DE1268943B - Schwingungserzeuger fuer die Sonotrode von Schallschweissgeraeten - Google Patents

Schwingungserzeuger fuer die Sonotrode von Schallschweissgeraeten

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DE1268943B
DE1268943B DEP1268A DE1268943A DE1268943B DE 1268943 B DE1268943 B DE 1268943B DE P1268 A DEP1268 A DE P1268A DE 1268943 A DE1268943 A DE 1268943A DE 1268943 B DE1268943 B DE 1268943B
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DE
Germany
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sonotrode
vibration generator
roller
cylinder
sonic welding
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Pending
Application number
DEP1268A
Other languages
English (en)
Inventor
Floyd Anthony Wyczalek
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Motors Liquidation Co
Original Assignee
Motors Liquidation Co
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Filing date
Publication date
Application filed by Motors Liquidation Co filed Critical Motors Liquidation Co
Publication of DE1268943B publication Critical patent/DE1268943B/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/10Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating making use of vibrations, e.g. ultrasonic welding

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Lining Or Joining Of Plastics Or The Like (AREA)

Description

  • Schwingungserzeuger für die Sonotrode von Schallschweißgeräten Die Erfindung bezieht sich auf einen Schwingungserzeuger für die Sonotrode von Schallschweißgeräten Für Ultraschallschweißgeräte sind elektrische Schwingungserzeuger bekannt, die mit Magneto-Striktionsstangen arbeiten. Für Schallschweißgeräte, d. h. solche niederer Frequenz, sind derartige Schwingungserzeuger nicht geeignet, da sie, mit hoher Frequenz betrieben, nur geringe Kräfte liefern, die für eine einwandfreie Schweißung im Schallfrequenzbereich nicht ausreichen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schwingungserzeuger für diesen Zweck zu schaffen, der bei geringem Raumbedarf und billiger Herstellungsmöglichkeit große Kräfte für den Schweißvorgang liefert.
  • Ein Schwingungserzeuger für die Sonotrode von Schallschweißgeräten kennzeichnet sich erfindungsgemäß dadurch, daß ein Zylinder versetzt zur Sonotrodenachse vorgesehen ist, in dem ein walzenförmiger Körper durch in den Zylinder geleitete Preßluft antreibbar ist. Vorteilhaft liegen im Zylinder im wesentlichen tangentiale Einlässe im Mantel und Auslässe in den Stirnseiten, wodurch der einwandfreie Umlauf des walzenförmigen Körpers unterstützt wird. Ferner ist vorgesehen, daß der Durchmesser des walzenförmigen Körpers größer als der Innenradius des Zylinders ist.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß zwei sich diametral gegenüberliegende Zylinder mit zugeordneten walzenförmigen Körpern vorgesehen sind. Hierbei können die beiden walzenförmigen Körper in gleicher Richtung angetrieben werden, so daß dem Kopf der Sonotrode eine Torsionsschwingung erteilt wird. In abgewandelter Weise können die walzenförmigen Körper aber auch gegenläufig angetrieben werden, wobei dann dem Kopf der Sonotrode eine reine oszillierende Schwingbewegung erteilt wird.
  • In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele von Schwingungserzeugern nach der Erfindung dargestellt. In der Zeichnung ist F i g. 1 eine zum Teil geschnittene Seitenansicht einer Schweißvorrichtung nach der Erfindung, F i g. 2 ein Schnitt nach der Linie 2-2 der F i g. 1, F i g. 3 ein Schnitt nach der Linie 3-3 der F i g. 2, F i g. 4 ein Schnitt nach der Linie 4-4 der F i g. 3, F i g. 5 ein der F i g. 2 ähnlicher Schnitt durch eine andere Ausführungsform eines Schwingungserzeugers und F i g. 6 ein der F i g. 5 ähnlicher Schnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Schwingungserzeugers. Gemäß F i g. 1 besteht die Schweißvorrichtung aus einer Säule 2, die auf einer Grundplatte 4 abgestützt und am oberen Ende zu einer Sonotrode 20 ausgebildet ist. In der Senkrechten ausgerichtet zur Säule 2 ist ein beweglicher Amboß 6 vorgesehen, der durch eine an einem Querträger 10 befestigte druckluftbetätigte Einrichtung 8 zur Anlage gegen die Sonotrode 20 bewegbar ist, wobei zwischen diese Teile mindestens zwei Bleche 11 aus Metall oder anderem Werkstoff eingespannt werden. Das untere Ende der Säule 2 ist an der Grundplatte 4 durch zwei Tellerfedern 29 abgestützt, um dort die Energieverluste gering zu halten. Aus dem gleichen Grunde sind zwischen dem Amboß 6 und der Einrichtung 8 ebenfalls zwei Tellerfedern 31 vorgesehen.
  • An der Sonotrode 20 ist ein preßluftbetriebener Schwingungserzeuger 12 befestigt, dessen Schwingungsenergie über die Sonotrode 20 auf die Schweißzone übertragen wird. Die Sonotrode 20 trägt zu diesem Zweck einen in Querrichtung liegenden Arm 22 mit einer kreisförmigen Öffnung 24 (F i g. 2) zur Aufnahme des Schwingungserzeugers 12. Die Zufuhr der Preßluft von einer Quelle 14 zum Schwingungserzeuger 12 wird durch ein Steuerventil 13 gesteuert. das in einer von der Quelle 14 zur Säule 2 führenden Leitung 16 liegt. Die -Leitung 16 ist an eine Querbohrung 30 der Säule 2 angeschlossen und geht in eine axiale Bohrung 28 über, deren oberes Ende durch einen Stopfen 26 verschlossen ist, der zu einem Kopf 27 der Sonotrode ausgebildet ist. Der Stopfen 26 besteht aus einer Nickellegierung, die geringe Energieverluste bedingt, geringe Ermüdung aufweist und ferner eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Stahl hat. Von der axialen Bohrung 28 in der Sonotrode 20 geht eine Querbohrung 32 ab, die durch den Arm 22 zu einer den Schwingungserzeuger 12 umgebenden Ringkammer 34 (F i g. 3) führt.
  • Der Schwingungserzeuger 12 besteht aus einem zylindrischen Gehäuse 36, dessen Stirnseiten durch Auslässe für die Preßluft enthaltenden Scheiben 38 und 40 verschlossen sind. Das Gehäuse enthält eine Kammer 42 für einen walzenförmigen Körper 44. Die von der Quelle 14 über die Leitung 16, die Bohrungen 30, 28 und 32 zur Ringkammer 34 geleitete Preßluft tritt durch mehrere im wesentlichen tangentiaI gerichtete Einlässe 46 (F i g. 4) im Gehäuse 36 in die Kammer 34 in Form dünner Strahlen mit hoher Geschwindigkeit ein und trifft gegen den Umfang des walzenförmigen Körpers 44, der längs einer Kreisbahn innerhalb der Kammer 42 angetrieben wird, während die Preßluft durch die Auslässe abfließt.
  • Es wirkt hierbei eine Zentrifugalkraft auf fortlaufend andere Punkte des Gehäuses 36, so daß ein kreisender Kraftvektor in einer quer zur Längsachse der Sonotrode 20 liegenden Richtung entsteht. Um mit bestem Wirkungsgrad zu arbeiten, wird der Schwingungserzeuger mit der Eigenfrequenz der Sonotrode 20 angetrieben, um eine stehende Biegungswelle in dieser anzufachen. Die Sonotrode 20 stellt einen eingespannten Balken dar, der im Bereich der Schweißzone, also der Berührungsfläche zwischen dem Amboß 6 und dem Kopf 27, festgehalten ist. Bei einer Schwingung mit stehender Welle herrschen an den Enden dieses Balkens eine große Kraft und eine kleine Geschwindigkeit. Im Bereich des Wellenbauchs, wo kleine Kraft und große Geschwindigkeit herrschen, ist der Schwingungserzeuger 12 an die Sonotrode 20 angeschlossen.
  • Zum Zusammenschweißen werden zwei oder mehr Platten 11 zwischen den Amboß 6 und den Kopf 27 eingelegt und unter Vorbelastung festgehalten. Der Schwingungserzeuger 12 wird dann durch Öffnen des Steuerventils 13 angetrieben, und zwar wird die Preßluftzufuhr so eingestellt, daß der walzenförmige Körper 44 in der Kammer 42 umläuft und einen kreisenden Kraftvektor bedingt, der mit der Eigenfrequenz der Sonotrode 20 umläuft. Durch den axialen Versatz des Schwingungserzeugers 12 zur Sonotrode 20 ergibt sich bei Stellung des Körpers 44 entsprechend F i g. 4 ein Vektor A (F i g. 2), der die Sonotrode 20 tordiert. Befindet sich der Körper 44 in der diametralen Lage, so ergibt sich ein Vektor B, der die Sonotrode 20 in entgegengesetzter Drehrichtung tordiert. Da der Kraftvektor umläuft, ergeben sich Kräfte C und D, wenn der Körper 44 gegen das Gehäuse im Bereich der Längsachse des Armes 22 anliegt, wodurch sich eine oszillierende Biegung der Sonotrode 20 ergibt, die auf den Kopf 27 übertragen wird. Die vereinigten Bewegungen des Kopfes 27 auf Grund der Dreh- und Biegeschwingungen mit Resonanzfrequenz der Sonotrode 20 veranlassen eine Reibwirkung gegen die Bleche 11, die zu deren Verschweißen führt, wozu die Zerstörung der Oxydschicht und/oder die Erhitzung durch die Reibung in der Schweißzone beiträgt.
  • F i g. 5 veranschaulicht eine abgewandelte Bauform, bei der zwei Schwingungserzeuger 12' vorgesehen sind. Diese sind in Armen 22' angeordnet, die einander gegenüberliegend seitlich an der Sonotrode 20' sitzen und einen Luftkanal 32' enthalten, der an die axiale Bohrung 28' angeschlossen und diagonal gerichtet tangential in Ringkammern 34' mündet, deren Mittelpunkte in der Längsachse der Arme 22' liegen. Bei dieser Anordnung werden die walzenförmigen Körper 44' der Schwingungserzeuger 12' mit einem Phasenunterschied von 180° gegenläufig entgegen dem Uhrzeigersinn angetrieben, so daß alle Kräfte in Richtung der Längsachse der Arme 22' ausgeglichen sind. Die Körper 44' üben aber in allen anderen Stellungen ein Drehmoment auf die Sonotrode 20' aus, die entsprechend den Pfeilen E und F in F i g. 5 abwechselnd in beiden Drehrichtungen tordiert. Zur Erzielung bester Schweißergebnisse ist es zweckmäßig, wenn der Kopf 27 mit einer Ringfläche gegen das eine Blech 11 anliegt. Die fertige Schweißung zeigt dann ringförmige Eindrücke an den Blechen.
  • F i g. 6 zeigt eine weitere Abwandlung der Einrichtung, die sich von der nach F i g. 5 dadurch unterscheidet, daß der Kanal 32" zu den Kammern 34" V-förmig abgewinkelt ist. In diesem Falle werden die walzenförmigen Körper 44" der Schwingungserzeuger 12" gegenläufig angetrieben, wodurch jegliche Drehschwingung der Sonotrode 20" unterdrückt wird, die lediglich eine Biegeschwingung in einer senkrecht zur Längsachse der Arme liegenden Richtung ausführt, wie dies die Pfeile G und H in F i g. 6 anzeigen. Befinden sich die Körper 44" in der in F i g. 6 gezeichneten Lage, so bewegt sich der im Bereich des Pfeiles H liegende Teil der Sonotrode 20" nach unten. Bei der Weiterbewegung der Körper 44" heben sich die Kräfte auf, um bei Erreichen der diametralen Stellung gesammelt in Richtung des Pfeiles G zu wirken, wodurch die Sonotrode 20" in entgegengesetzter Richtung gebogen wird. Das Schweißen erfolgt hier also durch eine reine oszillierende Schwingbewegung des Kopfes 27.
  • Die in den Beispielen verwendeten Schwingungserzeuger haben eine frequenzerhöhende Wirkung. Diese tritt stets dann ein, wenn der walzenförmige Körper einen größeren Durchmesser hat als der Innenradius der sie aufnehmenden Ringkammer. Bei diesen Verhältnissen erhält bei jeder vollen Umdrehung des walzenförmigen Körpers das Gehäuse eine Anzahl von Impulsen, die größer als 1 sind.

Claims (4)

  1. Patentansprüche: 1. Schwingungserzeuger für die Sonotrode von Schallschweißgeräten, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß ein Zylinder versetzt zur Sonotrodenachse vorgesehen ist, in dem ein walzenförmiger Körper durch in den Zylinder geleitete Preßluft antreibbar ist.
  2. 2. Schwingungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Zylinder im wesentlichen tangentiaIe Einlässe im Mantel und Auslässe in den Stirnseiten liegen.
  3. 3. Schwingungserzeuger nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des walzenförmigen Körpers größer als der Innenradius des Zylinders ist.
  4. 4. Schwingungserzeuger nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei sich diametral gegenüberliegende Zylinder mit zugeordneten walzenförmigen Körpern vorgesehen sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 932336; USA.-Patentschrift Nr. 3 039 333.
DEP1268A 1962-07-31 1963-07-09 Schwingungserzeuger fuer die Sonotrode von Schallschweissgeraeten Pending DE1268943B (de)

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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE932336C (de) * 1943-10-10 1955-08-29 Messerschmitt Boelkow Blohm Verfahren zur Herstellen von Verbundmetallwerkstuecken
US3039333A (en) * 1958-06-03 1962-06-19 Aeroprojects Inc Apparatus for introducing high levels of vibratory energy to a work area

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE932336C (de) * 1943-10-10 1955-08-29 Messerschmitt Boelkow Blohm Verfahren zur Herstellen von Verbundmetallwerkstuecken
US3039333A (en) * 1958-06-03 1962-06-19 Aeroprojects Inc Apparatus for introducing high levels of vibratory energy to a work area

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