CH439928A - Verfahren und Vorrichtung zum Ultraschallschweissen eines duktilen Metalles an ein hartes Material - Google Patents

Description

  Verfahren und Vorrichtung zum Ultraschallschweissen eines duktilen Metalles an ein hartes Material    Die Erfindung bezieht sich auf das     Ultraschall-          schweissen    eines duktilen Metalles, wie Aluminium  oder Kupfer, an ein hartes Material, wie Glas und  andere     glasartige    oder keramische Stoffe, oder an ein  sehr hartes Metall, wie Wolfram. Solche Werkstoffe sind  meist verhältnismässig spröde, weshalb sie schon bei       verhältnismässig    geringer     Verformung    zerbrechen.  



  Es ist bekannt, dass, wenn die Schweissvorgänge,  bei denen die zu schweissenden     Materialien    wenigstens  teilweise     zusammenschmelzen,    nicht angewandt werden  können, das Problem oft durch die Verwendung von  Ultraschallschwingungen gelöst werden kann. Es ist  insbesondere bekannt, z. B. beim Schweissen von Alu  minium an Glas eine Platte aus     diesem    Metall mit einer  Glasplatte fest zwischen einem fest angeordneten starren  Amboss und einem verdickten Teil zusammenzuklem  men, welcher Teil meist Sonotrode genannt wird, der  mit einer Ultraschallfrequenz parallel zur Trennfläche  der durch Schweissen     zu    verbindenden Materialien  schwingt.

   Durch das Zusammenklemmen dringt die     So-          notrode    an einem Punkt etwas in die Aluminiumplatte  ein und führt diese während der Schwingung mit sich.  Die Glasplatte wird hingegen durch Reibung     mit    dem  Amboss in bezug auf diesen festgehalten und die  Schwingungen führen eine gegenseitige Verschiebung  der Aluminiumplatte und der Glasplatte herbei. Am  Klemmpunkt entsteht eine Schweissung. Mit Rücksicht  auf die angeführte Wichtigkeit einer Lokalisierung der  gegenseitigen Verschiebung an der Trennfläche zwischen  den zu schweissenden Materialien ist es üblich, jede  Verschiebung zwischen der Glasplatte und dem     Amboss     zu vermeiden, z.

   B. dadurch, dass die Oberfläche des  Ambosses aufgerauht wird, wodurch die Haftung zwi  schen Amboss und Glasplatte     verbessert    wird.  



  Die erhaltene Schweissung ist ein Schweisspunkt.  Um Einzelteile verhältnismässig grosser Abmessungen  fest miteinander zu verbinden, ist es somit     erforderlich,     eine grosse Anzahl solcher Schweisspunkte herzustellen.  Zu diesem Zweck wird der Amboss bekanntlich in Form    einer um ihre Achse drehenden     Stahlrolle    und wird die  Sonotrode in Form eines Rotationskörpers ausgeführt,  der gleichfalls um seine Achse dreht, die zur Achse des       Ambosses    parallel     liegt,    so dass das     Ganze    die beiden  aneinander zu schweissenden Einzelteile     mit    der glei  chen Geschwindigkeit antreibt.

   Die Ultraschallenergie  wird der Sonotrode durch Impulse zugeführt, die je  einen Schweisspunkt hervorrufen. Bei genügender Fre  quenz der Impulse gegenüber der Antriebsgeschwindig  keit der festzuschweissenden Einzelteile oder bei einer  kontinuierlichen Zuführung der Ultraschallenergie an  die Sonotrode kann in gewissen Fällen eine ununter  brochene Schweissnaht erhalten werden. Das letztere       Verfahren    lässt sich jedoch schwer zum     Anschweissen     eines duktilen Metalles an ein hartes und sprödes Ma  terial verwenden. Dieses Material (im vorhergehenden  Beispiel die Glasplatte) zerbricht tatsächlich in den mei  sten Fällen.  



  Die Erfindung bezieht sich auf ein     Ultraschall-          schweissverfahren,    das zum ununterbrochenen     Naht-          schweissen    eines     duktilen    Metalls an ein hartes Material  verwendet werden kann.  



  Dieses     Verfahren,    bei dem eine Folie aus     duktilem          Metall    an eine Lage aus     hartem    Material zwischen einer       Sonotrode    in Form eines diese Folie berührenden, um  eine zu der erwähnten Lage parallele Achse drehenden  Rotationskörpers und einem nicht schwingenden     Am-          boss,    dessen     augenblickliche        Berührungsoberfläche    sich  mit der gleichen Geschwindigkeit und in der gleichen  Richtung wie die augenblickliche Berührungsoberfläche  der     Sonotrode    bewegt, angedrückt wird,

   wobei die     Sono-          trode    mit einer Ultraschallfrequenz parallel zu ihrer  Achse schwingt, ist     erfindungsgemäss    dadurch gekenn  zeichnet, dass zwischen dem harten Material und dem  Amboss eine Schicht aus elastischem Material ange  bracht wird.  



  Unter elastischem Material wird dabei ein Material  verstanden, das sich viel leichter als das erwähnte harte  Material und der Amboss verformen lässt, aber das      weder zerbricht, noch leicht     auseinanderfällt.    Der Aus  druck  elastisch  ist hier in bezug auf die Zeit, in der  das elastische     Material    nach dem Verschwinden der die  Verformung herbeiführenden Kraft seine ursprüngliche  Form wieder annimt, ohne Bedeutung. Die Verformung  kann sogar teilweise dauernd sein.

   Je nach dem vor  liegenden Fall wird das elastische Material aus Gummi,  Zellulose, Nylon, einem duktilen Metall usw. bestehen,  und es kann entweder in Form eines Bandes oder einer  an der Platte des erwähnten harten Materials oder am  Amboss festgeleimten oder     lediglich    gehalterten Platte,  oder im Falle eines die Gestalt einer Rolle aufweisenden  Ambosses in Form eines ringsum den Amboss ange  brachten Ringes verwendet werden. Wie dem auch sei,  dieses elastische Material soll sich nicht mit der Schicht  aus hartem Material verbinden und trennt diese Schicht  teilweise vom Amboss. Die Erfindung steht somit im  Widerspruch zur allgemein angenommenen Ansicht,  nach der es von grosser Wichtigkeit ist, jede Verschie  bung zwischen dem Amboss und dem angrenzenden  zu schweissenden Material zu vermeiden.

   Die Erfahrung  hat tatsächlich gezeigt, dass solche Verschiebungen be  deutende Verluste durch Reibung an einer nicht geeig  neten Stelle veranlassen, so dass ein grosser Teil der  Ultraschallenergie ohne nützliche Wirkung verloren  wird. Aus diesem Grunde wird im allgemeinen ein maxi  maler Kontakt     zwischen    der Berührungsoberfläche des  Ambosses und dem angrenzenden zu schweissenden  Material angestrebt, meist dadurch, dass die Berüh  rungsoberfläche des Ambosses aufgerauht wird, wo  durch der Reibungskoeffizient zwischen dem Amboss  und dem zu schweissenden Material erhöht wird.  



  Entgegen der allgemein angenommenen und auf Er  fahrung beruhenden Meinung hat man angenommen,  dass diese letztere Bedingung beim Anschweissen einer  Folie aus duktilem Metall an eine Schicht aus hartem  Material, die bei der Frequenz der verwendeten Ultra  schallschwingungen meist eine merkliche Trägheit auf  weist, nicht unbedingt notwendig wäre. Andererseits hat  man überlegt, dass das Zerbrechen der Schicht aus har  tem Material durch Anbringen einer Schicht aus ela  stischem Material zwischen dem Amboss und der zu  schweissenden Lage aus     hartem    Material verhütet wer  den     könnte.     



  Gegenwärtig wird angenommen, dass dieses Zer  brechen     zurückzuführen    ist auf Ultraschallschwingungen  im     harten    Material oder auf die im harten Material       örtlich    starken resultierenden Spannungen, die gleich  zeitig durch den Druck der kleinen     Arbeitsoberfläche     der Sonotrode und durch die von der Metallfolie über  tragenen     Ultraschallschwingungen        herbeigeführt    werden.  Die Spannungen ändern sich bei der Drehbewegung der  Sonotrode infolge der geometrischen     Unregelmässigkei-          ten    dieser Sonotrode oder des Ambosses, oder auch der  zu schweissenden Materialien.

   Selbstverständlich können  die beiden erwähnten Erscheinungen ausserdem gleich  zeitig auftreten. Es kann angenommen werden, dass das  elastische Material die Ultraschallschwingungen in er  heblichem Masse dämpft und die durch den Druck  der Sonotrode verursachten Spannungen herabsetzt. Wie  dem auch sei, es ist auf diese Weise gelungen,     zwischen     einer Folie aus duktilem Metall und einer Schicht aus       hartem    und sprödem Material ununterbrochene  Schweissnähte zu erhalten, indem die Gefahr eines Zer  brechens dieses Materials nahezu beseitigt wurde.

      Die     Erfindung    betrifft auch eine Vorrichtung zum  Ultraschallschweissen eines duktilen Metalles an ein  hartes Material     nach    dem oben beschriebenen     Verfah-          ren.    Diese Vorrichtung enthält eine Sonotrode in Form  eines Rotationskörpers, Mittel, mit denen diese     Sono-          trode    parallel zu ihrer Achse mit einer Ultraschall  frequenz in     Schwingung    versetzt wird, Mittel, mit de  nen die Sonotrode um ihre Achse gedreht wird, einen  mit der Sonotrode zusammenwirkenden Amboss,

   Mit  tel zum Bewegen der     augenblicklichen    Berührungsober  fläche des Ambosses mit der gleichen Geschwindigkeit  und in der gleichen Richtung wie die augenblickliche  Berührungsoberfläche der erwähnten Sonotrode und  Mittel, mit denen das duktile Metall zwischen der     Sono-          trode    und dem Amboss am erwähnten harten Material       angedrückt    wird, und ist dadurch gekennzeichnet, dass  die     Berührungsoberfläche    des Ambosses mit einer  Schicht aus elastischem Material überzogen ist.  



  Die Erfindung betrifft weiterhin ein durch das oben  beschriebene Verfahren erhaltenes Produkt. Dieses Pro  dukt enthält eine Folie aus duktilem Metall, das an  eine Schicht aus sprödem und     hartem    Material     festge-          schweisst    ist. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass die  erwähnte Schweissung eine ununterbrochene     Schweiss-          naht    ist.  



  Die Erfindung wird nachstehend an Hand der ein  Ausführungsbeispiel wiedergebenden Zeichnung näher  erläutert.  



  Fig. 1 ist eine schematische Ansicht des zum     Ultra-          schallschweissen    verwendeten Gerätes.  



  Fig. 2 zeigt einen schematischen Schnitt in     vergrös-          sertem    Massstab in Richtung der Linie A-A der Fig. 1.  Fig. 1 zeigt einen Nickeltransduktor 1 in Form eines  Parallelopipedons, der einen Magnetkreis bildet. Einer  der Schenkel dieses Kreises ist von einer Polarisie  rungswicklung 2 umgeben, die mit einer nicht darge  stellten elektrischen Gleichstromquelle verbunden ist.  Der andere Schenkel ist von einer Erregerwicklung 3  umgeben, die mit einem gleichfalls nicht dargestellten  elektrischen Oszillator, z. B. mit einer Frequenz von  20 000 Hz und einer Leistung von 400 W, verbunden  ist.

   Die Wicklung 3 erzeugt ein magnetisches Wechsel  feld, das eine     magnetostriktive    Erscheinung hervorruft,  welche sich in einer abwechselnden Schrumpfung und  Ausdehnung des     Transduktors    äussert. Die dadurch er  haltene stehende Welle weist parallel zur Achse 4 einen  Knoten in der Mitte des     Transduktors    und an jedem  Ende des     Transduktors    einen Bauch auf, wobei die  Länge des     Transduktors    die Hälfte der Länge der ent  sprechenden Welle bei der erwähnten Frequenz und für  das erwähnte Material ist.  



  Diese Schwingung wird einem zylindrischen über  tragungsglied 5 zugeführt, das gleichfalls die Länge einer  halben Welle aufweist, und wird mit der gleichen Am  plitude und     umgekehrter    Phase auf einen      exponen-          tiellen    Transformator  6 gleicher Länge     übertragen,    der  die Schwingung mit erhöhter Amplitude und wiederum       umgekehrter    Phase auf die Mitte der Schweissscheibe  7 überträgt.

   Diese Scheibe ist für die     Biegungswellen     mit radialer     Fortpflanzung    auf die bereits erwähnte       Frequenz    abgestimmt, so dass nach der letzteren Pha  senumkehr die zur Achse 4 parallele Schwingung  schliesslich an den Umfang dieser Scheibe gelangt. Das       Übertragungsglied    5, der Transformator 6 und die  Scheibe 7 sind miteinander verbunden und bestehen aus      Stahl. Der Durchmesser der Scheibe 7 ist 5 cm und der  Krümmungsradius des abgerundeten Teiles am Umfang  der Scheibe ist, in einer durch die Achse 4 gehende  Ebene gemessen, etwa 7,5 cm.  



  Der Transduktor 1 und die Hälfte des     Übertragungs-          diodes    5 sind in einen zylindrischen Halter 8 gefasst, in  dem eine Kühlwasserzirkulation möglich ist und der  von einem Lagerkranz 9 verschlossen ist. Dieser Kranz  ist in der Mitte des Generators 5 und somit auf einem  Knoten der Ultraschallschwingung angebracht. Mit  Hilfe nicht dargestellter Rollenlager wird     ermöglicht,     das oben beschriebene Ganze zu haltern und mit     Hilfe     einer ebenfalls nicht dargestellten Verzahnung völlig von  einem nicht dargestellten Motor in einer Drehbewegung  um die Achse 4 anzutreiben.

   Unterhalb der     Schweiss-          scheibe    7 ist eine Aluminiumfolie 13 mit einer Stärke  von 0,1 mm angebracht, unter welcher sich eine Glas  platte<B>14</B> mit einer Stärke von 1 mm befindet, an der  die erwähnte Folie durch Nahtschweissen befestigt wer  den muss. Diese Elemente sind gleichfalls in Fig. 2 dar  gestellt. Unterhalb der Platte 14 befindet sich ein zylin  drischer Stahlamboss 10, der über eine Welle 11 und  parallel zur Achse 4 von dem Kranz 9 antreibenden  Strom um seine Achse gedreht wird. Dieser Amboss  ist von einer Gummischicht 12, z. B. mit einer Stärke  von 1 mm, umgeben. Die Drehgeschwindigkeiten am  Umfang der Scheibe 7 und der Schicht 12 sind beide  gleich 3 mm/sek. Der Durchmesser des Ambosses 10  ist 48 mm. Ein Druck von 3 kg wird zwischen dem  Amboss 10 und der Scheibe 7 ausgeübt.

   Unter den be  schriebenen Umständen wird eine regelmässige  Schweissnaht zwischen der Aluminiumfolie 13 und der  Glasplatte 14 erhalten, wobei praktisch keine Gefahr  eines Zerbrechens dieser Platte besteht, während die       früher    ausgeführten Versuche einen solchen     Bruch    zur  Folge hatten. Die Breite der Schweissnaht ist etwa  1 mm, die Länge kann praktisch beliebig gewählt wer  den.  



  Es ist gelungen, mit dem beschriebenen     Schweiss-          gerät    kontinuierliche Schweissnähte zwischen einer Alu  miniumfolie von 0,05 mm Stärke und einer Glasplatte  von 2,5 mm Stärke zu erhalten, ohne dass zwischen  dem Glas und dem Amboss eine Schicht aus elastischem  Material angebracht wurde. Sobald die Stärke der Glas  platte, z. B. auf 1 mm, herabgesetzt wurde, zerbrach  diese Platte, oder aber die Schweissnaht wurde sehr  unregelmässig. Ein Schweissvorgang konnte wieder mit  Erfolg     durchgeführt    werden, sobald eine durch eine  Gummifolie von 1 mm gebildete Schicht 12 aus elasti  schem Material angewandt wurde.  



  Ebenfalls wurde eine Aluminiumfolie von 0,05 mm  auf einer Molybdänplatte von 1 mm ohne Anwendung  einer Schicht aus elastischem Material festgeschweisst,  während ohne die Anwendung einer solchen z. B. durch  eine     Gummifolie    von 1 mm gebildeten Schicht das  Schweissen einer gleichen Folie auf einer Molybdän  platte von 0,25 mm sich als unmöglich erwies, wenn  nicht durch Anwendung einer solchen Schicht gleich  falls eine Herabsetzung der zwischen der Sonotrode  und dem Amboss ausgeübten     Kraft    erzielt wird.  



  Andererseits ist es ebenfalls gelungen, eine Alumi  niumfolie von 0,05 mm Stärke an einer     Glasplatte    von  1 mm Stärke oder an einer Molybdänplatte von 0,25  mm Stärke dadurch festzuschweissen, dass die Schicht  aus elastischem Material durch eine zweite Aluminium-    folie von 0,05 mm gebildet wurde, ohne dass die letztere  Folie an der Platte oder am Amboss festgeschweisst  wurde.  



       Schliesslich    hat man auch mit     Hilfe    einer durch eine  Gummischicht von 1     mm    Stärke gebildeten Schicht aus  elastischem Material eine Aluminiumfolie an einer Wolf  ramplatte und eine Kupferfolie an einer Glasplatte     fest-          geschweisst.  

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH I Verfahren zum Ultraschallschweissen eines dukti len Metalles an ein hartes Material, bei dem eine Folie aus duktilem Metall an eine Schicht aus hartem Material zwischen einer Sonotrode in Form eines diese Folie be rührenden, um eine zu der erwähnten Schicht parallele Achse drehenden Rotationskörpers und einem nicht schwingenden Amboss, dessen augenblickliche Berüh rungsoberfläche sich mit der gleichen Geschwindigkeit in der gleichen Richtung wie die augenblickliche Be rührungsoberfläche der Sonotrode bewegt, angedrückt wird, wobei die Sonotrode mit einer Ultraschallfrequenz parallel zu ihrer Achse schwingt, dadurch gekennzeich- net,

   dass zwischen dem harten Material und dem Am boss eine Schicht aus elastischem Material angebracht wird. UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch ge kennzeichnet, dass die Schicht aus elastischem Material an der Schicht aus hartem Material angebracht wird. 2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch ge kennzeichnet, dass die Schicht aus elastischem Material auf der ganzen Berührungsoberfläche des Ambosses angebracht wird.

   PATENTANSPRUCH II Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ge- mäss Patentanspruch I, wobei die Vorrichtung eine Sonotrode in Form eines Rotationskörpers, Mittel, mit denen die Sonotrode parallel zu ihrer Achse mit einer Ultraschallfrequenz in Schwingung versetzt wird, Mittel, mit denen die Sonotrode um ihre Achse gedreht wird, ei nen mit der Sonotrode zusammenwirkenden Amboss,

   Mittel zum Bewegen der augenblicklichen Berührungs- oberfläche des Ambosses mit der gleichen Geschwindig keit und in der gleichen Richtung wie die augenblickliche Berührungsoberfläche der Sonotrode und Mittel, mit de nen das duktile Metall zwischen der Sonotrode und dem Amboss am harten Material angedrückt wird, enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Berührungsoberfläche des Ambosses mit einer Schicht aus elastischem Material überzogen ist. UNTERANSPRUCH 3.

   Vorrichtung nach Patentanspruch II, bei dem der Amboss die Form eines um seine Achse drehbaren Rotationskörpers aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus elastischem Material die Form eines die Berührungsoberfläche des Ambosses umge benden Ringes aufweist. PATENTANSPRUCH III Produkt, hergestellt nach dem Verfahren gemäss Patentanspruch I, das eine an einer Schicht aus har tem und sprödem Material festgeschweisste Folie aus duktilem Metall enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die erwähnte Schweissung eine ununterbrochene Schweissnaht ist. UNTERANSPRUCH 4. Produkt nach Patentanspruch III, dadurch ge kennzeichnet, dass die Folie eine Aluminiumfolie ist und dass die Schicht eine Glasschicht ist.