CH403286A - Ultraschall-Schweissmaschine - Google Patents

Description

  
 



     Ultraschall Schweissmaschine   
Es ist bekannt, mit Hilfe von Ultraschallschwingungen Metalle, Kunststoffe, ja sogar Papier miteinander zu verschweissen, und zwar als Punktschweissung oder auch als Rollnahtschweissung. Der Vor gang verläuft im allgemeinen derart, dass die zu verschweissenden Folien, Bleche etc. zwischen zwei Auflagestücke gelegt werden, von denen im allgemeinen das untere (Amboss) feststeht, während das obere (Sonotrode) mit einer gewissen Kraft auf das Schweissgut aufgedrückt und mit Ultraschallschwingungen erregt wird. Bei Metallen erfolgt diese   Erre    gung im allgemeinen parallel zu den zu verschweissenden Flächen, bei Kunststoffen senkrecht zu diesen. Bei der Rollnahtschweissung sind Amboss und Sonotrode als synchron rotierende   Walae    bzw.

   Scheibe ausgebildet, wobei wiederum die Scheibe zu Ultraschallschwingungen angeregt wird. Die Ultraschallschweissung stellt gleichsam ein Zwischending zwischen Kaltpress- und Friktionsschweissung dar, in dem die erforderlichen Andrücke wesentlich geringer als bei der Kaltpresschweissung sind und die Gefügevereinigung im wesentlichen durch den sehr häufigen Wechsel von Relativbewegung und Ruhe der miteinander zu   vers chweiss enden    Flächen infolge der Ultraschallerregung erfolgt.



   Als nachteilig bei einem derartigen Schweissvorgang zeigt sich die Erscheinung, dass sich nicht nur das Schweissgut an den gewünschten Stellen miteinander verschweisst, sondern sich dieses auch an der Sonotrodenspitze oder sogar an dem Amboss festschweisst, was zu   unliebsamen    Beschädigungen der Oberflächen, einem starken Verbrauch der   Sono-    trodenspitze, der Notwendigkeit, diese dauernd zu reinigen, und einer unwirtschaftlichen Verzögerung in der fliessenden Arbeit führt. Ausserdem bereitet es grosse Schwierigkeiten, dickere Bleche miteinander zu verschweissen, weil hierzu eine erhöhte Schwingungsenergie erforderlich ist, die dann in noch erhöhtem Masse zu den genannten unliebsamen Erscheinungen führt.



   Die vorliegende Erfindung beseitigt diese   Übel-    stände und ausserdem gelingt es, mit verhältnismässig geringen Ultraschalleistungen verhältnismässig dicke Bleche miteinander zu verschweissen. Die Ultraschallschweissmaschine arbeitet derart, dass die die Ultraschallenergie zum Schweissgut übertragende Sonotrodenspitze so ausgebildet ist, dass zwischen ihr und dem Schweissgut eine hohe Kraftschlüssigkeit und minimale Gleitung erzielt wird und der Andruck der Sonotrodenspitze über ein flaches, wenig biegesteifes Glied erfolgt, dessen Ebene senkrecht zur Schwingungsbewegung der Sonotrodenspitze liegt.



  Als Weg, die Sonotrodenspitze stark kraftschlüssig zum Schweissgut zu gestalten, hat sich als sehr günstig erwiesen, ein Material von besonders grobem Gefüge zu benützen, z. B. Gusseisen, und zusätzlich diese Sonotrodenspitze auch noch mit Spitzenriefen von etwa 0,1 bis 0,5 mm Abstand - der jeweiligen Problemstellung angepasst - zu versehen.   Diese    Riefen können senkrecht zur Schwingungsbewegung der Sonotrodenspitze verlaufen oder auch kreisförmig in die ballige Sonotrodenspitze eingedreht sein.

   Es ist nicht immer notwendig, die hohe   Kraftschlüssigkeit    zur Oberfläche des Schweissgutes durch künstlich eingedrehte Riefen zu erhöhen, sondern es kann auch eine natürliche besonders rauhe Oberfläche, beispielsweise ein   Gusseisenstück    mit besonders   böcke    riger Gusshaut als Sonotrodenspitze zur Verwendung   kommen.   



   Da die auf das Schweissgut zu übertragenden Tangentialkräfte ausserordentlich verschieden sind, je nach dem ob Bleche von 3 mm Dicke oder bei  spielsweise Folien von nur einigen Zehntel mm Dicke miteinander verschweisst werden sollen, ist es besonders zweckmässig, die Rauhtiefe bzw.   Höckerigkeit    der Sonotrodenspitze an die jeweils vorliegende Problemstellung anzupassen. Dieses geschieht z. B. in der Weise, dass auf das die Schwingungen übertragende Resonanzglied radial mehrere Sonotrodenspitzen verschiedenen Materials und verschiedener Rauhtiefe angebracht sind und durch Verdrehen des Resonanzgliedes die jeweils gewünschte Sonotrodenspitze benutzt wird. Fig. 1 zeigt eine derartige beispielsweise Anordnung.

   Mit 1 ist ein in bekannter Weise zu Ultraschallschwingungen konisch zulaufender  Rüssel  (Mason-Horn) bezeichnet, der mittels einer festen Verschraubung seine Schwingungen auf das Resonanzglied 2 überträgt. Hierbei handelt es sich um einen zylindrischen oder wiederum verjüngt zulaufenden Körper aus möglichst dämpfungsfreiem Material, dessen Länge genau auf ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge der erregten U1traschallschwingung in diesem Material abgestimmt ist. Bei 3a, 3b, 3c usw. erkennen wir die   verschiede-    nen aufgebrachten Sonotrodenspitzen aus verschiedenem Material und/oder verschieden feiner Riefelung.

   Konstruiert man den gesamten Schallkopf (in der Fig. nicht mit gezeichnet), der mit dem Ultra  schallübertrager    (Mason-Horn) 1 fest verbunden ist, um seine Achse verdrehbar, so kann wahlweise die Sonotrodenspitze 3a oder 3b usw. nach unten gerichtet und für den Schweissvorgang benutzt werden.



  Hierdurch wird nicht nur bei wechselnder Problemstellung eine besonders mühelose Anpassung gewährleistet, sondern auch jedem Verschleiss weitgehend Rechnung getragen, indem bei zu grosser Abnutzung einer Spitze lediglich durch ein geringes Verdrehen von Schallkopf und Resonanzglied die Arbeit sogleich fortgesetzt werden kann. Indessen ist der Verschleiss der genannten   Sonotrodenspitzen    überraschend gering, weil durch die extrem kraftschlüssige Energieübertragung zum Schweissgut kein Schlupf und somit keine Friktion zwischen Schweissgut und Sonotrodenspitze mehr einsetzt und somit an dieser Stelle auch keinerlei Schweisswirkung mehr entsteht, sondern die gesamte zur Verfügung stehende Schwingungsenergie wirklich an der zu verschweissenden Stelle innerhalb des Schweissgutes zur Wirkung kommt.



     Ähnlich-Uberlegungen    wie für die Sonotrodenspitze gelten auch für das untere Auflagestück, den  Amboss . Dieser soll sich möglichst weitgehend in Ruhe befinden und deshalb eine gewisse träge Masse besitzen, um eine möglichst grosse Relativbewegung zwischen Sonotrodenspitze und Amboss zu gewährleisten. Auch beim Amboss ist daher eine möglichst hohe   Kraftschlüssigkeit    zum Schweissgut anzustreben, und auch dieser Kraftschluss soll nach Möglichkeit in gleicher Weise wie bei der Sonotrodenspitze an das Schweissproblem angepasst werden können.

   Zwar sind bei dieser   Gegenauflage    die Optimalbedingungen bei weitem nicht so ausgeprägt wie an der Sonotrodenspitze, trotzdem kann es empfeh lenswert sein, auch den Amboss gegebenenfalls re volverähnlich auszubilden mit wahlweise benutzba ren Auflageflächen verschiedenen Materials und verschiedener Rauhtiefe. In Fig. 1 bezeichnet 4 eine sehr stabile Walze möglichst grosser Masse, auf die die genannten Auflagestücke 5a,   5b,    5c usw. aufgebracht sind. Die Walze ist mit entsprechenden Rasten (nicht gezeichnet) um eine stabile Achse 6 derart verdrehbar, dass das jeweils gewünschte Auflagestück 5a,   5b    usw. in der Schweisstellung einrastet.

   Auf diese Weise lässt sich erzielen, dass nicht nur Oberfläche und Material des Auflagestückes an das jeweils vorliegende Problem angepasst werden, sondern eins oder mehrere der Auflagestücke können auch aus einem speziellen, die Oberfläche des Schweissgutes schonenden Material bestehen. Hierfür haben sich besonders gut die Ferrite bewährt, jedoch kommen auch andere Materialien von hinreichender Härte, jedoch genügender Gleitfähigkeit, um an der Auflagefläche keine merklichen Beschädigungen zu erzeugen, in Frage (z. B. auch  Teflon  u. a. m.).

   Ein derartiges Vorgehen ist bekanntlich von grosser Wichtigkeit, um beispielsweise Befestigungsstücke auf die Rückseite von Zierleisten aufzuschweissen, ohne die Zierleiste selbst zu beschädigen, zumal die Ultraschallschweissung ohne wesentliche Erhitzung und somit Gefügeänderung des Materials verläuft und sogar eine auf Gefügeänderungen bekannterweise stark ansprechende Eloxalschicht der Zierleiste den Schweisspunkt auf diese Weise nicht sichtbar werden lässt.



   Soll der Schweisspunkt an einer verhältnismässig schwer zugänglichen Stelle gesetzt werden und ist somit eine möglichst ausladende Anordnung der Schweisselemente erwünscht, so kann es empfehlenswert sein, auch den Amboss ähnlich der Sonotrode zu gestalten und beispielsweise die Länge der Walze 4 bzw. der stabilen Achse wesentlich zu verlängern. In diesem Falle ist es zweckmässig, die Länge der Walze 4 bzw. der Achse 6 bis zum Montagesockel 7 gleich einem ungeraden Vielfachen der   Viertel-Wellenlänge    in dem betreffenden Material zu wählen. In diesem Falle gerät weder die Walze 4 noch der Bolzen 6 in Resonanz mit dem die Ultraschallschwingungen übertragenden Resonanzglied 2 und das oder die Auflagestücke 5 verharren   daher    in gewünschter Weise beim Schweissvorgang in Ruhe.



   Bei der Ultraschallschweissung stellt sich als gewisse Schwierigkeit heraus, dass das die Schwingungen übertragende Resonanzglied 2 möglichst   dämp    fungsfrei schwingen, andererseits jedoch mit einem nicht unerheblichen Andruck auf das zwischen die Auflagestücke 3 und 5 gebrachte Schweissgut drükken soll. Verschiedene Lösungen sind hierfür vorgeschlagen, z. B. eine feste Verbindung des Resonanzgliedes 2 mit einem vertikalen, auf die gleiche Frequenz abgestimmten, in Biegeschwingungen erregten Stab. Diese Lösung besitzt den Nachteil, dass beide Elemente sehr genau abgestimmt sein müssen, da an    derenfalls    entweder die Lötverbindung reisst oder eine beträchtliche Dämpfung des Resonanzgliedes eintritt.

   Diese Schwierigkeit wird dadurch behoben, dass der Andruck der Sonotrodenspitze   übler    eine möglichst dünne   Metallfahne    erfolgt, deren Ebene senkrecht zur Schwingungsbewegung der Sonotrodenspitze liegt und deren Dicke jedoch gerade ausreicht, um bei dem erforderlichen Andruck ein Durchknicken mit Sicherheit zu vermeiden. Diese Fahne kann entweder dicht hinter den Sonotroden spitzen, also im Bewegungsbauch des Resonanzgliedes 2 angesetzt werden, wie es in Fig. 1 bei 8 dargestellt ist, und die erzwungene Biegeschwingung läuft nach oben hin in das verdickte Ende der Fahne 9, wo sie gehaltert ist, aus. Da der untere Teil der Fahne 8 möglichst dünn und mit geringer Biegesteife ausgeführt sein soll, führt sie ausserordentlich wenig Energie vom Resonanzglied 2 ab und dieses schwingt praktisch frei.

   Andererseits lässt sich die Dicke der Fahne 8 leicht so bemessen, dass sie trotzdem ausreicht, beim erforderlichen Andruck ein Durchknikken zu vermeiden. Ferner ist es möglich, die Fahne nicht im Bewegungsbauch sondern im Druckbauch, also in der Mitte des Resonanzgliedes 2 aufsetzen zu lassen, insbesondere dann, wenn aus Gründen der Zugänglichkeit der Schweisstelle auch bei der Sonotrode eine möglichst ausladende Anordnung gewünscht wird. Soll die Ausladung weiterhin vergrössert werden, so kann die Länge des Resonanzgliedes 2 statt einer halben Wellenlänge auch ein ganzzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge gewählt werden.   

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Ultraschall-Schweissmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass die die Ultraschallenergie zum Schweissgut übertragende Sonotrodenspitze so ausgebildet ist, dass zwischen ihr und dem Schweissgut eine hohe Kraftschlüssigkeit und minimale Gleitung erzielt wird und der Andruck der Sonotrodenspitze über ein flaches, wenig biegesteifes Glied erfolgt, dessen Ebene senkrecht zur Schwingungsbewegung der Sonotrodenspitze liegt.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Ultraschall-Schweissmaschine nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrodenspitze aus Gusseisen oder einem Material besonders groben Gefüges mit sehr rauher Oberfläche besteht.

   2. Ultraschall-Schweissmaschine nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrodenspitze mit senkrecht zur Schwingungsbewegung verlaufenden Riefen versehen ist.

   3. Ultraschall-Schweissmaschine nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrodenspitze mit kreisförmigen Riefen versehen ist.

   4. Ultraschall-Schweissmaschine nach Unteransprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anpassung der Rauhtiefe der Sonotrodenspitze an das jeweilige Schweissproblem das die Schwingungen übertragende Resonanzglied radial mehrere Sonotrode denspitzen verschiedenen Materials und verschiedener Rauhtiefe aufweist, wobei durch Verdrehen des Resonanzgliedes die gewünschte Sonotrodenspitze wählbar ist.

   5. Ultraschall-Schweissmaschine nach Unteransprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Auflagenspitzen des Ambosses aus einem Material groben Gefüges mit rauher Oberfläche, z. B.

   Gusseisen, bestehen oder senkrecht zur Schwingungsbewegung verlaufende oder kreisförmige Riefen aufweisen, und der Amboss r, evolverähnlich zur wahlweisen Benutzung der entsprechenden Auflagespitzen gebaut ist.

   6. Ultraschall-Schweissmaschine nach Unteranspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflagespitze des Ambosses aus leinem die Oberfläche des Schweissgutes schonenden Material besteht.

   7. Ultraschall-Schweissmaschine nach Unteransprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflagespitzen auf einem ausladenden, um seine Achse verdrehbaren Arm angebracht sind, dessen Länge ein ungerader Vielfaches der Viertel-Wellenlänge der Ultraschallschwingung im Material des Armes beträgt.

   8. Ultraschall-Scliweissmaschine nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Andruck der Sonotrodenspitze über eine dünne Metallfahne erfolgt, deren Ebene senkrecht zur Schwingungsbewegung der Sonotrodenspitze liegt und deren Dicke gerade ausreicht, um bei dem erforderlichen Andruck ein Durchknicken mit Sicherheit zu vermeiden.

   9. Ultraschall-Schweissmaschine nach Unteranspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahne das die Sonotrodenspitze tragende Resonanzglied am Bewegungsbauch abstützt.