DE1287420B - Vorrichtung zum Ultraschallschweissen - Google Patents

Vorrichtung zum Ultraschallschweissen

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DE1287420B
DE1287420B DE1964N0024541 DEN0024541A DE1287420B DE 1287420 B DE1287420 B DE 1287420B DE 1964N0024541 DE1964N0024541 DE 1964N0024541 DE N0024541 A DEN0024541 A DE N0024541A DE 1287420 B DE1287420 B DE 1287420B
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DE
Germany
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parts
welded
amplitude transformer
anvil
pressure
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Withdrawn
Application number
DE1964N0024541
Other languages
English (en)
Inventor
Daniels Henricus Petr Cornelis
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.)
Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Philips Gloeilampenfabrieken NV
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Filing date
Publication date
Application filed by Philips Gloeilampenfabrieken NV filed Critical Philips Gloeilampenfabrieken NV
Publication of DE1287420B publication Critical patent/DE1287420B/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Lining Or Joining Of Plastics Or The Like (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Description

  • 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.

Claims (1)

  1. Patentanspruch: Vorrichtung zum Ultraschallschweißen mit einem als drehbare Rolle ausgebildeten Amboß und einer Sonotrode, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Achse der Sonotrode (4, 5) im wesentlichen rechtwinklig zur Amboßrollenachse liegt und die von der Sonotrode an die Werkstücke (9,10) abgegebene Ultraschallenergie in Verbindung mit dem Anpreßdruck auch eine Vorschubbewegung der Werkstücke bewirkt.
DE1964N0024541 1963-03-06 1964-03-02 Vorrichtung zum Ultraschallschweissen Withdrawn DE1287420B (de)

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DE1964N0024541 Withdrawn DE1287420B (de) 1963-03-06 1964-03-02 Vorrichtung zum Ultraschallschweissen

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GB (1) GB1014988A (de)

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EP0007558A1 (de) * 1978-07-31 1980-02-06 Maschinenfabrik Rissen GmbH Verfahren zum Ultraschallschweissen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
FR2501101A1 (fr) * 1981-03-03 1982-09-10 Iv Ker Epitoipari Szovetkezet Produit utilisable dans l'industrie du meuble ou l'industrie de la construction, de preference pour un revetement de surfaces, procede et machine pour sa fabrication

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CH440921A (de) 1967-07-31
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