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DE1427329A1 - Verfahren,eine Ultraschall-Schweissverbindung zu erzielen - Google Patents

Verfahren,eine Ultraschall-Schweissverbindung zu erzielen

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DE1427329A1
DE1427329A1 DE19621427329 DE1427329A DE1427329A1 DE 1427329 A1 DE1427329 A1 DE 1427329A1 DE 19621427329 DE19621427329 DE 19621427329 DE 1427329 A DE1427329 A DE 1427329A DE 1427329 A1 DE1427329 A1 DE 1427329A1
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DE
Germany
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rail
welding
anvil
counter
serving
Prior art date
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Pending
Application number
DE19621427329
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English (en)
Inventor
Mugele Dipl-Ing Friedrich
Pohlmann Dr Reimar
Roland Sievers
Lehfeldt Dr Wilhelm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
DR LEHFELDT AND CO GmbH
Original Assignee
DR LEHFELDT AND CO GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DR LEHFELDT AND CO GmbH filed Critical DR LEHFELDT AND CO GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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  • Lining Or Joining Of Plastics Or The Like (AREA)

Description

  • Verfahren eine Ultraschall-Schweißverbindung zu erzielen Es ist bekannt, mit Hilfe von Ultraschallschwingungen Folien oder auch Bleche miteinander zu verschweißen, oder aber beispielsweise dünne Bleche oder Folien auf einen beliebig dicken Körper aufzuschweißen. Bei Metallen geschieht dieses dadurch, daß ein mit etwa 20 kllz zu Ultraschallschwingungen erregt es Exponentialhorn mit seinem verjüngt zulaufenden Ende auf den dünneren der zu verschweißenden Partner aufgedrückt wird und infolge der intensiven Schwingungsbewegung diesen auf den darunter liegenden zweiten Pa rtner aufschweißt. Handelt es sich um Metalle, so muß die Schwingungserregung parallel zur Blechebene und somit zur Schweißebene erfolgen, bei Kunststoffen senkrecht hierzu Man unterscheidet Punktschweißungen und Rollnahtschweißungen. Bei ersteren erfolgt, wie bei der Widerstandsschweißung, die Schweißverbindung in einem Punkt, bei der letzteren wird eine Scheibe, unter der das Schweißgut entlangrollt, zu entsprechenden Schwingungen erregt und auf das Schweißgut aufgedrüokt, Natürlich muß bei dieser Anordnung auch das Gegenlagestück, der Amboß als Rolle oder Walze ausgebildet sein, während der Amboß im erstgenannten Falle aus einem ruhenden Stück beliebigen Materials besteht, das eine stabile Gegenlage gewährleistet. Außer den genannten Schweißverbindungen sind noch Steppnähte bekannt, bei denen das schwingende, konisch zulaufende Werkzeug, die 11Sonotrode11 ruht, jedoch der Amboß als rotierende Walze ausgebildet ist.
  • Die zwischen beiden eingebrachten zu verschweißenden Partner bewegen sich auf der rotierenden Walze mit einer derartigen Geschwindigkeit unter der Sonotrode entlang, daß eine Punktfolge entsteht, die eine dichte Schweißnaht gewährleistet.
  • Das neue Verfahren geht nun von dem Gedanken aus, daß es unwirtschaftlich ist, eine Schweißnaht von vorgegebener Länge punktförmig nacheinander zu erzielen, sondern daß es große Vorteile bieten würde, anstelle eines Schweißpunktes eine Schweißlinie zu setzen und somit gewissermaßen eine Vielzahl von Schweißpunkten gleichzeitig zu erzeugen. Das neue Verfahren, eine Ultraschallschweißverbindung zu'e'rzielen, ist somit dadurch gekennzeichnet, daß ein vorgegebener gestreckter Linienzug in seiner Gesamtheit zu Ultraschallschwingungen erregt und zum Verschweißen der Komponenten benutzt wird. Eine Sehweißleiste, die in den Figuren mit 1 bezeichnet ist und gerade sein oder eine vorgegebene Kurve aufweisen kann, wird hierbei senkrecht zu ihrer Längsachse oder auch in einem beliebigen Winkel zur Längsachse zu Ultraschallschwingungen erregt und in ihrer Gesamtheit durch Andruck auf diedzu verschweißenden Partner, din ihrerseits auf einer entsprechenden Gegenlage aufliegen, zum Ultraschallschweißen benutzt.
  • Figur 1 zeigt die senkrecht zu ihrer Längsachse zu Sc'hwngungen erregte Schiene 1, die entweder direkt oder über in bekannter Weise amplitudenverstärkende Zwschenglieder 2 mit den Ultraschallschwingern 3 gekoppelt sein kann. Mit 4 ist der Amboß bezeichnet, mit 5 und 5' die beiden zu verschweißenden Partner. Der Andruck erfolgt in Pfeilrichtung von oben. Bei dieser Anordnuhg wird also der gesamte vorgegebene Linienzug gleichzeitig und konphas zu Schwingungen erregt und liefert anstelle des bisher bekannten Schweißpunktes eine SchweXLinie.
  • Figur 2 zeigt eine andere Anordnung der ebenfalls senkrecht zu ihrer Längsachse zu Ultraschallschwingungen erregten Schiene 1. Diese Anordnung ist kennzeichnend für die Verschweißung von Kunststoffolien 5 und 5', bei denen die Schwingungseinwirkung senkrecht zu ihrer Ebene erfolgen muß.
  • Figur 3 zeigt eine Anordnung, b A der die Schiene 1 schräg zu ihrer Längsachse erregt wird. Hierbei können, den Auflageverhältnissen entsprechend, elliptische oder zirkulare Schwingungen entstehen, die zur Verschweißung verschiedenartigen Gutes, sowohl von Kunststoff wie auch von Metallen dienen können.
  • Es ist nicht erforderlich, daß die Schiene 1 linear ausgebildet ist, sondern sie kann, wie aus der Unterteilung der Schwingelemente hervorgeht, jede beliebige, vorgegebene Kurvenform aufweisen.
  • Natürlich ist ein Hochfrequenz-Generator entsprechend hoher Leistung zum Betrieb einer derartigen Linienschweißmaschine erforderlich. Kommt es darauf an, unter besonderen Bedingungen für den gleichen Zweck mit geringeren Leistungen auszukommen, so kann es vorteilhaft sein, die einzelnen Schwingelemente nicht mit einer gemeinsamen Wicklung zu umgeben (die Wicklung ist in den Figuren wegen der Übersichtlichkeit nicht mit angegeben), sondern jedes Schwingelement einzeln zu bewickeln und eine Steuerung im Generator derart vorzusehen, daß mit der voll ausgesteuerten Leistung des Generators ein Schwingelement nach dem anderen impulsartig erregt wird, so daß gleichsam ein sehr schneller Energielauf die Zeile entlang erfolgt. Hierbei können die einzelnen Schwingelemente kurzzeitig überlastet werden, so daß eine sehr gute Schweißverbindung über die ganze Zeile hin erzielbar ist.
  • Das Ziel des Erfindungsgegenstandes liegt vornehmlich darin, vorgegebene Schweißstrecken beliebiger Form in möglichst kurzer Zeit zu erzielen. Hierbei kann es besonders vorteilhaft sein, den zum Verschweißen erforderlichen Energiebetrag nicht nur durch die Ultraschallschwingungen alleine, sondern noch auf anderem Wege der Schweißnaht zuzuführen, beispielsweise durch Erwärmung der Schweiß schiene 1 oder des Ambosses 4. Dieses kann in bekannter Weise durch eine umgelegte Heizwicklung geschehen ( in den figuren nicht gezeigt ), deren Anbringung am Amboß 4~keinerlei Schwierigkeiten bietet. Eine Heizwicklung für die Schiene 1 wird hingegen zweckmäßg auf eine gut wärmeleitende Spule aufgebracht, die nur locker mit einigen hunderXtel Millimeter Toleranz die Schiene 1 umgeben soll, so daß die Schwingbewegung der Schiene durch die Heizspule nicht merklich bedämpft wird.
  • Eine gewisse Schwierigkeit liegt - bei der Ultraschall-Linienschweißung darin, daß bei der Forderung einer vakuumdichten Schweißung der Andruck an jede8-Punkt der Schweißlinie der gleiche sein muß. Das erfordert bei harten und unnachgiebigen Materialien eine besonders gewissenhafte Paralleljustierung von kmboß-und Sonotrode. Um dieser Schwierigkeit zu begegnen, wird vorgeschlagen, daß der Amboß sich durch eine in bekannter Weise zentral gelagerte Halterung - beispiesweise eine Kugelgelenkhalterung-selbsttätig parallel zur Schiene ausrichtet.
  • Diese vorteilhafte Anordnung bietet zwar in den meisten Fällen Abhilfe gegen die genannte Schwerigkeit, yermeidet jedoch nicht einen ungleichmäßigen Andruck bei nicht ganz gleichnäßiger Dicke der Bleche oder Kunststoffolien Es wird daher fernerhin vorgeschlagen, den Amboß in seiner Längsrichtung elaetisch anschmiegsam zu gestalten in Form einer kette aus abgeferderten elastisch anschmiegsamen Gliedern. Pigur 4 zeigt ein Beispiel von einem derartig elastischen Amboß. Mit 6 ist ein nachgiebiges Stahlband bezeichnet, das auf stabilen Heizzylindern 7 aufliegt, die ihrerseits wieder in zylindrisch eingedrehten Schalen 8 gehaltert sind, die durch Pedern 9 in den Stücken 10 liegen.
  • Diese werden wiederum über die Federn 11 im Stück 12 gehalten. Derartige oder ähnliche Auflagestücke, wie sie hier als Beispiel angegeben sind, zeigen nicht nur eine große anachmiegsame Elastizität, sondern auch die für den Amboß erforderliche mechanische Trägheit, da das elastische Stahlband 6 unmittelbar mit den kompakten Metallkörpern 7 verbunden ist.
  • Man kann auch den Weg wählen, ein normales kompaktes Metallstück als Gegenlage zu benutzen und dieses mit einer antitixotropen Masse ZU überziehen. Derartige Massen sind bekanatlich für achnelle Bewegungen hart, bei länger anhaltenden Belastungen hingegen fließend, nachgiebig und weich. Beim Ansetzen der Schiene gleichen sich somit alle Unebenheiten durch das fließen der antitixotropen Substanz aus, für die sehr schnelle Schwingungserregung von etwa 20 kHz ist die Tasse jedoch hart und unnachgiebig.
  • Den sehr verschiedenartigen Schweißproblemen entsprechen&, kann der Amboß noch in den verschiedensten Arten mit Überzügen versehen werden, beispielsweise mit einer wärmeis@@ lierenden Schicht. Diese ist erforderlich, wenn beispielsweise dünne Kunststoffolien miteinander verschweißt werden sollen. Erfahrungsgemäß tritt hierbei kekle gute Schweißung ein, weil die absorbierte Ultraschallenergie mit abfallender Dicke der Folien ebenfalls abfällt, die an den Ambeß bzw. die Schweißschiene abgegebene Wärme hingegen zuninit. Wird nun mindestens ein. der beiden 3erührungsfläohen, zweckmäßigerweise der Amboß, mit einer wärmeisolierenden Schicht versehen, so lassen sich auch dünne Kunststoffolien verschweißen.
  • Andererseits kann es bei der Verschweißung von hochglanzpolierten Blechen, beispielsweise von Zierleisten usw., sehr wichtig sein, die polierte Oberfläche nicht zu beschädigen. Derartige Schweißungen sind auf thermischem Wege bekanntlich nicht möglich. Erfahrungsgemäß kann es nun sehr zweckmäßig sein, zur Schonung derartiger Ob erflächen zwischen Amboß und Schweißpartner Seidenpapier einzulegen. Beim serienmäßigen Linienschweißen wird man daher so vorgehen, einen Seidenpapierstreifen unter dem Schweißgut mit ihm mitlaufen zu lassen Es gelingt auf diese Weise, auf der Amboßseite ganz unbeschädigte Oberflächen zu erhalten, was für den genannten Verwendungszweck ausreicht.
  • Bei der Lebensmittelindustrie und zahlreichen anderan Anwendungsgebieten ist die Dichtigkeit der Schweißnaht von entscheidender Bedeutung. Kleinste Materialfehler, Risse, Unebenheiten oder punktweise ungleichmäßiger Andruck können diese Forderung infrage stellen. Es wird aus diesem Grunde vorgeschlagen, den Amboß mit niederer Frequenz vibrieren zu lassen, und zwar entweder in Richtung der Schwingungsamplitude der Schweiß schiene oder rechtwinklig hierzu. In beiden Fällen wird der Schweißvorgang verschmiert", so daß durch die rechtwinklige Bewegung relativ zur'Schweißbevegung die genannten kleinen Fehlstellen zugedrückt und verschweißt werden.
  • Die Ultraschallschweißung ist bisher auf Dicken der Schweißpartner von nur wenigen Millimetern beschränkt.
  • Der Grund hierfür liegt darin, daß, beispielsweise bei der Böetallschweißung, die zur Oberfläche parallele Schwingungsanregung sehr rasch senkrecht zur Metalloberfläche abfällt, da die beanspruchten Scherkräfte einer hohen Dämpfung unterliegen. So gelangt nur eine stark verminderte Schwingungsamplitude an die untere Seite des oberen Bleches und somit zur Schweißstelle. Um die Schweißung auch an dickeren Blechen vornehmen zu können, wird vorgeschlagen, auch den Amboß als "Sonotrode" auszubilden, d.h. auch diesen in gleicher Weise wie die Schweißschiene 1 zu erregen. Zweckmäßigerweise wird die Schwingungsrichtung dieser Erregung parallel zur Schwingungsrichtung der Schweißschiene gel¢t, jedoch um 180°in der Phaae verschoben, so daß beispielsweise die Bewegung des Amboß' nach links erfolgt, während die Schweißschiene sich nach rechts bewegt und umgekehrt. Man erkennt leicht, daß sich hierdurch die übertragende Relativbewegung verdoppelt, d.h., daß infolgedessen Bleche von doppelter Stärke mit-einander verschweißt werden können. Natürlich läßt sich auch dieser Vorgang, wie oben beschrieben, auch zum "Verschmieren" von Unienheiten, kleinen Rissen usw. ausnutzen, wenn man die Schwingungsrichtung des Amboß' senkrecht zu derjenigen der Schweißschiene legt. Jedoch muß man in solchem Falle dann auf den genannten Gewinn größerer zu verschweißender Blechs dicken verzichten.
  • Bei dickeren Blechen liegt eine gewisse Schwerigkeit der Ultraschallschweißung darin, daß der Andruck an der Schweißstelle nur wenig reproduzierbar ist. Ist eines der Bleche beispielsweise auch nur etwas konkav gekrümmt, so geht ein großer Teil des Andruckes zum Plandrücken des Bleches verloren und nur ein ganz ungewisser Rest des Andruckes kommt an der Schweiß stelle zum Tragen. Dieser Umstand hat bei dickeren Stücken sehr unzuverlässige Zugfestigkeiten der Schweißpunkte zur Folge. Diese Schwierigkeit ist bei einer Linienschweißung begreiflicherweise noch viel größer. Es wird daher vorgeschlagen, den vorgegebenen zu verschweißenden Linienzug mindestens in einem der zu verschweißenden Bleche auszubuckeln. Diese Ausbuckelung kann beispielsweise durch eine Schiene erfolgen, die genau der Farm der Schweißschine entspricht und die unmittelbar vor dem Schweißvorgang an der Schweißmaschine selbst durch eine Schlagvorrichtung betätigt wird. Während also die Schweißmaschine die Linienschweißung durchführt, kann die genannte Buckelvorrichtung eine entsprechende Ausbeulung von wenigen Zehntelmillimetern an einem der Partner erzeugen. Anschließend paßt bei der Verschweißung dieser Stelle die Sonotrode sehr genau in diesen Buckel hinein, was zur Folge hat, daß nicht nur eine extrem kraftschlüssige Koppelung zwischen Sonotrode und dem einen Partner erzielt wird, sondern außerdem eine sehr definierte Linienberührung zwischen dem einen und dem zweiten Bartner, was wiederum zu einer sehr definierten und reproduzierbaren Schweißlinie führt.
  • Um die erstrebte, extrem kraftschlüssige Koppelung zwischen Sonotrode und Schweißpartner noch weiterhin zu steigern, kann es empfehlenswert sein, die Breite der die Buckelung erzeugenden Schiene etwas geringer zu bemessen als diejenige der Schweißschiene, so daß beim Einsenken der Schweißschiene ein Klemmvorgang erfolgt.
  • Handelt es sich um die Verschweißung eines geraden Linienzuges, beispielsweise zum Verschweißen von Aluminiumdosen, so kann es sehr empfehlenswert sein, beim Einlaufen der Schweißpartner, den einen über @ine Sickenrolle zu f2hren, deren Profil genau demjenigen der Schweißschiene entspricht oder auch in diesem Falle eine etwas geringere Profiibreite besitzt. Die Ausbuckelung wird hierdurch stetig schon wahrend der Zuführung vorgenommen, und der Schweißvorgang kann im genannten Sinne unmittelbar anschließen.
  • Ultraschallintensität, Schweißzeit, Andruck und weitere Betriebsbedingungen sind für verschiedene Materialien wehr verschieden.
  • Beispielsweise verschweißt sich Aluminium besonders gut. Versuche haben nun gezeigt, daß man die Schweißfähigkeit verschieder Materialien durch Zwischenlage von Folien aus anderem Material, beispielsweise aus Aluminium, wesentlich beeinflussen, bzw. verbessern kann. BB wird daher vorgeschlagen, zwischen die zu verschweißenden Partner kontinuierlich eine Folie von gut ultraschallschweißbarem Material laufend einzuführen, oder beinicht serienmäßigem vollautomatischem Betrieb einzulegen. Hierdurch lassen sich Schweißverbindungen erzielen, die bei den zur Verfügung stehenden Intensitäten oder entsprechenden Materialien sonst nicht erzielbar wären.

Claims (1)

  1. Patentansprüche Anspruch 1 Verfahren eine Ultraschall-Schweißverbindung zu erzielen, dadurch gekennzeichnet, daß in vorgegebener, gestreckter Linienzug in einer Gesamtheit zu Ultraschall-Schwingungen rregt und zu Verschweißen der tonponenten benutzt wird.
    Anspruch 2 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schiene (1) senkrecht zu ihrer Längsachse nit Ultraschall-Schwingern gekoppelt ist, die dieselbe in ihrer Gesentheit konphas in Schwingungen senkrecht zu ihrer Längsachse erregen.
    Anspruch 3 Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Schiene und Ultraschall-Schwingern Amplitudenverstärker angel bracht sind.
    Anspruch 4 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schiene (1) schräg zu ihrer Längsachse nit Ultraschall-Schwingern gekoppelt ist, die dieselbe in ihrer Gesantheit konphas zu elliptischen oder zirkularen Schwingungen anregen, Anspruch 5 Verfahren nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennseicknet, daß die Schiene eine vorgegebene Kurvenform besitzt.
    Anspruch 6 Verfahren nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Schiene gekoppelten Ein@l-Schwinger inpulsartig nacheinander erregt werden.
    Anspruch 7 Verfahren nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schiene heizbar ist.
    Anspruch 8 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der als Gegenlage dienende Amboß sich selbsttätig. parallel zur Schiene 1 ausrichtet.
    Anspruch 9 Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der als Gegenlage dienende Amboß in seiner Längsrichtung elastisch anschmiegsam gestaltet ist.
    Anspruch 10 Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der als Gegenlage dienende Amboß aus einer abgefederten Kette elastisch anschmiegsamer Glieder besteht.
    Anspruch 11 Verfahren iaoh Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der als Gegenlage dienende Amboß mit einer antitixotropen Masse über sogen ist.
    Anspruch 12 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der als Gegenlage dienende Amboß mit einer wärmeisolierenden Schicht überzegen ist.
    Anspruch 13 Vorfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der als Gegenlage dienende Amboß mit eines mit des Schweißgut mitbewegten Zeidenpapierstreifen bedeckt wird.
    41 14 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der als Gegenlage dienende Amboß heizbar ist.
    Anspruch 15 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der als Gegenlage dienende Amboß mit einer niederen Frequenz vibriert. anspruch 16 Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsrichtung der Vibration des als Gegenlage dienenden Amboß mit derjenigen der Schiene zusammen fällt.
    Anspruch 17 Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsrichtung der Vibration des s als Gegenlage dienenden Amboß rechtwinklig zu derjenigen der Schiene liegt.
    Anspruch 18 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der als Gegenlage dienende Amboß in gleicher Weise wie die Schiene zu Ultraschall-Schwingungen erregt wird.
    Anspruch 19 Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung der angeregten hochfrequenten Schwingungen des Amboß mit der Schwingungirichtung der Schiene zusammen fällt, jedoch um 1800 phasenverschoben ist.
    Anspruch 20 Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung der angeregten hochfrequenten Schwingungen des Anboß einen Winkel von 900 mit der Schwingungsrichtung der Schiene bildet.
    Anspruch 21 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene zu verschweißende Linienzug in mindestens einen der ii verschweißenden Bleche ausgebuckelt wird.
    Anspruch 22 Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die jusbuckelung durch eine Schiene erfolgt, deren Form genau der Fon der Schweißschiene entspricht und deren Breite jedoch un soviel geringer ist, daß bein Einsenken der Schweißschiene ein Klemmvorgang erfolgt.
    Anspruch 23 Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbuckelung durch eine der Form der Schweißsohiene entsprechende Schiene gemäß Anspruch 22 unmittelbar vor den, Schweißvorgang as der Schweißmaschine selbst durch eine Schlagvorrichtung er. folgt.
    Anspruch 24 Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß bei gerades Linienzug die Äusbuckelung beim Einlaufen des Bleches durch eine Sickenrolle erfolgt mit einen Sickenprofil, das in seiner Form genau dem Profil der Schweißschiene entspricht, deren Profil-breite jedoch um soviel geringer ist, daß beim Einsenken der Schweißschiene ein Klemmvorgang erfolgt.
    Anspruch 25 Verfahren nach Anspruch 21 und 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbuckelung durch eine Sickenrolle' erfolgt, deren Profil eine Sicke ergibt, deren Breite höchstens das 0,3 bis 0,5 -fache der Schweißschienenbreite beträgt.
    Anspruch 26 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die zu verschweißenden Partner laufend eine Folie von gut ultraschallschweißbarem Material zugeführt wird.
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