CN105992656B - 具有加厚部的超声焊极 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有轮形部的超声焊极，该轮形部具有轮轴线和直径d，该轮形部具有两个基本为圆形的主表面和基本为圆柱形的密封表面，该密封表面连接主表面且宽度为b。本发明的目的为提供一种相应的超声焊极，其中三角频率显著地区别于主频率。根据本发明，该目的由于下述特征而实现：至少一个主表面具有非居中的加厚部，该加厚部在垂直于主表面的剖视图中具有不布置在轮轴线上的凸出区域。

Description

具有加厚部的超声焊极
技术领域
本发明涉及一种具有轮形部的超声焊极，轮形部具有轮轴线和直径d，轮形部具有两个基本为圆形的主表面和基本为圆柱形的、宽度为b的密封表面，密封表面连接各主表面。
背景技术
这种超声焊极是已知的。它们例如用于材料网的连续超声处理。图1示意性地示出了这种超声处理机器10。
径向振动施加于超声焊极12上，且在处理操作期间，超声焊极12绕其轮轴线转动，使得周向速度与网的进给速度相同。
在材料的处理操作期间，超声焊极12与相对放置的配对工具11协配，使得待处理的材料网15在一方面配对工具11与另一方面超声焊极12之间穿过。在该情形下，焊接力总地利用超声焊极12和配对工具11施加至待处理的材料15。材料15与宽度为b的圆柱形密封表面接触，并受到超声的作用。圆柱形密封表面和/或配对工具的对应的密封表面可为结构化的构造，也就是说可设有使待处理材料成结构的多个突出部。
为了获得尽可能优化的超声处理，在超声焊极内引发圆柱形驻波，也就是说焊接具有共振频率，在该共振频率下，超声焊极内产生圆柱形驻波，使得驻波的振动最大值在密封表面上。换言之，当超声焊极受共振频率激励时，超声焊极以这样的方式振动，即：基本为圆柱形的密封表面在径向上以超声频率振动，使得密封表面在较大直径的位置和较小直径的位置之间往复。超声振动在径向上垂直于轮轴线传播。
该驻波径向振动为该类超声焊极的主频率(HF)。其被引发并用于有效的超声处理。
然而，将注意的是，还存在不导致期望的振动状态的进一步共振。
因而，例如可能引发所谓的三角频率(DF)，其中，在密封表面的周向内产生具有六个振动节点和六个振动最大值的驻波。图2示出了该振动模式的示意图。当引发三角频率时，轮形超声焊极12根据由附图标记13标示的振动最大值变形，在径向上较内设置的位置与径向上较外设置的位置之间往复，使得相邻的振动最大值以相对的关系振动，也就是说，当某点位于其径向上较内设置的位置时，与其两个相邻的点都位于其径向上较外设置的位置。存在振动节点14，在振动节点14处，焊接表面表现为几乎不在径向上在两个相应的振动最大值13之间运动。该振动模式例如已在WO 2004/060581中描述。
由于在振动节点的区域内的径向上传递的能量远少于在振动最大值的区域内的径向上传递的能量，所以导致能量在密封表面处的不均匀传递，故而该振动对于材料的超声处理而言是不期望的。然而，要完全避免同时引发三角频率是不可能的，且由此产生了一种振动状态，其特征在于将主振动和三角振动叠加。同样，在该叠加的振动状态下，振动幅值在周向上改变，使得焊接结果差于仅引发主振动的情况。
为了保持三角模式的引发程度小，因而，如果尽可能地将三角模式的固有频率从实际需要的主模式的固有频率中移除，则为有利的。如果更具体地，三角频率还得到激励，则这不仅导致超声能量的不规则传递，由于各激励模式之间无法避免的耦合，这还导致可听范围内的振动频率。更具体地，各模式的耦合导致某种振动，其频率由主频率与三角频率之间的差确定。如果该频率在可听范围内，则可能在超声处理操作期间产生不需要的声音，且这可能导致保护听力方面的更高要求。
EP 0 457 187 A2示出了多个不同的超声焊极。EP 0 457 187 A2中的图13示出了具有轮形部和楔形密封表面的超声焊极。该超声焊极的主表面为凹形的。
发明内容
因而，本发明的目的为提供一种超声焊极，其中三角频率显著区别于主频率。已发现，当激励主频率时，如果三角频率低于主频率，则与三角频率相关的耦合会更强。如果相反地，三角频率高于主频率，则耦合会显著地较少。因而，目标是一种超声焊极，其中，三角频率尽可能高于主频率。
根据本发明，该目的由于下述特征而实现：超声焊极的至少一个主表面具有非居中的加厚部，该加厚部在垂直于主表面的剖视图中具有不布置在轮轴线上的凸出区域。
术语“凸出区域”用于标示某一区域，该区域或具有突伸越过主表面的表面或具有向外弯曲的部分。换言之，术语“凸出区域”用于标示某一区域，在该区域中，在边界表面的两点之间存在位于两点之间的连接线外部的边界表面点。
该加厚部为非居中的，也就是说其相对于轮轴线不对中布置。
更具体地，大量的测试已表明，在轮轴线的外部设有加厚部对三角模式的固有频率的影响大于对主模式的固有频率的影响。因而，可通过该方法增加三角频率与主频率之间的差异。
在优选实施例中，加厚部具有顶点或顶面，该顶点或顶面的切线垂直于轴线延伸。在该情形下，顶点或顶面优选地与密封表面间隔布置。
诚然，加厚部基本上可能仅在周向上具有分段的构造，但如果加厚部具有相对于轮轴线转动对称的构造，则可获得最好的效果。换言之，至少一个主表面具有基本为环形的加厚部。
在特别优选的实施例中，加厚部与轮轴线间隔至少0.1×d布置，且优选地为至少0.15×d。然而，测试已表明加厚部的布置不应布置得离轮轴线过近，因为否则主频率将受加厚部的布置的影响，然而这是不期望的。
在另一优选的实施例中，加厚部设置为与密封表面间隔至少0.05×d布置，且优选地为至少0.17×d。为了产生根据本发明的尽可能明显的效果，测试已表明加厚部不应布置得离密封表面过近。
在另一优选的实施例中，设置为在径向上加厚部的长度c为至少0.1×d，特别优选地为至少0.2×d且最好在0.2×d至0.25×d之间。
例如，在径向上加厚部的长度c可为至少18mm，特别优选地为至少22mm且最好在22至30mm之间。
在另一优选的实施例中，在轴向上加厚部的长度a在0.25×b至2×b之间且优选地在0.25×b至1×b之间。
例如，加厚部在轴向上的长度可在2mm至10mm之间。
附图说明
本发明的其它优点、特征和可能的用途将从此后对优选实施例的说明中变得明显。在附图中：
图1示出了根据现有技术的超声处理设备的示意图，
图2示出了三角模式的示意图，
图3示出了关于沿直径的位置径向振动的现有技术的超声焊极内的应力型式的示意图，
图4示出了图3中所示的应力型式的三角模式的示意图，
图5a和5b示出了本发明的第一实施例的剖视图和立体图，以及
图6a和6b示出了本发明的第二实施例的剖视图和立体图。
具体实施方式
图3示出了沿直径的截面的、以主频率(HF)进行激励的盘形超声焊极内的材料中的计算应力和沿两个截面的、以三角频率(DF1、DF2)进行激励的盘形超声焊极内的材料中的计算应力。该计算用于产生理想的盘形。然而，在实践中，超声焊极将至少具有轴向成形的连接部用于变换器的连接。然而，对于超声焊极的实际形式而言，定性上不同的应力配置是不期望的。
由于对于本发明而言，应力的幅值不是重要的考虑，而仅超声焊极内的定性的应力型式才是重要考虑，所以标绘在纵坐标上的应力值规定为任意单位。
将会见到，对于主频率(HF)而言，在密封表面的区域内应力是最小的，而在轮轴线的方向上(在此情形下为60mm处)应力最为明显。由于，同样将迅速轻易地理解的，在以主频率激励超声焊极时，在材料内产生圆柱形驻波，该圆柱形驻波具有轮轴线上的振动节点和密封表面上的振动最大值。密封表面可自由振动，使得没有值得提及的应力在此产生，而直接围绕轮轴线的区域几乎不振动且因而暴露于材料内增加的应力。
由于主频率为均匀的径向振动，也就是说，焊接表面在任何时刻都为圆柱形，应力型式还取决于所考虑的截面的特定布置。
然而，由于超声焊极表面不规则地变形，该应力模式对于三角频率并不正确。如图4中示意性所示，应力型式因而取决于通过超声焊极的截面的选择。沿结合两个相对设置的振动最大值13的线(DF1)的应力型式与沿结合两个相对设置的振动最小值的线(DF2)的应力型式不同。
这些应力型式也在图3中表示。它们显著地区别于主频率的应力型式。此处最小应力(即几乎为零的应力)在轮轴线(60mm)的区域内。应力沿密封表面的方向穿过最大值。在密封表面的附近，应力型式在周向上不再均匀。在振动节点的区域内，应力在密封表面处几乎为零，同时沿振动最大值的方向增加。
将会见到，存在在示出的示例中为分别在约10至42.5mm之间和在75至112.5mm之间的区域，在区域内，三角频率下的激励呈现比主频率下的激励更大的材料应力。因而，在以三角频率激励的材料应力大于以主频率激励的材料应力的区域内，轮形超声焊极在厚度上增加。这种加厚部不可避免地导致超声焊极的固有频率的变化。然而，借助加厚部的所选位置，三角频率比主频率变化更大。
因而，图5a和5b示出了根据本发明的超声焊极1的第一实施例。图5b示出了立体图且图5a示出了剖视图。该超声焊极包括轮形部2，轮形部2具有两个主表面3和4，两个主表面3和4通过周向延伸的密封表面5连接在一起。密封表面5的宽度为b。轮形超声焊极1的直径为d。根据本发明，超声焊极在相对设置的主表面3、4上具有两个加厚部6和7。这些加厚部各自具有相对于轮轴线8转动对称的构造，且具有相对于垂直于轮轴线8延伸的镜像平面镜像对称的构造。
加厚部在轴向上的高度为a且在径向上的长度为c。
在加厚部不具有平行于轮轴线8延伸的侧腹部的情形下，径向宽度c从加厚部达到轴向高度a的一半的点处起测量。换言之，将高度的一半处的宽度设立为加厚部的宽度。
加厚部与密封表面5以间距e间隔开，在所示的实施例中，间距e约为0.17×d。此外，加厚部与轮轴线8以间距f间隔开，在所示的实施例中，间距f约为0.125×d。
图6a和6b示出了超声焊极的第二实施例。图6b示出了立体图且图6a示出了剖视图。此处考虑轮形超声焊极频繁涉及轴向上的宽度的事实，该宽度在朝向密封表面5'的方向上增加。同样在该情形下，加厚部9的巧妙布置可增加三角频率与主频率之间的距离。
附图标记列表
1 轮形超声焊极
2 轮形部
3,4 主表面
5,5' 密封表面
6,7,9 超声焊极的加厚部
8 轮轴线
10 超声焊接设备
11 配对工具
12 超声焊极
13 振动最大值
14 振动最小值
15 材料网

Claims (16)

1.一种具有轮形部的超声焊极，所述轮形部具有轮轴线且直径为d，所述轮形部具有：两个基本为圆形的主表面；和基本为圆柱形的密封表面，其宽度为b且连接所述主表面，其特征在于，至少一个主表面具有非居中的加厚部，所述加厚部在垂直于所述主表面的剖视图中具有不布置在所述轮轴线上的凸起区域，其中，在轴向上所述加厚部的长度在0.25×b至2×b之间。
2.如权利要求1所述的超声焊极，其特征在于，在轴向上所述加厚部的长度在0.25×b至1×b之间。
3.如权利要求1所述的超声焊极，其特征在于，所述加厚部具有顶点或顶面，该顶点或顶面的切线垂直于所述轮轴线延伸。
4.如权利要求1或2所述的超声焊极，其特征在于，所述加厚部具有相对于所述轮轴线转动对称的构造。
5.如权利要求1所述的超声焊极，其特征在于，所述加厚部与所述轮轴线间隔至少0.1×d布置。
6.如权利要求5所述的超声焊极，其特征在于，所述加厚部与所述轮轴线间隔至少0.15×d布置。
7.如权利要求1所述的超声焊极，其特征在于，所述加厚部与所述密封表面间隔至少0.05×d布置。
8.如权利要求7所述的超声焊极，其特征在于，所述加厚部与所述密封表面间隔至少0.17×d布置。
9.如权利要求1所述的超声焊极，其特征在于，在径向上所述加厚部的长度c为至少0.1×d。
10.如权利要求9所述的超声焊极，其特征在于，在径向上所述加厚部的长度c为至少0.2×d。
11.如权利要求10所述的超声焊极，其特征在于，在径向上所述加厚部的长度c在0.2×d至0.25×d之间。
12.如权利要求1所述的超声焊极，其特征在于，所述密封表面的宽度b与所述加厚部的轴向长度a的比值为至少0.1。
13.如权利要求12所述的超声焊极，其特征在于，所述密封表面的宽度b与所述加厚部的轴向长度a的比值为至少0.5。
14.如权利要求1所述的超声焊极，其特征在于，在轴向上所述加厚部的长度在2mm至10mm之间。
15.如权利要求1所述的超声焊极，其特征在于，相应的加厚部布置在两个主表面上。
16.如权利要求15所述的超声焊极，其特征在于，所述加厚部相对于垂直于所述轮轴线的平面对称布置。
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