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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der Schwingungserzeuger 12 besteht aus einem zylindrischen Gehäuse
36, dessen Stirnseiten durch Auslässe für die Preßluft enthaltenden Scheiben
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.