DE1239913B - Verfahren und Vorrichtung zum Ultraschallschweissen der Enden von uebereinanderliegenden, packgewalzten Bahnen von Aluminiumfolien - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

Int. CL:

B23k

Deutsche KL: 49 h-31/10

Nummer:

Aktenzeichen:

Anmeldetag:

Auslegetag:

Ausgabetag:

A36945Ib/49h

11. März 1961

3. Mai 1967

23. November 1967

Patentschrift stimmt mit der Auslegeschrift überein

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ultraschallschweißen der Enden von übereinanderliegenden, packgewalzten Bahnen von Aluminiumfolien.

Bei der Herstellung von Aluminiumfolien ist es allgemein üblich, zwei übereinanderliegende Folienbahnen zugleich durch das Walzwerk zu führen und die beiden Bahnen nach dem Walzen der Folie auf die gewünschte Stärke zusammen zu einer Rolle aufzuwickeln. Eine auf diese Weise hergestellte Folie wird als packgewalzte Folie bezeichnet. Die beiden Bahnen werden üblicherweise später voneinander getrennt, z. B. beim nachfolgenden Zuschneiden oder beim Beschneiden der Kanten. Der Wickel der packgewalzten Folie wird beispielsweise zwischen zwei rotierenden Messern an den Kanten beschnitten und auf die gewünschte Breite oder Breiten zugeschnitten. Diese Zuschnitte der beiden Folienbahnen werden dann voneinander getrennt und zu zwei oder mehr gesonderten Rollen aufgewickelt. Während des Walzens und beim Abwickeln· können eine oder mehrere Bahnen zerreißen. Eine packgewalzte Folienrolle kann daher Bahnen von unterbrochenen Längen aufweisen, sofern nicht dafür gesorgt wird, die Bahnen an den gerissenen Stellen miteinander zu verbinden. Auch dann wird zuweilen eine Folienrolle in kürzeren Längen hergestellt, als der Verbraucher benötigt. In jedem Fall ist es erwünscht oder notwendig, Rollen in langen, ununterbrochenen Längen zu liefern, was im allgemeinen nur durchführbar ist, wenn ein befriedigendes Verfahren zur Verfügung steht, die Enden der Folie im Zeitpunkt der Herstellung als packgewalzte Folie miteinander zu verbinden, so daß zugleich zwei ununterbrochen verlaufende Bahnen erhalten werden, die, wenn gewünscht, mühelos voneinander getrennt werden können.

Nach den bisher bekannten Verfahren zum Verbinden von Aluminiumfolien miteinander werden die Enden durch ein Klebeband oder durch Ultraschallschweißung miteinander verbunden. Erfolgt das Verbinden mittels Klebeband, so kann die Temperatur, die bei einer späteren Wärmebehandlung der Folie zur Anwendung gelangt, dazu führen, daß das Klebemittel herausquillt oder auch sonst die Stärke der Verbindung nachteilig beeinflußt. Außerdem erzeugt das Klebeband in der Bahn eine unerwünschte Ausbauchung und kann bei der späteren Bearbeitung hinderlich sein.

Das Verschweißen von Aluminiumfolien durch Ultraschall weist keine der mit der Verwendung von Klebeband verbundenen Nachteile auf. Die mitein-

Verfahren und Vorrichtung zum
Ultraschallschweißen der Enden von
übereinanderliegenden, packgewalzten Bahnen
von Aluminiumfolien

Patentiert für:

Aluminum Company of America,

Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. H. Ruschke, Patentanwalt,

Berlin 33, Auguste-Viktoria-Str. 65

Als Erfinder benannt:
James Alfred Dünbar,
New Kensington, Pa.;
Seltner Gerhardt Von Stocker,
Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 12. Juli 1960 (42 420)

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ander zu vereinigenden Metallteile werden herkömmlicherweise zwischen die Sonotrode und einen gegenüberstehenden Amboß des Ultraschallschweißgerätes gelegt und unter geringem statischem Druck zusammengedrückt. Ein hochfrequenter Wechselstrom wird durch einen Wandler in mechanische Vibrationsenergie mit mindestens einer seitlichen Komponente umgewandelt und zu der Sonotrode geleitet. Die von der elastischen Vibrationsenergie induzierte Zwischenflächenaktivität durchbricht die vorhandenen Oberflächenfilme und erzeugt einen wachsenden Metallkontakt, der eine metallurgische Verbindung bewirkt, und zwar ohne daß das zu vereinigende Material stark verformt wird. Da die Ultraschallschweißung bei Raumtemperaturen durchgeführt wird, so erfolgt kein Schmelzen oder eine nennenswerte Erwärmung,

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so daß die Schweißzone ihre metallurgischen Eigenschaften beibehält.

Das Ultraschallverschweißen beider Bahnen einer packgewalzten Folie erfordert nach den bisher geübten Verfahren ein System von Walzen, die örtlich begrenzte Längen der beiden Bahnen während des Schweißens voneinander getrennt halten, wobei ferner für jede Bahn eine Sonotrode und ein Amboß verwendet werden müssen. Um bei beiden Bahnen im wesentlichen die gleiche Länge aufrechtzuerhalten und ein Zerknittern der Folie zu vermeiden, müssen außerdem Spannvorrichtungen vorgesehen werden, um die Bahnen und die gerissenen Enden gesondert handhaben zu können.

Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die einzelnen Bahnen nacheinander unter Zwischenlage eines schweißhindernden Werkstoffes zwischen die bereits geschweißten und die zu schweißenden Bahnen geschweißt werden und die zu schweißende Bahn mit einem Folienende an der Sonotrode anliegt. Zweckmäßigerweise werden die Folien jeder Bahn vor dem Schweißen gegeneinander und auf ihrer Unterlage (Amboß oder Zwischenlage) durch eine flüchtige mineralische Kohlenwasserstoffflüssigkeit befestigt. Zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist der Amboß als drehbare Walze und die Sonotrode als Rolle ausgebildet, deren rechtwinklig zur Walzenachse stehende Achse quer zur letzteren verschiebbar ist. Vorteilhafterweise besteht die Zwischenlage aus einer auf beiden Seiten eloxierten Aluminiumfolie oder Stahlfolie.

Durch die Erfindung wird ein rasches und leichtes Zusammenfügen der gerissenen Enden einer aus zwei übereinanderliegenden Bahnen bestehenden packgewalzten Aluminiumfolie durch Ultraschallschweißung erzielt.

Die Erfindung wird nunmehr ausführlich beschrieben. In der Zeichnung ist

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Einrichtung,

Fig. 2, 3 und 4 je eine Darstellung einer Verfahrensstufe und

Fig. 5 eine Darstellung einer fertigen Überlappungsverbindung.

Eine Rolle einer packgewalzten, aus zwei übereinanderliegenden Bahnen bestehende Aluminiumfolie wird abgewickelt, geeigneterweise zwischen Abschermessern hindurchgeführt, später auseinandergetrennt und danach zu gesonderten Rollen wieder aufgewickelt. Bei der Herstellung einer Überlappungsverbindung an beiden Bahnen einer packgewalzten Folie werden die Enden der Bahnen von der Abwickel- und der Aufwickelrolle vorzugsweise gerade und ungefähr rechtwinklig durchgeschnitten. Die freien Enden der einen von der Abwickelrolle ausgehenden Bahn und der zur Aufwickelrolle laufenden Bahn werden über einem tragenden Schweißamboß überlappend zusammengelegt. Bei der Ausführungsform der Erfindung besteht der Amboß aus einer zwischen der Abwickel- und der Aufwickelrolle angeordneten Walze, obwohl auch eine der Rollen selbst als Amboß dienen kann. Die einander überlappenden Enden der Bahn werden auf dem Amboß glatt und vorzugsweise straff gehalten, und es wird mindestens ein Teil der Überlappungszone der Einwirkung von Ultraschallschweißenergie ausgesetzt, wodurch eine Überlappungsverbindung hergestellt wird. Die freien Enden der zweiten Bahn werden in der gleichen Weise überlappt und mittels Ultraschallschweißenergie zusammengeschweißt. Um jedoch ein Zusammenschweißen der beiden Überlappungsverbindungen zu verhindern, die nicht miteinander verbunden werden sollen, wird zwischen der ersten Bahn und mindestens einem Teil der Überlappungszone der zweiten Bahn ein Streifen aus einem das Zusammenschweißen hindernden Werkstoff eingelegt. Dieser Streifen gestattet ein Zusammenschweißen der Überlappung der einen Bahn über der anderen Bahn, ohne eine Verschweißung zwischen den Überlappungen der beiden Bahnen zu bewirken.

Der schweißhindernde Streifen besteht vorzugsweise aus einem verhältnismäßig dünnen Werkstoff, entweder biegsam oder steif und mit ausreichender Härte, so daß nicht übermäßig viel UTtraschallvibratiönsenergie absorbiert wird. Es ist ferner erwünscht, daß der schweißhindernde Werkstoff die Folie nicht zerkratzt, zerreißt oder sonstwie beschädigt oder verformt. Als schweißhindernder Werkstoff haben sich beispielsweise als geeignet erwiesen: metallische Folien oder Bogen, besonders aus Aluminium und Stahl, Papier, besonders Hartpapier oder überkalandertes Papier, Sulfatpapier oder Pergamentpapier. Aluminiumfolien, die auf beiden Seiten mit einem anodisch erzeugten Oxydüberzug versehen sind, sind zu bevorzugen. Diese Aluminiumfolien sind vorzugsweise nicht dünner als 0,0089 mm, da eine noch dünnere Folie nur schwer mit einem anodischen Oxydüberzug wesentlicher Stärke versehen werden kann. Im allgemeinen hat die Folie eine Stärke von weniger als 0,25 mm.

Die F i g. 1 zeigt die unteren und oberen Bahnen 2 bzw. 4 einer Aluminiumfolie, die in Pfeilrichtung stetig von einer Abwickelrolle 6 einer packgewalzten Folie unter einer Spannwalze 8 und um eine Amboßwalze 10 zum Verbinden der Enden der Bahnen gezogen werden. Die miteinander verbundenen Bahnen fortlaufender Längen können dann zu gesonderten Rollen 12 und 14 wieder aufgewickelt werden, wobei zum Erleichtern des Aufwickeins Sattelwalzen 16 verwendet werden.

Erfolgt während des Betriebes ein Zerreißen der Bahnen und muß oder soll jede Bahn mit einer Überlappungsverbindung versehen werden, um gleiche fortlaufende Längen zu erhalten, so werden die freien Enden jeder von der Abwickel- und der Aufwickelrolle ausgehenden Bahn quer und ungefähr rechtwinklig durchgeschnitten. Die untere Bahn 2 kann zuerst zusammengeschweißt werden, wobei die Enden einander überlappend auf die Amboßwalze 10 gelegt werden. Die Enden der Folienbahnen können beispielsweise durch perforierte hohle Hilfsspannwalzen (nicht dargestellt) auf der Amboßwalze 10 festgehalten werden, wobei die Luft aus den genannten Hilfswalzen abgesaugt und ein Unterdruck erzeugt wird. Vorzugsweise werden die freien Enden der Bahnen in der Bearbeitungslage zum Zusammenschweißen dadurch festgehalten, daß· auf die Amboßwalze 10 sowie zwischen den überlappten Enden der Folienbahn eine flüchtige mineralische Kohlenwasserstoffflüssigkeit aufgetragen wird. Gewöhnliche leichte mineralische Kohlenwasserstoffe, sowohl mit gerader oder verzweigter Kette, beispielsweise Benzin, mineralisches alkoholisches Kerosin, Benzen und Naphta, sind besonders brauchbar. Schmieröle und Kohlenwasserstoffe mit hohem Molekulargewicht sind uner-

wünscht, da sie Kohlenstoffniederschläge hinterlassen. Wasser ist auch nicht erwünscht, da es auf der Aluminiumfolie Wasserflecken hinterläßt.

Das Verfahren zum Herstellen einer Überlappungsverbindung ist das folgende: Der mineralische Kohlenwasserstoff wird mittels eines Pinsels auf mindestens einen Teil der Amboßwalze 10, etwa auf den Schweißbezirk, aufgetragen. Die Enden der von den Rollen 12 und 14 ausgehenden Bahnen 2 und 4 werden auf die Amboßwalze 10 gelegt und geglättet, damit die Unterseite der Bahn an der Amboßwalze gleichmäßig anliegt und haftenbleibt. Die äußere oder obere, von der Aufwickelrolle 14 ausgehende Bahn 4 wird von der Amboßwalze abgezogen, wobei die untere Bahn 2 zeitweilig an der Amboßwalze haftenbleibt. Wenn gewünscht, können die Bahnen 2 und 4 vor dem Anlegen der Bahn 2 an die Amboßwalze voneinander getrennt werden. Um das Trennen der Bahnen voneinander zu erleichtern, werden die Enden der Bahnen 2 und 4 vorzugsweise etwa 5 bis 10 cm über die Amboßwalze hinaus gezogen, so daß die Zone oder das Band der Bahn 2, die (das) an der Amboßwalze haftet, etwas hinter dem eigentlichen Ende liegt. Bei der Trennung der Bahnen 2 und 4 bleibt ein freies Ende der Bahn 2 über der Amboßwalze hängen, das mittels einer (nicht dargestellten) Abreißstange entfernt werden kann. Danach wird auf einen frei liegenden Teil der Amboßwalze und auf die Oberseite des an der Amboßwalze haftenden Bezirks der Bahn 2 ein Film mineralischen Kohlenwasserstoffs aufgetragen. Die von der Abwickelrolle 6 ausgehenden Bahnen 2 und 4 werden derart auf der Amboßwalze ausgebreitet, daß sie das Ende der von der Aufwickelrolle 12 ausgehenden Bahn 2 überlappen und an der Amboßwalze haftenbleiben, wie oben erläutert. Die Kanten der sich von entgegengesetzten Richtungen aus überlappenden Bahnen werden ausgerichtet und die Bahnen glattgestrichen. Die außenliegende Bahn 4 wird von der inneren Bahn 2 nach rückwärts abgezogen, so daß die Enden der Bahn 2 überlappt zurückbleiben, ungefähr wie in der Fig. 2 dargestellt, und vom mineralischen Kohlenwasserstoff zeitweilig in dieser Lage festgehalten werden. Zum Erleichtern des Schweißens und zum Erzielen einer gleichmäßigen Schweißung werden die Bahnen vorzugsweise auf der Amboßwalze straff gespannt gehalten. Die Sonotrode 18 wird in Stellung gebracht und die Überlappungsstelle der Einwirkung von Ultraschallschweißenergie ausgesetzt, wobei an der Überlappungszone eine Verschweißung erfolgt. Die- überschüssige Folie an der von der Abwickelrolle 6 ausgehenden Bahn 2 kann mittels einer (nicht dargestellten) Abreißschiene entfernt werden. Es wird darauf hingewiesen, daß das Verfahren das Abtrennen jeder überschüssigen Folie ermöglicht, da die Bahnen in ihrer Lage auf der Amboßwalze verbleiben, so daß sie zu diesem Zweck nicht Mn- und herbewegt zu werden brauchen.

Auf die abgezogene Bahn2 (vgl. Fig. 3) wird ein Stück eines schweißhindernden Werkstoffes 20 gelegt, das normalerweise die fertige Schweißzone in der Bahn 2 überbrückt. Es ist erwünscht, den schweißhindernden Werkstoff an der Gebrauchsstelle beispielsweise durch Auftragen eines Films aus mineralischem Kohlenwasserstoff auf die Bahn 2 oder auf deren Unterseite festzuhalten. Bei Verwendung eines mineralischen Kohlenwasserstoffs wird ein metallischer, schweißhindernder Werkstoff benutzt, der vom Kohlenwasserstoff nicht angegriffen wird. Eine aus Papier bestehende schweißhindernde Einlage kann an der Gebrauchsstelle durch mechanische Mittel festgehalten werden. Nach dem Auflegen der schweißhindernden Einlage auf die Bahn 2 wird auf die frei liegende Oberseite der Einlage ein Film eines mineralischen Kohlenwasserstoffs aufgetragen und das Ende der von der Aufwickelrolle 14 ausgehenden Bahn 4 auf die Einlage gelegt und glattgestrichen.

ίο Das überstehende Stück der Bahn wird abgeschnitten und das Kohlenwasserstoffmittel auf die Oberseite der Bahn 4 und einem frei liegenden Teil der Einlage aufgetragen, wonach die von der Abwickelrolle 6 ausgehende Bahn 4 auf die Amboßwalze gelegt und geglättet wird, so daß die Enden der Bahn 4 sich überlappen (vgl. F i g. 4). Die Schweißung wird dann durchgeführt und das überstehende Ende der Bahn abgeschnitten, wie bei der Bahn 2 beschrieben. Wird eine steife schweißhindernde Einlage verwendet, so kann der Zug auf die miteinander verbundenen Bahnen leicht nachgelassen und die Einlage herausgenommen werden, oder die Bahnen können über eine kurze Strecke vorwärts bewegt werden und tragen dabei die Einlage an der Amboßwalze vorbei, wonach die Einlage mühelos entfernt werden kann. Die F ig. 5 zeigt die miteinander verbundenen Bahnen nach Herausnahme der Einlage. Die Bahnen 2 und 4 werden dann fortlaufend auf die gesonderten Aufwickelrollen 12 und 14 aufgewickelt. Bei Verwendung einer biegsamen schweißhindernden Einlage kann diese zusammen mit den Folienbahnen aufgewickelt werden, bis die Bahnen voneinander getrennt werden, in welchem Zeitpunkt die Einlage zwischen den Rollen 12 und 14 herausfällt.

Nachstehend wird noch ein Beispiel für eine Verschweißung einer packgewalzten Aluminiumfolie mit einer Reinheit von 99,45 °/o, hartvergütet und 0,0089 mm stark nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gegeben, wobei die folgenden schweißhindernden Materialien verwendet wurden:

Eloxierte Aluminiumfolie mit einer Stärke von

0,089, 0,127, 0,178, 0,025 und 0,05 mm;
Aluminiumfolie mit einer Stärke von 0,0228 mm; Folie aus nichtrostendem Stahl, 0,038 mm stark; Stahl-Beilagenfolie, 0,025 mm stark;

Seidenpapier, 3,6, 5,4 und 8,1 kg pro Ries;
Sulfit-Seidenpapier, 4,5 kg pro Ries;
Sulfat-Seidenpapier, 4,5 kg pro Ries.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Ultraschallschweißen der Enden von übereinanderliegenden, packgewalzten Bahnen von Aluminiumfolien, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Bahnen nacheinander unter Zwischenlage eines schweißhindernden Werkstoffes zwischen die bereits geschweißten und die zu schweißenden Bahnen geschweißt werden und die zu schweißende Bahn mit einem Folienende an der Sonotrode anliegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien jeder Bahn vor dem Schweißen gegeneinander und auf ihrer Unterlage (Amboß oder Zwischenlage) durch eine flüchtige mineralische Kohlenwasserstoffflüssigkeit befestigt werden.

3. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Amboß eine drehbare Walze

und die Sonotrode eine Rolle ist, deren rechtwinklig zur Walzenachse stehende Achse quer zur letzteren verschiebbar ist.

4. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlage aus einer auf beiden Seiten eloxierten Aluminiumfolie bzw. -blech oder Stahlfolie bzw. -blech besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften: Zeitschrift »Werkstatt und Betrieb«, 91 (1958), Heft 6, S. 305 bis 309.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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