CH695725A5

CH695725A5 - Symmetrisches drehbares Ultraschallhorn.

Info

Publication number: CH695725A5
Application number: CH01343/03A
Authority: CH
Inventors: James F Sheehan; Sylvio J Mainolfi
Original assignee: Branson Ultrasonics Corp
Priority date: 2001-01-29
Filing date: 2002-01-25
Publication date: 2006-08-15
Also published as: JP2004529002A; US20020130157A1; US6457626B1; WO2002060674A1; DE10295945B4; DE10295945T5; CN1486239A; CN100374284C

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein drehbares Ultraschallhorn.

Hintergrund

[0002] Akustisches Schweissen, insbesondere Ultraschallschweissen, wird in einer Anzahl von Industriezweigen immer beliebter. Zum Beispiel stellen Unternehmen in der Textil- und Konsumgüterindustrie häufig Produkte wie Windeln, Kleidung usw. her, die mit Ultraschall verschweisst werden. Ultraschall-Schweisswerkzeuge funktionieren durch das Prinzip, dass Schallenergie im Frequenzbereich des Ultraschalls (d.h. bei oder oberhalb von 20 kHz) auf ein Horn übertragen wird. Das Horn schwingt infolge der zugeführten Schallenergie, wobei im Weiteren Ausgangsschallenergie erzeugt wird. Die Ausgangsschallenergie wird auf die zu verbindenden Materialien (typischerweise Thermoplaste) übertragen, indem das Horn in der Nähe der Teile positioniert wird.

Die Schwingungsenergie wandert durch die Teile und wird an der Grenzfläche zwischen den Teilen in Wärme umgewandelt. Die Umwandlung ist eine Folge von intermolekularer Reibung, die die Teile erweicht und miteinander verschmilzt.

[0003] Obwohl eine ganze Reihe von Hornanordnungen entwickelt worden ist, ist wohlbekannt, dass eine gute Art und Weise, Ultraschallverschweissungen von hoher Qualität und mit hoher Geschwindigkeit zu erreichen, darin besteht, ein drehbares Horn mit einem rotierenden Amboss zu verwenden. Üblicherweise ist ein drehbares Horn zylindrisch und rotiert um eine Achse. Die Eingangsschallenergie liegt in der axialen Richtung und die Ausgangsschallenergie in der radialen Richtung vor.

Das Horn und der Amboss sind in wesentlichen zwei Zylinder, die nahe beieinander positioniert sind, und die in entgegengesetzte Richtungen mit gleichen oder ungleichen Tangentialgeschwindigkeiten rotieren. Die zu verbindenden Teile laufen zwischen diesen zylindrischen Oberflächen durch, mit einer linearen Geschwindigkeit, die üblicherweise mit der Tangentialgeschwindigkeit dieser zylindrischen Oberflächen übereinstimmt. Indem die Tangentialgeschwindigkeiten des drehbaren Horns und des Ambosses mit der linearen Geschwindigkeit der Teile übereinstimmen, kann die Zugkraft zwischen dem Horn und den Teilen minimiert werden.

[0004] Drehbare Hörner bestehen daher üblicherweise mindestens aus einem axialen Eingangsabschnitt und einem radialen Schweissabschnitt.

Der Eingangsabschnitt nimmt die axiale Schallenergie auf, während der Schweissabschnitt die umgewandelte radiale Schallenergie auf die Zielteile überträgt. Obwohl das oben beschriebene konventionelle drehbare Horn für manche Anwendungen akzeptabel ist, verbleiben gewisse wesentliche Schwierigkeiten. Eine Schwierigkeit hängt mit dem Wunsch zusammen, ein hohes Mass an Amplitudengleichförmigkeit zu erreichen. Amplitudengleichförmigkeit ist gewissermassen ein Mass für den Prozentsatz der Schweissstelle, der die gleiche Schweissenergie empfängt. Insbesondere wird die Amplitudengleichförmigkeit bestimmt, indem die maximale Auslenkung der äusseren Oberfläche des Schweissabschnitts (das heisst, der "Stossfläche" der Schweissstelle) für eine gegebene Eingangsanregung gemessen wird.

Weiterhin wird die minimale Auslenkung für die gleiche Anregung gemessen, und das Verhältnis von minimaler Auslenkung zu maximaler Auslenkung entspricht der Amplitudengleichförmigkeit. Demnach würde ein drehbares Horn mit einer Amplitudengleichförmigkeit von nahezu 100 Prozent eine sehr gleichmässige Ausgangsschallenergie über seine gesamte Schweissstossfläche erzeugen. Eine hohe Amplitudengleichförmigkeit führt zu besser vorhersagbaren Verschweissungen und schliesslich zu niedrigeren Herstellungskosten.

[0005] Manche drehbaren Hörner weisen einen Eingangsabschnitt auf, der massiv ist und einen Knotenpunkt aufweist. Andere weisen einen Eingangsabschnitt auf, der hohl ist und eine Knotenebene aufweist.

Alle konventionellen drehbaren Hörner wandeln axiale Schallenergie über den Querkontraktionseffekt (Poissonzahleffekt) sowie über eine Anzahl von oberen und unteren Abstimmeinschnitten, die strategisch aus dem Schweissabschnitt herausgearbeitet wurden, in radiale Schallenergie um. Während die Abstimmeinschnitte es erlauben, mit einem konventionellen drehbaren Horn einen akzeptablen Grad von Gleichförmigkeit (in der Grössenordnung von 85 Prozent oder mehr) zu erreichen, hat dieser Grad von Gleichförmigkeit seinen Preis. Insbesondere ist das Herausarbeiten der Abstimmeinschnitte häufig sehr kompliziert und benötigt zusätzliche Werkzeuge und Arbeitskraft.

[0006] Eine andere Schwierigkeit im Zusammenhang mit konventionellen drehbaren Hörnern bezieht sich auf die Länge des Schweissbereichs.

In Wesentlichen ist die Länge des Schweissbereichs ein Mass für die Produktmenge, die in einen gegebenen Umlauf des drehbaren Horns verschweisst werden kann. Somit ermöglicht eine grössere Länge des Schweissbereichs einen grösseren Produktdurchsatz und erhöhte Wirtschaftlichkeit. Um eine grössere Länge des Schweissbereichs zur Verfügung zu stellen, ist es im Allgemeinen nötig, die Länge des Schweissbereichs des Schweissabschnitts zu erhöhen. Viele konventionelle radiale Hörner weisen eine Länge des Schweissbereichs auf, die auf etwa 6,35 cm (2,5 Zoll) beschränkt ist. Wenn solch ein Horn in einer Anwendung eingesetzt wird, die eine Länge des Schweissbereichs von ungefähr 12,7 cm (5 Zoll) benötigt, würde daher doppelt so viel Zeit zum Schweissen und Arbeitskraft benötigt.

Es ist daher wünschenswert, ein drehbares Horn zur Verfügung zu stellen, welches eine minimale Amplituden-Gleichförmigkeit von 85 Prozent aufweist, während eine Länge des radialen Schweissbereichs von 12,7 (5 Zoll) oder mehr eingehalten wird.

[0007] Eine weitere Schwierigkeit im Zusammenhang mit konventionellen akustischen drehbaren Hörnern bezieht sich auf die Ansteuerung und Befestigung des Horns. Beispielsweise weisen viele konventionelle Hörner einen einzigen Eingangsabschnitt auf, um die axiale Schallenergie aufzunehmen. Dieser einzige Eingangsabschnitt dient als einzige Einrichtung, um das Horn mit axialer Schallenergie anzusteuern, und begrenzt die allgemeine Brauchbarkeit des Horns auf Halbwellen-Anwendungen. Des Weiteren muss das Horn auf einer Seite des Schweissbereichs befestigt werden.

Wenn das Horn auf diese Weise befestigt ist, wird es auf dieselbe Weise belastet wie ein Kragträger. Es wurde geschätzt, dass konventionelle Bauformen mit einseitiger Befestigung Schweisskräfte von 68 kg (150 Pounds) oder weniger erzeugen, bevor Verbiegungen zu übermässig werden und zu ungleichmässiger Verschweissung führen. Das Ergebnis ist oft eine Verschweissung mit geringerem Druck, die wiederum dazu führt, dass weniger Ultraschallenergie auf die Zielteile übertragen wird. Die Übertragung von weniger Ultraschallenergie auf die Schweissoberfläche verringert schliesslich die Geschwindigkeit von Fertigungslinien.

Es ist daher wünschenswert, ein drehbares Horn zur Verfügung zu stellen, das Befestigungen auf beiden Seiten des Schweissbereichs aufweist, auf dieselbe Weise wie ein frei aufgelagerter Arm, um den Schweissdruck und die Übertragung von Schallenergie auf die zu verschweissenden Teile zu erhöhen. Das frei aufgelagerte Horn kann fünfmal so viel Kraft bei gleicher Verbiegung aufnehmen wie bei der Befestigungsmethode nach Art eines Kragträgers. Die Befestigungen bei der frei aufgelagerten Befestigungsmethode können polare oder Knoten-Befestigungen sein.

[0008] Die oben genannten und andere Ziele werden erreicht durch ein drehbares Ultraschallhorn gemäss Anspruch 1.

Das drehbare Horn weist einen ersten radialen Schweissabschnitt und einen ersten axialen Eingangsabschnitt auf, der zusammenwirkend mit dem ersten radialen Schweissabschnitt verbunden ist, um eine erste axiale Schallenergie aufzunehmen. Der erste axiale Eingangsabschnitt weist einen ersten konusförmigen Abschnitt auf, in einer solchen Weise, dass der erste axiale Eingangsabschnitt und der erste radiale Schweissabschnitt einen Teil der ersten axialen Schallenergie in radiale Schallenergie umwandeln. Die radiale Schallenergie ist phasengleich mit der ersten axialen Schallenergie.

Die Verwendung einer konischen Geometrie für den ersten axialen Eingangsabschnitt erlaubt es, das drehbare Horn zu konstruieren, ohne sich auf den Querkontraktionseffekt (Poissonzahleffekt) und komplizierte Abstimmeinschnitte verlassen zu müssen.

[0009] Des Weiteren wird ein drehbares Ultraschallhorn gemäss Anspruch 10 zur Verfügung gestellt. Dieses weist vorzugsweise zwei polare Befestigungen auf. Das drehbare Horn umfasst eine erste Hälfte, die einen ersten radialen Schweissabschnitt und einen ersten axialen Eingangsabschnitt zur Aufnahme einer ersten axialen Schallenergie aufweist. Das drehbare Horn umfasst weiterhin eine zweite Hälfte, die an die erste Hälfte gekoppelt ist. Die zweite Hälfte weist einen zweiten radialen Schweissabschnitt und einen zweiten axialen Eingangsabschnitt zur Aufnahme einer zweiten axialen Schallenergie auf.

Jede Hälfte weist einen konusförmigen Abschnitt auf, auf eine solche Weise, dass die Hälften einen Teil der ersten und zweiten axialen Schallenergie in radiale Schallenergie umwandeln. Indem mehrere polare Befestigungen vorhanden sind, wird der Schweissdruck verbessert und dadurch die Schallenergie, die auf die zu verschweissenden Materialien übertragen wird, erhöht.

[0010] Es soll hiermit festgestellt werden, dass sowohl die vorhergehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende ausführliche Beschreibung nur beispielhaft für die Erfindung sind, und dass sie einen Überblick oder einen Rahmen vorgeben sollen für das Verständnis des Wesens und des Charakters der Erfindung, wie sie beansprucht wird.

Die beigefügten Zeichnungen sind enthalten, um ein weiteres Verständnis der Erfindung zu ermöglichen, und werden in die Beschreibung eingefügt und stellen einen Teil dieser Beschreibung dar. Die Zeichnungen veranschaulichen verschiedene Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Grundlagen und die Ausführung der Erfindung zu erläutern.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0011] Die verschiedenen Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann ersichtlich, indem er die folgende Beschreibung und angefügten Ansprüche liest und Bezug auf die folgenden Zeichnungen nimmt, in denen:
<tb>Fig. 1<sep>einen Schnitt durch ein drehbares Ultraschallhorn entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

<tb>Fig. 2<sep>eine axialsymmetrische Ansicht eines halben Abschnitts eines drehbaren Horns entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

<tb>Fig. 3<sep>eine Darstellung einer Finite-Elemente-Analyse (FEA) eines halben Abschnitts ist, der axiale Auslenkungen zeigt;

<tb>Fig. 4<sep>eine Darstellung einer FEA eines halben Abschnitts entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die axiale Knoten zeigt;

<tb>Fig. 5<sep>eine Darstellung einer FEA eines halben Abschnitts entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die radiale Auslenkungen zeigt;

<tb>Fig. 6<sep>eine Darstellung einer FEA eines halben Abschnitts entsprechend einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die axiale Auslenkungen zeigt;

<tb>Fig. 7<sep>eine Darstellung einer FEA eines halben Abschnitts entsprechend einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die radiale Auslenkungen zeigt;

<tb>Fig. 8<sep>eine Darstellung einer FEA von zwei halben Abschnitten eines drehbaren Horns entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;

<tb>Fig. 9<sep>eine grafische Darstellung einer FEA von zwei halben Abschnitten während der Anregung entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

[0012] In Bezug auf Fig. 1 wird das bevorzugte drehbare Ultraschallhorn 10 zum Verbinden einer Anordnung von Teilen gezeigt. Es versteht sich, dass, obwohl das Horn 10 im Hinblick auf das Verschweissen einer Mehrzahl von thermoplastischen Teilen (nicht dargestellt) beschrieben wird, die vorliegenden Erfindung nicht hierauf beschränkt ist.

Tatsächlich ist es das drehbare Horn 10 für eine grosse Vielzahl von Anwendungen sowohl innerhalb als auch ausserhalb der Sparte des Schweissens von Filmen und Stoffen nützlich.

[0013] Man sieht, dass im Allgemeinen das Horn 10 einen ersten radialen Schweissabschnitt 12 und einen ersten axialen Eingangsabschnitt 14 aufweist. Der erste axiale Eingangsabschnitt 14 ist zusammenwirkend mit dem ersten radialen Schweissabschnitt 12 zur Aufnahme einer ersten axialen Schallenergie 16 gekoppelt. Wie in ausführlicherer Form weiter unten beschrieben wird, bestehen der erste radiale Schweissabschnitt 12 und der erste axiale Eingangsabschnitt 14 vorzugsweise aus einem einzigen Stück, welches aus demselben Grundmaterial (z.B. Titan) herausgearbeitet wurde.

Der erste axiale Eingangsabschnitt 14 weist einen ersten konusförmigen Abschnitt auf, der durch eine innere konische Oberfläche 18 und eine äussere konische Oberfläche 20 definiert ist, in einer solchen Weise, dass der erste axiale Eingangsabschnitt 14 und der erste radiale Schweissabschnitt 12 einen Teil der ersten axialen Schallenergie 16 in radiale Schallenergie 22 umwandeln.

[0014] Es versteht sich, dass axiale Ultraschallenergie/Bewegung von einem oder zwei Bereichen her zugeführt wird. Die Richtung der Energie/Bewegung für diese Zuführungen von axialer Ultraschallenergie ist als die +-Y-Richtung gezeigt. Ein geeigneter axialer Halbwellenresonator und/oder axialer Konverter kann an dem drehbaren Ultraschallhorn an einem oder an beiden dieser Bereiche angebracht werden.

[0015] Ultraschallenergie/Bewegung wird von dem Horn in den gezeigten Bereichen abgegeben.

Die Ausgangsultraschallenergie liegt in der radialen Richtung oder +-X-Richtung im Diagramm vor. Die allgemeine Theorie des drehbaren Horns ist wie folgt:
1) Axiale Ultraschallenergie/Bewegung (+-X-Richtung) wird durch einen oder beide der axialen Eingangsbereiche zugeführt; und
2) ein Teil dieser axialen Ultraschallenergie/Bewegung wird in radiale Energie/Bewegung an der radialen Ausgangsoberfläche umgewandelt. Diese Energie/Bewegung wird dann verwendet, um verschiedene Vorgänge durchzuführen, welche Ultraschallenergie erfordern (Verschweissen von Filmen oder Stoffen, Verbinden von Kunststoffen).

[0016] Es ist wichtig festzuhalten, dass nur ein Teil der zugeführten Ultraschallenergie/Bewegung in radiale Energie/Bewegung umgewandelt wird. Die nicht umgewandelte Energie/Bewegung geht nicht verloren, sondern wird in einen Speicherzustand innerhalb des Horns überführt.

Eine ausführliche Erklärung dieser Speicherung wird im Folgenden vorgestellt.

Ausführliche Theorie des Betriebs

[0017] Im Wesentlichen besteht das gesamte Ultraschallhorn aus zwei identischen und symmetrischen halben Abschnitten (oder Hälften), die in Fig. 1 gezeigt sind. Beide diese halben Abschnitte verhalten sich auf identische und symmetrische Weise. Die Theorie des Betriebs wird für einen dieser zwei Abschnitte erklärt. Die Theorie wird dann erweitert, um den Betrieb beider Abschnitte einzuschliessen, wenn diese miteinander verbunden sind. Eine axialsymmetrische Ansicht eines der beiden halben Abschnitte ist in grösserer Ausführlichkeit in Fig. 2 bei Ziffer 44 dargestellt.

[0018] Jeder halbe Abschnitt 44 besteht aus zwei Halbwellenabschnitten 46, 48.

Axiale (+-Y-Richtung) Ultraschallenergie/Bewegung wird dem geraden Abschnitt des ersten Halbwellenabschnitts 46 zugeführt. Die Energie/Bewegung wird über den konusförmigen Abschnitt zum Ende des ersten Halbwellenabschnitts 46 übertragen. Der konusförmige Abschnitt ist durch einen ersten Winkel (innerer Konuswinkel) und einen zweiten Winkel (äusserer Konuswinkel) gekennzeichnet. Die Wirkung des konusförmigen Abschnitts ist es, die Eingangsenergie/Bewegung in einem Winkel zur Mittelachse des Horns zu übertragen. Der konusförmige Abschnitt wandelt im Wesentlichen rein axiale Energie/Bewegung (+-Y-Richtung) in kombinierte Energie/Bewegung sowohl in der axialen (+-Y) Richtung als auch der radialen (+-X) Richtung um.

[0019] Die kombinierte Energie/Bewegung in der axialen und radialen Richtung wird in einem Übergangsbereich 58 wahrgenommen.

Im Übergangsbereich 58 beginnt das Material des Horns damit, Bewegungen in der radialen Richtung aufzuweisen. Wie weiter unten diskutiert wird, ist rein axiale Energie/Bewegung in diesem Bereich auf einen Bereich am inneren Durchmesser des konusförmigen Abschnitts begrenzt.

[0020] Der zweite Halbwellenabschnitt 48 ist im Wesentlichen ein Zylinder, der so abgestimmt ist, dass er in der radialen Richtung schwingt. Die resultierende radiale Energie/Bewegung aus dem Übergangsbereich 58 regt diese radiale Mode an und bewegt den gesamten Abschnitt 48 in einer radialen Weise.

[0021] Die axiale Energie, die in den zweiten Halbwellenabschnitt 48 aus dem Übergangsbereich 58 eintritt, ist auf den inneren Durchmesser des Zylinders beschränkt. Diese Energie/Bewegung bringt das Material des Horns zu Schwingungen in der +-Y-Richtung.

Das Material in diesem Bereich schwingt auch in der radialen Richtung (+-X-Richtung), weil der gesamte Zylinder in dieser Weise schwingt. Es ist wichtig festzuhalten, dass, obwohl die axiale Bewegung in diesem Bereich nicht dazu verwendet wird, um Arbeit zu verrichten (z.B. Schweissen), diese Energie nicht verloren geht. Die axiale Energie in diesem Bereich wird lediglich in einen Speicherzustand überführt.

[0022] Eine Darstellung einer Finite-Elemente-Analyse (FEA), welche die Auslenkungen in der axialen Richtung (+-Y-Richtung) zeigt, ist in Fig. 3 gezeigt. Diese Darstellung zeigt die Regionen 50 grosser axialer Auslenkung (Bereiche hoher Geschwindigkeit) und die Regionen geringer Auslenkung (Knoten). Es ist wichtig festzuhalten, dass die Region 50 ¾ grosser axialer Auslenkung einen hohen negativen Wert aufweist, während die Regionen 50 hohe positive Werte aufweisen.

Eine Darstellung, die die Orte 52 axialer Knoten darstellt, ist in Fig. 4 gezeigt.

[0023] Fig. 3 und 4 illustrieren, dass die axiale Bewegung im Wesentlichen auf den inneren Durchmesser des Horns unterhalb des Übergangsbereichs beschränkt ist. Rein radiale Bewegung ist auf den Bereich des Horns oberhalb des Übergangsbereichs beschränkt. Die Tatsache, dass zwei axiale Knoten vorhanden sind, zeigt, dass in diesem halben Abschnitt 44 zwei axiale Halbwellenabschnitte 46, 48 vorliegen. Fig. 3 und 4 zeigen ebenfalls die relative Phasen zwischen unterschiedlichen Bereichen des halben Abschnitts.

Die Phasen der unterschiedlichen bewegten Bereiche auf dem Horn sind aus zwei Gründen wichtig:
1) Sie werden die Methode festlegen, wie das Horn mit einem Spiegelbild seiner selbst verbunden wird; und
2) sie sind nützlich, um das Horn der vorliegenden Erfindung von ähnlichen radialen Hörnern zu unterscheiden.

[0024] Die Darstellung der axialen Auslenkung in Fig. 3 zeigt die Eingangsenergie/Bewegung in der positiven Y-Richtung. Material, welches sich in der axialen Richtung im Übergangsbereich bewegt, bewegt sich in der negativen Y-Richtung, oder 180 deg. phasenverschoben.

Das Material am unteren inneren Durchmesser des Horns, welches sich in axialer Richtung bewegt, bewegt sich in der positiven Y-Richtung, oder phasengleich mit der zugeführten Bewegung.

[0025] Fig. 5 zeigt somit, dass das Material des Horns im zweiten Halbwellenabschnitt 48, welches sich in radialer Richtung bewegt, sich in der positiven X-Richtung bewegt. Diese radiale Bewegung ist phasengleich mit der zugeführten Bewegung. Diese Phasendifferenz von 0 deg. zwischen radialer Bewegung und axialer Eingangsbewegung ist wichtig, um das drehbare Horn der vorliegenden Erfindung von konventionellen Hörnern zu unterscheiden, wie sie im US Patent Nr. 5 707 483 von Nayar et al. und US Patent Nr. 5 096 532 von Neuwirth et al. beschrieben sind.

Das drehbare Horn des Patents Nr. 5 707 483 beruht auf dem Querkontraktionseffekt (Poissonzahleffekt), um einen radialen resonanten Abschnitt anzuregen. In dieser Vorrichtung wird daher die rotierende Bewegung um 180 deg. phasenverschoben zur zugeführten Bewegung sein. Das drehbare Horn des Patents Nr. 5 096 532 beruht allein auf dem Querkontraktionseffekt (Poissonzahleffekt), bei dem die radiale Bewegung ebenfalls um 180 deg. phasenverschoben zur zugeführten Bewegung ist.

Einfluss der inneren und äusseren Konuswinkel

[0026] Auf Fig. 1 zurückgreifend, kann man allgemein sehen, dass die innere konische Oberfläche 18 einen inneren Winkel relativ zur Achse 24 des Horns 10 bildet, und dass die äussere konische Oberfläche 20 einen äusseren Winkel relativ zur Achse 24 bildet.

Es ist wichtig festzuhalten, dass der innere Winkel vorzugsweise vom äusseren Winkel verschieden ist, obwohl beide gleich sein können. Die Anpassung dieser Winkel an die Anforderungen für das Schweissen in einer bestimmten Anwendung ermöglicht die Umwandlung einer rein axialen Bewegung in radiale Bewegung. Somit wird die erste axiale Schallenergie 16 "aufgelöst" in eine Energie, die sowohl eine radiale Komponente als auch eine axiale Komponente aufweist. In der bevorzugten Ausführungsform beträgt der äussere Winkel etwa 10 Grad und der innere Winkel etwa 12,5 Grad.

Indem wohlbekannte FEA-Methoden verwendet werden, können die Winkel so ausgelegt werden, dass unerwünschte Biegefrequenzen von der Hauptresonanz des Horns 10 ferngehalten werden.

[0027] Insbesondere, wie man am besten in Fig. 2 sieht, sind die inneren und äusseren Winkel teilweise durch die Beschränkungen durch die Geometrie des halben Abschnitts 44 des Horns und teilweise durch die Einflüsse des benötigten Aussendurchmessers und der radial-nach-axialen Verstärkung bestimmt. Die folgenden Beschreibungen und Erklärungen werden hauptsächlich für 20 kHz gemacht.

[0028] Der innere Konuswinkel (Winkel 1) hängt weitgehend vom Innendurchmesser des radial schwingenden Zylinders (des zweiten Halbwellenabschnitts 48) ab.

Um den Innendurchmesser möglichst einfach herausarbeiten zu können, sollte dieser Winkel, einen minimalen Innendurchmesser ("ID") von 5,1 cm (2 ¾ ¾) aufweisen. Dieser 5,1 cm (2 ¾ ¾) ID sollte sich von der Unterseite des halben Abschnitts 44 zum ungefähren Ort des Übergangsbereichs 58 erstrecken. Der obere Teil des halben Abschnitts 44 ist im Wesentlichen als axialer Halbwellenresonator festgelegt. Wenn der Winkel 1 zu etwa 22,5 deg. festgelegt wird, bleibt genug Material im geraden axialen Eingangsabschnitt zurück, dass keine Spannungsprobleme entstehen, wenn ein Verbindungsstift in diesem Bereich eingesetzt wird. Dieser Winkel muss nicht genau 22,5 deg. betragen, damit die Konstruktion funktioniert.

Abweichungen von diesem Winkel sind akzeptabel, solange die Spannung des Materials des Horns begrenzt werden kann, damit sie keine Ermüdungsgrenzen überschreitet.

[0029] Der äussere Konuswinkel (Winkel 2) hängt weitgehend von der gewünschten Verstärkung des Horns und dem benötigten Aussendurchmesser ("OD") ab. In der bevorzugten Ausführungsform wird der Winkel 2 zu etwa 10 deg. gewählt. Wenn dieser Winkel verkleinert wird, kann das zu Schwierigkeiten bei der Erzielung eines adäquaten Querschnitts im Übergangsbereich 58 führen. Wenn ein zu kleiner Querschnitt vorhanden ist, wird die Ermüdungsspannung in diesem Bereich die Materialgrenzen übersteigen.

Wenn der Winkel über 10 deg. hinaus vergrössert wird, führt das zu den folgenden Auswirkungen:
1) : Die Verstärkung wird reduziert;
2) : Erhöhte axiale Bewegung wird an der radialen Schweissstossfläche sichtbar;
3) : Der OD des Horns wird vergrössert werden müssen, um die gleiche Resonanzfrequenz zu halten.

[0030] Fig. 6 und 7 zeigen einen halben Abschnitt 60, bei dem der Winkel 2 von 10 deg. auf 15 deg. vergrössert wurde. Der OD benötigt eine Änderung von 14,0 cm (5,5 ¾ ¾) nach 14,5 cm (5,7 ¾ ¾), um Frequenzänderungen auszugleichen. Die Darstellung der axialen Auslenkung in Fig. 6 zeigt einen Anstieg der axialen Auslenkung an der radialen Schweissstossfläche 62. Diese Auswirkung ist unerwünscht, da üblicherweise nur rein radiale Bewegung erwünscht ist.

Die Hornverstärkung (axiale Eingangsauslenkung zu radialer Ausgangsauslenkung) in dieser Konfiguration ist von einem ursprünglichen Wert von 1,2 (Horn mit 10 -Winkel) auf 0,8 gefallen. Es wurde herausgefunden, dass der 10 -Winkel optimal ist, um axiale Bewegung der Schweissstossfläche zu minimieren und die Radial-Axial-Verstärkung zu maximieren.

Theorie des Betriebs des gesamten drehbaren Horns

[0031] Somit, um auf Fig. 1 zurückzukommen, kann man sehen, dass der erste radiale Schweissabschnitt 12 und der erste axiale Eingangsabschnitt 14 eine erste Hälfte 28 des drehbaren Horns definieren. Das drehbare Horn 10 enthält weiterhin eine zweite Hälfte 30, die mit der ersten Hälfte verbunden ist, um eine zweite axiale Schallenergie 32 in die radiale Schallenergie 22 umzuwandeln.

Die zweite Hälfte 30 ist identisch zur ersten Hälfte 28 und ermöglicht eine Reihe von zusätzlichen Vorteilen. Insbesondere weist die zweite Hälfte 30 einen zweiten radialen Schweissabschnitt 34 und einen zweiten axialen Eingangsabschnitt 38 auf, um eine zweite axiale Schallenergie 32 aufzunehmen. Der zweite axiale Eingangsabschnitt 38 weist eine innere konische Oberfläche 40 und eine äussere konische Oberfläche 42 auf. Somit können durch die Kombination von zwei Hörnern ein symmetrisches Horn sowie eine verbesserte Länge des Schweissbereichs und Amplitudengleichförmigkeiten erhalten werden. Da die Hälften 28, 30 um 180 Grad zueinander phasenverschoben sind, können beispielsweise zwei Ultraschall-Bewegungsquellen (z.B. ein Verstärker und ein Konverter) benutzt werden, um das Horn anzutreiben.

Andererseits könnte eine Ultraschall-Bewegungsquelle von nur einer Seite ebenfalls erfolgreich das Horn ansteuern.

[0032] Eine Darstellung eines axialsymmetrischen Schnitts des gesamten drehbaren Horns ist in Fig. 7 gezeigt. Das gesamte drehbare Horn enthält die zwei symmetrischen halben Abschnitte 44, 45, die an den Flächen der Drehbewegung miteinander verbunden sind. Damit das Verbindungsverfahren der zwei Abschnitte 44, 45 funktioniert, muss die Bewegung an den verbundenen Abschnitten gleichläufig sein (d.h. sich in dieselbe Richtung bewegen).

[0033] Die beiden symmetrischen Abschnitte 44, 45 werden vorzugsweise mittels eines Elektronenstrahl-Schweissverfahrens an der verbundenen Fläche miteinander verbunden.

Die gesamthaft zweistückige Konstruktion ermöglicht eine einfache Herstellung mit reduziertem Bearbeitungsaufwand.

[0034] Der normale Betrieb des Horns würde darin bestehen, dass jeder Eingangsbereich sich um 180 deg. phasenverschoben zum anderen bewegt (unter Verwendung des traditionellen Koordinatensystems), oder dass jede Eingangsfläche sich gleichzeitig vom Mittelpunkt des Horns wegbewegt. Dies würde es erlauben, jede Eingangsfläche mit einem Konverter anzutreiben, der mit derselben Spannungswellenform arbeitet. Durch diese zugeführten Bewegungen würde sich die radiale Seitenfläche der beiden halben Abschnitte 44, 45 in der positiven X-Richtung bewegen.

Gleichzeitig würde sich der Bereich axialer Bewegung an der Unterseite des oberen halben Abschnitts 44 in die positive Y-Richtung bewegen, und die axiale Bewegung an der Oberseite des unteren halben Abschnitts 54 würde sich in die negative Y-Richtung bewegen. Eine FEA-Darstellung, die diese Auslenkungen zeigt, ist in Fig. 9 dargestellt.

[0035] Fig. 9 zeigt, dass, während die radialen Bewegungen von jedem halben Abschnitt gleichläufig sind, die Bewegungen durch axiale Bewegungen dies nicht sind. In anderen Worten: der obere symmetrische Abschnitt axialer Bewegung bewegt sich in die positive Y-Richtung, während der untere symmetrische Abschnitt sich in die negative Y-Richtung bewegt. Die Tatsache, dass diese Bewegungen nicht miteinander gleichläufig sind, zeigt den Zweck der Abstimmausnehmung 56.

Ohne die Ausnehmung 56 würden die nicht gleichläufigen axialen Bewegungen der zwei halben Abschnitte 44, 45 die einwandfreie Bewegung des Horns behindern. Die axiale Bewegung innerhalb der radial schwingenden Abschnitte jedes halben Abschnitts muss frei sein zu schwingen, damit die axiale Energie einwandfrei gespeichert wird.

[0036] Die beiden kritischen Abmessungen dieses Merkmals liegen in der X- und Y-Richtung.

Variationen in diesen Abmessungen beeinflussen die folgenden Auswirkungen:
1) : Gleichförmigkeit der radialen Schweissstossfläche (min. radiale Amplitude / max. radiale Amplitude); und
2) : Beherrschung unerwünschter Biegefrequenzen, die oberhalb und unterhalb der Hauptresonanzfrequenz auftreten.

[0037] Eine Tabelle, welche die Auswirkungen von Modifikationen der Abmessungen zeigt, ist unten gezeigt.
<tb><sep>Obere Biegung f<sep>Horn f<sep>Lokale radiale Amplitude<sep>Gleichförmigkeit

<tb>Y grösser<sep>nimmt ab<sep>nimmt ab<sep>N/A<sep>nimmt zu

<tb>Y kleiner<sep>nimmt zu<sep>nimmt zu<sep>N/A<sep>nimmt ab

<tb>X grösser<sep>nimmt ab<sep>keine Änderung<sep>nimmt zu<sep>N/A

<tb>X kleiner<sep>nimmt zu<sep>keine Änderung<sep>nimmt ab<sep>N/A

[0038] Die X- und Y-Abmessungen müssen modifiziert werden, wenn andere Längen der radialen Schweissoberfläche gewünscht sind. Die obigen Zahlen zeigen ein gesamtes Horn mit 20 kHz mit einer Schweissoberfläche von 11,4 cm (4,5 ¾ ¾). Die Schweissoberfläche des 20-kHz-Horns kann bis zu Längen von 14,0 cm (5,5 ¾ ¾) ausgedehnt werden. Bei Längen oberhalb davon beginnt die äussere radiale Schweissoberfläche von selbst auf axiale Weise zu schwingen (sie ist bei der abgestimmten halben Wellenlänge eines axialen Resonators).

[0039] Weiterhin Bezug auf Fig. 1 nehmend, kann man sehen, dass zusätzlich zu der Option, mehrere Bewegungsquellen zu verwenden, die Verwendung von zwei axialen Eingangsabschnitten die Halterung des drehbaren Horns 10 durch zwei polare Befestigungen ermöglicht.

Die Befestigung kann auch durch die Anbringung von zwei Verstärkern an jede Hälfte des Horns 10 erfolgen. Es ist wichtig festzustellen, dass die Verwendung von zwei Befestigungsbereichen es erlaubt, einen grösseren Druck auf die radiale Schweissfläche auszuüben. Ein grösserer Druck ermöglicht es, dass grössere Mengen an Leistung auf die Schweissfläche pro Zeiteinheit übertragen werden. Ein direkter Vorteil dieser Methode, das Horn zu befestigen, ist daher die Erhöhung der Durchsatzrate der zu verschweissenden Teile.

[0040] Man kann daher sehen, dass die Herstellung des Horns 10 in zwei symmetrischen Hälften 28, 30 eine einfache Fertigung erleichtert. Vorzugsweise wird jede Hälfte 28, 30 einzeln bearbeitet und dann miteinander verschweisst, wie es im U.S. Patent Nr. 5 095 188 der Anmelderin gezeigt ist.

Nach der Verschweissung stellt der radiale Abschnitt, der aus dem ersten radialen Schweissabschnitt 12 und dem zweiten radialen Schweissabschnitt 34 besteht, einen dicken Zylinder dar, der auf die gewünschte Schwingungsfrequenz abgestimmt ist. Es ist wichtig festzuhalten, dass die axiale Länge dieses Zylinders bis zu etwa 12,7 (fünf Zoll) lang sein kann.

[0041] Des Weiteren wird eine verbesserte Amplitudengleichförmigkeit durch einen Abstimmeinschnitt am inneren Durchmesser nahe der Mitte der axialen Länge erzielt. Die Tiefe und Höhe dieses Einschnitts relativ zum äusseren Durchmesser wird den Grad der Gleichförmigkeit der äusseren Schweissoberfläche bestimmen.

Somit weisen die radialen Schweissabschnitte 12, 34 eine Mehrzahl von Abstimmflächen 36 auf, die einen Abstimmeinschnitt definieren, so dass die radialen Schweissabschnitte 12, 34 eine vorbestimmte Amplitudengleichförmigkeit aufweisen. In den meisten Anordnungen kann der Abstimmeinschnitt verwendet werden, um Gleichförmigkeiten der radialen Schweissoberfläche von 85 Prozent oder mehr zu erzeugen. Während die obige Diskussion sich auf die Abmessungen für ein bei 20 kHz resonant abgestimmtes Horn bezieht, kann das Horn 10 auf jede Ultraschallfrequenz von etwa 10 kHz bis etwa 60 kHz abgestimmt werden. Eine letzte Abstimmung des drehbaren Ultraschallhorns 10 kann durch einen letzten Bearbeitungseinschnitt (nicht dargestellt) am äusseren Durchmesser erzielt werden. Der letzte Bearbeitungseinschnitt ermöglicht ferner eine glatte radiale Schweissoberfläche.

Somit können die radialen Schweissabschnitte 12, 34 auch eine äussere zylindrische Oberfläche mit äusseren Abstimmoberflächen (nicht gezeigt), welche einen äusseren Abstimmeinschnitt definieren, aufweisen. Der äussere Abstimmeinschnitt kann entsprechend einer beliebigen Zahl wohlbekannter Ansätze herausgearbeitet werden. Ein solcher Ansatz ist in US Patent Nr. 5 096 532 von Neuwirth et al. dargestellt, welches hierin durch Verweis aufgenommen wird.

[0042] Fachleute können jetzt aus der vorhergehenden Beschreibung erkennen, dass die breite Lehre der vorliegenden Erfindung in einer Vielfalt von Formen ausgeführt werden kann.

Obwohl diese Erfindung in Verbindung mit besonderen Beispielen der Erfindung beschrieben wurde, soll der wahre Bereich der Erfindung dadurch nicht begrenzt sein, weil andere Modifikationen dem sachkundigen Fachmann nach der Durchsicht der Zeichnungen, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche offenbar werden.

Claims

1. Ein drehbares Ultraschallhorn, welches enthält: - einen ersten radialen Schweissabschnitt; und - einen ersten axialen Eingangsabschnitt, welcher zusammenwirkend mit dem ersten radialen Schweissabschnitt verbunden ist, um eine erste axiale Schallenergie aufzunehmen; - wobei der erste axiale Eingangsabschnitt einen ersten hohlen konusförmigen Abschnitt aufweist, verfügend über: eine innere konische Oberfläche, welche einen inneren Winkel mit einer Achse des Horns bildet;

und - eine äussere konische Oberfläche, welche einen äusseren Winkel mit der Achse des Horns bildet, wobei der innere Winkel vom äusseren Winkel verschieden ist, so dass der erste axiale Eingangsabschnitt und der erste radiale Schweissabschnitt einen Teil der ersten axialen Schallenergie in radiale Schallenergie umwandeln, wobei die radiale Schallenergie gleichphasig mit der ersten axialen Schallenergie ist.

2. Drehbares Horn gemäss Anspruch 1, wobei der innere Winkel etwa 12,5 Grad und der äussere Winkel etwa 10 Grad beträgt.

3. Drehbares Horn gemäss Anspruch 1, wobei der erste axiale Eingangsabschnitt weiterhin einen ersten geraden Abschnitt aufweist, der zusammenwirkend mit dem ersten konusförmigen hohlen Abschnitt verbunden ist, um die erste axiale Schallenergie aufzunehmen.

4. Drehbares Horn gemäss Anspruch 1, wobei der erste radiale Schweissabschnitt und der erste axiale Eingangsabschnitt eine erste Hälfte des drehbaren Horns definieren, wobei das drehbare Horn weiterhin eine zweite Hälfte aufweist, die mit der ersten Hälfte verbunden ist und dazu dient, einen Teil der zweiten axialen Schallenergie in radiale Schallenergie umzuwandeln, wobei die erste Hälfte gleich zur zweiten Hälfte ist.

5. Drehbares Horn gemäss Anspruch 4, wobei die radiale Schallenergie gleichphasig mit der zweiten axialen Schallenergie ist.

6. Drehbares Horn gemäss Anspruch 4, wobei die radialen Schweissabschnitte eine Länge eines gemeinsamen radialen Schweissbereichs von etwa 12,7 cm (5 Zoll) aufweisen.

7. Drehbares Horn gemäss Anspruch 4, wobei die radiale Schallenergie eine Frequenz im Bereich von 10 kHz bis 60 kHz aufweist.

8. Drehbares Horn gemäss Anspruch 7, wobei die radiale Schallenergie eine Frequenz von etwa 20 kHz aufweist.

9. Drehbares Horn gemäss Anspruch 4, wobei die radialen Schweissabschnitte eine Mehrzahl von Abstimmoberflächen aufweisen, welche einen Abstimmeinschnitt definieren, auf eine solche Weise, dass der radiale Schweissabschnitt eine vorbestimmte Amplitudengleichförmigkeit aufweist.

10. Drehbares Ultraschallhorn, welches enthält: - eine erste Hälfte, welche einen ersten radialen Schweissabschnitt und einen ersten axialen Eingangsabschnitt zur Aufnahme einer ersten axialen Schallenergie aufweist; - eine zweite Hälfte, welche mit der ersten Hälfte verbunden ist und einen zweiten radialen Schweissabschnitt und einen zweiten axialen Eingangsabschnitt zur Aufnahme einer zweiten axialen Schallenergie aufweist; wobei jede der Hälften einen hohlen konusförmigen Abschnitt aufweist, verfügend über: - eine innere konische Oberfläche, welche einen inneren Winkel mit einer Achse des Horns bildet;

und - eine äussere konische Oberfläche, welche einen äusseren Winkel mit der Achse des Horns bildet, wobei jeder innere Winkel von jedem zugeordneten äusseren Winkel verschieden ist, so dass die Hälften einen Teil der ersten und der zweiten axialen Schallenergie in radiale Schallenergie umwandeln.

11. Drehbares Horn gemäss Anspruch 10, wobei jeder der inneren Winkel etwa 12,5 Grad und jeder der äusseren Winkel etwa 10 Grad beträgt.

12. Drehbares Horn gemäss Anspruch 10, wobei die radialen Schweissabschnitte eine Länge des gemeinsamen radialen Schweissbereichs von etwa 12,7 cm (5 Zoll) aufweisen.

13. Drehbares Horn gemäss Anspruch 10, wobei die radiale Schallenergie eine Frequenz im Bereich von 10 kHz bis 60 kHz aufweist.

14. Drehbares Horn gemäss Anspruch 10, wobei die radiale Schallenergie eine Frequenz von etwa 20 kHz aufweist.

15. Drehbares Horn gemäss Anspruch 10, wobei die radialen Schweissabschnitte eine Mehrzahl von Abstimmoberflächen aufweisen, welche einen Abstimmeinschnitt definieren, auf eine solche Weise, dass der radiale Schweissabschnitt eine vorbestimmte Amplitudengleichförmigkeit aufweist.

16. Drehbares Horn gemäss Anspruch 10, welches weiterhin Mittel aufweist, um das Horn so anzubringen, dass der Schweissdruck und die Übertragung von Schallenergie auf die Schweissabschnitte erhöht wird.