DE1185041B

DE1185041B - Vorrichtung zum Ultraschallschweissen

Info

Publication number: DE1185041B
Application number: DEL40405A
Authority: DE
Inventors: Dr Reimar Pohlmann; Roland Sievers
Original assignee: DR LEHFELDT AND CO GmbH
Current assignee: DR LEHFELDT AND CO GmbH
Priority date: 1961-11-06
Filing date: 1961-11-06
Publication date: 1965-01-07

Description

Vorrichtung zum Ultraschallschweißen Ultraschallschwingungen können dazu benutzt werden, um Punktschweißungen oder auch Schweißnähte ohne Zufuhr von Wärme, aber unter Druck herzustellen. Das geschieht auf Ultraschall-Schweißmaschinen dadurch, daß die beiden miteinander zu verschweißenden Werkstücke aufeinandergelegt und zusammengepreßt werden. Von den beiden Kontaktstücken, die das Zusammenpressen bewirken, wird das eine, die sogenannte Sonotrode, zu Ultraschallschwingungen erregt, während das andere sich schwingungsmäßig annähernd in Ruhe befinden soll und meist als Amboß bezeichnet wird. Der Vektor der Ultraschallschwingung liegt, .Nenn Kunststoffe verschweißt werden sollen, senkrecht zu der zu verschweißenden Trennfläche, in den meisten anderen Fällen, insbesondere wenn Metalle verschweißt werden sollen, parallel zu dieser Fläche.
Durch das Zusammenwirken von Druck und Ultraschallschwingungen, die die zu verschweißenden Werkstücke aufeinander reiben lassen, tritt in kleinen Bezirken ein Fließen des Materials ein, das dann seinerseits unter dem Einfluß eines verhältnismäßig geringen Anpreßdruckes verschweißt.
Wenn auch der Anpreßdruck, der in einer Ultraschall-Schweißmaschine zur Anwendung gelangt, im allgemeinen um einen Faktor 10 bis 1000 geringer ist als der Anpreßdruck, der ohne Ultraschall beim Kaltpreßschweißen notwendig ist, so stellt man doch allgemein fest, daß durch Erhöhung des Anpreßdruckes bei gleichbleibender Ultraschalleistung und Schweißdauer fester haftende Schweißverbindungen oder mit kürzeren Schweißzeiten gleich gute Schweißverbindungen sich erzielen lassen.
Übersteigt der Anpreßdruck einen gewissen Grenzwert, so kann eine unerwünschte Schweißverbindung zwischen der Sonotrodenspitze und dem Werkstück entstehen; es kann sogar das andere Werkstück am Amboß festschweißen.
Die Erfindung befaßt sich daher mit der Aufgabe, das lästige Anschweißen der Werkstücke an Sonotrodenspitze und; oder Amboß zu verhindern. Es ist bereits bekannt, die Sonotrodenspitzen aus einem möglichst zähen und abriebfesten Material zu fertigen und die Oberfläche durch eine Politur gut zu glätten. Dieses Vorgehen führt jedoch nicht zu befriedigenden Erfolgen, was vornehmlich darauf zurückzuführen ist, daß eine gewisse Legierungsbildung an den Berührungsflächen eintritt und diese Legierungsbildung das Anschweißen unterstützt. Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, das mit dem zu verschweißenden Werkstück in Berührung kommende Ende der Sonotrode mit einem Edel-oder Halbedelstein zu bestücken und außerdem eine Einrichtung vorzusehen, die der Sonotrode nach Aufhören des Anpreßdruckes selbsttätig kurzzeitig Schallimpulse erteilt. Als Sonotrodenspitze wird ein Werkstoff verwendet, der keinerlei Legierungsbildung mit dem zu verschweißenden Werkstück zuläßt.
Durch den kurzzeitigen Schallimpuls nach Aufhören des Anpreßdruckes tritt an der Grenzfläche zwischen Sonotrodenspitze und Schweißgut eine dynamische Belastung auf, die zum Abreißen der eventuell- festgeschweißten Sonotrodenspitze vom Schweißgut führt. Beide Mittel unterstützen sich.
Ist die Sonotrode aus einem Halbedelstein oder einem Edelstein gefertigt, dann ist es zweckmäßig, sie in einem Metallklotz zu fassen, um ein Absplittern zu vermeiden. Man läßt die Spitzen dann nur wenige Zehntelmillimeter aus der Fassung herausschauen.
Das Erregen der kurzzeitigen Schallimpulse nach dem Aufhören des Anpreßdruckes kann dadurch geschehen, daß der üblicherweise bei einer Ultraschall-Schweißmaschine eingebaute Schweißzeitbegrenzer zuerst den Anpreßdruck und erst eine sehr kurze Zeit, beispielsweise 0,1 Sekunden später, die Hochfrequenzenergie abschaltet. Es hat sich gezeigt, daß es noch zweckmäßiger ist, die Hochfrequenzenergie vorzeitig oder gleichzeitig mit dem Anpreßdruck abzuschalten, jedoch einen kurzen Augenblick später, wenn die Teile nicht mehr unter Druck stehen, nochmals einen kurzen Ultraschallimpuls der Sonotrodenspitze zuzuführen. Es ist leicht möglich, eine genau dosierte und auch zeitlich genau einstellbare Schwingungsenergie zuzuführen, die gerade ausreicht, die klebende Verbindung wieder zu trennen.
Der elektrische Schweißzeitbegrenzer, der bei herkömmlichen Widerstandsschweißmaschinen wie auch bei Ultraschall-Schweißmaschinen meist durch einen Fußkontakt bestätigt wird und für eine genau einstellbare Zeitdauer den Anpreßdruck und die elektrische Energie einschaltet, kann zweckmäßigerweise mit zusätzlichen Einrichtungen versehen werden, die der genauen Einstellung hinsichtlich Zeit und Amplitude des Nachimpulses dienen. Damit erfolgt dann ein solcher Nachimpuls automatisch nach jedem Schweißpunkt, ganz gleichgültig, ob das Werkstück mit der Sonotrodenspitze verschweißt war oder nicht. Im allgemeinen ist es zweckmäßig, für den Nachimpuls eine kleinere Ultraschalleistung einzustellen als zum Schweißen, da zum Trennen der Verbindungsstelle eine wesentlich geringere Schwingungsenergie notwendig ist als diejenige, die zum Verschweißen der beiden Werkstücke notwendig war. Daher soll auch die Amplitude des Nachimpulses regelbar sein, so daß sie auf einen gewünschten, je nach Schweißgut, Form und Werkstoff der Sonotrode sich richtenden Wert einstellbar ist.
Mit einer so ausgerüsteten Ultraschall-Schweißmaschine lassen sich beispielsweise Aluminiumbleche von 3 mm Stärke dauerhaft miteinander verschweißen, wenn der elektrische Hochfrequenzgenerator zur Speisung des Schallkopfes 2 kW Hochfrequenzenergie zur Verfügung stellt. Eine so ausgerüstete Schweißmaschine nimmt aus dem Kraftnetz nur etwa den fünfzigsten Teil derjenigen Leistung auf, die eine Widerstandsschweißmaschine für gleich dicke Werkstücke aus Aluminium benötigt.

Claims

Patentanspruch: Vorrichtung zum Ultraschallschweißen, gekennzeichnet durch eine mit einem Edel-oder Halbedelstein an ihrem freien, mit dem zu schweißenden Werkstück in Berührung kommenden Ende bestückten Sonotrode, und einer Einrichtung, die der Sonotrode nach Aufhören des Anpreßdruckes selbsttätig kurzzeitig Schallimpulse erteilt. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 747 778; schweizerische Patentschrift Nr. 152 017; Zeitschrift »Welding Research Supplement«, März 1958, S. 82-s, mittlere Spalte, Abs. 5.