ULTRASONICCONNECTOR

Abstract: 1. An ultrasonic connector for establishing non-detachable electrical connections of solid wires (6) and/or stranded wires (7) to one another and of solid wires (6) and/or stranded wires (7) to terminal elements, or the like, by ultrasonic welding, having a shaped component (3, 4, 5) which serves for the ultrasonic welding, has essentially a U-section and accommodates the solid wires (6) and/or the stranded wires (7) and, where appropriate the terminal elements, characterised in that the shaped component (3, 4, 5) comprises an active part (32, 33, 42, 52) which resonates freely on contact with an ultrasonic sonotrode (1), and a non-resonant, passive part (31, 41, 51) as a U-section, the active part (32, 33, 42, 52) forming a cover for the passive part (31, 41, 51).

Description: Verfahren zum Herstellen nicht lösbarer elektrischer Verbindungen von Drähten und/oder Litzen untereinander sowie Drähten und/oder Litzen mit Anschluss elementen durch Ultraschallverschweissung, dabei verwendete Ultra schallschweisseinrichtung sowie zugehörige Ultraschallverbinder Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen nicht lösbarer elektrischer Verbindungen von Drähten und/oder Litzen untereinander sowie Drähten und/oder Litzen mit separaten Anschlusselementen durch Ultraschallverschweissung. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf eine bei dem Verfahren verwendete Ultraschallschweisseinrichtung sowie auf die zugehörigen Ultraschallverbinder. Auf vielen Gebieten der Technik besteht die Forderung, nicht lösbare elektrische Verbindungen herzustellen, beispielsweise zwischen lackierten Drähten und blanken, verzinnten oder isolierten Litzen, ohne vorher die isolierende Lackschicht von den Drähten entfernen zu müssen. Nach derzeitigem Stand der Technik sind dazu verschiedene Verfahren bekannt. Sehr verbreitet ist die sogenannte Crimp-Technik: Damit können kombiniert Lackdrähte und/oder Litzen als Endund Durchgangsverbinder mechanisch mittels eines speziellen Verbindungselementes verbunden werden. Es werden aber dazu jeweils ganz spezifische, auf die Leiterabmessungen abgestellte Verbindungselemente benötigt, um durch Klemmwirkung gleichzeitig den elektrischen Kontakt herzustellen. Solche Verbindungselemente sind begrenzt im Auf nahmequerschnitt und jeweils auf eine bestimmte Anzahl von Draht- oder Litzenleitern abgestellt, wobei die zulässigen Schwankungen in den Leiterabmessungen für das jeweilige Verbindungselement gering sind. Durch die Vielzahl der im einzelnen notwendigen Verbindungselemente wird das Crimp-Verfahren vergleichsweise aufwendig; ausserdem ist die damit hergestellte Verbindung nicht immer dauerfest. Drähte mit lotfähigen Lackisolierungen können daneben auch in konventionellen Lötbädern gelötet werden. Allerdings sind bei den hauptsächlich eingesetzten schwer lotfähigen Lackisolierungen Lötbadtemperaturen mit ca. 500 0C erforderlich, wodurch wegen der starken Krätzebildung ein erhöhter Lotverbrauch nicht zu vermeiden ist. Weiterhin ist bei dieser Verbindungstechnik für speziell nicht abisolierte, lackbeschichtete Drähte, beispielsweise von Spulen, nachteilig, dass aufgrund der vergleichsweise hohen Temperaturen zusätzliche Absaugeinrichtungen erforderlich sind und dass der Spulenkörper selbst durch hohe Temperaturbelastungen beeinträchtigt werden könnte. Ausserdem müssen kunststoffisolierte Litzen vorher abisoliert werden. Weiterhin wurde auch bereits vorgeschlagen, nicht lösbare Verbindungen von Kabelanschlüssen durch Ultraschallverschweissung herzustellen (PRAKTIKER 8/83, S. 361 bis 363). Diese Schweisstechnik wird im zunehmendem Masse zum Verbinden von metallischen Werkstücken verwendet, wobei von der schwingenden Sonotrode der Ultraschall direkt auf das eine, als aktives Teil bezeichnete Werkstück übertragen wird, während das das andere, als passives Teil bezeichnete Werkstück ortsfest im Amboss angeordnet ist. Die Verschweissung erfolgt entlang der gemeinsamen Fügefläche. Dabei ist vorteilhaft, dass die Werkstücke an den Fügeflächen nicht oberflächenbehandelt werden müssen, weil Schmutz und Oxidschichten und in Sonderfällen auch Fettschichten nicht hinderlich sind. Insbesondere Isolationsschichten brauchen vor der Verschweissung nicht zwingend entfernt zu werden. Das Ultraschallverschweissen von Drähten und/oder Litzen untereinander sowie Drähten und/oder Litzen mit Anschlussteilen ist jedoch dann nicht beherrschbar, wenn mehrere isolierte Einzeldrähte und/oder isolierte Litzen vorliegen. Eine sukzessive Einzelverschweissung wäre zu langwierig und aufwendig, wobei sich durch die Ultraschalleinwirkung bereits geschweisste Verbindungen wieder lösen könnten. Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren sowie die zugehörigen Gerätschaften zu entwickeln, mit dem Drähte und/oder Litzen ohne grossen Arbeitsaufwand durch Ultraschallverschweissung verbunden werden können. Die Aufgabe ist erfindungsgemäss bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass zusätzliche aus für die Ultraschallverschweissung geeigneten aktiven und passiven Teilen bestehende Elemente (sogenannte Ultraschallverbinder) zur Aufnahme der isolierten, abisolierten oder mit metallischen Oberflächen versehenen Endteile der Drähte und/oder Litzen und gegebenenfalls der Anschlusselemente verwendet werden. Mit der deutschen Patentanmeldung P 33 23 576.7 wurde zwar bereits kürzlich vorgeschlagen, speziell zum Her steeen extrem widerstandsarmer Verdndungsenrichtungen bei Supraleitern die Enden der blanken supraleitenden Leiberadern mittels einer Ultraschall-Metallschweissung derart miteinander zu verbinden, dass die Leiteraderenden in einer Schweissform aus einem u-förmigen Metallprofilkörper und einem entsprechenden Deckel angeordnet sind. Es hat sich nun überraschenderweise gezeigt, dass ein sicherer elektrischer Kontakt durch das vorgeschlagene Ultraschallschweissen von Drähten und/oder Litzen untereinander sowie mit Anschlusselementen erreicht wird, ohne dass eine Abisolierung notwendig wäre. Für das erfindungsgemässe Verfahren ist die Ultraschallschweisseinrichtung mit Sonotrode und Amboss als zugehörigem Werkzeug speziell auf die verwendeten Ultraschallverbinder abgestellt. Die Schwingungsrichtung der Sonotrode verläuft in Längsrichtung des Ultraschallverbinders, wobei die Wirkungsfläche der Sonotrode vorzugsweise in dieser Richtung abgerundet ist. Damit wird gewährleistet, dass bei der Verschweissung eine unterschiedliche Verformung des Ultraschallverbinders mit einem gleichmässigen Ubergang der verformten Drähte zum Ausgangsquerschnitt der Gesamheit der Drähte und/oder Litzen vorliegt. Der AmboB der Schweisseinrichtung ist als Werkzeug derart ausgebildet, dass er den passiven Teil des Ultra schallverbinders aufnehmen kann. Dabei ist das passive Teil vorzugsweise ein u-förmiges Profilteil zur Aufnahme der Drähte und/oder Litzen. Das aktive Teil wird durch einen zugehörigen Deckel realisiert. Im Rahmen der Erfindung kann der Deckel mit seiner Breite der Aussenbreite des Profilteiles entsprechen. Die Breite des Deckels kann aber auch der Innenbreite des Profilteiles entsprechen, so dass er vor der Verschweissung in das Profilteil einlegbar ist. Darüber hinaus kann der Deckel in Längsrichtung des Ultraschallverbinders v-förmig gebogen sein, so dass bei der Ultraschallverschweissung eine optimale Verschweissung des Randbereiches des Deckels mit den Schenkeln des Aufnahmeteiles und den darin eingelegten Drähten und/oder Litzen möglich ist. Dadurch wird bereits ein Verschweissen der Drähte und/oder Litzen an ihren Berührungsstellen bei geringer Verformung erreicht. Es ist auch möglich, dass der Ultraschallverbinder derart ausgebildet ist, dass das Profilteil an seiner Rückseite selbst als elektrisches Anschlusselement, beispielsweise als Ring oder Lasche,ausgebildet ist. Dies ist dann sinnvoll, wenn Drähte und/oder Litzen zusammen einen elektrischen Anschluss bilden sollen. In einer bevorzugten Ausführungsform des Ultraschallverbinders bilden das Profilteil und die Deckelplatte ein gemeinsames Formteil, bei dem die Deckelplatte über eine oder mehrere kleine Anbindungen, beispielsweise einen Steg, mit dem u-förmigen Profilteil verbunden ist. Bei einer solchen Ausbildung des Ultraschallverbinders braucht im Fertigungsbetrieb mit dem erfindungsgemässen Verfahren nur ein einziges Teil zugeführt werden, wobei zum Schweissen die Deckplatte über den eingelegten Leiter geklappt wird. Da die Anbindung des Deckels am Unterteil schmal ausgebildet sein kann, schwingt die Deckplatte beim Schweissen ungehindert mit und kann auch abreissen, so dass sich eine gute Schweissverbindung ergibt. Die bei der Erfindung angegebenen Ultraschallverbinder mit aktiven und passiven Teil können aus den üblichen, für die Ultraschallverschweissung geeigneten Materialien bestehen. Dabei kann es zweckmässig sein, für das aktive und passive Teil unterschiedliche Materialien zu wählen. Weitere Einzelheiten und Vorteil der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung, von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung. FIG 1 die bei dem erfindungsgemässen Verfahren verwendete Ultraschallschweisseinrichtung mit einem eingelegten Ultraschallverbinder, FIG 2 und FIG 3 zwei alternativ verwendete Ultraschallverbinder im Querschnitt, FIG 4 einen Ultraschallverbinder mit integriertem Anschlusselement in der Draufsicht und FIG 5 einen einteiligen Ultraschallverbinder in perspektivischer Darstellung. In den Figuren sind identische Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In der FIG 1 bedeutet 1 die Sonotrode einer Ultraschallschweisseinrichtung. Die senkrecht nach unten wirkende Schweisskraft ist mit F gekennzeichnet. Dazu senkrecht in vorgegebener Horizontalebene verläuft die Schwingungs richtung der Sonotrode 1 und des abgestrahlten Ultraschalls. In dieser Richtung ist die Wirkungsfläche 11 der Sonotrode 1 abgerundet ausgebildet. Die Wirkungsfläche 11 kann in sich profiliert sein. Der Sonotrode 1 ist ein Amboss 2 zugeordnet, der mit einer Aussparung 21 als Aufnahmewerkzeug ausgebildet ist. In der Aussparung ist ein Ultraschallverbinder 3 eingelegt, der aus einem u-förmigen Profilteil 31 geformt ist. Auf dem Profilteil 31 liegt ein Deckel 32 auf. Zwischen Profilteil 31 und Deckel 32 sind Drähte 6 und/oder Litzen 7 sowie gegebenenfalls auch Endteile 8 von Anschlusselementen, welche miteinander verschweisst werden sollen, einlegbar. Der eigentliche Vorgang des Ultraschallschweissens ist vom Stand der Technik bekannt. Beispielsweise werden dazu Ultraschallfrequenzen zwischen 16 und 20 kHz verwendet. Dabei wird die Sonotrode mit vorbestimmter Presskraft F auf den Ultraschallverbinder aufgesetzt. Parameter bei der Ultraschallverschweissung sind neben dem Anpressdruck die Schweiss zeit und die Amplitude der Schwingungen. Typische Schweisszeiten liegen bei 0,7 bis 3s bei Amplituden von etwa 20 ssm, während die Anpresskraft zwischen 700bis 1200N variierbar ist. Während bei der FIG 1 der Deckel 32 mit seiner Breite auf den Querschnitt des Profilteiles 31 abgestimmt ist und auf den Schenkeln des Profilteiles 31 aufliegt, ist bei den Figuren 2 und 3 die Breite des Deckels 33 bzw. 34 geringer gewählt und entspricht der Innenbreite des Profilteils 31. Der Deckel 33 bzw. 34 kann dadurch zwischen die Schenkel des Profilteiles 31 eingelegt werden, so dass er bereits ohne Verschweissung unmittelbar auf den Drähten 6 und/oder Litzen 7 zu liegen kommt. Dadurch kann sich eine besonders günstige Verschweissung insbesondere der Randbereiche ergeben. Die freistehenden Schenkel des Profilteiles 31 können anschliessend an die Ultraschallverschweissung nach innen gefaltet werden. Speziell bei FIG 3 ist der Deckel 34 um seine Mittelspur geknickt, so dass sich im Querschnitt ein v-förmiges Profil ergibt. Hier wird durch die Ultraschalleinwirkung und die Schweisskraft ebenfalls erreicht, dass die Deckplatte 34 in das u-förmige Profilteil 31 eingedrückt und mit dessen Schenkeln sowie den eingelegten Drähten 6 und/ oder Litzen 7 verschweisst wird. Dabei können die Drähte 6 und/oder Litzen 7 an ihren Berührungsstellen bereits bei geringer Verformung geschweisst werden. In FIG 4 ist der Ultraschallverbinder mit 4 bezeichnet. Dieser besteht an einem Ende - wie bereits beschrieben ebenfalls aus einem u-förmigen Profilteil 41 mit zugehörigem Deckel 42, während an der anderen Seite der Ultraschallverbinder 4 als Anschluss teil 45 ausgebildet ist. Ein solches Anschlussteil 45 kann in einfacher Weise als öse 46 geformt sein, welche mittels einer zugehörigen Schraube oder dergleichen an die Anschlussstelle geschraubt und somit elektrisch kontaktiert ist. Es ist zweckmässig, die Drähte 6 bzw. Litzen 7 mittels einer Zugentlastung zu sichern: In FIG 4 wird dies durch eine Verlängerung 43 des Profilteils 41 mit Klemmlaschen 44, die um die Anschlussleitungen herumgebogen werden, erreicht. In FIG 5 ist ein Ultraschallverbinder 5 derart ausgebildet, dass an einem u-förmigen Profilteil 51 ein zugehöriger Deckel 52 über einen Steg 53 angebunden ist. Statt des Steges 53 können auch mehrere kleine Anbindungen vorhanden sein. Bei einer solchen Ausführungsfrom eines Ultraschallverbinders ist vorteilhaft, dass in der Fertigung lediglich ein einziges Teil ausgestanzt und zur Ultraschallverschweisseinrichtung zugeführt werden muss. Zum Schweissen selbst wird die Deckplatte 52 über die eingelegten Drähte und/oder Litzen geklappt. Da die Anbindung des Deckels 52 an das Profilteil 51 sehr schmal ausgebildet ist, kann die Deckplatte 52 beim Schweissen als aktives -Teil ungehindert mitschwingen. Die Anbindungen können auch ganz oder teilweise beim Schweissen abreissen, so dass beim eigentlichen Schweissvorgang ein Ultraschallverbinder aus separatem aktiven und passiven Teil vorliegt. Es hat sich gezeigt, dass das durch die Erfindung vorgeschlagene Anschlussverfahren in vielen Bereichen der Technik eingesetzt werden kann, wo lackierte Drähte und/oder Litzen untereinander und gegebenenfalls mit Anschlusselementen unlösbar verbunden werden sollen. Dabei ist es wichtig, dass die Art der Isolierung bzw. der Lackierungen auf den Drähten und/oder Litzen keinen Einfluss auf die Qualität und Zuverlässigkeit der Ultraschallschweissverbindung hat. 12 Patentansprüche 5 Figuren

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zum Herstellen nicht lösbarer elektrischer Verbindungen von Drähten und/oder Litzen untereinander sowie von Drähten und/oder Litzen mit Anschlusselementen oder dergleichen durch Ultraschallverschweissung, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zusätzliche, aus für die Ultraschallverschweissung geeigneten aktiven und passiven Teilen bestehende Elemente Dsoge- nannte Ultraschallverbinder (3, 4, 5) zur Aufnahme der isolierten, abisolierten oder mit metallischen Oberflächen versehenen Enden der Drähte (6) und/oder Litzen (7) und gegebenenfalls der Anschlusselemente (8) verwendet werden. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t , dass bei der Ultraschallverschweissung der Ultraschallverbinder (3, 4, 5) in Längsrichtung zwecks Anpassung an den Ausgangsquerschnitt der Gesamtheit der Drähte (6) und/oder Litzen (7) unterschiedlich stark verformt wird. 3. Ultraschallschweisseinrichtung zur Verwendung bei einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bestehend aus Sonotrode zur Einwirkung auf das aktive Teil des Ultraschallverbinders und Amboss als Aufnahmewerkzeug für das passive Teil des Ultraschallverbinders, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Sonotrode (1) eine in Schwingungsrichtung abgerundete Wirkungsfläche (11) aufweist und mit ihrer Rundung auf das aktive Teil (32, 33, 34; 42, 52) des Ultraschallverbinders (3, 4, 5) einwirkt. 4. Ultraschallverbinder zur Verwendung bei einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, mit einem für die Ultraschallverschweissung dienenden aktiven Teil und einem passiven Teil, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t , dass das passive Teil (31, 41, 51) ein u-förmiges Profilteil zur Aufnahme von Drähten (6) und/ oder Litzen (7) und gegebenenfalls der Anschlusselemente (8) und das aktive Teil (32, 33, 34; 42, 52) ein zugehöriger Deckel ist. 5. Ultraschallverbinder nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Breite des Deckels (32) der Aussenbreite des Profilteiles (3) entspricht. 6. Ultraschallverbinder nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Breite des Deckels (33) der Innenbreite des Profilteiles (31) entspricht. 7. Ultraschallverbinder nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Deckel (34) v-förmig gebogen ist. 8. Ultraschallverbinder nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Profilteil (41) an seiner Rückseite selbst als elektrisches Anschlusselement (45), beispielsweise Ring (46) oder Lasche, ausgebildet ist. 9. Ultraschallverbinder nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Profilteil (41) eine Einrichtung zur Zugentlastung (43, 44) für die Drähte (6) und/oder Litzen (7) aufweist. 10. Ultraschallverbinder nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass Deckel (52) und Profilteil (51) ein gemeinsames Formteil (50) bilden, wobei Deckel (52) und Profilteil über eine oder mehrere Anbindungen, beispielsweise über einen Steg (53) verbunden sind. 11. Ultraschallverbinder nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Profilteil (31, 41, 51) und der Deckel (32, 33, 34; 42, 52) aus gleichem, gut schweissbarem Werkstoff, beispielsweise Kupfer, Messing oder Bronze, bestehen. 12. Ultraschallverbinder nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Profilteil (31, 41, 51) und Deckel (32, 33, 34; 42) aus unterschiedlichem, gut schweissbarem Werkstoff bestehen, beispielsweise aus Kupfer einerseits und/oder Messing bzw. Bronze andererseits.

Inventors: MOLL, HELMUT
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT BERLIN UND MUNCHEN
Application year: 1984
Main classification: H01R43
IPC codes: H01L39, B23K20, H01F6, H01R4, H01R43