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Vorrichtung zum Verbinden metallischer Werkstücke durch Kaltpreßschweißen
unter Anwendung von Schwingungen Gegenstand der Patentanmeldung A 25099 lb/49h (deutsche
Auslegeschrift 1 179 082) ist ein Verfahren zum Verbinden metallischer Werkstücke
durch Kaltpreßschweißen unter Anwendung von Schwingungen an der Schweißstelle, bei
welchem die Schwingungen parallel zu den Berührungsflächen der zu verschweißenden
Werkstücke erfolgen.
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Gemäß einer in jenem Patent geschützten Vorrichtung zur Durchführung
des Kaltpreßschweißverfahrens greift der Schwingungserzeuger rechtwinklig zu der
mit dem Werkstück in Berührung kommenden Sonotrode an. Die vorliegende Erfindung
bezieht sich auf eine Weiterentwicklung einer derartigen Vorrichtung und ist dadurch
gekennzeichnet, daß die Sonotrode aus einem an beiden Enden freien Stab besteht.
Es hat sich gezeigt, daß hierdurch gegenüber einem durch eine Masse oder Druck belastete
Sonotrode in gewissen Fällen Vorteile erzielt werden können, weil durch Verwendung
eines an beiden Enden freien Resonanzstabes oder Resonanzrohres als Sonotrode die
Energieübertragung unter Verminderung von Energieverlusten verbessert werden kann.
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Die Sonotrode ist zweckmäßigerweise als Stab gleichen Querschnitts
ausgebildet, wobei dieser Stab z. B. hohl und von rundem Querschnitt oder massiv
mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet sein kann.
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Die geometrischen Abmessungen der Sonotrode sind vorzugsweise so gewählt,
daß sie der folgenden Gleichung
genügen, bei der f die Frequenz, l die Länge des Stabes in Zentimetern,
Q das Youngsche Modul in Dyn/cm2, K den Halbmesser der Kreisbewegung und P die Dichte
in g/cm3 bedeutet.
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Der Halbmesser der Kreisbewegung K ist gegeben durch: 1. für einen
hohlen runden Querschnitt:
worin a der äußere Radius und a,, der innere Radius des hohlen Stabes in
Zentimetern ist; 2. für einen rechteckigen Querschnitt:
worin a die Dicke des Stabes in Zentimetern in Richtung der Schwingung ist; 3. für
einen massiven runden Querschnitt:
worin a der Radius des Stabes in Zentimetern ist. Weiterhin ist bekannt, daß
ist, was die Longtudinalgeschwindigkeit des Tones bedeutet, die in Stahl z. B. ungefähr
5,15 - 105 cm/Sek. beträgt. Bei einer praktischen Anwendung z. B. bei besonders
gestalteten Körpern, die gewisse Toleranzen verlangen oder bei der Ausführung einer
Schweißstelle bestimmter Größe oder bei Anwendung einer besonderen Arbeitsfrequenz,
werden die gegebenen Werte in die klassische Gleichung eingesetzt und die gewünschten
Größen berechnet.
Die Länge 1 eines massiven, im Querschnitt runden
Stahlstabes von 1/$' (0,3175 cm) beim Arbeiten mit 60 Kilohertz wird wie folgt errechnet:
Wenn diese zu klein ist, um mit dem Ende des Kupplungsstückes verbunden zu werden,
und für die Bedienung von Hand kann der Stab so bemessen werden, daß er statt dessen
bei dem zweiten Oberton arbeitet, dessen Frequenz im Verhältnis 5,404f, zur Grundfrequenz
steht. Um die Grundfrequenz zu finden, die ermöglicht, daß der Stab im zweiten Oberton
bei 60 Kilohertz schwingt, teilt man 60 000 Perioden durch 5,404, was 11,1 Kilohertz
entspricht. Daher ist
Die Länge eines hohlen Stabes mit rundem Querschnitt oder eines massiven mit rechteckigem
Querschnitt wird auf dieselbe Weise nach der obengenannten klassischen Gleichung
und Benutzung der besonderen Beziehung des Radius der Kreisbewegung für den besonderen
Stabtyp erhalten. Die Stäbe können aus Metallen mit erwünschten akustischen Eigenschaften
hergestellt werden, z. B. aus Aluminium, Molybdän, Monelmetall, Nickel, Stahl, Titan
usw.
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Für die Verbindung des Stabes mit dem Kupplungsstück ist eine hartgelötete
oder eine mit Gewinde versehene und hartgelötete Verbindung anderen Verbindungsarten
vorzuziehen.
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In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung an zwei Ausführungsformen
beispielsweise dargestellt. Es zeigt F i g. 1 die Seitenansicht, teilweise im Schnitt,
der erfindungsgemäßen Einrichtung, F i g. 2 eine Stirnansicht der Einrichtung gemäß
Fig.l, F i g. 3 eine andere Ausführungsform in Draufsicht. Die Schwingungsvorrichtung
20 gemäß F i g. 1 besteht aus dem magnetostriktiven Ultraschallerzeuger22, dem Kupplungsteil
24 und dem Stab 26. Der magnetostriktive Ultraschallerzeuger 22 ist
von üblicher Bauart. Der magnetostriktive Ultraschallerzeuger 22 enthält die Polarisationsspule
28 und die Erregerspule 30.
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Der magnetostriktive Ultraschallerzeuger 22 ist metallisch etwa durch
Hartlöten mit dem Kupplungsstück 24 verbunden. Das Kupplungsstück
24 kann bekannter Art sein. Bei der dargestellten Ausführung besteht es aus
dem zylindrischen Teil 34, aus massivem Stahl und einem zweiten konischen Kupplungsteil
36, der in einen zylindrischen Teil übergeht. Der zylindrische Teil wird metallisch
oder durch Verschraubung mit dem zylindrischen Kupplungsteil 34 verbunden. Damit
das Maximum an Kraft geliefert wird, kann der konische Kupplungsteil 36 kurvenförmig
gestaltet sein, so daß er einen konischen Teil hat, der eine exponentielle Funktion
seiner Länge ist und folgende Beziehung erfüllt: S -- So e- 2T1, worin So
die verjüngte Fläche 32,S die am zylindrischen Teil befindliche Grundfläche bedeutet;
T ist die Konstante für den Konizitätsfaktor, und 1 ist die Länge des konischen
Kupplungsgliedes.
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Der zylindrische Teil des Kupplungsgliedes 36 wird an einer Hülse
38 gehaltert. Die Länge der Hülse 38 beträgt
bezogen auf das benutzte Metall bei der angewandten Frequenz oder eines Vielfachen
davon. Bei der dargestellten Ausführungsform hat die Hülse 38 eine Länge von
Sie umgibt den zylindrischen Kupplungsteil34 konzentrisch unter Befassung eines
Ringraumes. Am Ende der Hülse 38, die dem Ultraschallerzeuger 22 entgegengesetzt
ist, ist eine radial nach innen gerichtete Schulter 40 vorgesehen, die metallisch
mit dem zylindrischen Teil des Kupplungsstückes 36 fest verbunden ist. Das andere
Ende 42 der Hülse 38 ist frei. Wenn die Vibrationsvorrichtung 20 schwingt, wird
in der Hülse 38 bei dem Flansch 44
ein Schwingungsknoten entwickelt, der
von dem freien Ende 42 der Hülse 38 entfernt liegt. Der Flansch 44 ragt radial über
die Hülse 38 hinaus und ist an einem Haltering 46 mit Schrauben
48 befestigt.
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Die Hülse 38 ist zwar für viele Anwendungen erwünscht, aber die Schwingungsvorrichtung
20 kann auch ohne eine solche Hülse benutzt werden oder mit einer anders ausgebildeten
Stütze.
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Bei der dargestellten Ausführungsform des Ultraschallerzeugers 22
ist sowohl das zylindrische Kupplungsglied 34 als auch 36 so bemessen, daß sie
entsprechen. Sie sind so durchgebildet, daß sie bei der angewandten Arbeitsfrequenz
mitschwingen, um eine maximale Arbeitskraft zu liefern. Die Verbindungen zwischen
dem Ultraschallerzeuger 22 und dem zylindrischen Kupplungsglied 34 sowie die Verbindung
zwischen dem zylindrischen Kupplungsglied 34 und dem Kupplungsglied 36 und die Verbindung
zwischen dem Kupplungsglied 36 und dem Stab 26 liegen an einem Schwingungsbauch,
so daß die Verbindungen der Vibrationsvorrichtung 20 nicht merkbar beansprucht werden.
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Der Antrieb des Stabes 26 mit seinen Endflächen 27 erfolgt in der
Mitte zwischen den Endflächen. Wie aus F i g. 1 ersichtlich, hat das Kupplungsglied
36 eine Bohrung 50, durch die der Stab 26 geführt wird. Er ist mit Hartlot mit dem
Kupplungsglied 24 verbunden.
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F i g. 1 zeigt die Ausgestaltung der Einrichtung für Punktschweißung.
Die Bedingungen, unter denen die Schweißung durchgeführt werden kann, können wie
folgt zusammengefaßt werden: Die Schweißung wird unter einer Klemmkraft vollzogen,
die genügt, um die zu verschweißenden Werkstücke an der vorgesehenen Schweißfläche
in Berührung zu halten. Die Klemmkraft kann daher über einen weiten Bereich schwanken.
So brauchen für Verschweißungen bei Zimmertemperatur die maximalen Klemmkräfte keine
äußere Verformung der zu verschweißenden Metalle von mehr als ungefähr 10 °/o
herbeiführen.
(Unter Verformung ist die Änderung in den Abmessungen des zu schweißenden Gegenstandes
neben der Schweißstelle, dividiert durch die Stärke der zu schweißenden Teile vor
der Schweißung, zu verstehen.) In vielen Fällen ist das Ausmaß der Verformung beträchtlich
unter 10 °/o, und in manchen Fällen findet überhaupt keine Verformung statt. Als
geringstmögliche Klemmkraft ist diejenige anzusehen, die genügt, um die miteinander
zu verschweißenden Bleche ausgerichtet und in inniger Berührung zu halten.
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Die Schweißung kann auch bei erhöhten Temperaturen, jedoch unterhalb
der Schmelztemperatur der Werkstücke ausgeführt werden. Ein Erwärmen der zu verschweißenden
Metalle vor und/oder während des Schweißens -jedoch immer unterhalb ihrer Schmelztemperatur
- kann den Schweißvorgang fördern und die Anforderungen an Kraft und/oder Zeit vermindern.
Es kann ein Verschweißen der verschiedensten Metalle und Legierungen durchgeführt
werden, z. B. Aluminium mit Aluminium; Aluminiumlegierung mit Aluminiumlegierung;
Kupfer mit Kupfer; Aluminiumlegierung mit Kupfer; Stahl mit Stahl; Aluminiumlegierung
mit Stahl usw.
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Die Verschweißung erfolgt innerhalb einer weiten Zeitspanne zwischen
ungefähr 0,001 und ungefähr 6,0 Sekunden. Bei der Schweißung mit der Schwingungsvorrichtung
20 gemäß F i g. 1 wird ein Amboß 52 benutzt, dessen obere Fläche dem Stab 26 mit
Zwischenraum gegenüber liegt.
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Die zu verschweißenden Werkstücke 54. und 56 bestehen aus Metallblechen,
die zwischen dem Stab 26 und dem Amboß 52 gehalten werden. Die Schwingungsrichtung
des Stabes 26 ist durch den Doppelpfeil 58 angedeutet. Die Schweißverbindung zwischen
den Werkstücken 45 und 56 unter den oben beschriebenen Bedingungen wird durch Übertragen-
elastischer Schwingungen von dem Stabende 27 auf das Werkstück 56 bewirkt. Die elastischen
Schwingungen enthalten eine Komponente, die zu der Berührungsfläche der miteinander
zu verbindenen Werkstücke 54 und 56 im wesentlichen parallel ist oder eine Komponente
in einer Ebene, die tangential zu dem Teil des Stabes 26 liegt, der auf das Werkstück
56 einwirkt.
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F i g. 3 zeigt eine Weiterbildung des Schweißgerätes nach der Erfindung,
mit der bei hohem Leistungspegel gearbeitet werden kann. An Stelle des Ambosses
der F i g. 1 ist neben der Schwingungsvorrichtung 20a eine zweite Schwingungsvorrichtung
20b vorgesehen. Die Werkstücke 60 und 62 werden zwischen den Stäben 26a und 26b
gehalten. Die Schwingungsvorrichtung 20a und 20b arbeiten bei derselben Frequenz,
aber mit einer Phasenverschiebung von 180°. Dann bewegt sich der Stab 26a in der
einen Richtung und der Stab 26b in der anderen Richtung über die Werkstücke 60 und
62.
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Es können zwei oder mehr Stäbe gleicher Länge zu einem Kreuzgebilde
miteinander verbunden werden, das gerollt werden kann, so daß Punktverschweißungen
mit Zwischenräumen entstehen. Das Kreuzgebilde kann auch in einem Rohr angeordnet
werden, um verschiedene Punkte an dem Rohr zur gleichen Zeit zu verschweißen. Die
Enden können auf die gleichen oder verschiedene Radien abgeschliffen sein, die als
Ersatzstäbe zur Vorrathaltung dienen.