BR112019000672B1 - Dispositivo de soldagem ultrassônica - Google Patents

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Abstract

A invenção diz respeito a um dispositivo de soldagem por ultrassom composto por um sonotrodo (1) preso a um amplificador (12) que, por sua vez, está preso a um conversor (13) no qual o cabeçote (2) está afixado, caracterizado pela presença de uma carcaça exterior (3) posicionada ao redor do sonotrodo (1) para formarem, em conjunto, uma câmara anular (4) para a circulação do ar pressurizado, sendo que esta possui uma abertura canelada na extremidade frontal (31) para a saída do ar pressurizado e para a refrigeração do sonotrodo (1); na carcaça externa citada (3) há uma parte posterior (32) no cabeçote (2) que pode se mover axialmente, formando uma placa aplicadora de pressão que exerce uma pressão ? permitindo a ação de meios de compressão (51) ? contra as partes (P1, P2) a serem soldadas, em uma área periférica perto da área de soldagem, antes de a ponta (11) do sonotrodo (1) entrar em contato com as ditas partes a serem soldadas.

Description

Objeto da invenção
[001] O objeto da presente invenção é um dispositivo de soldagem ultrassônica, particularmente para a soldagem de peças de plástico. O dispositivo é composto por um sonotrodo, um amplificador e um conversor, adequado para ser afixado em um manipulador, atuador ou braço robótico que o mova até o ponto de soldagem para que este proceda com a operação de soldagem, e no qual se encontra afixado um cabeçote de sustentação e resfriamento.
[002] Um dos aspectos importantes da invenção é equipar o dispositivo com os recursos adequados para aplicar pressão frontal às peças a serem soldadas, em uma zona periférica muito próxima ao ponto de soldagem, de modo a eliminar o espaçamento indesejado entre as peças; e também resfriar de forma eficaz o sonotrodo e a solda uma vez que esta esteja formada.
Campo de aplicação da invenção
[003] Esta invenção é aplicável na soldagem de plásticos por ultrassom.
Estado da arte
[004] Em vários setores, como, por exemplo, o automotivo, o ultrassom é comumente utilizado para soldar plásticos. Uma das peças que será soldada possui um conjunto de orifícios, enquanto os pinos, que passam por esses orifícios, estão definidos na segunda peça. Faz-se a sobreposição das duas peças a serem soldadas anteriormente ao processo de solda. Durante a operação de soldagem, o sonotrodo se move na direção axial e em direção ao pino plástico oco, fazendo com que o plástico derreta, seja comprimido e forme uma cabeça ou rebite no pino, impedindo assim que uma peça se solte da outra.
[005] As máquinas de cassete equipadas com vários sonotrodos de soldagem são utilizadas para realizar várias soldas simultaneamente, proporcionando uma configuração repetitiva.
[006] A alteração das peças que precisam ser soldadas requer uma alteração de modelo e a reconfiguração da máquina para cada modelo.
[007] Os dispositivos de soldagem ultrassônica também são conhecidos por operarem com braços robóticos, o que permite que o modelo seja alterado apenas com a modificação das coordenadas.
[008] Durante a utilização desses dispositivos de soldagem, geralmente surgem dois problemas: um primeiro problema está relacionado ao resfriamento apropriado do sonotrodo e da solda, para garantir a eficiência, e; um segundo problema está relacionado com o posicionamento correto das peças a serem unidas, para que não se tenha um espaço indesejado entre elas.
[009] Com relação ao primeiro problema, o resfriamento do sonotrodo, há vários antecedentes.
[010] Na patente US3438428, é descrito um método para manter a ferramenta vibratória a uma temperatura controlada. Para sua implementação, tal ferramenta vibratória é aplicada à soldagem plástica por meio de um sonotrodo. De modo a executar o controle de temperatura anteriormente mencionado, estabelece-se um conduíte no sonotrodo, no qual a entrada e a saída do circuito de circulação externa de um fluido de refrigeração são conectadas.
[011] A patente US6691909 diz respeito a um dispositivo e um método para trabalhar peças na soldagem ultrassônica que reduz a adesão do sonotrodo durante o processo de soldagem ultrassônica. O documento US6691909 também propõe um sistema de resfriamento interno para o sonotrodo, similar ao proposto na US3438428.
[012] O documento EP1000732 descreve um dispositivo para a soldagem ultrassônica de elementos para fixação por resina e propõe a formação de uma passagem para o ar definida através de uma parte do sonotrodo, sendo que uma de suas utilizações é a injeção de ar para resfriar a área soldada.
[013] Estes antecedentes possuem algumas desvantagens: a projeção de ar através de um conduíte interno do sonotrodo pode causar o surgimento de bolhas ou filamentos no material derretido e, consequentemente, soldas defeituosas; mais ainda, essa projeção não é particularmente eficaz, uma vez que o avanço do sonotrodo sobre o material fundido tampa o orifício interno com plástico fundido, impedindo a circulação de ar dentro do sonotrodo e a sua saída na ponta ou na extremidade frontal, aumentando excessivamente a temperatura do sonotrodo.
[014] Em relação ao segundo problema, que é o posicionamento das peças a serem soldadas, também é conhecida a utilização de manipuladores externos, separados do dispositivo de soldagem, que seguram as peças por uma área mais ou menos distante da área de soldagem.
[015] Isso faz com que, muitas vezes, especialmente em casos em que há um material entre as peças a serem soldadas (um forro, por exemplo), as duas peças não sejam suficientemente comprimidas uma contra a outra na área de soldagem e, em vez de estarem unidas, possuem um espaçamento ou uma ranhura indesejável entre elas. Em alguns casos, isso é inaceitável por parte do fabricante.
[016] O candidato não tem conhecimento da existência de antecedentes relacionados aos dispositivos de soldagem ultrassônica que possam resolver, satisfatória e simultaneamente, ambos os problemas expostos, relacionados ao resfriamento do sonotrodo ou ao posicionamento correto das peças nas zonas de soldagem, de modo a evitar espaçamentos ou ranhuras entre elas.
Descrição da invenção
[017] O dispositivo de soldagem ultrassônica que é objeto da invenção é composto por um sonotrodo, um conversor de ultrassom e um amplificador, adequado para fixação em um manipulador ou braço robótico, e no qual é afixado um suporte para resfriamento, com características adequadas para resolver os problemas expostos e, em particular, para aplicar uma pressão frontal nas peças a serem soldadas, em uma zona periférica muito próxima do ponto de soldagem, e para resfriar eficazmente o sonotrodo por sua superfície exterior, garantindo a circulação de ar pressurizado em direção a área de soldagem durante a realização da solda.
[018] Para esse efeito e, de acordo com a invenção, este dispositivo é composto por uma manga externa posta ao redor do sonotrodo e que delimita, juntamente com o sonotrodo, uma seção de câmara anular para a circulação de ar pressurizado que é conectada, através de uma cavidade interna do cabeçote, a uma entrada de ar pressurizado e que possui uma abertura anular canelada frontal para a saída de ar pressurizado e para o resfriamento periférico do sonotrodo.
[019] A manga externa citada possui uma parte traseira montada no cabeçote da unidade, que possibilita um movimento axial entre: - uma posição de avanço, na qual a extremidade frontal da manga se projeta frontalmente em relação à ponta do sonotrodo; formando um suporte que exerce uma pressão configurável, através de meios de compressão, sobre as peças a serem soldadas e em uma área periférica perto do ponto de solda, durante a aproximação do sonotrodo às peças a serem soldadas e antes de a ponta do sonotrodo estabelecer contato com as peças a serem soldadas, e - uma posição de recuo, determinada pelo movimento de avanço do sonotrodo durante a operação de soldagem enquanto a extremidade frontal da manga continua pressionando as peças a serem soldadas, e nessa posição de recuo a extremidade frontal da manga é posicionada de forma coplanar ou em um plano muito próximo à ponta do sonotrodo.
[020] Com estas características, permite que a extremidade frontal da manga exerça uma pressão configurável nas peças a serem soldadas, em uma área periférica próxima da zona de soldagem, antes de a soldagem começar e durante o processo de soldagem, para que o posicionamento correto das peças permaneça garantido, prevenindo ranhuras ou espaçamentos indesejados entre elas.
[021] A invenção também permite que o ar pressurizado seja utilizado para o resfriamento externo do sonotrodo, para circular pela câmara anular e sair através da abertura frontal da manga, mesmo durante a operação de soldagem, devido à configuração canelada da abertura frontal da manga que impede que o plástico fundido bloqueie a saída de ar comprimido, ao contrário do que acontece nos antecedentes acima mencionados, que proporcionam uma saída através de um orifício central definido no próprio sonotrodo.
[022] O ar de resfriamento pressurizado proporciona um efeito benéfico adicional no desempenho deste tipo de soldagem: quando o sonotrodo é removido após a soldagem, aquele ar comprimido resfria o plástico fundido no ponto de solda, causando a solidificação do material fundido e permitindo que o sonotrodo seja removido sem repuxar o material fundido e, consequentemente, sem deformar e/ou enfraquecer a solda, evitando que se gaste o tempo geralmente dedicado a esperar que o plástico fundido se solidifique - sem refrigeração - de modo a poder fazer a remoção do sonotrodo sem as deformações preocupantes da solda. O resultado deste efeito é que as soldas são executadas em intervalos mais curtos; isso significa um maior rendimento por unidade.
[023] Além disso, a pressão exercida nas peças continua sendo exercida no movimento de recuo do sonotrodo, evitando assim a separação durante o resfriamento da solda pelo ar pressurizado.
[024] Uma vantagem adicional de fazer circular o ar pressurizado através da cavidade interna do dispositivo é que a pressão do ar, por si só, causa uma autocentralização na direção radial da manga em relação ao elemento mecânico de orientação, minimizando assim o desgaste por fricção mecânica entre eles, pois este apenas atua no caso de forças radiais extremas.
Descrição das figuras
[025] Para complementar a descrição que está sendo feita e para facilitar o entendimento das características da invenção, encontra-se em anexo um conjunto de desenhos para estas especificações, de natureza ilustrativa e não limitadora, em que há a representação do seguinte.
[026] A figura 1 mostra uma vista elevada da seção transversal de um exemplo da implementação do dispositivo de soldagem ultrassônica de acordo com a invenção, em uma posição inoperante e no qual a manga pode ser vista na posição de avanço.
[027] A figura 2 mostra o cabeçote de pressão de resfriamento em uma vista similar à anterior, em que os elementos de soldagem ultrassônica foram removidos.
[028] A figura 3 mostra uma vista elevada da seção transversal do dispositivo de soldagem ultrassônica da Figura 1 em uma posição de operação, com a manga na posição de recuo.
[029] As figuras 4 e 5 mostram detalhes de uma parte frontal do dispositivo inventado em diferentes fases do processo de soldagem de duas peças de material plástico.
Implementação preferível da invenção
[030] O dispositivo de soldagem ultrassônica mostrado nas figuras 1 e 3, como um exemplo de implementação, é composto de um sonotrodo (1) afixado por sua área posterior a um amplificador (12) e este, por sua vez, a um conversor (13) adequado para ser conectado a um atuador, manipulador ou braço robótico responsável por seu movimento, e no qual o cabeçote (2) é anexado.
[031] O dispositivo é composto por uma manga externa (3) colocada ao redor do sonotrodo (1) e que delimita, juntamente com o sonotrodo, uma câmara anular (4) para a circulação do ar pressurizado conectado através da cavidade (23) a uma entrada (21) de ar pressurizado definida no cabeçote (2); proporcionando à manga externa (3), em sua extremidade frontal (31), um bocal canelado para a saída de ar pressurizado na periferia da ponta (11) do sonotrodo (1) e o resfriamento periférico deste sonotrodo (1).
[032] A manga externa (3) tem uma parte posterior (32) montada no cabeçote (2) com possibilidade de movimento axial entre uma posição de avanço, mostrada na figura 1, e uma posição de recuo, mostrada na figura 3.
[033] Na posição de avanço da manga (3), a extremidade frontal (31) se projeta frontalmente em relação à ponta (11) do sonotrodo (1), enquanto que na posição de recuo, a extremidade frontal (31) da manga se apresenta de forma coplanar ou em um plano próximo à ponta (11) do sonotrodo (1).
[034] O dispositivo é constituído por um suporte (5) afixado externamente a uma área intermediária da manga (3), que se move juntamente com essa manga (3) em relação ao cabeçote (2) entre as posições de avanço e de recuo anteriormente mencionadas.
[035] O dispositivo é composto por meios compressíveis (51) representados neste exemplo por algumas molas helicoidais que atuam no suporte (5) e tendem a prendê-lo na posição de avanço, em contato com uma trava mecânica (22) fixada no cabeçote (2) e que limita o avanço do suporte (5) na posição de avanço, como mostrado na figura 1.
[036] A parte posterior (32) da manga externa (3) está alojada na câmara (23) do cabeçote (2), que é transportado através de uma bucha cilíndrica perfurada com a entrada lateral de ar pressurizado (21) que se encontra no cabeçote (2) mencionado acima; esta parte posterior da manga (32) é composta por uma parte traseira canelada (33) e alguns orifícios radiais (34) para a passagem de ar pressurizado da câmara (23) do cabeçote (2) em direção à câmara anular (4) definida entre a manga externa (3) e o sonotrodo (1), independentemente da posição mais ou menos avançada desta manga exterior (3).
[037] A bucha cilíndrica perfurada (6) está alojada em uma sede periférica (24) que se encontra na câmara (23) do cabeçote (2), e está fixada nessa sede periférica (24) por um retentor (7) preso ao cabeçote (2) e que possui uma gaxeta (71) que atua na direção oposta ao suporte móvel (5), impedindo que haja vazamento do ar pressurizado através do espaço entre o suporte (5) e o cabeçote (2).
[038] As figuras 4 e 5 representam duas posições do dispositivo durante a operação em uma direção axial e a soldagem de duas peças plásticas (P1, P2) convenientemente sobrepostas e respectivamente guarnecidas de um pino (T) e um orifício (O) para a passagem do pino (T).
[039] Conforme mostrado na figura 4, durante a aproximação do sonotrodo (1) às peças (P1, P2) a serem soldadas, antes da ponta (11) do sonotrodo (1) estabelecer contato com as peças a serem soldadas, a manga (3) é posicionada proeminentemente para a frente, e sua extremidade frontal (31) forma um empurrador que exerce, pela ação de meios de compressão (51), uma pressão configurável de uma peça contra a outra (P1, P2) a serem soldadas, em uma área periférica próxima à solda, imobilizando-as em uma posição adequada e prevenindo que haja qualquer espaçamento ou ranhura entre as peças.
[040] Como mostrado na figura 5, a ponta do sonotrodo (11) atua contra o pino (T) durante o movimento de avanço do dispositivo em uma direção radial, realizando a solda; e a extremidade frontal da manga (31) mantém as peças a serem soldadas (P1, P2) pressionadas entre si, atingindo uma posição de recuo, precisamente determinada por esse movimento de avanço do sonotrodo (1).
[041] A manga (3) se move afastando-se do sonotrodo (1) durante a soldagem, causando a compressão dos meios de compressão (51) que tendem mantê-la na posição anterior.
[042] Uma vez que a natureza da invenção foi suficientemente descrita, juntamente com um exemplo de sua implementação preferível, devem ser indicados os efeitos apropriados que os materiais, formas, tamanhos e configurações dos elementos descritos podem ser modificados, desde que isso não implique em uma alteração das características da invenção que está reivindicada abaixo.

Claims (5)

1. Dispositivo de soldagem ultrassônica; composto por um sonotrodo (1) afixado por uma parte posterior a um amplificador (12) que, por sua vez, está afixado a um conversor (13) adequado para conexão com um atuador, manipulador ou braço robótico responsável por seu movimento, e no qual um cabeçote (2) está afixado, o dispositivo sendo CARACTERIZADO pelo fato de que é composto por: uma manga externa (3) disposta ao redor do sonotrodo (1) e que delimita, juntamente com o sonotrodo (1), uma câmara anular (4) para a circulação de ar pressurizado conectado através de uma câmara (23) a uma porta de entrada de ar pressurizado (21) definida no cabeçote (2), a manga externa (3) possuindo uma boca canelada em uma extremidade frontal (31) para a saída de ar pressurizado na periferia de uma ponta (11) do sonotrodo (1) e a refrigeração periférica do sonotrodo (1); a manga externa (3) acima mencionada tem uma parte posterior (32) montada no cabeçote (2) configurada para movimento axial entre: - uma posição de avanço na qual a extremidade frontal (31) da manga externa (3) se projeta frontalmente em relação à ponta (11) do sonotrodo (1); formando um empurrador que exerce, pela ação de meios de compressão (51), uma pressão configurável contra as peças (P1, P2) a serem soldadas, em uma área periférica próxima à solda, durante aproximação do sonotrodo (1) às peças a serem soldadas e antes de a ponta (11) do sonotrodo (1) estabelecer contato com as peças a serem soldadas acima mencionadas, e - uma posição de recuo, determinada pelo avanço do sonotrodo (1) durante a soldagem enquanto a extremidade frontal (31) da manga externa (3) mantém as peças (P1, P2) a serem soldadas pressionadas entre si, e nessa posição de recuo a extremidade frontal (31) da manga externa (3) é disposta de uma forma coplanar, ou em um plano muito próximo, à ponta (11) do sonotrodo (1).
2. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pela parte posterior (32) da manga externa (3) que está alojada em uma câmara (23) do cabeçote (2) que é transportado através de uma bucha cilíndrica perfurada (6) com a entrada lateral de ar pressurizado (21) definida no cabeçote (2) mencionado acima; esta parte posterior (32) da manga externa (3) é composta por uma parte traseira canelada (33) e orifícios radiais (34) para a passagem de ar pressurizado da câmara (23) do cabeçote (2) em direção à câmara anular (4) definida entre a manga externa (3) e o sonotrodo (1).
3. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pela bucha cilíndrica perfurada (6) que está alojada em uma sede periférica (24) definida na câmara (23) do cabeçote (2) e que está fixada nessa sede por um retentor (7).
4. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo retentor (7) que contém uma gaxeta de vedação (71) que atua contra o suporte deslizante (5), prevenindo vazamentos de ar pressurizado para o exterior através do espaço entre o suporte (5) e o cabeçote (2).
5. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO por ser composto por: um suporte (5) anexado externamente a uma área intermediária da manga externa (3) e que se move juntamente com a manga externa (3) acima mencionada, entre as posições de avanço e de recuo; alguns meios de compressão (51) que agem sobre o cabeçote (2) e tendem a segurá-lo na posição de avanço, e uma trava mecânica (22) que delimita o avanço do suporte (5) na posição de avanço.
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