WO2011138404A1

WO2011138404A1 - Torsionssonotrode, ultraschall-schweissvorrichtung und verfahren zur herstellung einer schweissverbindung mittels ultraschall

Info

Publication number: WO2011138404A1
Application number: PCT/EP2011/057219
Authority: WO
Inventors: Albert Büttiker
Original assignee: Telsonic Holding Ag
Priority date: 2010-05-07
Filing date: 2011-05-05
Publication date: 2011-11-10
Also published as: JP6143672B2; DE102010029395A1; EP2566652B1; US20130075454A1; JP2013532064A; RS56293B1; US8657182B2; HUE034423T2; PL2566652T3; CN103025469B; EP2566652A1; CN103025469A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Torsionssonotrode mit zwei einander gegenüberliegenden Stirnseiten (S1, S2) und einer eine Torsionsachse (T) umgebenden Umfangsflache (U), an der zumindest eine Arbeitsfläche (A1, A2, A3, A4) in einem radialen Abstand von der Torsionsachse (T) vorgesehen ist.

Description

Torsionssonotrode, Ultraschall-Schweißvorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung mittels Ultraschall

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Torsionssonotrode, eine Ultra^¬ schall-Schweißvorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung mittels Ultraschall.

Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet des Ultraschall^¬ schweißens. Sie betrifft insbesondere das Gebiet des Ultra^¬ schallschweißens von metallischen Bauteilen. Dabei werden die Bauteile durch die Wirkung einer Ultraschallschwingung im Wesentlichen parallel zu einer Schweißfläche relativ zueinander bewegt, wobei gleichzeitig senkrecht dazu ein Druck bzw. eine Schweißkraft auf die zu verbindenden Bauteile ausgeübt wird. Die Ultraschallschwingung ermöglicht das Aufreißen und Ver- drängen der meist auf Teiloberflächen vorhandenen Kontamina- tions- und Oxidschichten. Der sich daraus ergebende direkte Kontakt der reinen Metalloberflächen führt zu einer dauerhaften stoffschlüssigen Verbindung der metallischen Bauteile. Aus der US 3,039,333 ist eine Ultraschall-Scheißvorrichtung bekannt, bei der eine stabförmige Sonotrode mittels radial sich davon erstreckender Koppler an zwei Konverter gekoppelt ist. Eine gegen die zu verbindenden Bauteile gedrückte Ar^¬ beitsfläche der Sonotrode wird dabei im Wesentlichen parallel zur Schweißfläche entlang eines geradlinigen Wegs hin und her bewegt . Die US 5,603,444 offenbart eine Ultraschall-Schweißvorrichtung mit einer Longitudinalsonotrode, deren Arbeitsfläche ebenfalls entlang eines geraden Wegs hin und her bewegt wird. Die Longitudinalsonotrode ist in herkömmlicher Weise über Schraubverbindungen und unter Zwischenschaltung eines Boosters mit einem Konverter verbunden. Ferner ist eine Druckeinrichtung zur Erzeugung eines Drucks auf die Arbeitsfläche vorgesehen. Der von der Druckeinrichtung erzeugte Druck wird über die Knotenlinien der Longitudinalsonotrode aufgebracht. - In der Praxis hat es sich herausgestellt, dass die vom Kon^¬ verter bereitgestellte Ultraschallleistung nur zu einem

Bruchteil auf die Arbeitsfläche übertragen wird. Nach neueren Erkenntnissen ist das darauf zurückzuführen, dass es infolge der auf die Arbeitsfläche ausgeübten Druckkraft zu Kippbewe- gungen der aneinander liegenden Fügeflächen zwischen der Longitudinalsonotrode und dem Booster sowie zwischen dem Booster und dem Konverter kommt. Dieser Effekt nimmt mit zunehmendem Druck zu. Die EP 1 930 148 AI offenbart eine Ultraschall-Schweißvorrichtung unter Verwendung einer sogenannten Torsionssonotrode. Es handelt sich dabei um eine im Wesentlichen rotations^¬ symmetrisch ausgebildete Sonotrode, an deren einer Stirnseite die Arbeitsfläche vorgesehen ist. In der Nähe der anderen Stirnseite sind an eine Umfangsfläche der Torsionssonotrode

Konverter gekoppelt, mit denen eine um eine Torsionsachse ge^¬ richtete Schwingung auf die Torsionssonotrode übertragen wird. Infolgedessen bewegt sich die gegen die zu verbindenden Bauteile gedrückte Arbeitsfläche auf einer zum Umfang der Torsionssonotrode korrespondierenden Bogenlinie hin und her. Nachteilig dabei ist es, dass eine auf die zu verbindenden Bauteile übertragene Leistung in einem radial innen liegenden Abschnitt der Arbeitsfläche kleiner ist als in einem radial außen liegenden Abschnitt der Arbeitsfläche. Infolgedessen ist die Schweißverbindung zwischen den zu verbindenden Bauteilen ungleichmäßig. Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere eine Sonotro- de angegeben werden, mit der mit verbesserter Effizienz die vom Konverter bereitgestellte Leistung auf die Arbeitsfläche übertragen werden kann. Die verbesserte Effizienz der Leis- tungsübertragung soll insbesondere auch bei der Ausübung eines hohen Drucks erreicht werden. Nach einem weiteren Ziel der Erfindung sollen eine Ultraschall-Schweißvorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung mittels Ultraschall angegeben werden, welche eine effiziente und gleichmäßige Herstellung einer Schweißverbindung zwischen zu verbindenden Bauteilen ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 10 und 19 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 9 und 11 bis 18.

Nach Maßgabe der Erfindung wird eine Torsionssonotrode vorge^¬ schlagen, mit zwei einander gegenüberliegenden Stirnseiten und einer eine Torsionsachse umgebenden Umfangsfläche, an der zumindest eine Arbeitsfläche mit einem radialen Abstand von der Torsionsachse vorgesehen ist.

Bei der erfindungsgemäßen Torsionssonotrode befindet sich die Arbeitsfläche in Abkehr vom Stand der Technik nicht mehr an einer der Stirnseiten, sondern an der die Torsionsachse umgebenden Umfangsfläche . Infolgedessen weisen sämtliche Flächenelemente der Arbeitsfläche im Wesentlichen denselben radialen Abstand zur Torsionsachse auf. Es kann über einen wesentli- chen Abschnitt der Arbeitsfläche hinweg eine gleichmäßige Leistung auf die zu verschweißenden Bauteile übertragen werden. Eine mit der erfindungsgemäßen Sonotrode hergestellte Schweißverbindung ist gleichmäßig.

Ferner ermöglicht die vorgeschlagene Torsionssonotrode eine im Wesentlichen verlustfreie Übertragung der vom Konverter bereitgestellten Leistung auf die Arbeitsfläche. Es treten dabei keine Kippbewegungen an den Fügeflächen zwischen der Torsionssonotrode, einem eventuell vorgesehenen Booster und dem Konverter auf. Die Arbeitsfläche führt eine torsionale Bewegung um die Torsionsachse, nicht jedoch eine longitudina- le Bewegung parallel zur Torsionsachse aus. - Die vorgeschla^¬ gene Torsionssonotrode eignet sich insbesondere zur Herstel- lung einer Schweißverbindung zwischen metallischen Bauteilen, beispielsweise zwischen einer Litze und einem Stecker.

Bei einer geeigneten Anregung der vorgeschlagenen Torsionssonotrode mit Ultraschall treten kleine oder keine Wesentlichen Dehnungen in der Axialrichtung, sondern durch den Torsionsmodul G zu beschreibende Verdrillungen in der Querrichtung, auf. Für die Frequenz der Torsionsschwingung gilt:

wobei n eine ganze Zahl > 0 ist,

1 die axiale Länge der Torsionselektrode

p die Dichte der Torsionssonotrode ist.

Eine axiale Länge 1 der Torsionssonotrode wird zweckmäßiger- weise so gewählt, dass diese bei einer vorgegebenen Frequenz v_n eine stehende Schwingung bzw. Eigenschwingung mit der Wellenlänge λ ausführt. In diesem Fall ist die Arbeitsfläche mittig an der Umfangsfläche vorgesehen. - Grundsätzlich ist es aber möglich, eine axiale Länge 1 der Torsionssonotrode bezüglich einer vorgegebenen Frequenz v_n so zu wählen, dass damit Eigenschwingungen der Wellenlänge ηλ/2 erzeugbar sind, wobei n eine ganze Zahl > 0 ist. D. h. eine Länge 1 der Tor^¬ sionssonotrode kann auch λ/2, 3λ/2, 2λ usw. betragen. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Torsionssonotrode an der Umfangsfläche beidseits der zumindest einen Arbeitsfläche jeweils eine, vorzugsweise radial vorspringen^¬ de, Ringfläche auf, welche bezüglich einer Wellenlänge einer Eigenschwingung der Torsionssonotrode auf einer Knotenlinie liegt. Zweckmäßigerweise ist eine axiale Länge 1 der Torsi^¬ onssonotrode so gewählt, dass diese bei einer vorgegebenen Ultraschallfrequenz genau der Wellenlänge λ der Eigenschwingung entspricht. In diesem Fall befinden sich die Knotenlinien etwa bei 1/4 und 3/4 der Länge 1 der Torsionssonotrode. Die Arbeitsfläche kann in diesem Fall zwischen den Knotenlinien angeordnet sein und befindet sich etwa bei 1/2 der Länge 1 der Torsionssonotrode.

Vorteilhafterweise ist die Torsionssonotrode bezüglich einer senkrecht durch die Torsionsachse verlaufenden Symmetrieebene symmetrisch ausgebildet. Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Kontur bzw. ein Umriss der Arbeitsfläche bezüglich der Symmetrieebene symmetrisch ausgebildet. Insbesondere kann es so sein, dass die Symmetrieebene durch die zumindest eine Arbeitsfläche verläuft und die Arbeitsflä^¬ che symmetrisch bezüglich der Symmetrieebene ist. Eine solche Ausgestaltung der Torsionssonotrode ist besonders einfach. Dabei ist die zumindest eine Arbeitsfläche mittig bezüglich der axialen Länge 1 der Torsionssonotrode an deren Umfangs- fläche angeordnet.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Torsionssonotrode ein die zumindest eine Arbeitsfläche umfas^¬ sendes Mittelteil auf, welches lösbar mit beidseits davon sich erstreckenden, jeweils eine der Stirnseiten aufweisenden Endstücken verbunden ist. Dabei kann jedes der Endstücke eine Ringfläche aufweisen. Eine Verbindung zwischen den Endstücken und dem Mittelteil kann beispielsweise eine Schraubverbindung sein. Es kann auch sein, dass die beiden Endstücke unmittel^¬ bar miteinander, beispielsweise mittels einer Schraubverbindung, verbunden werden und das Mittelteil als Ring ausgebil^¬ det ist, welcher auf die verbundenen Endstücke aufgeschrumpft wird. - Das Vorsehen eines die Arbeitsflächen umfassendes

Mittelteils ermöglicht es, eine Arbeitsflächengeometrie durch einen Austausch des Mittelteils zu ändern. Im Falle einer Beschädigung einer Arbeitsfläche kann eine Reparatur der Torsionssonotrode ebenfalls einfach durch einen Austausch des Mit- telteils vorgenommen werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Arbeitsfläche mit einem vorgegebenen Radius in Umfangsrichtung gekrümmt. Zweckmäßigerweise hat der Radius seinen Ursprung in der Torsionsachse, d. h. in diesem Fall liegt die Arbeitsflä^¬ che also auf einem Umfang um die Torsionsachse.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Arbeitsfläche eine radial vorspringende, umlaufende Ring-Ar- beitsfläche. Eine solche Ring-Arbeitsfläche ermöglicht beson^¬ ders hohe Standzeiten der Torsionssonotrode. Sofern ein Ab^¬ schnitt der Ring-Arbeitsfläche verbraucht ist, kann durch Verdrehen der Torsionssonotrode um einen vorgegebenen Winkel- betrag ein weiterer noch unverbrauchter Abschnitt der Ring- Arbeitsfläche zur Herstellung weiterer Schweißverbindungen bereitgestellt werden. Damit kann die mit der vorgeschlagenen Torsionssonotrode herstellbare Anzahl an Schweißverbindungen gegenüber herkömmlichen Sonotroden vervielfacht werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann es auch sein, dass n Arbeitsflächen vorgesehen sind, welche gleichmäßig über den Umfang in einem Winkel von 360°/n angeordnet sind, wobei n eine ganze Zahl > 1 ist. In diesem Fall sind die Arbeitsflächen beispielsweise ambossartig ausgeführt und springen von einer Umfangsfläche der Torsionssonotrode radial vor. Es können beispielsweise 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder mehr derartige Arbeitsflächen vorgesehen sein. Das Vorsehen einer Vielzahl von Arbeitsflächen ermöglicht - ähnlich wie beim

Vorsehen einer Ring-Arbeitsfläche - einen raschen Wechsel im Falle eines Verbrauchs einer Arbeitsfläche. Eine solche Tor^¬ sionssonotrode hat eine besonders hohe Standzeit. Ein Wechsel von einer Arbeitsfläche auf eine andere Arbeitsfläche kann durch eine einfache Rotation der Torsionssonotrode erfolgen. Ein Austausch oder eine Demontage ist dazu nicht erforder^¬ lich.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Ar- beitsfläche eine Struktur, vorzugsweise Rillen, auf. Die Ril^¬ len können axial oder schräg bezüglich der Axialrichtung verlaufen. Sie können gekreuzt angeordnet sein. Ferner ist es nach einer vorteilhaften Ausgestaltung möglich, die Arbeitsfläche mit polykristallinem Diamant (PKD) zu beschichten. Ei- ne solche PKD-Schicht kann beispielsweise auf die Arbeitsflä^¬ che aufgelötet werden. Damit kann die Haltbarkeit der Ar^¬ beitsfläche erhöht und/oder eine unerwünschte Verbindung beim Schweißen, insbesondere mit Aluminium, vermieden werden. Nach weiterer Maßgabe der Erfindung wird eine Ultraschall- Schweißvorrichtung vorgeschlagen, bei der zumindest ein Konverter mit einer erfindungsgemäßen Torsionssonotrode zur Er- zeugung einer um die Torsionsachse gerichteten Ultraschall^¬ schwingung gekoppelt ist. - Mit der vorgeschlagenen Ultraschall-Schweißvorrichtung gelingt die Übertragung einer hohen Leistung auf die zu verbindenden Bauteile. Es können damit relativ dicke metallische Bauteile in einer hervorragenden Qualität verschweißt werden.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Konverter radial mit einem Torsionsschwingelement verbunden, welches an eine der Stirnseiten der Torsionssonotrode gekoppelt ist. Bei dem Torsionsschwingelement handelt es sich beispielsweise um einen zylindrischen Stab. Selbstverständlich ist es auch möglich, mehrere Konverter radial mit dem Torsionsschwingelement zur Erzeugung der Torsionsschwingung zu verbinden. Derartige Torsionsschwingeinrichtungen sind nach dem Stand der Technik an sich bekannt. Es wird verwiesen auf die EP 1 930 148 AI, welche in [0039] und [0040] sowie den Fig. 2 und 3 geeignete Torsionsschwingeinrichtungen offenbart. Der Offenbarungsgehalt des Dokuments wird insoweit einbezogen. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Torsionsschwingelement unter Zwischenschaltung eines Boosters mit der Stirnseite der Torsionssonotrode verbunden. Der Boos^¬ ter hat die Funktion, die vom Konverter bereitgestellte Amplitude zu verändern und sie in die erfindungsgemäße Torsions- sonotrode weiterzuleiten. Je nach Bauform des Boosters kann die Amplitude verkleinert oder vergrößert werden. In der Re^¬ gel werden Booster verwendet, welche die vom Konverter be- reitgestellte Amplitude vergrößern. Die Übersetzungen eines Boosters können beispielsweise 1:1,5 bis 1:2 betragen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung kann ein weiterer Konverter zur Erzeugung einer um die Torsionsachse gerichteten Ultraschallschwingung an die andere der Stirnseiten der Torsionssonotrode gekoppelt sein. Der weitere Konverter kann radial mit einem weiteren Torsionsschwingelement verbunden sein, welches an die andere Stirnseite der Torsionssonotrode gekop- pelt ist. Eine entsprechende weitere Torsionsschwingeinrich^¬ tung kann baugleich mit der vorgenannten Torsionsschwingeinrichtung ausgeführt sein. Es kann insbesondere auch sein, dass das weitere Torsionsschwingelement unter Zwischenschal^¬ tung eines weiteren Boosters mit der anderen Stirnseite der Torsionssonotrode verbunden ist. - Mit der vorgenannten Aus^¬ gestaltung gelingt es, besonders hohe Leistungen in die Tor^¬ sionssonotrode einzukoppeln . Eine Phase der Schwingungen des Konverters und des weiteren Konverters und ggf. die Überset^¬ zungsverhältnisse der Booster sind dabei so aufeinander abge- stimmt, dass sich die jeweils eingekoppelten Leistungen ergänzen .

Nach einer weiteren Ausgestaltung ist eine Druckeinrichtung zur Erzeugung eines im Wesentlichen senkrecht zur Torsions- achse wirkenden Drucks auf die Arbeitsfläche vorgesehen. Da^¬ bei kann es sich beispielsweise um eine hydraulisch, pneuma^¬ tisch oder elektrisch betriebene Druckeinrichtung handeln. Der Druck auf die Arbeitsfläche kann erzeugt werden, indem die Torsionssonotrode mit der daran vorgesehenen Arbeitsflä- che gegen einen feststehenden Amboss bzw. die darauf auflie^¬ genden zu verbindenden Bauteile gedrückt wird. Es kann aber auch sein, dass die Torsionssonotrode feststeht und der Am^¬ boss gegen die Arbeitsfläche gedrückt wird. In jedem Fall ist es zweckmäßig, dass die Torsionssonotrode mit den daran vorgesehenen Ringflächen mit einer Stützvorrichtung abgestützt ist. Da die Ringflächen auf der Knotenli- nie der Torsionssonotrode liegen, geht durch die vorgeschla^¬ gene Abstützung keine Leistung verloren.

Die Stützeinrichtung kann mit der Druckeinrichtung verbunden sein. In diesem Fall kann die Torsionssonotrode mit der

Druckeinrichtung gegen einen feststehenden Amboss bewegt werden .

Nach weiterer Maßgabe der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung mittels Ultraschall mit folgenden Schritten vorgeschlagen:

Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Torsionssonotrode,

Anordnen zweier miteinander zu verschweißender Bauteile zwi- sehen der Arbeitsfläche und einer Unterlage,

Ausübung eines im Wesentlichen senkrecht zur Torsionsachse wirkenden Drucks, so dass die miteinander zu verschweißenden Bauteile zwischen der Arbeitsfläche und der Unterlage einge- klemmt werden, und

Erzeugung einer Ultraschallschwingung um die Torsionsachse, so dass die Arbeitsfläche um die Torsionsachse auf einer ge^¬ bogenen Bahn schwingt und durch die damit auf die zu ver- schweißenden Bauteile ausgeübte Reibungskraft eine Schweiß^¬ verbindung hergestellt wird. Nach einem wesentlichen Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens beschreibt die Arbeitsfläche bezüglich der Unterlage ei^¬ ne pendelartige Bewegung um die Torsionsachse. Dabei bleibt eine senkrecht zur Torsionsachse stehende Schwingungsebene im Wesentlichen unverändert, d. h. die Arbeitsfläche bewegt sich nicht oder nur unwesentlich in einer Richtung parallel zur Torsionsachse. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren kann eine besonders hohe Leistung auf die zu verbindenden Bauteile übertragen werden. Die Amplitude der Schwingung ist an allen Stellen der Arbeitsfläche gleich. Es gelingt damit, eine be^¬ sonders homogene Schweißverbindung herzustellen.

Bei der Unterlage kann es sich um einen feststehenden Amboss handeln. Es ist allerdings auch möglich, dass die Unterlage nach Art einer weiteren erfindungsgemäßen Torsionssonotrode ausgebildet ist. In diesem Fall schwingen die Torsionssonot^¬ rode und die weitere Torsionssonotrode vorteilhafterweise ge^¬ genläufig. Damit kann ein Abstand zwischen der Arbeitsfläche der Torsionssonotrode und einer weiteren Arbeitsfläche der weiteren Torsionssonotrode im Wesentlichen konstant gehalten werden. Mit dieser Ausgestaltung kann eine noch wesentlich höhere Leistung auf die zu verschweißenden Bauteile übertra^¬ gen werden. Die zu verschweißenden Bauteile können bei dieser Ausgestaltung mit einer bezüglich der Torsionssonotrode und der weiteren Torsionssonotrode feststehenden Halteeinrichtung gehalten werden, welche ein Ausweichen der miteinander zu verschweißenden Bauteile verhindert.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Torsions^¬ sonotrode, Fig. 2 eine Draufsicht gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine erste Seitenansicht gemäß Fig. 1 und

Fig. 4 eine zweite Seitenansicht gemäß Fig. 1,

Fig. 5 eine Seitenansicht einer zweiten Torsionssonotrode, Fig. 5a eine Eigenschwingung der Wellenlänge λ bei der

zweiten Torsionssonotrode,

Fig. 6 eine Draufsicht gemäß Fig. 5, Fig. 7 eine Schnittansicht gemäß der Schnittlinie A-A in

Fig. 5,

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht einer dritten Torsi^¬ onssonotrode,

Fig. 9 eine Seitenansicht gemäß Fig. 8,

Fig. 10 eine Draufsicht gemäß Fig. 8, Fig. 11 eine Schnittansicht gemäß der Schnittlinie A-A in

Fig. 9 und

Fig. 12 eine schematische Ansicht einer Ultraschall- SchweißVorrichtung .

Die in den Fig. 1 bis 4 gezeigte erste Torsionssonotrode weist zwei einander gegenüberliegende runde Stirnseiten Sl, S2 auf, durch deren Mittelpunkt sich zentrisch eine erste Gl und eine zweite Gewindebohrung G2 erstreckt. Eine die Stirn^¬ seite Sl und S2 verbindende Umfangsflache U ist hier zylind^¬ risch ausgebildet. Die Umfangsflache U ist eine zumindest ab^¬ schnittsweise gedachte Fläche, die in ihrer

Querschnittsgeometrie im Wesentlichen der Geometrie der

Stirnseiten entspricht. Die erste Torsionssonotrode weist zwei im Wesentlichen zylindrisch ausgebildete Endabschnitte El, E2 auf. Ein erster Endabschnitt El ist durch die erste Stirnseite Sl und ein zweiter Endabschnitt E2 durch die zwei- te Stirnseite S2 begrenzt. Zwischen den Endabschnitten El, E2 befindet sich ein Mittelteil M mit zwei von der Umfangsflache U vorspringenden, einander gegenüberliegenden ambossartigen Vorsprüngen VI, V2. Ein erster Vorsprung VI weist eine erste Arbeitsfläche AI und ein zweiter Vorsprung V2 eine zweite Ar- beitsfläche A2 auf. Ein radialer Abstand der Arbeitsflächen AI, A2 von einer mit dem Bezugszeichen T bezeichneten Torsionsachse ist vorteilhafterweise größer als ein Radius der Um- fangsfläche U. Er beträgt beispielsweise 50 bis 100 mm, vor^¬ zugsweise 60 bis 90 mm. Ein Radius der Umfangsfläche kann 30 bis 70 mm, vorzugsweise 40 bis 60 mm, betragen.

Beidseits des Mittelteils M sind an den Endstücken El, E2 von der Umfangsfläche U radial vorspringende Ringflächen Rl, R2 vorgesehen .

Die erste Torsionssonotrode ist bezüglich der in Fig. 4 ge^¬ zeigten Symmetrieebene SY symmetrisch ausgebildet. Die Sym^¬ metrieebene SY steht senkrecht auf einer mit dem Bezugszei^¬ chen T bezeichneten Torsionsachse. Die Endstücke El, E2 sind hier im Wesentlichen bezüglich der Torsionsachse T rotations- symmetrisch ausgebildet. Die in den Fig. 5 bis 7 gezeigte zweite Torsionssonotrode weist zwischen den Endstücken El, E2 ein zweites Mittelteil M2 auf, welches über den Umfang verteilt vier ambossartige Vorsprünge VI, V2, V3, V4 aufweist. Die Vorsprünge VI, V2, V3, V4 sind jeweils um einen Winkel von 90° versetzt zueinan^¬ der angeordnet. Sie sind bezüglich der Symmetrieebene SY sym^¬ metrisch ausgebildet. Die an den Umfangsflachen jedes der Vorsprünge VI, V2, V3, V4 vorgesehenen Arbeitsflächen AI, A2, A3, A4 sind in Umfangsrichtung gekrümmt ausgebildet. Deren Krümmungsradius erstreckt sich von der Torsionsachse T und ist in Fig. 7 mit dem Bezugszeichen R bezeichnet. Wie insbe^¬ sondere aus Fig. 7 des Weiteren ersichtlich ist, weist jede der Arbeitsflächen AI, A2, A3, A4 eine Struktur auf, welche beispielsweise durch axial verlaufende Rillen gebildet sein kann.

Wie insbesondere in Zusammensicht mit Fig. 5 ersichtlich ist, ist eine axiale Länge 1 der Torsionssonotrode so gewählt, dass sich bei einer vorgegebenen Ultraschallfrequenz die in Fig. 5a gezeigte stehende Schwingungen mit der Wellenlänge λ ergibt. Fig. 5a zeigt die Amplitude +/- p beider entgegenge^¬ setzter Schwingungszustände über der Länge 1 der Torsionsso^¬ notrode. Die Nulldurchgänge der stehenden Schwingung bilden Knotenlinien, auf denen die Ringflächen Rl, R2 sich befinden. Die Torsionssonotrode schwingt derart, dass sich die Endstü^¬ cke El, E2 jeweils entgegengesetzt zum Mittelteil M2 bewegen.

In Abweichung von der in den Fig. 5 bis 7 gezeigten Ausgestaltung kann es auch sein, dass anstelle der Vorsprünge VI, V2, V3, V4 ein einziger (hier nicht gezeigter) ringartiger

Vorsprung vorgesehen ist, auf dem eine umlaufende Arbeitsflä^¬ che (hier nicht gezeigt) ausgebildet ist. Ferner ist es auch denkbar, dass anstelle der vier Vorsprünge VI, V2, V3, V4 sechs oder acht Vorsprünge vorgesehen sein können.

Fig. 8 bis 11 zeigen eine dritte Torsionssonotrode . Bei der dritten Torsionssonotrode weisen die Endstücke El, E2 in ei^¬ nem bezüglich der Ringflächen Rl, R2 außenliegenden Abschnitt al, a2 einen kleineren Durchmesser auf als ein in der Nähe eines dritten Mittelteils M3 befindlichen inneren Abschnitts a3, a4. Wegen der bezüglich der Ringflächen Rl, R2 unter- schiedlichen Ausgestaltung der Durchmesser der Endstücke El, E2 haben diese die Wirkung eines Boosters. Ferner sind an den äußeren Abschnitten al, a2 einander gegenüberliegende und parallel zueinander ausgerichtete Flächen fl, f2 sowie f3 und (hier nicht gezeigt) f4 vorgesehen. Die Flächen fl bis f4 dienen dem Eingriff eines Werkzeugs.

Die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Torsionssonotroden sind vorteilhafterweise aus einem Stück aus Metall herge^¬ stellt. Obwohl es in den vorstehenden Figuren nicht gezeigt ist, kann es aber auch sein, dass das Mittelteil Ml, M2 mit den Endstücken El, E2 lösbar, beispielsweise mittels einer Schraubverbindung verbunden ist. Die Stirnseiten Sl, S2 können ferner mit radial verlaufenden Strukturen, beispielsweise Nuten, Stegen, Ausnehmungen, Zapfen oder dgl . versehen sein, welche eine spielfreie Verbindung mit einem Booster oder ei^¬ nem Torsionsstab ermöglicht.

Fig. 12 zeigt schematisch in einer perspektivischen Ansicht den Aufbau einer Ultraschall-Schweißvorrichtung unter Verwen- dung einer erfindungsgemäßen Torsionssonotrode, welche in Fig. 12 allgemein mit dem Bezugszeichen SO bezeichnet ist. Die Torsionssonotrode SO ist an ihrer ersten Stirnseite Sl mit einem ersten Booster Bl mittels einer Schraubverbindung fest verbunden. Der erste Booster Bl ist wiederum mittels einer Schraubverbindung mit einem ersten Torsionsstab Tl verschraubt, an dem in radial gegenüberliegender Anordnung ein erster Kl und ein zweiter Konverter K2 angeschlossen sind. Mit dem Bezugszeichen AB ist ein Amboss bezeichnet, welcher bezüglich der Torsionssonotrode SO feststehend angeordnet ist. Eine hier schematisch angedeutete Stützvorrichtung SV umgreift, beispielsweise klemmend, die Ringflächen Rl, R2. Die Stützvorrichtung SV ist mit einer Druckeinrichtung D ver- bunden, mit der die aus Konverter Kl, K2, Torsionsstab Tl, Booster Bl und Torsionssonotrode SO gebildete Ultraschall^¬ schwingungseinrichtung vertikal bezüglich des Ambosses AB bewegbar ist und mit der ein Druck auf die zweite Arbeitsfläche A2 bzw. zwischen der zweiten Arbeitsfläche A2 und dem Amboss AB eingelegten zu verbindenden Bauteilen (hier nicht gezeigt) ausgeübt werden kann.

Die Funktion der Ultraschall-Schweißvorrichtung ist folgende: Mit den Konvertern Kl, K2, welche in gegenläufiger Phase betrieben werden, wird im ersten Torsionsstab Tl eine um die Torsionsachse T gerichtete Torsionsschwingung erzeugt, die Torsionsschwingung wird über den ersten Booster Bl auf die Torsionssonotrode SO übertragen. Infolgedessen schwingen die Vorsprünge VI, V2 bzw. die daran vorgesehenen Arbeitsflächen AI, A2 auf einem Kreisbahnabschnitt um die Torsionsachse T. Eine Position der Vorsprünge VI, V2 in Axialrichtung bleibt dabei im Wesentlichen unverändert. Zur Herstellung einer Schweißverbindung werden zwei zu verbindende Bauteile (hier nicht gezeigt) auf den Amboss AB gelegt. Sodann wird mittels der Druckeinrichtung D die zweite Arbeitsfläche A2 der Torsi^¬ onssonotrode SO auf die übereinanderliegenden Bauteile ge^¬ drückt. Durch Inbetriebnahme der Konverter Kl, K2 wird eine Torsionsschwingung erzeugt, mit der die Bauteile relativ zueinander verschoben werden. Durch die erzeugte Reibung wird eine Schweißverbindung hergestellt. Obwohl es in Fig. 12 nicht gezeigt ist, kann selbstverständ^¬ lich auch die zweite Stirnfläche S2 der Torsionssonotrode SO über einen zweiten Booster B2 (hier nicht gezeigt) und einen zweiten Torsionsstab T2 (hier nicht gezeigt) mit dritten und vierten Konvertern K3, K4 (hier nicht gezeigt) verbunden sein.

Die aus Konvertern, Boostern und Torsionssonotrode gebildete Ultraschallschwingungseinrichtung kann auch feststehend angeordnet sein. In diesem Fall kann der Amboss AB vertikal be- wegbar und mit einer Druckeinrichtung versehen sein. Ferner ist es auch denkbar, zwei Ultraschallschwingungseinrichtungen in einander gegenüberliegender Anordnung zur Herstellung einer Schweißverbindung zu betreiben. In diesem Fall ist anstelle des Ambosses AB also eine weitere Torsionssonotrode vorgesehen. Dabei schwingen die einander gegenüberliegenden Torsionssonotroden gegenläufig.

Bezugs zeichenliste al , a2 äußerer Abschnitt

a3 , a4 innerer Abschnitt

AI, A2, A3, A4 Arbeitsfläche

AB Amboss

Bl erster Booster

D Druckvorrichtung

El erstes Endstück

E2 zweites Endstück

Gl, G2 Gewinde

fl, f2, f3, f4 Flächen

Kl erster Konverter

K2 zweiter Konverter

1 axiale Länge der Torsionssonotrode

Ml erstes Mittelteil

M2 zweites Mittelteil

M3 drittes Mittelteil

R Krümmungsradius

Rl erste Ringfläche

R2 zweite Ringfläche

Sl erste Stirnfläche

S2 zweite Stirnfläche

SO Torsionssonotrode

SV StützVorrichtung

SY Symmetrieebene

T Torsionsachse

Tl erster Torsionsstab

U Umfangsfläche

VI, V2, V3, V4 Vorsprung

Claims

Patentansprüche

1. Torsionssonotrode mit zwei einander gegenüberliegenden Stirnseiten (Sl, S2) und einer eine Torsionsachse (T) umge- benden Umfangsflache (U) , an der zumindest eine Arbeitsfläche (AI, A2, A3, A4) in einem radialen Abstand (R) von der Torsionsachse (T) vorgesehen ist.

2. Torsionssonotrode nach Anspruch 1, wobei an der Umfangs- fläche (U) beidseits der zumindest einen Arbeitsfläche (AI,

A2, A3, A4) jeweils eine, vorzugsweise radial vorspringende, Ringfläche (Rl, R2) vorgesehen ist, welche bezüglich einer Wellenlänge einer Eigenschwingung der Torsionssonotrode auf einer Knotenlinie liegt.

3. Torsionssonotrode nach einem der vorhergehenden Ansprü^¬ che, wobei sie bezüglich einer senkrecht durch die Torsions^¬ achse (T) verlaufenden Symmetrieebene (SY) symmetrisch ausge^¬ bildet ist.

4. Torsionssonotrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Kontur der zumindest einen Arbeitsfläche (AI, A2, A3, A4) bezüglich der Symmetrieebene (SY) symmetrisch ausgebildet ist.

5. Torsionssonotrode nach einem der vorhergehenden Ansprü^¬ che, wobei ein die zumindest eine Arbeitsfläche (AI, A2, A3, A4) umfassendes Mittelteil (Ml, M2, M3) vorgesehen ist, wel^¬ ches lösbar mit beidseits davon sich erstreckenden, jeweils eine der Stirnseiten (Sl, S2) aufweisenden Endstücken (El, E2) verbunden ist.

6. Torsionssonotrode nach einem der vorhergehenden Ansprü^¬ che, wobei die zumindest eine Arbeitsfläche (AI, A2, A3, A4) mit einem vorgegeben Radius (R) in Umfangsrichtung gekrümmt ist .

7. Torsionssonotrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Arbeitsfläche (AI, A2, A3, A4) eine radial vorspringende, umlaufende Ring-Arbeitsfläche ist.

8. Torsionssonotrode nach einem der vorhergehenden Ansprü^¬ che, wobei n Arbeitsflächen (AI, A2, A3, A4) vorgesehen sind, welche gleichmäßig über den Umfang in einem Winkel von 360°/n angeordnet sind, wobei n eine ganze Zahl > 1 ist.

9. Torsionssonotrode nach einem der vorhergehenden Ansprü^¬ che, wobei die zumindest eine Arbeitsfläche (AI, A2, A3, A4) eine Struktur, vorzugsweise Rillen, aufweist oder mit poly^¬ kristallinem Diamant beschichtet ist.

10. Ultraschall-Schweißvorrichtung, bei der zumindest ein

Konverter (Kl, K2) mit einer Torsionssonotrode (SO) nach ei^¬ nem der vorhergehenden Ansprüche zur Erzeugung einer um die Torsionsachse (T) gerichteten Ultraschallschwingung gekoppelt ist .

11. Ultraschall-Schweißvorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Konverter (Kl, K2) radial mit einem Torsionsschwingele^¬ ment (Tl) verbunden ist, welches an eine der Stirnseiten (Sl, S2) der Torsionssonotrode (SO) gekoppelt ist.

12. Ultraschall-Schweißvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Torsionsschwingelement (Tl) unter Zwischenschaltung eines Boosters (Bl) mit der Stirnseite (Sl, S2) der Torsions- sonotrode (SO) verbunden ist.

13. Ultraschall-Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei ein weiterer Konverter zur Erzeugung einer um die Torsionsachse (T) gerichteten Ultraschallschwingung an die andere der Stirnseiten (Sl, S2) der Torsionssonotrode (SO) gekoppelt ist.

14. Ultraschall-Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei der weitere Konverter radial mit einem wei^¬ teren Torsionsschwingelement verbunden ist, welches an die andere Stirnseite (Sl, S2) der Torsionssonotrode (SO) gekop^¬ pelt ist.

15. Ultraschall-Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei das weitere Torsionsschwingelement unter Zwischenschaltung eines weiteren Boosters mit der anderen Stirnseite (Sl, S2) der Torsionssonotrode (SO) verbunden ist.

16. Ultraschall-Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei eine Druckeinrichtung (D) zur Erzeugung eines im Wesentlichen senkrecht zur Torsionsachse (T) wirkenden Drucks auf die Arbeitsfläche (AI, A2, A3, A4) vorgesehen ist.

17. Ultraschall-Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei die Torsionssonotrode (SO) mit den daran vorgesehenen Ringflächen (Rl, R2) in einer Stützvorrichtung (SV) abgestützt ist.

18. Ultraschall-Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, wobei die Stützvorrichtung (SV) mit der Druckeinrichtung (D) verbunden ist.

19. Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung mittels Ultraschall mit folgenden Schritten: Bereitstellen einer Torsionssonotrode nach einem der Ansprüche 1 bis 9,

Anordnen zweier miteinander zu verschweißender Bauteile zwischen der Arbeitsfläche (AI, A2, A3, A4) und einer Unterlage (AB),

Ausübung eines im Wesentlichen senkrecht zur Torsionsachse (T) wirkenden Drucks, so dass die miteinander zu verschwei^¬ ßenden Bauteile zwischen der Arbeitsfläche (AI, A2, A3, A4) und der Unterlage (AB) eingeklemmt werden, und

Erzeugung einer Ultraschallschwingung um die Torsionsachse (T) , so dass die Arbeitsfläche (AI, A2, A3, A4) um die Torsi^¬ onsache (T) auf einer gebogenen Bahn schwingt und durch die damit auf die zu verschweißenden Bauteile ausgeübte Reibungs^¬ kraft eine Schweißverbindung hergestellt wird.