DE1527384A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ultraschweissen eines duktilen Metalles an ein hartes Material - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Ultraschweissen eines duktilen Metalles an ein hartes MaterialInfo
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Description
g. H. ZOEPKE
vA/AvdV
zum TJltrascliweissen
"Verfahren und Vorrichtung/eines duktilen Metalles an ein hartes Material1
Die Erfindung bezieht sich auf das Schweissen eines duktilen
Metalles, wie Aluminium oder Kupfer, an ein hartes Material, wie Glas und
andere glasartige oder keramische Stoffen, oder an ein sehr hartes Metall, wie Wolfram. Solche Werkstoffe sind meist verhältnismäßig spröde, weshalb
sie schon bei verhSltnißmSssig geringer Verformung zerbrechen. Die
Erfindung besieht sich insbesondere auf das Sckweissen solcher Materialien
durch Ultraechallachwingungen.
Es ist bekannt, dass wenn die Schweissvorgänge, bei denen die
zu schweiasenden Materialien wenigstens teilweise zusammenschmelzen, nicht
angewandt werden können, das Problem oft durch die Verwendung dieser Schwingungen gelöst werden kann. Es ist insbesondere bekannt, z.B. beim
Schweissen von Aluminium an Qlas eine Platte au3 diesem Metall mit einer
Glasplatte fest zwischen einem fest angeordneten starren Amboss und einem
verdickten Teil zusammenzuklemmen, welcher Teil meist Sonotrode genannt
wira der mit einer Ultraschallfrequenz parallel zur Trennfläche der durch
Schweissen zu verbindenden Materialien sqhwingt. Durch das Zusa:r.menkl0mmen
dringt die Sonotrode an einem Punkt etwas in die Aluminiumplatte ein und
führt aieae während der Schwingung mit sich. Die glasplatte wird hingegen
durch Reibung mit dem Amboßs in bezug auf diesen fest gehalten und die
Schwingungen führen eine gegenseitige Verschiebung der Aluminiumplatte ur.d der Glasplatte herbei. Am Klemmpunkt entsteht eine Schweissung. Mit
Rücksicht auf die angeführte Wichtigkeit einer Lokalisierung der gegenseitigen Verschiebung en tier TrennflMch· zwieohen den zu sohweissenden __
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~2" PH».587
Materialien ist es Üblich, jede Verschiebung zwischen der Glasplatt· und
dem Amboss zu vermeiden, z.B. dadurch, dass die Oberfläche de· Ambe···· j
aufgerauht wird, wodurch die Haftung zwischen Amboss und Qlasplatt· τ·Γ-bessert wird.
Die erhaltene Sohweissung ist ein Schweisspunkt. Vm linstl*- w
teile verh;:~Ani9mi»3v$ ^voticer Abmessungen fest miteinander tu τ·»binden, ,
ist es somit erforderlich, ein grosse Anzahl solcher Sobweiaapunkt· htr» ..{
" zustellen..Zu diesem Zweck, wird der Amboss bekanntlich in Fora «in·!1 um
ihre Achse drehenden St&hlrolle und wird die Sonotrode in Form
Rotationskörpers ausgeführt, der gleichfalle um seine Achse dreht, dl·
zur Achse des Ambosses parallel liegt, so dass das Ganz· die beiden aneinander zu suhweissenden Einzelteile mit der gleichen Geschwindigkeit
antreibt. Sie Ultraschallenergie wird der Sonotrode durch Impuls· augeführt, die je einen Schweisspunkt hervorrufen. Bei genügender Frequenz
der Impulse gegenüber der Antriebsgeschwindigkeit der festzunchweiasenden
Einzelteile oder bei einer kontinuierlichen Zuführung der Ultraschall·»
energie an die Sonotrode kann in gewissen Fällen eine ununterbrochen·
Schweiss-Naht erhalten werden. Das letztere Verfahren lässt sich jedoch
schwer zum Anschweissen eines duktilen Metalles an ein hartes und eprÜdee jj
Material verwenden. Dieses Material (im vorhergehenden Beispiel die QIas- *
platte) zerbricht tatsächlich in den meisten Fällen.
Die Erfindung bezieht sich im wesentlichen auf ein Ultraschallschweissverfahren, das zum ununterbrochenen Nahtschweissen eines
duktilen Metalls an ein hartes Material Verwendet werden kann.
Dieses Verfahren, bei dem eine Folie aus duktilem Metall
an eine Lage aus hartem Material zwischen einer Sonotrode in Form eine·
diese Folie berührenden und parallel zu der erwähnten Lage un seine Achse
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drehenden Rotationskörpers und einem starren Amboee, dessen augenbliokltoha BeruhrungaoKrflSohe aloh mit der gleichen Geschwindigkeit und in
der gleichen Richtung wie die augenblickliche BerUhrungsoberfliebe der
•rwfhnten Sonotrode bewegt, angedrOokt wird, wobei diese Sontrode mit
einer Ültraaahallfraquen?. parallel cu ihrer Aohae eohwingt, erfindungagtmlaa dadurch gtktnntalohhett Atta zwischen dan erwähnten harten Materiel
und da» Amboae eine Lage aua alaatiachem Material angebracht vird.
Unter elastl^et Material wird hier ein Material watenden, (
das aiah viel Utohttr «la daa arwlhnta harte Material «Μ dar Aaiboaa
verfor&en Haet, abardai «radar cerbrioi.t, noch laioht auaeinander fallt.
|Mr Auadruok "eiaatiaoV let hler In baaug auf dia Zeit, in dar daa I
erwihnta aiaatiaohe Material nach den Verschwinden dar dia Verformung
herbeIfUhreiden traf I aein* UraprOngliobe Γογβ wiedar annlaait, ohne
Bedeutung· Die farfomung kenn aogar teilweise dauernd aein. 9% naoh
da« vorliegenden Fall wirft daa eleatlaobe liateriai aua Ouaai, ttlluleaa)
Ijrlon, eine» duktilen Metall usw. beatahan und es kann entweder in for·
eines Bendea oder einer an dar Platte dea erwähnten harten Katarlala
oder am Amboee festgeleisiten oder lediglich gehalterten Hatte, oder ial
Falle einee die Oeetalt einer Bolle aufweiesenden Aaboeeta in fore alnaa
ringsum den Araboiiß angebrachten Ringes verwendet «erden. Vie das auoh
diebes elastische Material soll sieh nicht mit der Schicht aua hartem
Materiel verbinden und löst diese Sohicht teilwei«e Tom Anboaa· Dia
Erfindung steht somit im Widerspruch sur,allgemein angenommen Ansicht,
nuch der es von grosser Wichtigkeit 1st, jede Verschiebung zwiaohen
dem Ambers und den. angrenzenden zu schweiesenden Uaterial eu vero.eiden.
Tie Erfünrunr hat t-^taaOhlich erwiesen, daes solche Verschiebungen
tedeutende Verlurte äurc:. Reibung an einer nicht ge ei ^me ten Stelle
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veranlassen, so dass e.n grosser Teil der Ultraschallenergie ohne
nützliche Wirkung verloren wird. Aus diesem Grunde wird im allgemeinen
ein maximaler Zusammenhang zwischen der Berührungsoberfläche des Ambosses und dem angrenzenden zu schv/eissenden Material angestrebt, meist dadurch,
dass die Berührungsoberfläche des Ambosses aufgerauht wird, wodurch der
Reibungskoeffizient zwischen dem Amboss und dem ?,u schweissenden Material
erhöht wird.
" Entgegen der allgemein angenommenen und auf die Erfahrung
gegründeten Idee hat n.an daran gedacht, dass diese letztere Bedingung
beim Anscbweissen einer Folie aus duktilem Metall ^n eine Lf>t-e aus hartem
Material, die bei der Frequenz der verwendeter. Mltrascr,&liochwingungen
meist eine merkliche Trägheit aufweist, ni_L- .;rchaua notwendig wäre.
Andererseits bat man daran gedacht, dass das Zerbrechen der Lage aus
hartem Material durch jyibringen einer Schicht aus elastischen Material
zwischen dem Amboss und der zu schweissenden Lage aus hartem Material verhUtet werden könnte.
wird
Gegenwärtig/angenommen, dass dieses-. Zerbrechen zurückzuführen ist auf Ultraschallschwingungen im harten Material oder auf die im hartem Material örtlich starken resultierenden Spannungen, die gleichzeitig durch a.en Druck der kleinen Arbeit sober fläche der Sonotrode und durch die von der Metallfolie übertragenen Ultraschallschwingungen herbeigeführt werden. I>ie Spannungen ändern sich bei der Drehbewegung der Sonotrode inf 1*.e der geometriechen Unregelmäßigkeiten dieser Sonotrode oit-r des Afcbosees, oder auch der zu sch,weissenuen Materialien. Selbstverständlich kSnnen aie beiden erwähnten Eraci-einuneen ausserde^ gleichzeitig auftreten. Es kann angenommen we-ruen, -jesi, aas elastit,cr.e Jiaierij] aie TJl trascLallechv-inRunren in erneblicLerr i*3.-:-c u amp ft und die au rc:* den
Gegenwärtig/angenommen, dass dieses-. Zerbrechen zurückzuführen ist auf Ultraschallschwingungen im harten Material oder auf die im hartem Material örtlich starken resultierenden Spannungen, die gleichzeitig durch a.en Druck der kleinen Arbeit sober fläche der Sonotrode und durch die von der Metallfolie übertragenen Ultraschallschwingungen herbeigeführt werden. I>ie Spannungen ändern sich bei der Drehbewegung der Sonotrode inf 1*.e der geometriechen Unregelmäßigkeiten dieser Sonotrode oit-r des Afcbosees, oder auch der zu sch,weissenuen Materialien. Selbstverständlich kSnnen aie beiden erwähnten Eraci-einuneen ausserde^ gleichzeitig auftreten. Es kann angenommen we-ruen, -jesi, aas elastit,cr.e Jiaierij] aie TJl trascLallechv-inRunren in erneblicLerr i*3.-:-c u amp ft und die au rc:* den
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Druck der Sonotrode verursachten Spannungen herabsetzt. Wie dem auch sei,
es ist auf diese Weise gelungen, zwischen einer Folie aus duktilem Metall und einer Schicht aus hartem und eprödem Material ununterbrochene Schweissnähte
zu erhalten, indem die Gefahr eines Verbrechens dieses Materials
nahezu beseitigt wurde.
Die Erfindung betrifft auch ein Gerät zum Ultraschallschweissen eines duktilen Metalles an ein hartes Material nach dem obenbeschriebenen
Verfahren. Dieses Gerät enthält eine Sonotrode in Form eines Rotationskörpers,
Mittel, mit denen diese Sonotrode parallel zu ihrer Achse mit einer Ultraschallfrequenz in Schwingung versetzt wird, Mittel, mit denen
diese Sonotrode um ihre Achse gedreht wird, einen mit der erwähnten
Sonotrode zusammenwirkenden Amboss, Mittel zum Bewegen der augenblicklichen Berührungsoberfläche dieses Ambosses mit der gleichen Geschwindigkeit
und in der gleichen Richtung wie die augenblickliche Berührungeoberfläche
der erwähnten Sonotrode und Mittel, mit denen das erwähnte duktile '
Metall zwischen der Sonotrode und dem Amboss am erwähnten harten Material
angedrückt wird. Nach der Erfindung ist dieses Gerät dadurch gekennzeichnet (
dass die Bertybrungsoberfliehe des Ambosses mit einer Lage aus elastischem
Material überzogen ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein durch das obenbeschriebene
Verfahren erhaltenes Produkt. Dieses Produkt enthalt eine Folie aus duktilem Metall, das an einer Lage aus sprödem und hartem Material festgescr,weisst
ist. Ss ist dadurch gekennzeichnet, uass die erwähnte Schweissung
eine ununterbrochene Schweisbnaht ist.
Die Erfindung wird nachstehenden an Hand aer ein Aueführungs-
beiapiel wiedergebenden Zeichnung näher erläutert.
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Fig. 1 ist «ine schematische Ansicht die sun Ultraschallschweissen verwenaeten Gerätes«
Fig. 2 zeigt einen schematischen Schnitt; in vergröaaertem
liasstab in Sichtung der Linie A-A der Fig. 1.
pipedons, der einen Magnetkreis bildet. Einer der Schenkel dieses Kreises
ist von einer Polarisierungswicklung 2 umgeben, die mit einer niqht dargestellten elektrischen Gleichstromquelle verbunden ist· Der ander·
Schenkel ist von einer Erregerwicklung 3 umgeben} die mit einem gleichfalls nicht dargestellten elektrischen Oszillator, z.B. mit einer Frequent
von 20.000 Hz und einer Leistung von 400 W, verbunden ist. Die Wicklung
3 erzeugt ein magnetisches Wechselfeld» das eine magnetostriktiv· Erscheinung hervorruft, welche sich in einer abwechselnden Schrumpfung und
Ausdehnung des Transduktor Sussert. Die dadurch erhaltene stehende Well·
weist parallel zur Achse 4 «inen Knoten in der Mitte· des Transduktor» und
an jedem End· de« Transduktor einen Bauch auf, wobei die Ling· des ;
) Transduktor die Hälfte der Länge der entsprechender; Welle bei der er- j
wähnten Frequenz und für das erwähnte Material 1st. . \
Diese Schwingung wird einem zylindrischen Uebertragungsglied '
5 zugeführt, das gleichfalls die LSnge einer halben Welle aufweist, und
wird mit der gleichen Amplitude und umgekehrter Phase auf einen "eiponentiellen Transformator"6 gleicher Lä'nge übertragen, der die Schwingung mit
erhöhter Amplitude und wiederum umgekehrter Phase auf die Mitte der Schweisscheibe 7 überträgt. Diese Scheibe ist für die Biegungswellen mit
radialer Fortpflanzung auf die bereits erwähnte Frequenz abgestimmt, so dass nach der letzteren Phasenumkehr die zur Achse 4 parallele Schwingung
schliesslich an den Umfang dieser Scheibe gelangt. Das uebertragungsglied
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"."■ r
1527m
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5, der Transformator 6 und die Soheibe 7 sind miteinander verbunden und
beziehen aus Stahl. Der Durohraeeser der Scheibe 7 ist 5 om und der
Krümmungsradius des abgerundeten Teiles am Umfang dar Soheibe ist,in einer
durch die Achse 4 gehende Bbene gemessen, etwa 7,5 om*
Der Transduktor 1 und die Hilft« des Ubertragungsgtbalee 5
«ind in einen zylindrischen Baiter 8 gefaaat, in dem eine Kühlwaaser
zirkulation möglich ist und der von einem Lagerkranz 9 verschlossen ist.
Dieser Kranz ist in der kitte des Generators 5 und somit auf einen Knoten
der Ultraschallschwingung angebracht. Mit Hilfe nicht dargestellter Rollen·
!•ger wird ermöglicht, das obenotBohriebene Qanze zu haltern und alt Hilfeeiner ebenfalls nicht dargestellten Verzahnung vSllig von einem Hiebt
dargestellten Motor in einer Drehbewegung um die Achse 4 anzutreiben.
Unterhalb der Sohweisscheibe ? ist eine Aluminiumfolie I)1 mit einer
Stirke von 0,1 am angebracht, unter welcher eich eine Glasplatte 14 ftlt
•iner StSrke von 1 mm befindet, an der die erwähnte Folie durch fahtachweissen befestigt werden muss. Diese Elemente sind gleichfalls in FIf«2
dargestellt. Unterhalb der Platte 14 befindet sich ein zylindrischer Stahlamboss 10, der über «ine Welle 11 und parallel zur Achse 4 von de«
Kranz 9 antreibenden Strom um seine Achse gedreht wird, lach der Erfindung
ist dieser Amboss von einer Quamiachicht 12, z.B. mit einer StSrke von
1 mm, umgeben. Die Drehgeschwindigkeit·* am Umfang der Soheibe 7 und der
Schi3ht ic sind beide gleich 3 mo/sek. Der Durchmesser des Ambosses 10
ist 48 am. Ein Druck von 3 kg wird «wischen dem Aajbot* 10 und der Scheibe
7 ausgeübt. Unter aen beschriebenen Omatfnden wird «$*# rfcgelütssige
Schweissnaht tischen der Aluminiumfolie 13 und 4t# 4JiISfMf*,*?|t#
wobei praktisch Keine 3efahr eines Zerbrechens diftMT Platte
•■•.Ehrend aie früher ausgeführten Versuche einen solche· Sruoa
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hatten. Die Breite der Schweisse ißt etwa 1 nun, die LSnge kann praktisoh
beliebig gewählt werden.
Es ist gelungen, mit dem beschriebenen SchweissgerSt kontinuierliche Sohweissen einer Aluminiumfolie von 0,03 mm Stärke an einer Glasplatte
von 2,5 ma StSrke zu erhalten, ohne dass zwischen dem Glas und dem Amboss
eine Schicht aua elastischem Material angebracht wurde. Sobald die StSrke
der Olaeplatte, z.B. auf 1 mm, herabgesetzt wurde, zerbrach diese Platte,
oder aber die Schweisse wurde sehr unregelmässig. Ein SohweissVorgang konnte
ftk , wieder mit Erfolg durchgeführt werden, sobald ein durch eine Qummifolie
▼on 1 mm gebildete Schicht 12 aus elastischem Material angewandt wurde.
Ebenfalle wurde eine Aluminiumfolie von 0,05 mm auf einer
MolybdSnplatte von 1 mm ohne Anwendung einer Scnicht aus elastischem
Material festgeechweisst, während ohne die Anwendung einer solchen E.B.
durch eine Gummifolie von 1 mm gebildeten Schicht das Schweiseen einer
gleichen Folie auf einer MolybdSnplatte von 0,25 nm eich ale unmSglich
! erwies, wobei die Anwendung einet aolohen Schicht gleichfalls eine Herabsetzung der zwischen der Sonotrode und dem Amboss ausgeübten Kraft ermöglicht.
" Andererseits ist es ebenfalle gelungen, eine Aluminiumfolie
von 0,05 mm StSrke an einer Glasplatte von 1 mm StSrke oder an einer
MolybdEnplatte von 0,25 ""*>
StBrke dadurch festzuschweissen, dass die Schicht
aus elastischem Material durch eine zweite Aluminiumfolie von 0,05 mm
gebildet wurde, ohne dass die letztere Folie an der Platte oder am Amboss
festgeschweiset wurde.
schiebt von 1 mm StSrke gebildeten Schicht aus elastischem Material eine
Aluminiumfolie an einer Wolframplatte und eine Kupferfolie an einer Glasplatte feBt£eachweiss$ 098 3 4/059 6
Claims (7)
1. Verfahren zum Ultraschallschweissen eines duktilen Metalles an ein hartes Material, bei dem eine Folie aus duktilem Metall an eine
Lage aus hartem Material zwischen einer Sonotrode in Form eines diese Folie berührenden und parallel zu der erwähnten Lage um seine Achse
drehenden Rotationskörpers und einem starren Amboss, dessen augenblickliche
BerührungsoberflSche sich mit der gleichen Geschwindigkeit in der
gleichen Richtung wie die augenblickliche Berührungsoberfläche der erwähnten Sonotrode bewegt, angedrückt wird, wobei diese Sonotrode mit einer
Ultraschallfrequenz parallel zu ihrer Achse schwingt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem erwähnten harten Material und dem Amboss eine
Lage aus elastischem Material angebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
erwähnte Lage aus elastischem Material an der am erwähnten Amboss angrenzenden Seite der Lage aus hartem Material angebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erwähnte Lage aus elastischem Material auf der ganzen BerührungsoberflSche
des erwähnten Ambosses angebracht wird. i
4. Gerät zum Ultraschallschweissen eines duktilen Metalles auf
einem hart#n Material, das eine Sonotrode in Form eines Rotationskörpers,
Mittel, mit denen diese Sonotrode parallel zu ihrer Achse mit einer Ultraschallfrequenz
in Schwingung versetzt wird, Mittel, mit denen diese Sonotrode um ihre Achse gedreht wird, einen mit der erwähnten Sonotrode
zusammenwirkenden Amboss, Mittel zum Bewegen der augenblicklichen
BerührungsoberfISche dieses Ambosses mit der gleichen Geschwindigkeit
und in aer gleichen Richtung wie die augenblickliche Berührungsoberfla'che
der erwärm:en Sonotrode und Mittel, mit denen das erwähnte duktile Metall
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zwischen dtr Sonotrode und dem Amboss am erwähnten harten Material an«
gedruckt wird, enthält, dadurch gekennzeichnet, daee die Berührung«-»
oberfläche des Ambosses mit einer Lage aus elastisches Material überzöge·
ist.
5. Qerät nach Anspruch 4, bei dem der Amboss die Form eines
um seine Achse drehbaren Rotationskörpers aufweist, dadurch gekennzeichnet!
dass die erwa'hnte Lage aus elastischem Material die Form eines die
Berührungsoberflache des Ambosses umgebenden Ringes aufweist, |
6. Produkt, das eine an einer Lage aüb hartem und sprödem Material
festgeschweisste Folie aus duktilen Metall enthält, dadurch gekennzeichnet»
dass die erwähnte Schweissung eine ununterbrochene Schweissnaht ist·
7. Produkt nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
erwähnte Folie eine Aluminiumfolie ist und dass die erwähnte Lage eine Glaslage ist.
9 O 9 8 3 k I O 5 9 6
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| GB1117760A (en) | 1968-06-26 |
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