DE102016207922A1

DE102016207922A1 - Verfahren und Vorrichtung zum fluiddichten Dichtschweißen eines Rohrs

Info

Publication number: DE102016207922A1
Application number: DE102016207922.0A
Authority: DE
Inventors: Daniel Fink; Markus Bingel
Original assignee: NOVATEC GmbH
Current assignee: NOVATEC GmbH
Priority date: 2016-05-09
Filing date: 2016-05-09
Publication date: 2017-11-09
Anticipated expiration: 2036-05-10
Also published as: DE102016207922B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum fluiddichten Dichtschweißen eines Rohrs 5 und gegebenenfalls Abtrennen eines Abschnitts des Rohrs 5 durch Ultraschallschweißen mittels einer Ultraschallschweißvorrichtung umfassend ein Schwingersystem mit Sonotrode 1 und Sonotroden- oder Schweißkopf 11 sowie eine diesem zugeordnete auch als Amboss 2 bezeichnete Auflage, wobei das Rohr 5 zwischen Sonotrodenkopf 11 und Amboss 2 angeordnet wird, und Sonotrodenkopf 11 und Amboss 2 durch einen Antrieb aufeinander zubewegt werden zur Erzeugung eines Schweißdrucks auf das Rohr 5, wobei der Sonotrodenkopf 11 ultraschallerregt mit einer Frequenz v schwingt, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb derart erfolgt, dass die Schließkraft zwischen Amboss 2 und Sonotrode 1 mit sinkendem Abstand zwischen Amboss 2 und Sonotrode 1 exponentiell größer wird und gleichzeitig die Schließgeschwindigkeit exponentiell verringert wird, sowie eine dazu angepasste Vorrichtung.

Description

Gegenstand der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum fluiddichten Dichtschweißen eines Rohrs und gegebenenfalls Abtrennen eines Abschnitts des Rohrs durch Ultraschallschweißen mittels einer Ultraschallschweißvorrichtung umfassend ein Schwingersystem mit Sonotrode und Sonotroden- oder Schweißkopf sowie eine diesem zugeordnete auch als Amboss bezeichnete Auflage, wobei das Rohr zwischen Sonotrodenkopf und Amboss angeordnet wird. Die Erfindung betrifft weiter eine angepasste Vorrichtung.
Stand der Technik
Aus der Patentschrift DE 10 2004 022 313 B3 ist eine Vorrichtung bekannt, in der zum fluiddichten Dichtschweißen von einem Rohr mittels einer Ultraschallschweißvorrichtung ein Amboss mit einem von Arbeitsflächen begrenzten Arbeitsbereich zur Aufnahme des Rohres vorgesehen ist, wobei der Amboss eine Aufnahme zum Fixieren des Rohres aufweist. Der Antrieb zur Erzeugung des erforderlichen Schweißdrucks ist ein Elektromotor, der ein Gleichstrommotor oder ein Wechselstrom-Synchronmotor ist.
Aufgabe der Erfindung
Insbesondere bei Dichtschweißung von Rohren ist gegenüber dem bekannten Stand der Technik erwünscht, den Kraftverlauf während der Verdichtung so anzupassen, dass in der ersten Phase bei größerem noch verbliebenem Verdichtungsweg bei gleichzeitig hoher Schließgeschwindigkeit die Kraft noch gering ist, während in der letzten Phase der Verdichtung, also dem Flachpressen eines Rohres oder einer Hülse, eine höhere Kraft bei geringem restlichen Verdichtungsweg und bei gleichzeitig reduzierter Schließgeschwindigkeit erforderlich ist.
Lösung der Aufgabe
Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, das eine mit Fortschreiten der Verdichtung, also mit der Abnahme des verbliebenen Verdichtungswegs, exponentiell wachsende Kraft auf den zu verbindenden Metallteilen des Rohres oder der Hülse bewirkt, und das es erlaubt, auch während der Verschweißung eine sich periodisch ändernde zusätzliche Kraft auf die zu verbindenden Metallteile aufzubringen.
Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Vorrichtung gemäß Anspruch 14 beschrieben, die einen Kniehebel aufweist, der bei linearem Antrieb einen exponentiell zunehmenden Kraftanstieg bei abnehmendem Verdichtungsweg (Hubweg) und eine exponentiell verminderte Schließgeschwindigkeit ergibt. Bei den in der Technik üblichen Antrieben (pneumatisch, hydraulisch, elektrisch) ist die Kraft über den Hubweg hin konstant oder maximal in zwei Stufen mechanisch veränderbar.
Die zusätzliche periodische Verdichtungskraft, die während der Verschweißung aufgebracht wird, und die zu einer gleichmäßigeren Verdichtung führt, wird dadurch erzeugt, dass die Wirkfläche der Sonotrode nicht parallel zur Vibrationsrichtung verläuft, sondern einen Winkel α mit ihr einschließt, der weniger als 30° und mindestens 1° beträgt. Während beim Ultraschallschweißen von Metallen die Schwingung stets horizontal, also parallel zu den Oberflächen der Fügepartner eingeleitet wird, wird in der vorliegenden Erfindung die Wirkfläche der Sonotrode so ausgeführt, dass die Flächennormale ihrer Wirkfläche mit der Vibrationsrichtung einen von 90° abweichenden Winkel, nämlich 90° – α, einschließt, wobei die Abweichung α von 90° mindestens 1°, und weniger als 30° beträgt. Im Gegensatz zu der beim Ultraschallschweißen von Metallen üblichen Weise wird daher durch den abweichenden Winkel der Wirkfläche der Sonotrode zu deren Vibrationsrichtung eine Kraft senkrecht zur Wirkfläche übertragen, deren Höhe dem Sinus des Winkels α und der gesamten durch die Sonotrode aufgebrachten Vibrationskraft proportional ist.
Es wurde überraschenderweise gefunden, dass durch diese zusätzliche zeitlich variable Schweißkraft eine zusätzliche Verbesserung der Verdichtung bewirkt wird.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Ausführliche Darstellung der Erfindung
Die Erfindung wird durch die angelegten Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen die 1 den Antrieb des Amboss 2 in Richtung auf die Sonotrode 1 durch einen Kniehebel 3 mit einem ersten Hebel 33 des Kniehebels 3 und einem zweiten Hebel 34 des Kniehebels 3, wobei der erste Hebel 33 von einem motorisch, hydraulisch oder pneumatisch angetriebenen Stellglied 40 betätigt wird, und wobei der zweite Hebel 34 über einen Hebel 20 auf eine Nase 22 des Hebels 24 wirkt, wobei der Hebel 24 mit dem Amboss 2 starr verbunden ist, und bei Vortrieb des Stellglieds 40 in Pfeilrichtung den Amboss 2 in Richtung auf die Sonotrode 1 bewegt,
2 eine räumliche Darstellung von Sonotrodenkopf 11 und Amboss 2 mit der erhabenen Arbeitsfläche 21, wobei der Sonotrodenkopf 11 auf jeder der gegenüberliegenden Seiten je eine Arbeitsfläche 111, 111' und je eine Nase 112, 112' aufweist, und die Nasen 112, 112' jeweils eine Schneidkante 1121, 1121' aufweisen, die mit einer Seitenfläche 211 des Amboss 2 zusammenwirkt und einen Teil des dichtgeschweißten Rohrs 5 (nicht dargestellt) abtrennt,
3 eine vergrößerte Skizze des Amboss 2 mit der Arbeitsfläche 21, auf der ein Metallrohr 5 aufliegt und durch einen seitlich vom Amboss 2 angebrachten Anschlag 220 in der Arbeitsposition gehalten wird,
4 den Verlauf der Kraft F als Funktion des Verdichtungsweges s, die während des Zurücklegens des Verdichtungsweges s auf die zu verbindenden Metallteile 5 aufgebracht wird, die zwischen der Auflagefläche 21 des Ambosses 2 und dem Sonotrodenkopf 11 mit der Arbeitsfläche 111 angeordnet sind,
5 die Anteile der durch Ultraschall-Vibration auf die zu verbindenden Metallteile des Rohrs 5 aufgebrachten Kräfte F_vib,h und F_vib,v in Abhängigkeit von dem Winkel α, und
6 den Verlauf des Verdichtungsweges s als Funktion der Zeit t.
Dabei ist in der 1 in einer Draufsicht schematisch dargestellt, wie das Stellglied 40 bei Bewegung in Pfeilrichtung über das Gelenk 3340 den ersten Hebel 33 des Kniehebels 3 antreibt, wobei der erste Hebel 33 drehbar im Lager 339 auf der Grundplatte 9 gelagert ist. Die Grundplatte 9 ist in 1 nur insoweit dargestellt, wie es zum Verständnis der Bewegungen erforderlich ist. Der Amboss 2 und der mit diesem starr verbundene Hebel 24 ist über ein Lager 29 mit der Grundplatte 9 drehbar oder über (hier nicht dargestellte) Linearführungen verbunden. Der vom Lager 339 abgewandte Teil des ersten Hebels 33 des Kniehebels 3 bewegt sich bei Bewegung des Stellglieds 40 in Pfeilrichtung auf das Lager 2034 zu, das den zweiten Hebel 34 des Kniehebels 3 mit dem weiteren Hebel 20 verbindet, der mit der Grundplatte 9 durch das Lager 209 verbunden ist. Das Lager 2034 wird dadurch in Richtung nach unten auf der Ebene der Zeichnung bewegt, dadurch wird der vom Lager 2034 abgewandte, in der Zeichnung linke Teil des Hebels 20 in Uhrzeigerrichtung nach oben gedreht und drückt daher auf die Nase 22 des Hebels 24, der mit dem Amboss 2 starr verbunden ist, und bewegt den Amboss 2 daher auf den Sonotrodenkopf 11 zu.
Die Verwendung eines Kniehebels 3 in Kombination mit dem Hebel 20 in der Antriebsmechanik ergibt auch einen unerwarteten Vorteil durch eine kleinere und dadurch auch leichtere Bauform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, deren Handhabung auf diese Weise deutlich verbessert wird.
Aus der 2 ist der Ablauf der Vorgänge Dichtschweißen und Abtrennen eines Rohrabschnitts zu erkennen, dabei entspricht der Abstand zwischen der Arbeitsfläche 111 des Sonotrodenkopfs 11 und der Arbeitsfläche 21 des Amboss 2 nach Vollendung des Dichtschweißens einem Bereich von 30% bis 90% vom Doppelten der Wanddicke des Rohres, und der Zeitpunkt des Abtrennens des Rohrabschnitts durch das Zusammenwirken der Schneidkante 1121 am Sonotrodenkopf 11 und der Seite 211 der Arbeitsfläche 21 des Amboss wird durch die Höhe der Nase 112 über der Arbeitsfläche 111 der Sonotrode 1 bestimmt. Diese Höhe ist nach dem erforderlichen Zeitpunkt der Abtrennung festzulegen.
Eine geeignete Form für die Bestimmung der Lage des Rohres 5 im Arbeitsbereich zwischen Sonotrodenkopf 11 und Amboss 2 ist in der 3 dargestellt, wobei in der Draufsicht lediglich ein Anschlag 220 zu sehen ist, der bevorzugt in Form eines am Amboss 2 befestigten Stiftes ausgeführt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform befinden sich auf beiden Seiten des Ambosses 2 insgesamt zwei derartige Anschläge 220, 220', die an den Seiten des Ambosses 2 derart befestigt sind, dass sie die Annäherung des Ambosses 2 an den Sonotrodenkopf 11 nicht behindern.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Amboss mit mindestens einem, bevorzugt zwei Rohranschlägen mit Sensoren ausgerüstet werden, die an den bevorzugt zwei beidseitig des Ambosses 2 angebrachten Anschlägen 220, 220' angebracht werden. Die Sensoren erzeugen ein Signal bei Kontakt des Rohrs 5 mit den bevorzugt zwei beidseitig des Amboss 2 angebrachten Anschlägen 220, 220'. Bei Vorliegen des Signals wird dann in einer Steuerung der Schweißzyklus ausgelöst, also das Zufahren des Amboss 2 in Richtung auf den Sonotrodenkopf 11, zum Dichtschweißen und gegebenenfalls auch zum Abtrennen eines Teils des Rohres 5. Diese Auslösung des Schweißvorgangs erst bei korrekter Positionierung des Rohrs verhindert Fehlbedienungen. Alternativ kann das Signal des Sensors bei Kontakt mit dem Rohr 5 eine Freigabe für einen Auslösetaster erzeugen, der an der auch als Schweißzange bezeichneten Vorrichtung gemäß der Erfindung angebracht ist und den Dichtschweißvorgang in Gang setzt.
Aus der 4 ist schematisch zu entnehmen, wie die Kraft F auf das zwischen den Arbeitsflächen 111 der Sonotrode und 21 des Amboss positionierte Rohr 5 sich kontinuierlich und exponentiell erhöht mit abnehmendem Abstand d der Arbeitsfläche 21 des Amboss von der Arbeitsfläche 111 der Sonotrode, wobei die Abnahme des Abstands d selbstverständlich der Zunahme des zurückgelegten Verdichtungsweges s entspricht.
Die 5 zeigt die Vektorzerlegung der Vibrationskraft F_vib im Sonotrodenkopf in Erregungsrichtung, die in eine parallel zu den Arbeitsflächen 111 und 211 wirkende horizontale Reibungskraft F_vib,h, und eine dazu senkrechte Komponente als zusätzliche vertikale Schweißkraft F_vib,v zerlegt wird. Die vertikale Schweißkraft-Komponente F_vib,v ergibt sich als F_vib,v = F_vib × sinα.
In der 6 ist der Verlauf des Abstandes d zwischen der Arbeitfläche 111 der Sonotrode und der Arbeitsfläche 21 des Ambosses als Funktion der Zeit t dargestellt, wobei der Abstand d mit zunehmendem Verdichtungsweg s selbstverständlich kleiner wird. Die Schließgeschwindigkeit nimmt bei geringerem Abstand ab, wie der abnehmenden Steigung im Weg-Zeit-Diagramm zu entnehmen ist.
Für die vorliegende Erfindung hat sich als bevorzugt erwiesen, den Winkel α so zu wählen, dass er von 2° bis 15°, besonders bevorzugt von 3° bis 10° beträgt. Ein derartig abgeschrägter Sonotrodenkopf 11, dessen Arbeitsfläche 111 zur Vibrationsrichtung des Sonotrodenkopfes einen Winkel α von mindestens 1°, und weniger als 30° einschließt, erlaubt eine um ca. 50% bis 80% kürzere Schweißzeit, und führt daher zu geringerer Temperaturerhöhung des Rohrs 5 während der Schweißzeit, was auch zu einer Verminderung der Bildung von Mikrorissen an der Arbeitsfläche der Sonotrode und auch im Material des Rohres 5 und damit zu Vermeidung von Leckagen führt.
Bei der Anwendung zum Dichtschweißen von Rohren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, anstelle der dafür üblichen Frequenz von 20 kHz eine höhere Frequenz zu wählen, beispielsweise 25 kHz oder 35 kHz, oder einen Wert innerhalb dieses Bereichs. Dabei hat sich als Vorteil ergeben, dass dabei der Hub (Vibrationsamplitude des Sonotrodenkopfes 11) verringert werden kann, im Fall einer Frequenz von 20 kHz üblicherweise 24 μm, beispielsweise auf 18 μm bei 25 kHz, und sich dadurch auch der Verschleiß an der Wirkfläche 111 des Sonotrodenkopfes 11 verringert, und damit auch eine längere Standzeit des Sonotrodenkopfes 11 erreicht wird. Durch Erhöhung der Frequenz wird es möglich, den Hub auf bis zu 10 μm zu senken.
Es hat sich hierbei weiter als günstig erwiesen, die Schneidkante 1121 zum Abtrennen des Rohrendes von dem dichtgeschweißten Rohr 5 an einer am Sonotrodenkopf 11 angebrachten Nase 112 statt wie üblich am Amboss 2 anzubringen, dadurch ergibt sich weiter eine kürzere Zeit für die Abtrennung eines Teils des Rohres 5, mit den oben bei der Verkürzung der Schweißzeit genannten Vorteilen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004022313 B3 [0002]

Claims

Verfahren zum fluiddichten Dichtschweißen eines Rohrs (5) und gegebenenfalls Abtrennen eines Abschnitts des Rohrs (5) durch Ultraschallschweißen mittels einer Ultraschallschweißvorrichtung umfassend ein Schwingersystem mit Sonotrode (1) und Sonotroden- oder Schweißkopf (11) sowie eine diesem zugeordnete auch als Amboss (2) bezeichnete Auflage, wobei das Rohr (5) zwischen Sonotrodenkopf (11) und Amboss (2) angeordnet wird, und Amboss (2) und Sonotrodenkopf (11) durch einen Antrieb aufeinander zubewegt werden zur Erzeugung eines Schweißdrucks auf das Rohr (5), wobei der Sonotrodenkopf (11) ultraschallerregt mit einer Frequenz v schwingt, dadurch gekennzeichnet, dass der Amboss (2) und die Sonotrode (1) derart aufeinander zubewegt werden, dass die Schließkraft zwischen Amboss (2) und Sonotrode (1) mit sinkendem Abstand zwischen Amboss (2) und Sonotrode (1) größer wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb des Ambosses (2) und/oder der Sonotrode (1) über einen Kniehebel erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb des Ambosses (2) und/oder der Sonotrode (1) bei zunehmender Verdichtung die Schließgeschwindigkeit exponentiell verringert.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Kraft senkrecht zu den Arbeitsflächen (111, 21) des Sonotrodenkopfes und des Ambosses aufgebracht wird dadurch, dass die Arbeitsfläche (111) des Sonotrodenkopfes (11) mit der Vibrationsrichtung des Sonotrodenkopfes (11) einen Winkel α von mindestens 1°, und weniger als 30° einschließt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (1) mit einer Vibrationsfrequenz von 25 kHz bis 35 kHz betrieben wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (1) mit einem Vibrationshub von 10 μm bis 30 μm betrieben wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6 zum fluiddichten Dichtschweißen von Rohren, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rohr (5) aus Kupfer oder Aluminium eingesetzt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Rohres nach dem Dichtschweißen mittels einer am Sonotrodenkopf (11) fixierten Nase (112) mit Schneidkante (1121) abgetrennt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Rohrs (5) im durch die Arbeitsfläche (111) der Sonotrode (1) und die Arbeitsfläche (21) des Amboss (1) begrenzten Arbeitsbereich durch mindestens einen am Amboss (2) seitlich angebrachten Anschlag (220) erkannt wird, und dadurch der Schweißzyklus ausgelöst wird oder eine Freigabe für an der Schweißzange vorhandene Auslösetaster erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißzyklus oder eine Freigabe für an der Schweißzange vorhandene Auslösetaster bei Kontakt des Rohres (5) mit beidseitig am Amboss (2) angebrachten Anschlägen (220), (220') ausgelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Anschlag (220) mit einem Sensor ausgestattet ist, der ein Signal bei Kontakt mit dem Rohr (5) auslöst.
Vorrichtung zum Dichtschweißen von Rohren (5) durch Ultraschallschweißen mittels einer Ultraschallschweißvorrichtung umfassend ein Schwingersystem mit Sonotrode (1) und Sonotroden- oder Schweißkopf (11) sowie eine diesem zugeordnete auch als Amboss (2) bezeichnete Auflage, dadurch gekennzeichnet, dass zur Schließung der eine Sonotrode (1) und einen Amboss (2) umfassende Schweißzange ein Antrieb vorgesehen ist, bei dem die Schließkraft zwischen Amboss (2) und Sonotrode (1) mit sinkendem Abstand zwischen Amboss (2) und Sonotrode (1) größer wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb über einen Kniehebel (3) mit Hebelschenkeln (33) und (34) vorgesehen ist, dessen erster Hebelschenkel (33) mit einem Stellglied (40) über ein Gelenk (3340) verbunden ist und auf einer Grundplatte (9) durch ein Lager (339) drehbar gelagert ist, und der zweite Hebelschenkel (34) mit dem ersten Hebelschenkel (33) über ein Gelenk (3334) verbunden ist, wobei der zweite Hebelschenkel (34) über das Gelenk (2034) einen weiteren Hebel (20) betätigt, der mit dem Lager (209) auf der Grundplatte (9) befestigt ist, und bei Vorschub des Stellglieds (40) auf die im Hebel (24) geformte Nase (22) drückt, wobei der Hebel (24) mit dem Amboss (2) starr verbunden ist, und dadurch den auf der Grundplatte (9) mit dem Lager (29) gelagerten Amboss (2) auf den Sonotrodenkopf (11) zu bewegt, wobei die Sonotrode (1) durch ihre Halterung starr bezüglich der Grundplatte (9) angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsfläche (111) des Sonotrodenkopfes (11) mit der Vibrationsrichtung des Sonotrodenkopfes (11) einen Winkel α von mindestens 1°, und weniger als 30° einschließt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel α 2° bis 15° beträgt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel α 3° bis 10° beträgt.
Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationsfrequenz der Sonotrode (1) von 25 kHz bis 35 kHz beträgt.
Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonotrodenkopf (11) eine darauf fixierte Nase (112) mit einer Schneidkante (1121) zum Abtrennen eines Teils des Rohrs (5) aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass am Amboss (2) mindestens ein seitlich angebrachter Anschlag (220) vorgesehen ist, der als Positionierhilfe für das Rohr (5) oder zur Erkennung der Position des Rohrs (5) dient.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren an dem mindestens einen Anschlag (220) vorgesehen sind, wobei bei Kontakt des Rohrs (5) mit den Sensoren in einer Steuerung der Schweißzyklus ausgelöst wird oder eine Freigabe für an der Vorrichtung vorhandene Auslösetaster erfolgt.