flow of the material in the weld zone.
2. Adhäsion / Kohäsion2. Adhesion / cohesion
- eine metallische Verbindung durch Zusammenwirken von an der Metalloberfläche verformten Elektronenstrukturen. Voraussetzung sind eine reine Metalloberfläche sowie ein dichter Kontakt der zu verschweißenden Werkstücke zueinander.- A metallic compound by interaction of deformed on the metal surface electron structures. Prerequisite is a pure metal surface and a close contact of the workpieces to be welded together.
Beim Ultraschall-Schweißverfahren ist die plastische Verformung von zu verbindenden Metallteilen die wichtigste Komponente des genannten Verbindungsmechanismus. Der Grad der Verformung hängt sowohl von den einstellbaren Ultraschallparametern, wie der vom Generator zugeführten Leistung, der Schwingungsamplitude und der Einwirkzeit, als auch vom Profil der Werkzeugoberflächen und den Werkstoffeigenschaften der zu verbindenden Werkstücke ab.In the ultrasonic welding process, the plastic deformation of metal parts to be joined is the most important component of said connecting mechanism. The degree of deformation depends both on the adjustable ultrasonic parameters, such as the power supplied by the generator, the vibration amplitude and the exposure time, as well as the profile of the tool surfaces and the material properties of the workpieces to be joined.
Sehr große Verformungen werden durch die hochfrequente Reibungsbewegung der zu verbindenden Metallteile in der Kontaktzone erreicht. Diese Beanspruchung der Metalloberfläche führt zu einem wellenförmigen bzw. in extremen Fällen zu einem wirbeiförmigen Relief der Kontaktgrenze und zu mechanischen Verzahnungen und Verhackungen der Paarungskomponenten. Dies spielt eine positive Rolle für die Haftfestigkeit beim Ultraschallmetallverbinden.Very large deformations are achieved by the high-frequency friction movement of the metal parts to be joined in the contact zone. This stress on the metal surface leads to a wave-shaped or, in extreme cases, to a whirl-like relief of the contact boundary and to mechanical toothing and interlocking of the mating components. This plays a positive role for the bond strength in ultrasonic metal bonding.
Die Wärmeproduktion in kleinen Metallteilen ist mit der Dissipation der Schwingungsenergie im Volumen des Metallteils durch plastische Scherverformung ver- bunden. Die von der schwingenden Sonotrode auf die Oberfläche des Metalls übertragene Scherverformung ist als das Verhältnis der Schwingungsamplitude zur Probendicke zu betrachten. Diese Verformung liegt damit über der Elastizitätsgrenze. Die Scherverformung im Metall steigt damit bei senkrechter Einwirkung auf 195%. Diese Verformung liegt weit im plastischen Bereich, wobei sich die Scherrichtung mit der Frequenz von 20 kHz ändert. Das Spannungs-Scher- verformungs-Diagramm einer derartig plastischen Verformung stellt eine Hystereseschleife dar, deren Fläche die hauptsächlich als Wärme dissipierte Energie widerspiegelt.The heat production in small metal parts is due to the dissipation of the vibrational energy in the volume of the metal part by plastic shear deformation. prevented. The shear strain transferred from the vibrating sonotrode to the surface of the metal is considered to be the ratio of the vibration amplitude to the sample thickness. This deformation is thus above the elastic limit. The shearing deformation in the metal increases with vertical action to 195%. This deformation is far in the plastic range, wherein the shear direction changes at the frequency of 20 kHz. The stress-strain deformation diagram of such a plastic deformation represents a hysteresis loop, the surface of which reflects the energy dissipated mainly as heat.
Das Ultraschall-Schweißverfahren weist einige Vorteile gegenüber anderen, bisher gebräuchlichen, Verfahren auf. Dazu gehören:The ultrasonic welding process has some advantages over other, previously common, methods. This includes:
- Eine spezielle Oberflächenreinigung kann entfallen,- A special surface cleaning can be omitted,
- es wird keine Schutzatmosphäre benötigt,- no protective atmosphere is needed,
- der Energieverbrauch ist gering,- the energy consumption is low,
- die Schweißzeit ist kurz,- the welding time is short,
- die Vollautomatisierung des Schweißverfahrens und die Integration in andere Fertigungsverfahren und Fertigungsanlagen ist leicht möglich,- Full automation of the welding process and integration into other manufacturing processes and manufacturing facilities is easily possible,
- es besteht die Möglichkeit, die mit konventionellen Schweißmethoden nicht miteinander verbindbaren Metalle dauerhaft zu verbinden, und- It is possible to permanently connect the non-interconnectable metals with conventional welding methods, and
- es können Materialien unabhängig von ihrer Form und/oder Gestaltung miteinander verschweißt werden.- Materials can be welded together regardless of their shape and / or design.
Die mechanischen Schwingungen einer Sonotrode werden auf das obere der zu verbindenden Metallteile in der horizontalen Achse eingebracht, wobei die Sonotrode mit einer durch eine Pneumatik erzeugten vorgegebenen Kraft auf die Oberfläche des Oberteiles herabgesenkt wird. Diese Kraft wird während des Ultraschall-Schweißvorgangs konstant beibehalten. Allerdings bestehen die zu verarbeitenden Metallstücke nicht unbedingt aus dem gleichen Material und bieten auch aufgrund anderer äußerer Bedingungen nicht zwangsläufig die optimalen Voraussetzungen für eine schnelle und haltbare Verbindung durch den Ultraschall-Schweißvorgang.The mechanical vibrations of a sonotrode are introduced to the top of the metal parts to be joined in the horizontal axis, wherein the sonotrode is lowered with a given force generated by a pneumatic force on the surface of the upper part. This force is maintained constant during the ultrasonic welding process. However, the pieces of metal to be processed are not necessarily made of the same material and, due to other external conditions, do not necessarily provide the optimum conditions for a fast and durable connection by the ultrasonic welding process.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschall-Schweißstation anzugeben, die eine Anzahl von Metallstücken besonders schnell und zuverlässig miteinander verbindet.The invention is therefore based on the object to provide an ultrasonic welding station, which connects a number of metal pieces particularly fast and reliable.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem der Ultraschall-Schweißeinheit der Ultraschall-Schweißstation eine Erwärmungseinheit vorgeschaltet ist.This object is achieved by the ultrasonic welding unit of the ultrasonic welding station is preceded by a heating unit.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, für eine besonders schnelle und zuverlässige Verbindung von Metallstücken miteinander die Temperatur zumindest desjenigen der zu verschweißenden Werkstücke, das aus einem leitfähigeren Material besteht und somit eine längere Anlauf- bzw. Anregungszeit benötigen würde, schon vor dem Schweißvorgang der bei der Verschweißung zumindest an der Kontaktfläche notwendigen Temperatur angenähert werden sollte.The invention is based on the consideration, for a particularly fast and reliable connection of metal pieces with each other, the temperature of at least that of the workpieces to be welded, which consists of a more conductive material and thus would require a longer start-up or excitation time, even before the welding process should be approximated in the welding at least at the contact surface necessary temperature.
Unterschiedliche Metalle besitzen eine unterschiedliche Leitfähigkeit sowie eine unterschiedliche Molekularstruktur. Sollen Metalle mit diesen unterschiedlichen Eigenschaften im Ultraschall-Schweißverfahren miteinander verschweißt werden, kann dies in bisher ausgeübter Technik dazu führen, dass eines der Metalle bei ausschließlicher Anregung durch die Schwingungen nicht die für die Molekülanregung erforderliche Temperatur erreicht und somit eine Verbindung hergestellt wird, die den Anforderungen an Belastbarkeit und Dauerhaftigkeit nicht genügt. Um dies zu umgehen, müsste entweder die Verarbeitungsgeschwindigkeit des Schweißvorgangs herabgesetzt werden, damit das Metall die Möglichkeit hat, die erforderliche Eigentemperatur rechtzeitig zu erreichen. Oder die Umgebungstem- peratur müsste den Erfordernissen des Ultraschall-Schweißvorgangs entsprechend angepasst werden. Dies ist aber gerade bei typischen Fertigungsstätten wie Fabrikationshallen, besonders in der kalten Jahreszeit und bei eventueller Lagerung des zu verarbeitenden Materials in nicht geheizten Lagerbereichen, nicht zu gewährleisten, so dass von einer zu niedrigen Temperatur des zu verarbeitenden Materials für eine möglichst optimale und schnelle Verarbeitungsgeschwindigkeit und Haltbarkeit der erzeugten Verbindung auszugehen ist.Different metals have a different conductivity and a different molecular structure. If metals with these different properties are to be welded together using the ultrasound welding method, in the hitherto practiced technique this can lead to one of the metals not reaching the temperature required for the excitation of the molecule with exclusive excitation by the vibrations and thus producing a compound which produces the Requirements for resilience and durability is not enough. To circumvent this, either the processing speed of the welding process would have to be reduced, so that the metal has the opportunity to reach the required temperature in time. Or the environment temperature would have to be adapted to the requirements of the ultrasonic welding process. However, this is just in typical manufacturing plants such as manufacturing halls, especially in the cold season and possible storage of the material to be processed in non-heated storage areas, not guaranteed, so that too low a temperature of the material to be processed for the best possible and fast processing speed and durability of the compound produced.
Um eine schnelle und auf die gesamte zu verschweißende Fläche ausgedehnte Erwärmung der metallischen Werkstücke zu erreichen, umfasst die Erwärmungseinheit vorteilhafterweise eine Anzahl von Heißluftgebläsen, deren Ausgangsstrahl zweckmäßigerweise auf das Werkstück gerichtet ist, und/oder eine Anzahl von Thermostrahlern, die in einer besonders vorteilhaften Ausführung als Infrarot- Strahler ausgebildet sind.In order to achieve a rapid heating of the metallic workpieces over the entire area to be welded, the heating unit advantageously comprises a number of hot air blowers, whose output beam is expediently directed onto the workpiece, and / or a number of thermal radiators, which are in a particularly advantageous embodiment are designed as infrared emitters.
Abhängig von der Stärke des zu verschweißenden Materials und seiner Temperaturleitfähigkeit sollte dieses auf einen vorgegebenen Temperaturbereich erwärmt werden. Um diesen zuverlässig zu erreichen, umfasst die Erwärmungseinheit daher zweckmäßigerweise eine geeignete Steuereinheit.Depending on the thickness of the material to be welded and its thermal conductivity should be heated to a predetermined temperature range. In order to reliably achieve this, the heating unit therefore expediently comprises a suitable control unit.
Um eine dem zu verarbeitenden Material und der zu erreichenden Eigentemperatur angepasste Steuerung zu gewährleisten, ist die Steuereinheit datenein- gangsseitig vorteilhafterweise mit einer Sensoreinheit verbunden, die der Steuereinheit die notwendigen Parameter übermittelt.In order to ensure a control adapted to the material to be processed and the temperature to be attained, the control unit on the input side is advantageously connected to a sensor unit which transmits the necessary parameters to the control unit.
Um abhängig von der Ist-Temperatur und der vorgegebenen Soll-Temperatur eines zu erwärmenden Werkstücks die Leistungsdaten für die Erwärmungseinheit regeln und bei Erreichen der Soll-Temperatur anpassen zu können, umfasst die Sensoreinheit zweckmäßigerweise einen Temperaturfühler. Jede Erwärmung des zu verschweißenden Werkstücks gegenüber beispielsweise der Raumtemperatur, insbesondere in kalten Räumen oder Werkhallen, begünstigt die mögliche Geschwindigkeit und Dauerhaftigkeit der Verschweißung. Besonders zweckmäßig jedoch ist die Voreinstellung der Erwärmungseinheit auf einen für das zu verarbeitende Werkstück zu erreichenden Temperaturbereich zwischen 30 und 50 Grad Celsius, wobei sich eine Voreinstellung auf eine Temperatur von ungefähr 40 Grad Celsius als besonders vorteilhaft erweist.In order to be able to regulate the performance data for the heating unit as a function of the actual temperature and the predetermined setpoint temperature of a workpiece to be heated and to adjust it when the setpoint temperature is reached, the sensor unit expediently comprises a temperature sensor. Any heating of the workpiece to be welded against, for example, the room temperature, especially in cold rooms or workshops, favors the possible speed and durability of the weld. Particularly useful, however, is the default setting of the heating unit to a temperature range to be reached for the workpiece to be processed between 30 and 50 degrees Celsius, with a default to a temperature of about 40 degrees Celsius proves to be particularly advantageous.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch eine der Ultraschall-Schweißeinheit vorgeschaltete Erwärmungseinheit zwei Werkstücke aus Metall, die eine dauerhafte Verbindung miteinander eingehen sollen, wobei die beiden Metalle nicht identisch sein müssen, besonders zuverlässig und schnell miteinander verschweißt werden können.The advantages achieved by the invention are in particular that by one of the ultrasonic welding unit upstream heating unit two workpieces made of metal, which are to enter into a permanent connection with each other, the two metals must not be identical, can be particularly reliable and quickly welded together.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing. Show:
Fig 1. eine Ultraschall-Schweißstation in schematischer Darstellung,1 shows an ultrasonic welding station in a schematic representation,
Fig 2. eine Sonotrode in dreidimensionaler Ansicht, undFigure 2. a sonotrode in three-dimensional view, and
Fig. 3 eine Kontakt- und Schweißstelle nach dem Ultraschall-Schweißvorgang in Draufsicht.Fig. 3 is a contact and weld after the ultrasonic welding process in plan view.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.Identical parts are provided with the same reference numerals in all figures.
Die Ultraschall-Schweißstation 1 gemäß Fig. 1 umfasst eine Ultraschall-Schweißeinheit 2, der eine Erwärmungseinheit 4 vorgeschaltet ist. Mindestens eines der miteinander zu verschweißenden, hier nicht dargestellten Werkstücke, die in Pfeilrichtung die Ultraschall-Schweißstation 1 durchlaufen und in der Ultraschall- Schweißeinheit 2 miteinander verschweißt werden, durchläuft vor Beginn des UIt- raschall-Schweißvorgangs die Erwärmungseinheit 4 und wird auf eine Temperatur erwärmt, die für eine Ultraschall-Verschweißung besonders geeignet ist.The ultrasonic welding station 1 according to FIG. 1 comprises an ultrasonic welding unit 2, which is preceded by a heating unit 4. At least one of the workpieces not to be welded together, which pass through the ultrasonic welding station 1 in the direction of the arrow and are welded together in the ultrasonic welding unit 2, passes through before the start of the work. raschall welding operation, the heating unit 4 and is heated to a temperature which is particularly suitable for ultrasonic welding.
Zur Erkennung und Regelung der bereitzustellenden Leistung in Abhängigkeit von der Ist-Temperatur sowie der vorgegebenen Soll-Temperatur des zu verarbeitenden Werkstücks umfasst die Erwärmungseinheit 4 eine Steuereinheit 6. Diese Steuereinheit 6 wiederum ist dateneingangsseitig mit einer hier nicht dargestellten Sensoreinheit mit einem Temperaturfühler verbunden, der geeignet ausgelegt ist, die Temperatur des zu verarbeitenden Werkstücks zu erfassen. Die Sensoreinheit übermittelt die aufgenommenen Daten als zu verarbeitende Parameter an die Steuereinheit 6.For detecting and controlling the power to be provided as a function of the actual temperature and the predetermined target temperature of the workpiece to be processed, the heating unit 4 comprises a control unit 6. This control unit 6 is in turn connected to the data input side with a sensor unit, not shown here with a temperature sensor, the is adapted to detect the temperature of the workpiece to be processed. The sensor unit transmits the recorded data as parameters to be processed to the control unit 6.
Des Weiteren umfasst die Sensoreinheit optional eine hier ebenfalls nicht dargestellte Messeinheit für die Stärkenmessung mindestens eines der zu verarbeitenden Werkstücke, um abhängig von der ermittelten Materialstärke einen entsprechenden Parameter an die Steuereinheit zur Abforderung der benötigten Leistung übermitteln zu können.Furthermore, the sensor unit optionally comprises a measuring unit (not shown here) for measuring the thickness of at least one of the workpieces to be processed, in order to be able to transmit a corresponding parameter to the control unit for requesting the required power depending on the determined material thickness.
Die Steuereinheit 6 kann zudem optional mit einer Wahlmöglichkeit für die Voreinstellung des Materials des zu erwärmenden Werkstücks ausgerüstet werden, da die Leitfähigkeit des Materials eine entscheidende Rolle bei der Zuführung der zur Erwärmung auf die vorgegebene Soll-Temperatur notwendigen Energie spielt. Handelt es sich um ein besonders leitfähiges Material, geht gegenüber weniger leitfähigen Materialien schneller Wärme verloren. Somit muss diesem Werkstück mehr Leistung in Form von Wärmeenergie zugeführt werden.The control unit 6 can also be optionally equipped with a choice for the default of the material of the workpiece to be heated, since the conductivity of the material plays a crucial role in the supply of necessary for heating to the predetermined target temperature energy. If it is a particularly conductive material, heat is lost more quickly than less conductive materials. Thus, this work more power must be supplied in the form of heat energy.
Die Zuführung der Wärme auf mindestens eines der Werkstücke ist abhängig von der Positionierung der Werkstücke. Sollen beide Werkstücke erwärmt werden, ist es zweckmäßig, jeweils eine Erwärmungseinheit 4 sowohl ober- als auch unterhalb der Zuführung der Werkstücke vorzusehen. Ist die Erwärmung nur eines der Werkstücke notwendig, ist die Erwärmungseinheit 4 entsprechend derart vorzuse- hen, dass sie die Wärmeenergie der Lage des zu erwärmenden Werkstückes entsprechend zuführt.The supply of heat to at least one of the workpieces is dependent on the positioning of the workpieces. If both workpieces are to be heated, it is expedient in each case to provide a heating unit 4 both above and below the feed of the workpieces. If the heating of only one of the workpieces is necessary, the heating unit 4 is to be provided accordingly. hen, that it supplies the heat energy of the position of the workpiece to be heated accordingly.
Die Positionierung der Erwärmungseinheit 4 ist, wenn nur eines der miteinander zu verschweißenden Werkstücke vor Durchführung des Ultraschall-Schweißvorgangs erwärmt werden soll, abhängig von der Position der Ultraschall-Schweißeinheit 2 und der Sonotrode 8, die Bestandteil der Ultraschall-Schweißeinheit 2 ist.The positioning of the heating unit 4, if only one of the workpieces to be welded together to be heated before performing the ultrasonic welding operation, depending on the position of the ultrasonic welding unit 2 and the sonotrode 8, which is part of the ultrasonic welding unit 2.
Im Ultraschall-Schweißverfahren werden zwei miteinander zu verbindende metallische Werkstücke durch eine Anpresskraft zusammengepresst. Diese Anpresskraft wird durch die Sonotrode 8 auf die zu verschweißenden Werkstücke aufgebracht, indem die Sonotrode 8 auf einer Seite der zu bildenden Kontaktfläche aufliegt und die miteinander zu verschweißenden Werkstücke einseitig angreift.In the ultrasonic welding process, two metal workpieces to be joined together are pressed together by a contact force. This contact pressure is applied by the sonotrode 8 to the workpieces to be welded by the sonotrode 8 rests on one side of the contact surface to be formed and engages the workpieces to be welded together on one side.
Gleichzeitig mit dem Anpressdruck unterliegt die Sonotrode 8 der Einwirkung von hochfrequenten Schwingungen, die üblicherweise eine Frequenz von 20 kHz aufweisen, so dass die beiden Werkstücke an ihrer Kontaktgrenze, also in dem Bereich, in dem sie Kontakt zueinander haben, mit großer Scherkraft aneinander gerieben werden.Simultaneously with the contact pressure, the sonotrode 8 is subject to the action of high-frequency oscillations, which usually have a frequency of 20 kHz, so that the two workpieces are rubbed against each other at their contact boundary, ie in the area in which they have contact with each other, with high shear force ,
Die mechanischen Schwingungen der Sonotrode 8 werden auf das der Sonotrode 8 zugewandte, also nach Fig. 1 obere der zu verbindenden Metallteile in der horizontalen Achse eingebracht, wobei die Sonotrode 8 mit einem durch eine hier nicht dargestellte Pneumatik erzeugten Kraft, die ungefähr dreißig kp beträgt, auf die Oberfläche des Oberteiles herabgesenkt wird. Diese Kraft wird während des Ultraschall-Schweißvorgangs konstant beibehalten.The mechanical vibrations of the sonotrode 8 are placed on the sonotrode 8 facing, so shown in FIG. 1 upper of the metal parts to be joined in the horizontal axis, the sonotrode 8 with a force generated by a pneumatic not shown here, which is about thirty kp , on the surface of the upper part is lowered. This force is maintained constant during the ultrasonic welding process.
Durch die hochfrequente Scherkraft entsteht ein dichter Kontakt reiner Metalle, zwischen deren Oberfläche eine Zusammenwirkung möglich ist, wobei es sich nicht um identische Metalle handeln muss, sondern auch verschiedene Metalle miteinander verbunden werden können. Durch die hochfrequente Scherkraft wer- den aber auch die Oxidschichten und Unreinigkeiten an den Metalloberflächen zerstört, zerkleinert und aus der Fügefläche geschleudert oder zumindest bis zum Rand transportiert.The high-frequency shear creates a dense contact of pure metals, between the surface of a cooperation is possible, which need not be identical metals, but also different metals can be connected together. The high-frequency shear force but also destroyed the oxide layers and impurities on the metal surfaces, crushed and hurled from the joint surface or at least transported to the edge.
Soll das direkt mit der Sonotrode in Kontakt tretende Werkstück erwärmt werden, ist die Erwärmungseinheit 4 auf der gleichen Seite wie die Ultraschall-Schweißeinheit 2 von den Werkstücken positioniert, wie die Fig. 1 zeigt. Soll das Werkstück erwärmt werden, das der Ultraschall-Schweißeinheit 2 und somit der Angriffsrichtung der Sonotrode 8 entgegengesetzt zugeführt wird, ist die Erwärmungs- einheit 4 sinnvollerweise auf der der Ultraschall-Schweißeinheit 2 entgegengesetzten Seite der miteinander zu verschweißenden Werkstücke vorgesehen.If the workpiece directly contacting the sonotrode is to be heated, the heating unit 4 is positioned on the same side as the ultrasonic welding unit 2 from the workpieces, as shown in FIG. If the workpiece is to be heated, which is supplied in opposite directions to the ultrasonic welding unit 2 and thus to the engagement direction of the sonotrode 8, the heating unit 4 is expediently provided on the side of the workpieces to be welded together, opposite the ultrasonic welding unit 2.
Die Sonotrode 8 verfügt über eine kreisförmige Stirnfläche mit einem umlaufenden Kontaktbereich zum Werkstück, das die Kraft auf die Werkstücke aufbringt, wie die Fig. 2 zeigt. Dieses Stirnrad ist mit einer Riffelung versehen, das die Verzahnung im Werkstück und somit die seitliche Bewegung der Werkstücke zueinander sicherstellt, wodurch die genannte hochfrequente Scherkraft erzeugt wird.The sonotrode 8 has a circular end face with a peripheral contact area to the workpiece, which applies the force to the workpieces, as shown in FIG. 2. This spur gear is provided with a corrugation, which ensures the teeth in the workpiece and thus the lateral movement of the workpieces to each other, whereby said high-frequency shearing force is generated.
Die Ausführung der Riffelung ist abhängig von der Anwendung und kann entsprechend geeignet vorgesehen werden. Sie sorgt an der Schweiß- und Kontaktstelle für eine Zerstörung der vorherigen Oberflächenstruktur, wie in der Fig. 3 aufgezeigt. The execution of the corrugation is dependent on the application and can be provided appropriately. It ensures at the welding and contact point for a destruction of the previous surface structure, as shown in Fig. 3.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
Ultraschall-Schweißstation Ultraschall-Schweißeinheit Erwärmungseinheit Steuereinheit Sonotrode Ultrasonic welding station Ultrasonic welding unit Heating unit Control unit Sonotrode

Claims

008/00438911G070588P02. Juni 2008Ansprüche 008 / 00438911G070588P02. June 2008 claims
1. Ultraschall-Schweißstation mit einer Ultraschall-Schweißeinheit, der eine Erwärmungseinheit vorgeschaltet ist.1. Ultrasonic welding station with an ultrasonic welding unit, which is preceded by a heating unit.
2. Ultraschall-Schweißstation nach Anspruch 1 , deren Erwärmungseinheit eine Anzahl von Heißluftgebläsen umfasst.2. Ultrasonic welding station according to claim 1, whose heating unit comprises a number of hot air blowers.
3. Ultraschall-Schweißstation nach Anspruch 1 oder 2, deren Erwärmungseinheit eine Anzahl von Thermostrahlem umfasst.3. Ultrasonic welding station according to claim 1 or 2, the heating unit comprises a number of Thermostrahlem.
4. Ultraschall-Schweißstation nach Anspruch 3, deren Thermostrahler als Infrarotstrahler ausgeführt sind.4. ultrasonic welding station according to claim 3, the heat radiator are designed as infrared radiator.
5. Ultraschall-Schweißstation nach einem der Ansprüche 1 bis 4, deren Erwärmungseinheit eine Steuereinheit umfasst.5. Ultrasonic welding station according to one of claims 1 to 4, whose heating unit comprises a control unit.
6. Ultraschall-Schweißstation nach Anspruch 5, deren Steuereinheit dateneingangsseitig mit einer Sensoreinheit verbunden ist.6. Ultrasonic welding station according to claim 5, whose control unit is connected to the data input side with a sensor unit.
7. Ultraschall-Schweißstation nach Anspruch 6 mit einer Regeleinheit, die die Steuereinheit und die Sensoreinheit umfasst.7. ultrasonic welding station according to claim 6 with a control unit comprising the control unit and the sensor unit.
8. Ultraschall-Schweißstation nach Anspruch 6 oder 7, deren Sensoreinheit eine Anzahl von Temperaturfühlern umfasst. 8. ultrasonic welding station according to claim 6 or 7, the sensor unit comprises a number of temperature sensors.
9. Ultraschall-Schweißstation nach Anspruch 7 oder 8, deren Regeleinheit auf einen Soll-Temperaturbereich zwischen dreißig und fünfzig Grad Celsius voreingestellt ist.9. ultrasonic welding station according to claim 7 or 8, whose control unit is preset to a desired temperature range between thirty and fifty degrees Celsius.
10. Ultraschall-Schweißstation nach einem der Ansprüche 7 bis 9, deren Regeleinheit auf eine Soll-Temperatur von vierzig Grad Celsius voreingestellt ist. 10. Ultrasonic welding station according to one of claims 7 to 9, whose control unit is preset to a target temperature of forty degrees Celsius.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110186204A1 (en) * 2010-01-29 2011-08-04 Gm Global Technology Operations, Inc. Heating apparatus and method of use of the same in a vibration welding process

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE202010005770U1 (en) 2010-04-16 2010-09-02 Ultrasonics Steckmann Gmbh Ultrasonic welding machine
DE102015009373B4 (en) 2015-07-24 2018-11-29 Kunststoff-Zentrum In Leipzig Gemeinnützige Gmbh Method and apparatus for controlling the temperature of resonant ultrasonic sonotrodes
CN109228363A (en) * 2018-11-17 2019-01-18 芜湖新宝超声波设备有限公司 The synchronous ultrasonic welding post of arc car inner plate decoration

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4434347A (en) * 1981-08-19 1984-02-28 Fairchild Camera And Instrument Corporation Lead frame wire bonding by preheating
JPS6120341A (en) * 1984-07-09 1986-01-29 Toshiba Corp Wire bonding devive
JPS61237441A (en) * 1985-04-13 1986-10-22 Sharp Corp Wire bonding method
JPS6218725A (en) * 1985-07-17 1987-01-27 Nec Kansai Ltd Wire bonding method
JPS6378543A (en) * 1986-09-20 1988-04-08 Nec Kansai Ltd Wire bonding
JPS6380544A (en) * 1986-09-24 1988-04-11 Mitsubishi Electric Corp Heater for ic wiring bonder
JPH02310939A (en) * 1989-05-25 1990-12-26 Toshiba Corp Wire bonding
US5614113A (en) * 1995-05-05 1997-03-25 Texas Instruments Incorporated Method and apparatus for performing microelectronic bonding using a laser
EP1011132A2 (en) * 1998-12-18 2000-06-21 Ford Motor Company Ultrasonic bumping of electronic components
JP2001110840A (en) * 1999-10-13 2001-04-20 Sony Corp Wire-bonding device and method
US20060249561A1 (en) * 2005-05-03 2006-11-09 Norihiro Kawakami Spot heat wirebonding

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4434347A (en) * 1981-08-19 1984-02-28 Fairchild Camera And Instrument Corporation Lead frame wire bonding by preheating
JPS6120341A (en) * 1984-07-09 1986-01-29 Toshiba Corp Wire bonding devive
JPS61237441A (en) * 1985-04-13 1986-10-22 Sharp Corp Wire bonding method
JPS6218725A (en) * 1985-07-17 1987-01-27 Nec Kansai Ltd Wire bonding method
JPS6378543A (en) * 1986-09-20 1988-04-08 Nec Kansai Ltd Wire bonding
JPS6380544A (en) * 1986-09-24 1988-04-11 Mitsubishi Electric Corp Heater for ic wiring bonder
JPH02310939A (en) * 1989-05-25 1990-12-26 Toshiba Corp Wire bonding
US5614113A (en) * 1995-05-05 1997-03-25 Texas Instruments Incorporated Method and apparatus for performing microelectronic bonding using a laser
EP1011132A2 (en) * 1998-12-18 2000-06-21 Ford Motor Company Ultrasonic bumping of electronic components
JP2001110840A (en) * 1999-10-13 2001-04-20 Sony Corp Wire-bonding device and method
US20060249561A1 (en) * 2005-05-03 2006-11-09 Norihiro Kawakami Spot heat wirebonding

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110186204A1 (en) * 2010-01-29 2011-08-04 Gm Global Technology Operations, Inc. Heating apparatus and method of use of the same in a vibration welding process

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Publication number Publication date
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