-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Ultarschallschweißen
mit einem als drehbare Rolle ausgebildeten Amboß und einer Sonotrode.
-
Bei bekannten Vorrichtungen dieser Art werden die Ultraschallschwingungen,
vorzugsweise über einen Amplitudentransformator, einer Schweißspitze zugeführt.
Diese Schweißspitze drückt mit einer vorgeschriebenen Kraft gegen die beiden miteinander
zu verschweißenden Teile, die selber auf einem fest angeordneten Amboß ruhen. Die
Energie, die in der Schweißspitze entwickelt wird, wird zu einem erheblichen Teil
auf diese beiden Teile übertragen und genügt häufig zum Verschweißen dieser Teile.
Gegebenenfalls kann ein elektrischer Strom durch die beiden Teile hindurchgeschickt
werden, wenn diese Energie nicht genügt.
-
Im allgemeinen lassen sich auf diese Weise Metalle verschiedenster
Art, auch solche, die sich sonst nur schwer verschweißen lassen, wie Aluminium,
aneinander befestigen. Auch andere Materialien, wie Kunststoffe, lassen sich auf
diese Weise schweißen. Die beiden Teile haben dabei im allgemeinen eine platten-
oder bandförmige Gestalt, die sich ausgezeichnet für dieses Schweißverfahren eignet.
-
Die Erfindung bezweckt, eine Schweißverbindung zu ermöglichen, die
sich über eine große Länge erstreckt. Es ist bereits bekannt, das Werkstück zu diesem
Zweck auf einem drehbaren Amboß anzuordnen, wobei sich auch die Ultraschallvorrichtung
mit ihrem Amplitudentransformator und ihrer Schweißspitze um eine zur Drehachse
des Ambosses parallele Achse dreht. Da hierbei die Bewegungsrichtung der Ultraschallschwingungen
jedoch senkrecht zur Bewegungsrichtung des Werkstückes verläuft, vermag die so hergestellte
Schweißverbindung die Anordnungen nicht zu erfüllen. Die Verbindung kann insbesondere
durchaus keinen Anspruch auf gute Vakuumdichtigkeit erheben, wie diese z. B. beim
Zuschweißen von Metalldosen gewünscht ist. Außerdem bringt die Tatsache, daß die
Ultraschallvorrichtung mit dem Amplitudentransformator und der Schweißspitze sich
um ihre Achse dreht, Verwicklungen hinsichtlich der elektrischen Energiezufuhr und
der mechanischen Unterstützung des Endes des Amplitudentransformators mit sich.
-
Die Erfindung ist nun dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Sonotrode
im wesentlichen rechtwinklig zur Amboßrollenachse liegt und die von der Sonotrode
an die Werkstücke abgegebene Ultraschallenergie in Verbindung mit dem Anpreßdruck
auch eine Vorschubbewegung der Werkstücke bewirkt.
-
Die Erfindung beruht auf der merkwürdigen Entdeckung, daß, wenn die
beiden zu verschweißenden Teile dünn genug sind und auf einem beweglichen Amboß,
z. B. einem Amboß, der um eine zur Bewegungsrichtung der Ultraschallschwingungen
senkrechte Achse drehbar ist, aufruhen, diese Schwingungen nicht nur fähig sind,
eine gute Schweißverbindung zwischen den beiden Teilen herzustellen, sondern auch,
bei passend gewählten Werten des statischen Druckes, der elektrischen Leistung und
der Frequenz, selbst den Transport dieser Teile zu besorgen. Hierbei spielt vermutlich
die Poisson-Kontraktion des Endes des Amplitudentransformators eine wichtige Rolle.
Unter diesen Umständen brauchen somit nur die beiden Teile der Einwirkung der Ultraschallschwingungen
ausgesetzt zu werden, damit selbsttätig eine langgestreckte Schweißverbindung Schweißnaht
hergestellt wird. Dabei muß dafür Sorge getragen werden, daß die beiden zu verschweißenden
Teile sich nicht so langsam bewegen (bzw. befördert werden), daß zuviel Energie
in die Schweißverbindung gelangt, wodurch nicht nur eine sehr breite Schweißverbindung
hergestellt wird, sondern auch die Gefahr vorliegt, daß die zu verschweißenden Teile
beschädigt werden, während andererseits der Transport auch nicht so schnell erfolgen
darf, daß die gesamte Ultraschallenergie am Ende der Schweißspitze für den Transport
und nicht zum Bilden der Schweißverbindung verbraucht wird. In dieser Beziehung
sei bemerkt, daß es sich im allgemeinen nicht empfiehlt, die Transportgeschwindigkeit
künstlich zu erhöhen, z. B. dadurch, daß der Amplitudentransformator asymmetrisch
ausgebildet wird (was eine kleinere oder größere Schleuderbewegung der Schweißspitze
zur Folge hat), oder dadurch, daß der Amplitudentransformator schräg auf die Berührungsfläche
mit den zu verschweißenden Teilen aufgesetzt wird, wodurch sich die Schweißspitze
in diese Teile einfrißt und somit die Schweißverbindung beeinträchtigt. Vorzugsweise
wird eine glatte Schweißspitze verwendet, die die Oberfläche der zu verschweißenden
Teile berührt. Es sind sogar gute Ergebnisse erreicht worden, wenn die glatte Oberfläche
des Amplitudentransformators selbst an den zu verschweißenden Teilen anruhte und
mithin gar keine Schweißspitze vorhanden war.
-
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert.
-
F i g. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der
Erfindung; F i g. 2 zeigt einige Kennlinien zur Erläuterung der Ausführungsform
nach F i g. 1.
-
In F i g. 1 werden vom Generator 1 erzeugte elektrische Schwingungen
einem Wandler zugeführt, der diese elektrischen Schwingungen in mechanische Ultraschallschwingungen
umwandelt. Diese Ultraschallschwingungen werden von einer Fläche 3 abgestrahlt und
an einen Amplitudentransformator weitergeleitet, der aus zwei zylindrischen Teilen
4 und 5
besteht, die beide eine Viertelwellenlänge lang sind. Der Teil
4 hat einen erheblich größeren Durchmesser als der Teil 5, so daß die Stirnfläche
6 des Teiles 5 Schwingungen in der Richtung der Achse 8 der Teile 4 und 5
durchführt, deren Amplitude erheblich größer ist als die der Schwingungen der Strahlenfläche
3. Der Amplitudentransformator kann jedoch erforderlichenfalls ein Körper
mit allmählich von der Abstrahlungsfiäche 3 her zur Oberfläche 6 hin abnehmendem
Durchmesser sein.
-
Zur Abstützung des Endes des Amplitudentransformators 4; 5
ist eine dünnne Stützplatte 7, deren Länge gleich einer Viertelwellenlänge
der Ultraschallschwingungen ist, nahe an dieses Ende herangebracht, wodurch dafür
Sorge getragen wird, daß möglichst wenig Schwingungsenergie vom Teil 5 auf
die Platte 7
übertragen wird. Die miteinander zu verschweißenden Teile sind
mit 9 und 10 bezeichnet. Sie können z. B. aus Metallstreifen mit einer Dicke von
der Größenordnung von 0,2 mm bestehen. Als besondere Anwendung sei die Verschweißung
des Mantels und des Deckels einer Büchse erwähnt, wobei es darauf ankommt, daß sich
eine vakuumdichte Schweißnaht ergibt. Die Teile 9 und 10 sind deutlichkeitshalber
als Teile von Zylindern mit unterschiedlichem Durchmesser
dargestellt,
sie können jedoch auch aus nahezu flachen Metallstreifen oder Scheiben bestehen.
-
Die Teile 9 und 10 ruhen auf einem bewegbaren Amboß, der aus einer
Rolle 11 besteht, die um eine Spindel 12 drehbar in einem Andruckstück 13 mit einer
Führung 14 gelagert ist, wobei dieses Andruckstück mit einer einstellbaren
Kraft P in Richtung der Stützplatte 7 andruckbar ist. Die Kraft P, der Mittelpunkt
der Spindel 12 und die Stützplattenmitte 7 liegen vorzugsweise auf einer Geraden,
um seitliche Kräfte zu vermeiden. Die Frequenz des Generators 1 ist vorzugsweise
(z. B. dadurch, daß von den Bewegungen des Wandlers 2 eine Rückkopplungs- oder Synchronisierungsspannung
für den Generator 1 abgeleitet wird) stets an die Resonanzfrequenz des ganzen Systems
angepaßt, wobei diese Resonanzfrequenz sich bei Andrücken noch um einige wenige
Prozent ändern kann. Die beiden Einstellungen sind jedoch wenig kritisch. Erforderlichenfalls
läßt sich durch eine Einstellung der Generatorfrequenz oder des Abstandes a zwischen
der Berührungsstelle zwischen den Teilen 5 und 9 die Transportgeschwindigkeit regeln.
-
Bei einem geeignet gewählten Wert der vom Wandler 2 abgestrahlten
Leistung bei einer gegebenen Generatorfrequenz und der Andruckkraft P ist erzielbar,
daß die Teile 9 und 10 sich verschweißen und zugleich in einer Richtung parallel
zur Achse 8 befördert werden. Der Teil 5 des Amplitudentransformators 4, 5 ist dabei
entweder gar nicht mit einer Schweißspitze versehen oder kann eine geringe, als
Schweißspitze wirksame Verdickung aufweisen. Diese Verdickung bildet dabei eine
glatte Oberfläche, die den Teil 9 berührt, ohne einzufressen. Auch der Abstand a
wird wenigstens so groß bemessen, daß das Ende des Amplitudentransformators nicht
in das Material des Teiles 9 einfressen kann.
-
In F i g. 2 ist die Geschwindigkeit v in cm/Sek. eingetragen, mit
der sich die Teile 9 und 10 in Abhängigkeit von der Andruckkraft P (in kg) für zwei
verschiedene Werte des Abstandes a (in cm) bewegen. Es stellt sich heraus, daß bei
geringer Andruckkraft P die Teile 9 und 10 sich aufwärts, d. h. zum Wandler 2 hin,
bewegen, wobei eine erhebliche Geschwinddigkeit entwickelt werden kann. Wenn der
Druck zunimmt, so ergibt sich, daß nach dem überschreiten eines Höchstwertes in
dieser Geschwindigkeit ziemlich rasch ein Punkt erreicht wird, in dem überhaupt
keine Translationsbewegung v auftritt (Druck Po bzw. Pp'), während oberhalb dieses
Druckes die Bewegungsrichtung der Teile 9 und 10 umgekehrt und mithin gerade vom
Wandler 2 ab gerichtet ist. Es stellt sich heraus, daß bei den sehr kleinen und
sehr großen Drücken gar keine zufriedenstellende Schweißverbindung hergestellt wird.
Auch in der Nähe der Kräfte Po bzw. P,', wo die Bewegung nahezu Null ist, ist die
hergestellte Schweißverbindung meist nicht zufriedenstellend, weil die Teile 9,
10 zu heiß werden und/oder drohen, auf dem Teil s des Amplitudentransformators 4,
5 festzukleben. Es zeigt sich, daß der günstigste Arbeitsbereich in der Nähe des
Scheitels t2 bzw. t2 im rechten Teil der v-P-Kennlinien liegt. Jedenfalls muß ein
Druck gewählt werden, der größer ist als dem linken Scheitel t1 bzw. t1' dieser
Kennlinien entspricht, jedoch kleiner als das Zweifache des Druckwertes entsprechend
den Scheiteln t2 bzw. t,'. Der richtige Druck, der in einem vorkommenden Fall eingestellt
werden muß, hängt davon ab, welche Breite die herzustellende Schweißnaht aufweisen
soll; je größer die Translationsgeschwindigkeit v ist, um so kleiner ist im allgemeinen
die an der Schweißstelle verfügbare Energie und um so schmaler somit die Breite
der Schweißnaht. Wenn die streifenförmigen Teile 9 und 10 eine größere Dicke aufweisen,
muß zum Erhalten einer ähnlichen Kurve eine erheblich größere Leistung des Generators
1 verwendet werden. Bei ungenügender Leistung ergibt es sich, daß innerhalb des
gleichen Druckbereiches die Teile 9 und 10 sich zwar verschweißen, aber daß nicht
so sehr die Teile 9 und 10 als vielmehr die Rolle 11 die Neigung hat, sich
zu bewegen.
-
F i g. 2 zeigt, daß auf einfache Weise in sehr kurzer Zeit erhebliche
Schweißnähte erzielbar sind. Dabei erweist sich die Schweißverbindung als völlig
vakuumdicht. Gegebenenfalls können die zu verschweißenden Teile noch etwas gesteuert
werden, so daß die erhaltene Schweißnaht völlig gerade bleibt, und/oder einer zusätzlichen
Anziehungskraft unterworfen werden, die die Translationsbewegung unterstützt. Selbstverständlich
ist es nicht notwendig, daß der von der Rolle 11 gebildete Amboß sich dreht, sondern
er kann im Prinzip auch verschiebbar angeordnet werden.
-
Bei einer praktischen Ausführungsform wurde gefunden, daß Aluminiumstreifen
mit einer Länge von 50 cm und einer Dicke von 1.50 Mikron bei der Anwendung
einer Leistung von 400 Watt und einer Arbeitsfrequenz, die zwischen 20 und 21 kHz
schwankte, bei einem statischen Druck p von 25 kg innerhalb weniger Sekunden auf
der ganzen Länge verschweißt werden konnten. Der Teil 5 des Amplitudentransformators
hatte dabei eine Länge von 60 mm und einen Durchmesser von 17 mm, die Rolle
11 einen Durchmesser von 50 mm. Bei dieser Leistung und sogar bei der doppelten
Leistung stellte es sich heraus, daß Streifen mit einer Dicke von 1 mm nicht mehr
gleichzeitig geschweißt und fortbewegt werden konnten.