Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer Schweissverbindung Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Schweissverbindung zwischen Werk stückteilen mittels Ultraschallschwingungen mit einem als drehbare Rolle ausgebildeten, gegen eine Sonotrode hin verschiebbar gelagerten Amboss, .dessen Drehachse rechtwinklig zur Richtung :der Schwingungsamplituden liegt, sowie auf eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
Unter einer Sonotrode versteht man eine in Ultra schallschwingungen versetzbare Schweissspitze.
Im allgemeinen lassen sich auf diese Weise Metalle verschiedenster Art, auch solche, die sich sonst nur schwer verschweissen, wie Aluminium, aneinander be festigen. Auch andere Materialien, wie Kunststoffe, las sen sich auf :diese Weise schweissen. Die beiden Teile haben dabei im allgemeinen eine platten- oder bandför mige Gestalt, die sich ausgezeichnet für dieses Schweiss- verfahren eignet.
Die Erfindung bezweckt, eine Schweissverbindung zu ermöglichen, die sich über eine grosse Länge er streckt. Es wurde bereits vorgeschlagen, das Werkstück zu diesem Zweck auf einem drehbaren Amboss anzu ordnen, wobei sich auch .die Ultraschallvorrichtung mit ihrem Amplitudentransformator und ihrer Schweiss- spitze um eine zur Drehachse des Ambosses parallele Achse dreht. Da hierbei die Bewegungsrichtung der Ultraschallschwingungen jedoch senkrecht zur Bewe gungsrichtung des Werkstückes verläuft, vermag die so hergestellte Schweissverbindung die Anforderungen nicht zu erfüllen. Die Verbindung kann insbesondere durchaus keinen Anspruch auf gute Vakuumdichtigkeit erheben, wie diese z. B. beim Zuschweissen von Metall dosen gewünscht ist.
Ausserdem bringt die Tatsache, dass die Ultraschallvorrichtung mit dem Amplituden transformator und der Schweissspitze sich um ihre Achse dreht, Verwicklungen hinsichtlich der elektrischen Ener giezufuhr und er mechanischen Unterstützung des En- desdes Amplitudentransformators mit sich.
Das Verfahren gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückteile einer auf den Amboss in Richtung auf das Sonotrodenende ausgeüb ten Kraft derartiger Stärke ausgesetzt werden, dass die Ultraschallschwingungen sowohl eine nahtförmige Ver- schweissung als auch eine Fortbewegung parallel zur Amplitudenrichtung der Ultraschallschwingungen be wirken.
Die Erfindung beruht auf der merkwürdigen Ent deckung, dass, wenn zwei zu verschweissende Teile dünn genug sind und auf einem Amboss aufruhen, der um eine zur Bewegungsrichtung der Ultraschallschwin gungen senkrechte Achse drehbar ist, diese Schwingun gen nicht nur fähig sind, eine gute Schweissverbindung zwischen den beiden Teilen herzustellen, sondern auch, bei passend gewählten Werten des statischen Druckes, der elektrischen Leistung und der Frequenz, selbst den Transport dieser Teile zu besorgen. Hierbei spielt ver mutlich die Poisson-Kontraktion des Endes des Ampli tudentransformators eine wichtige Rolle.
Unter diesen Umständen brauchen somit nur die beiden Teile der Einwirkung der Ultraschallschwingungen ausgesetzt zu werden, damit selbsttätig eine langgestreckte Schweiss- verbindung (Schweissnaht) hergestellt wird. Dabei muss dafür Sorge getragen werden, dass die beiden zu ver- schweissenden Teile sich nicht so langsam bewegen (bzw.
befördert werden), dass zuviel Energie in die Schweiss- verbindung gelangt, wodurch nicht nur eine sehr breite Schweissverbindung hergestellt wird, sondern auch die Gefahr vorliegt, dass die zu verschweissenden Teile be schädigt werden, während anderseits der Transport auch nicht so schnell erfolgen darf, dass die gesamte Ultra schallenergie am Ende,der Sonotrode für den Transport und nicht zum Bilden der Schweissverbindung ver braucht wird. In dieser Beziehung sei bemerkt, dass es sich im allgemeinen nicht empfiehlt, die Transportge schwindigkeit künstlich zu erhöhen, z.
B. dadurch, dass bei Verwendung eines Amplitudentransformators dieser asymmetrisch ausgebildet wird (was eine kleinere oder grössere Schleuderbewegung der Sonotrode zur Folge hat) oder dadurch, dass :der Amplitudentransformator schräg auf .die Berührungsfläche mit den zu verschweis- senden Teilen aufgesetzt wird, wodurch die Sonotrode in dies Teile einfrisst und somit die Schweissverbindung beeinträchtigt. Vorzugsweise wird eine glatte Sonotrode verwendet, die die Oberfläche der zu verschweissenden Teile berührt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeich nung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrich tung nach der Erfindung, Fig.2 zeigt einige Kennlinien zur Erläuterung der Ausführungsform nach Fig. 1.
In Fig. 1 werden vom Generator 1 erzeugte elek trische Schwingungen einem Wandler zugeführt, der diese elektrischen Schwingungen in mechanische Ultra schallsehwinsungen umwandelt, Diese Ultraschallschwin gungen werden von einer Fläche 3 abgestrahlt und an einen Amplitudentransformator weitergeleitet, der aus zwei zylindrischen Teilen 4 und 5 besteht, die beide eine Viertelwellenlänge lang sind. Der Teil 4 hat einen erheb lich grösseren Durchmesser als der Teil 5, so ,dass die Stirnfläche 6 des Teiles 5 Schwingungen in der Richtung der Achse 8 der Teile 4 .und 5 durchführt, deren Ampli tude erheblich grösser ist als die der Schwingungen der Strahlungsfläche 3.
Der Amplitudentransformator kann jedoch erforderlichenfalls ein Körper mit allmählich von der Abstrahlungsfläche 3 her zur Oberfläche 6 hin ab nehmendem Durchmesser sein.
Zur Abstützung des Endes des Amplitudentransfor mators 4, 5 ist eine dünne Stützplatte 7, dessen Länge gleich einer Viertelwellenlänge ;der Ultraschallschwin gungen ist, nahe an dieses Ende herangebracht, wodurch dafür Sorge getragen wird, dass möglichst wenig Schwin gungsenergie vom Teil 5 auf die Platte 7 übertragen wird. Die miteinander zu verschweissenden Teile sind mit 9 und 10 bezeichnet. Sie können z. B. aus Metall streifen mit einer Dicke von .der Grössenordnung von 0,2 mm bestehen. Als besondere Anwendung sei die Verschweissung des Mantels und des Deckels einer Büchse erwähnt, wobei es darauf ankommt, ;dass sich eine vakuumdichte Schweissnaht ergibt.
Die Teile 9 und 10 sind deutlichkeitshalber als Teile von Zylindern mit unterschiedlichem Durchmesser dargestellt, sie können jedoch auch aus nahezu flachen Metallstreifen oder Scheiben bestehen.
Die Teile 9 und 10 ruhen auf einem bewegbaren Amboss, der aus einer Rolle 11 besteht, die um eine Spindel 12 drehbar in einem Andrückstück 13 mit einer Führung 14 gelagert ist, wobei dieses Andrückstück mit einer einstellbaren Kraft P in Richtung der Stützplatte 7 andrückbar ist. Die Kraft P, der Mittelpunkt ;der Spin del 12 und die Stützplatte 7 liegen vorzugsweise auf einer Geraden, um seitliche Kräfte zu vermeiden. Die Frequenz des Generators 1 ist vorzugsweise (z.
B. da durch, dass von den Bewegungen des Wandlers 2 eine Rückkopplungs- oder Synchronisierungsspannung für den Generator 1 abgeleitet wird) stets an die Resonanz frequenz des ganzen Systems angepasst, wobei diese Re sonanzfrequenz sich bei Andrücken noch um einige wenige Prozente ändern kann. Die beiden Einstellungen sind jedoch wenig kritisch. Erforderlichenfalls lässt sich durch eine Einstellung der Generatorfrequenz oder des Abstandes a zwischen .der Berührungsstelle zwischen den Teilen 5 und 9 und der Oberfläche ;des Amplituden transformators 4, 5 .die Transportgeschwindigkeit regeln.
Bei einem geeignet gewählten Wert der vom Wandler 2 abgestrahlten Leistung bei einer gegebenen Generator frequenz und der Andrückkraft P ist erzielbar, dass die Teile 9 und 10 sich verschweissen und zugleich in einer Richtung parallel zur Achse 8 befördert werden. Der Teil 5 des Amplitudentransformators 4, 5 ist dabei ent weder gar nicht mit einer Schweissspitze versehen Otter. kann eine geringe, als Schweissspitze wirksame Verdik- kung aufweisen. Diese Verdickung bildet dabei eine glatte Oberfläche, die den. Teil 9 berührt, ohne einzu fressen.
Auch der Abstand a wird wenigstens so gross bemessen, dass das Sude des Amplitudentransformators nicht in das Material des Teiles 9 einfressen kann.
3n Fig. 2 ist die Geschwindigkeit v in cm/sec einge tragen, mit der sich die Teile 9 und 10 in Abhängigkeit von der Andrückkraft P (in kg) für zwei verschiedene Werte des Abstandes a (in cm) bewegen. Es stellt sich heraus, dass bei geringer Andrückkraft P die Teile 9 und 10 sich aufwärts, das heisst zum Wandler 2, hin be wegen, wobei eine erhebliche Geschwindigkeit entwickelt werden kann.
Wenn der Druck zunimmt, so ergibt sich, dass nach dem überschreiten eines Höchstwertes in die ser Geschwindigkeit ziemlich rasch ein Punkt erreicht wird, in dem überhaupt keine Translationsbewegung v auftritt (Druck P" bzw. Pö ), während oberhalb dieses Druckes die Bewegungsrichtung der Teile 9 und 10 um gekehrt und mithin gerade vom Wandler 2 ab gerichtet ist. Es stellt sich heraus, dass bei den sehr kleinen und sehr grossen Drücken gar keine zufriedenstellende Schweissverbindung hergestellt wird.
Auch in der Nähe der Kräfte Po bzw. Po', wo die Bewegung nahezu null ist, ist die hergestellte Schweissverbindung meist nicht zu friedenstellend, weil die Teile 9, 10 zu heiss werden und/oder drohen, auf ;dem Teil 5 des Amplitudentrans formators 4, 5 festzukleben.
Es zeigt sich, dass der gün stigste Arbeitsbereich in .der Nähe des Scheitels tr bzw, t2 im rechten Teil :der v-P-Kennlinien liegt. Jedenfalls muss ein Druck gewählt werden, der grösser ist als dem linken Scheitel t, bzw. ti dieser Kennlinien entspricht, jedoch kleiner als das Zweifache des Druckwertes ent sprechend den Scheiteln t9 bzw.
t.'. Der richtige Druck, der in einem vorkommenden Fall eingestellt werden muss, hängt davon ab, welche Breite die herzustellende Schweissnaht aufweisen soll; je grösser die Translations- geschwindigkeit v ist, um so kleiner ist im allgemeinen die an der Schweissstelle verfügbare Energie und um so schmaler somit die Breite der Schweissnaht. Wenn die streifenförmigen Teile 9 und 10 eine grössere Dicke auf weisen,
muss zum Erhalten einer ähnlichen Kurve eine erheblich grössere Leistung des Generators 1 verwendet werden. Bei ungenügender Leistung ergibt es sich, dass innerhalb des gleichen Druckbereiches die Teile 9 und 10 sich zwar verschweissen, aber dass nicht so sehr die Teile 9 und 10, als vielmehr die Rolle 11 die Neigung hat, sich zubewegen.
Fig. 2 zeigt, dass auf einfache Weise in sehr kurzer Zeit erhebliche Schweissnähte erzielbar sind. Dabei er weist sich die Schweissverbindung als völlig vakuum dicht. Gegebenenfalls können die zu verschweissenden Teile noch etwas gesteuert werden, sodass die erhaltene Schweissnaht völlig gerade bleibt und/oder einer zusätz lichen Anziehungskraft unterworfen werden, die die Translationsbewegung unterstützt.
Selbstverständlich ist es nicht notwendig, dass der von der Rolle 11 gebildete Amboss sich ,dreht, sondern er kann im Prinzip auch verschiebbar angeordnet werden.
Bei einer praktischen Ausführungsform wurde ge funden, dass Aluminiumstreifen mit einer Länge von 50 cm und einer Dicke von 150 Mikron bei der Anwen dung einer Leistung von 400 Watt und einer Arbeits- Frequenz, die zwischen 20 und 21 kHz schwankte, bei einem statischen Druck p von 25 kg innerhalb weniger Sekunden auf .der ganzen Länge verschweisst werden konnten. Der Teil 5 des Amplitudentransformators hatte dabei eine Länge von 60 mm und einen Durchmesser von 17 mm, die Rolle 11 einen Durchmesser von 50 mm.
Bei dieser Leistung, und sogar bei der doppelten Lei stung, stellte es sich heraus, dass Streifen mit einer Dicke vorn 1 mm nicht mehr gleichzeitig geschweisst und fort bewegt werden konnten.