DE1629192A1

DE1629192A1 - Verfahren und Anordnung zum Verbinden von Material mittels Ultraschall

Info

Publication number: DE1629192A1
Application number: DE19661629192
Authority: DE
Inventors: Attwood John Gordon; Kosrow Robert Leslie
Original assignee: Union Special Machine Co
Current assignee: Union Special Machine Co
Priority date: 1965-01-13
Filing date: 1966-01-05
Publication date: 1971-01-21
Also published as: US3405024A; GB1130443A; FR1465833A; DE1629192B2; JPS5321904B1; DE1629192C3

Description

Verfahren und Anordnung zum Verbinden von Material mit- tels Ultraschall.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und hierzu gehörige Anordnungen zum Verbinden von Material, 'insbesondere mit Hilfe von Ultraschall.
Verfahren und Anordnungen zum Verbinden von Material mit Hilfe von Ultraschall- obwohl ganz allgemein anwendbar -sind besonders zum Verbinden von thermoplastischem Yiaterial geeignet. Dabei wird meist ein elektromechanischer Wandler verwendet, mit dessen Hilfe eine mechanische Schwingung erzeugt und auf ein schwingungsfähiges System mit einer natürlichen Resonanzfrequenz: übertragen wird. Diese liegt gewöhnlich außer dem hörbaren Bereich, beispielsweise zwischen 20.000 und einigen hunderttausend Hertz oder gar höher. Der Wandler wird mit Wechselstrom gespeist und erzeugt Iongitudinalschwingungen. Ein Teil der Schwingungsenergie wird dabei an Grenzflä;ohen reflektiert, so daß stehende Wellen mit einem Knoten oder mehreren Knoten minimaler Schwingungsbewegung im Abstand von .. einer halben Wellenlänge und dazwischen im Abstand einer Viertelwellenlänge von den Knoten Bereiohe maximaler Schwingungsbewegung, sog. Schxingungebä,uche, entstehen. Um nun Energieverluste durch Absorption zu vermindern,: wird der trichterförmige, schwingende und von dem Wandler erregte Teil an derjenigen Stelle gehaltert, wo gerade ein Schwingungsknoten liegt. Die länge des schwingungsfähigen Teiles von diesem Knoten bis zu dem freien Ende ist so gewählt, daB an dieselt freie. Ende gerade ein Schwingungsbauch mit maximaler Schwingungsamplitude zu liegen kommt; Verfahren und Apparate der vorbeschriebenen Art waren bisher mit verschiedenen Nachteilen behaftet. Beispielsweise soll die Frequenz der den Wandler speisenden Wechselspannung so genau wie möglich der natürlichen Resonanzfrequenz des Schwingungssystems entsprechen, wenn man einen.maximalen Wirkungsgrad anstrebt. Änderungen in der Resonanzfrequenz sollen daher so gering wie möglich sein. Die Resonanzfrequenz eines bestimmten Schwingungssystems aus bestimmtem Material ändert sich'jedoch, abhängig von der Temperatur, die wiederum von der Belastung des Schwingers abhängt. Bei der Herstellung relativ langer Nähte auf thermoplastischem Material war beispielsweise bei den bisher bekannten Schwingungesystemen häufig ein erheblicher Temperaturanstieg während des-Schweißvorganges zu verzeichnen, und zwar infolge von Wärmeleitfähigkeit als auch wegen innerer Verluste. Die Temperaturerhöhung hatte eine Veränderung der Längenausdehnung des Schwingungssystems zur-Folge und beeinträchtigte somit die Resonanzfrequenz, die nicht mehr mit der Frequenz des Speisestromes übereinstimmte. Darüber hinaus hat die Verlängerung des Schwingers eine Verminderung des Arbeitsluftspaltes und eine entsprechende Erhöhung des Preßdruckes beim Schweißen zur Folge. Dadurch ergab sich eine ungleichförmige Schweißnaht. Außerdem war eine höhere Eingangsleistung erforderlich. Besondere Schwierigkeiten ergaben sich bisher beim Verschweißen von Packungen und anderen gefüllten Behältern aus thermoplastischem Material, insbesondere dann, wenn eine gute Schweißnaht mit hoher Geschwindigkeit hergestellt werden sollte.
In vorliegender Erfindung geht es daher darum, Materialstücke mit Hilfe von Ultraschall mit einem neuen und wirtschaftl.icheren Verfahren und entsprechenden Anordnungen herzustellen.
Insbesondere sollen durch die Erfindung Temperaturänderungen des Schwingungssystems und damit Änderungen der natürlichen Resonanzfrequenz auf einem Minimum gehalten werden. Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, extrem gleichförmige Schweißnähte zwischen den zu verbindenden Materialien herzustellen.
Weiterhin soll durch die Erfindung das Herstellen von Schweißverbindungen an thermoplastischen Packungen oder anderen gefüllten Behältern mit Hilfe von Ultraschall erleichtert werden. Dieses Ziel der Erfindung soll mit Hilfe einer neuen und verbesserten Maschine erreicht werden, die wirtschaftlicher hergestellt werden kann und zuverlässiger arbeitet.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung liegen die zu verbindendenMaterialteile auf einem Ultraschallechwinger, und zwar zwischen einem stationären Gegenstück und einem schwingenden Stößel. Die Temperatur des Stößels und des gesamten Schwingsysteme wird durch einen Regler konstant gehalten. Das Schwingsystem schwingt mit einer Resonanzfrequenz im Ultraschallgebiet und überträgt die Schwingungsenergie auf die zu verbindenden Stücke, um so , -eine gleichförmige und glatte Verbindung zwischen ihnen herzustellen. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung wird hierbei die Wärmezufuhr zu dem Schwingsystem beendet bevor der eigentliche Schweißvorgang beginnt-. Während dieses Schweißvorganges veranlaßt dagegen der Temperaturregler eine Kühlung des Schwingsystems, um seine Temperatur so konstant zu halten. Auf diese Weise läßt sich der die Resonanzfrequenz des Schwingers verändernde Temperäturenfluß auf ein Minimum beschränken.
Durch die Erfindung lä:ß.t sich sogar die Temperatur des Schwingers vordem eigentlichen Schweißvorgang im wesentlichen auf demselben Wert halten Wie während der Verbindung der zu verschweißenden Materialteile. Die Anordnung wird dabei so getroffen, daß der Schwinger vor dem Schweißvorgang und während des Schweißvorganges im wesentlichen konstante Temperatur aufweist, so daß die Möglichkeit einer Veränderung der Resonanzfrequenz weiter vermindert wird.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung können bei anderen Ausführungsformen die zu verbindenden Materialstücke vor dem SchweiSvorgang auf eine höhere Temperatur gebracht" werden. Eine solche Vorbehandlung ist vor allem dann sehr wirkungevoll, wenn es eich um das verschließen von ,lach- Packungen oder anderen gefüllten Behältern handelt, aber auch immer dann, wenn die Schweißnaht mit hoher Gesehwindigkeit ausgeführt werden soll.
Weitere Einzelheiten sowie Vorteile der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht einer Xaschine zum Verbinden von Material mit Hilfe von Ultraschall, wobei Teile im Schnitt dargestellt und andere Teile herausgebrochen sind.
Fig. 2 zeigt die in Fig. 1 dargestellte Maschine von der rechten Seite, wobei wiederum verschiedene Teile im. Schnitt gezeichnet und andere Teile weggelassen sind.
Fig. 3 zeigt einen horizontalen Schnitt durch die Maschine, und zwar entlang der Linien 3 - 3 in Fig. 1. . Fig. 4 stellt wiederum eine Seitenansicht eines Teiles der Maschine nach Fig.-1 dar, wobei einige Teile herausgebrochen sind. Fig5 zeigt schematisch den Stromkreis zur. Steuerung der Arbeitsweise der Maschine. -Fig. 6 zeigt wiederum eine Seitenansicht der Maschine, ähnlich wie Fig. 1, jedoch in einer anderen Ausführungsform.
In den Fig. 1 und 2 ist eine Maschine zum Verbinden von thermoplastischem Material mit Hilfe von Ultraschall dargestellt, wobei das Ultraschallwerkzeug ganz,allgemein mit 10 bezeichnet ist. Dieses Werkzeug 10 besteht aus einem Paar von gegenüberliegenden Stößeln 11 und 12, die axial übereinander angeordnet sind und zwischen denen ein Spalt liegt. Der Stößel 11 ist das Ende eines trichterfUrmigen Gebildes mit vertikal verlaufender Symmetrieachsel-das longitudinalschwingungen ausführen kann. Der kegelförmige Körper endet oben in einer im wesentlichen flachen horizontalen Oberfläche 14, in die Genau genommen verlaufen°die Begrenzungslinien des koni--sehen Schwingers 1.1 in dem Ausführungsbeispiel nach einer Exponentialfunktion. Es lassen :sich jedoch a@acr mit einem hiervon abweichenden trichterförmigen Verlauf und ohne obere flache Begrenzung gute Ergebnisse erzielen. In manchen Ausführungsbeispielen der Erfindung können auch die Oberflächen 14 und 15 kleine Vorsprünge (in den Fig. 1 und #2 nicht sichtbar) aufweisen, um so die Schweißverbindung auf bestimmte begrenzte Flächen zu beschränken. Das obere Ende des Schwingers 11 erstreckt sich durch eine Öffnung 16 in einem horizontal verlaufenden Tisch 17, der das zu verbindende Material tragen kann. Die Fläche 14 fluchtet mit der oberen Kante des Tisches.
An das breite untere Ende des konischen Schwingers 11 ist ein scheibenförmiger elektromechanischer Wandler 20 befestigt. Obwohl hei verschiedenen AusfUhrungsbeispielen der Erfindung magnetostriktive Wandler mit Erfolg verwendet werden könn cri , handelt es sich im dargestellten Ausführtmgsbeispiel vorzugsweise um einen piezoelektrischen Kristall mit Elektroden aus Silber oder einem ähnlichen Material auf gegenüberliegenden Oberflächen. Dieser Kristall ist an das untere Ende des Kegels mit einem geeigneten Klebstoff, beispielsweise mit Eposydzement befestigt, der zusätzlich Silberkörner enthält, um so die Übertragung von elektrischer Energie auf den Kegel zu erleichtern. Der Kegel 11 ist so gemessen, daß seine natürliche Resonanzfrequenz im Ultraschallgebiet liegt. Durch Reflexion eines Teiles der Schwingungsenergie von den Grenzflächen des Kegels bilden sich stehende Wellen mit einem Schwingungsmaximum an dem oberen schmalen Ende. Dieses liegt um eine Viertelwellenlänge über einem Schwingungsknoten, wo praktisch keine Schwingbewegung auftritt.
Der Kegel 11 wird bei einem solchen Schwingungsknoten durch einen Träger 22 gehalten. Dieser besteht, wie vor allem die Pig. 3 und 4 zeigen, aus einer elektrisch leitenden horizontalen Platte 23 mit im wesentlichen kreisringförmiger Konfiguration, die von drei einwärts gerichteten Stellschrauben 2¢ durchsetzt wird. Diese Schrauben kerben sich dort in die Seite des Kegels ein, wo ein Schwingungsknoten liegt, so daß sich eine feste Halterung ergibt, die keinen Einfluß auf die Schwingbewegung des Kegels hat. Die Platte 23 weist drei integrale Arme 26 auf, die- außen von Bohrungen durchsetzt sind, in die elektrisch isolierende Durchführungen 28, beispielsweise aus Gummi, eingesetzt sind. Durch diene Durchführungen sind entapreehende Bolzen 30 gesteckt, über die die Platte I 23 auf einer im wesentlichen rechteckigen Trägerplatte 31 befestigt ist. Diese verläuft in unmittelbarer Nähe der Platte 23 und parallel zu ihr und weist ebenfalls eine zentrale Ausnehmung auf, durch die sich das Schwingsystem erstreckt.
Die Trägerplatte 31 ist mit Schrauben 34 auf vier Stützen 33 befestigt. Diese Stützen 33 sind auf einem Maschinenrahmen 35 geschweißt oder anderweitig befestigt und tragen ferner Seitenbleche 39, die somit das Schwingsystem umschließen. Die oberen Enden der Stützen tragen den horizontalen Tisch 1? (Fig-. 1).
Die Temperatur des Kegels wird durch ein Gebläse 40 gesteuert. Dieses ist mit einer Klammer 41 (Fig. 2) an einem Meiler 43 befestigt. Dieser Pfeiler ist ebenfalls. auf dem Maschinenrahmen, und zwar in einem gewissen Abstand von dem Kegel 11 befestigt. Das Gebläse besitzt einen im. wesentlichen horizontal verlaufenden Luftkanal 45, der eines der Seitenbleche 39 durchsetzt und-zwischen dem Träger 22 und dem Tisch 1? in unmittelbarer Nähe des Kegels 11 in einer kreisförmigen Öffnung endet. Dasjenige Seitenbleoh 39, das dem dem Luftkanal 45 benachbarten Seitenblech gegenüberliegt, weist' zahlreiche Öffnungen 48 auf g um eo eine freie Luftströmung zu ermöglichen. In dem Luftkanal 45 ist ein Heizelement 50 angeordnet, mit dessen Hilfe die zirkulierende Luft während des zyklischen Arbeitsverfahrens an- bestimmten Zeitpunkten erwärmt werden kann.
Das Heizelement 5o wird mit Hilfe einer in Fig.5 Schematisch dargestellten elektrischen Anordnung gesteuert. Ein I@iCe des Elementes 5;o ist über einen heiter 51 an den Abgriff 52 eines veränderbaren Widerstandes 53 angeschlossen. Dieser ist Wiederur über einen .Leiter 54 an eine Klemme einer Wechselspannungsquelle 55 angeschlossen. Die andere Klemme dieser Quelle ist über-einen Leiter 57, einen gewöhnlich geschlossenen Schalter 60 und einen Leiter 61 mit der anderen Klemme des Elementes 5o verbunden. Der Schalter 5o befindet sich in einem Fußschalter 62.und wird immer geöffnet und unterbricht damit den Stromkreis des Elementes 5o, wenn das Betätigungselement des Schalters nach unten gedrückt wird.
Der Fußschalter 62 dient auch dazu, die dem-Schwingungssystem über den Wandler 2o zugeführte Energie mit Hilfe eines normalerweise geöffneten Schalters 65 zu steuern. Ein Anschluf dieses Schalters 65 ist über ein Leitungsstück mit der Leitung 57 verbunden, die zu einer Klemme der Wechselspannungsquelle 55 führt, während die andere Klemme des Schalters über einen Leiter 67 zu. einer Eingangsklemme einer Steueranordnung 70 führt. Die andere Eingangsklemme dieser Anordnung ist über einen heiter 72 und den Leiter 54 mit der anderen Klemme der Quelle 55 verbunden. Die Anordnung arbeitet derart,. daß beim Herabdrücken des Auslöseelementes des Fußtasters 62 der Schalter 6o öffnet und dabei das Heizelement von der Quelle trennt, während der Schalter 65 gleichzeitig geschlossen und der Steueranordnung 7o ein Signal von der Quelle 55 zugeführt wird.
Dieses von der Steuereinheit 7o empfangene Signal wird mit Hilfe eines Verstärkers 74 verstärkt. Das verstärkte .Signal wird wiederum der Steueranordnung 7o zugeführt und erscheint schließlich als Ausgangssignal und wird dem Wandler 2o über zwei Leiter-76 und 77 zugeführt. Obwohl es zahlreiche Möglichkeiten gibt, die dem Wandler zageführte Energie zu steuern, sei hier auf eine besonders .
vorteilhafte Anordnung verwiesen, die in einer gleichzeitig eingereichten Anmeldung von-.Attwood und Kosroe mit dem Titel ('Stromversorgungseinrichtung für elektromecharnisehe Schwingerl# beschrieben ist. Der Leiter 76 führt von der Steuereinheit 7o zu einer Klemme 8o. Diese Klemme 8o ist, wie vor allem Fig. 4 zeigt, mit einer kreisförmigen Messingplatte 81.leitend verbunden. Diese Platte befindet sich in einem gewissen Abstand von der unteren Oberfläche des Wandlers '2o"und wird von einem dielektrischen Rahmen 83 getragen, der über elektrisch leitende Bolzen 84 an der kreisringförmigen Platte 23 befestigt ist. Zwischen der Platte 81 und der einen Fläche des elektromechanischen Wandlers 2o befindet sich ein Drahtgewebe 85 das diese beiden Stücke elektrisch miteinander verbindet. TVeitere Einzelheiten Über das Schwingungssystem finden sich in der gleichzeitig eineerei.chter Anmeldung von Attwood und Kosros mit dem Titel "Schwingungssystem".
Der Ausgangsleiter 77 (Fig.5) erstreckt eich von der Steueranordnung 7o zu-einer Klemme 87, die in dem dielektrischen Glied 53 unmittelbar über der Klemme 8o befestigt ist. Diese Klemme 87 ist über einen Leiter 88 mit einem der Bolzen 84 befestigt, die sich von der Platte 83 herab erstrecken. Dadurch entsteht ein elektrisch leitender Kreis, der von der Klemme 87, dem Leiter 88, den Bolzen 84, die Platte 23 und die Stellschrauben 24 zu dem Kegel 11 führt. Der Stößel 12 (Fig. 1 und 2) hat die Form eines Ambosses und befindet sich in eirein kleinen Abstand gegenüber dem Ende des Kegels 11. Dieser Stößel 12 ist an dem Pfeiler 43 verschiebbar mit Hilfe einer Klammereinrichtung 9o befestigt. Die Anordnung enthält einen seitlich herausragenden Arm 91, der an dem Pfeiler 43 mit Hilfe eines Arretierarmes 93 feststellbar ist. Wenn man die Arretierung mit Hilfe dieses Armes 9o löst, so kann der Arm. 91 und damit zugleich auch der Stößel 12 auf- oder abwärts verschoben werden. Die ganze Anordnung wird von einer Haube 94 überdeckt, die mit dem Arm.91 fest verbunden ist.
An einer Seite des von dem Pfeiler 43 ausladenden Armes ist ein Zager (in Fig. 1 und 2 nicht dargestellt) befestigt, in dem eine Zahnstange 95 geführt wird. Diese Zahnstange arbeitet zusammen mit einem Zahnrad, das über ein gerändeltes Rad 97 von Hand aus drehbar Ist. Damit kann die Zwhnstange 95 relativ zu dem Arm 91 in vertikaler Richtung verschoben werden. Während des Schweißvorganges wird eine Veränderung der Position in dieser Richtung durch zwei Klemmschrauben 98 verhindert, durch die die Zahnstange relativ zu dem Arm 91 festgestellt wird. Am oberen Ende der Zahnstange ist eine horizontale Platte 99 befestigt, die einen abwärts ragenden, verstellbaren Anschlag 100 trägt. Bei einer Abwärtsbewegung der Zahnstange 95 relativ zu dem Arm 91 stüBt dieser Anschlag auf den Arm 91 und begrenzt somit die Abwärtsbewegung der Zahnstange 95 -relativ zu dem Arm. Die Stange steht unter eirer Vorspannung, die von einer Spiralfeder 101 erzeugt wird und die Zahnstange nach unten zu ziehen versucht. Das irtere Ende dieser Spiralfeder ist an der oberen horizontalen Fläche des Armes 91 und das obere Ende der Feder an der unteren Oberfläche der Platte 99 befestigt. Wenn man die Stellschrauben 98 löst, dann wird die Zahnstange unter der Wirkung der Feder 101 aus der obersten, in der Figur dargestellten Stellung solange nach tunen gezogen -bis der Anschlag 100 den Arm 91 berührt.
Die Zahnstange 9'5 trägt eine im wesentlichen u-förmige Gabel 102. Die Arme 103 und 104 dieser Gabel 102 erstrekken sich horizontal über dem exponentiellen Kegel 11 und weisen übereinander liegende Bohrungen 105 und 106 auf. In diesen Bohrungen ist eine vertikal verschiebbare Stange 108 gelagert, an derem unteren Ende der Stößel 12 befestigt ist. Zwischen den Armen 103 und 104 ist mit Hilfe einer Muffe 110 das untere Ende einer relativ starren Feder 112 an der Stange 108 befestigt. Die Spiralfeder -112 umschließt die Stange 108 und ist mit ihrem oberen Ende an der unteren Fläche des Armes 103 befestigt,um so der Stange und dem daran befestigten Stößel eine abwärts gerichtete Vorspannung zu geben. Die Anordnung ist so getroffen, daß die Oberfläche des Stößels 11 bei vollständig frei hängender Feder in einem bestimmten Abstand über der horizontalen Fläche 17 des Kegels 11 sich befindet. Wenn nun bestimmte Materialstücke miteinander verschweißt werden sollen, dann. 'wird die Ln.ordnunE zunächst so eingestellt, daß zwischen dem Kegel 11 und dem Amboß 12 ein geeigneter Spalt verbleibt. Seine Größe hängt im wesentlichen von der Stärke der zu verschweißenden Yaterialien ab. Die Grobeinstellung des Spaltes wird dabei durch Verschieben-des Armes 91 nach Lösen des Arretierhebels 93 vorgenommen. Dabei wird die Zahnstange 95, die Gabel 102, die Feder 112, die Stange 102 mit dem Amboß 12 relativ zu dem Kegel 11 verstellt. Die genaue Einstellung des Ambosses 12 relativ zu dem Kegel 11 wird dann mit Hilfe des gerändelten. Rades 97 nach Lösen der Feststellschrauben 98 durchgeführt. Der Anschlag 100 wird dann so eingestellt, daß der Amboß den gewünschten Abstand von dem Kegel 11 nicht unterschreiten kann. Vor der Durchführung des Schweißvorganges richtet das Gebläse 40 über den Luftkanal 45 einen Duftstrahl auf den Kegel 11. Gleichzeitig wird das Heizelement'50 über die Zeitungen 51 und 61 (Fig.5) an die Wechselspannungsquelle 55 angeschlossen, um so die Temperatur der den Kegel 11 umstreichenden Luft zu erhöhen. Der Abgriff 52 an dem verstellbaren. Widerstand 53 wird so eingestellt, daß die erhitzte Duft den Kegel 11 auf einer bestimmten erhöhten Temperatur hält.
In manchen Fällen werden die miteinander zu verbindenden Materialien von Hand zwischen dem Ende des Kegels 11 und dem Amboß 12 eingelegt. In anderen Fallen werden diese hhiaterialteile jedoch Seite an Seite auf einanderliegend mit Hilfe eines Paares von endlosen Riemen 120 und 121 über den Tisch 17 bewegt. Wenn diese Riemen angetrieben werden, dann bewegt sich das Material mit konstanter Ges.chwiridigkeit auf den zwischen dem Kegel 11 und dem Amboß 12 befindlichen Spalt zu und wird dort niedergelegt.
Nach Betätigung des Fußschalters 62 (Fis. 5) wird die Wärmezu.Puhr zu dem Kegel 11 eingestellt und dieser Kegel beginnt mit einer Ultraschallfrequenz zu schwingen. Beim Betätigen des Fußschalters wird der Schalter 65 geschlossen und dabei ein Wechselspannungssignal an den. Ausgangsklemmen des Steuersatzes 70 erzeugt, dessen Frequenz der Resonanzfrequenz des schwingenden Kegels entspricht. Dieses Signal nimmt seinen Weg von dem Leiter 76 über die Klemme 80, die Messingplatte 81 (Fig. 4) und das Drahtgeflecht 85 zu dem piezoelektrischen Kristall 20, das an der unteren Oberfläche des Kegels befestigt ist. Der Stromkreis schließt sich über die Stellschrauben 24, die kreiaringfärmige Platte 23, die Bolzen 84, den Leiter 88, die Klemme 87 und den Leiter 77, der zu der Steuereinheit 70 führt. Der Kristaller 20 setzt die ihm zugeführte elektrische Energie in mechanische Schwingungsenergie um, so daß der Kegel 11 mit seiner natürlichen Resongnzfz#equenz zu schwingen beginnt. Die Schwingungsenergie wird dann den miteinander zu verbindenden Naterialteilen zugefiihrt, die über den Tischen 17 geführt werden. Dabei bildet sich eine glatte und gleichmäßige Schweißnaht.
Während des Schwingvorganges wird der Kegel 11 teilweise als folge von Strom- oder Wärmeleitung und als Folgen innerer Verluste zusätzlich erhitzt. Ohne eine zusätzliche Tempers,tursteuerung würde daher die lä,ngeauadehnung des Kegele wachsen und die natürliche Resonanzfrequenz wesentlich verändern. Außerdem würde die Ausdehnung den Abstand der Stößel voneinander verringern. Dadurch wurde ein, größerer Druck auf das zu verbindende Material ausgeübt. Eine umgleichförmige Verbindungsnaht und ein höherer Leistungsverbrauch sind die Folge.
Beim Betätigen des Fußschalters 62 wird außerdem der Schalter CO geöffnet und so der Stromkreis für das'Heizelement 50 ,unterbrochen.. Die Wärmezufuhr zu dem Kegel wird somit praktisch in dem gleichen Augenblick beendet, in dem Schwingungsenergie den zu verbindenden Materialteilen zugeführt wird. Das Gebläse 40 bleibt jedoch noch weiter in Betrieb und richtet nunmehr einen 'Strom von Kühlluft gegen den Regel. Diese aus dem Luftkanal 45 kommende Kühlluft umstreicht den Kegel und entweicht durch die Öffnungen 48 in dem Seitenblech 39. Die Anordnung ist so getroffen, daß der-Kegel dadurch jederzeit während des' Schweißvorganges auf einer gesteuerten Temperatur gehalten wird.
Der Abgriff des Einetellwiderstandes 53 ist so einzustellen, daß die gewünschte Temperatur des Kegels 11 vor dem Schweißvorgang im wesentlichen den gleichen Wert hat wie während des darauffolgenden Schweißvorganges. Der. genaue Wert, auf dem der Kegel vor und während des Schweißvorganges gehalten wird, hängt von mehreren Faktoren ab, unter anderem auch von der Resonanzfrequenz, für die die Anlage bemessen ist. In verschiedenen vorteilhaften Ausfü]#rungsformen der Erfindung können Temperaturschwankungen innerhalb von-etwa 10o0 gehalten werden. Die dabei auftretende lnderung der Resonanzfrequenz beträgt nicht mehr als etwa plus oder minus 10 Hertz. Man kann sagen, daß sich die Resonanzfrequenz praktisch während aller 7earbeitungsvorgä,nge nicht verändert. . Da die natürliche Resonanzfrequenr, des schwingenden Systems und die Frequenz der das schwingende System erregenden Wechselspannung einander möglichst genau entsprechen und bestimmte Grenzen nicht überschreiten sollen, kommt man bei annähernd konstant gehaltener Resonanzfrequenz des Schwing- . systems mit einem wesentlich engeren Steuerbereich für die Frequenz der Speisewechselspannung aus, um die Frequenz dieser Wechselspannung genau auf den Wert der Resonanzfrequenz nachzuführen. Dies lä.Bt sich dann mit geringerem Aufwand in einfacherer Weise als bisher verwirklichen.
Es gibt jedoch Fälle, wo die Frequenz der Speisespannung nicht so genau der Resonanzfrequenz der, schwingenden Sy- stems zu ehtepi,echen brauchi, wie dies bei. dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel der Fall sein soll:*Die Temperatur des Kegels und seine Resonanzfi@e:quenz kann darr auerhalb der genannten Grenzen liegen.
Während der Schwingungen des Kegels 11 setzt die Feder 112 der Bewegung des Ambosses 12 einen so starken Widerstand entgegen, daß dieser praktisch sich kaum bewegt. Wenn jedoch die Schwingungsamplitude des oberen Endes-des Kegels zufällig über die eingestellte Amplitude steigt oder wenn der Spalt zwischen dem Kegel und dem Amboß fehlerhaft eingestellt wurde, dann ermöglicht die Feder 112 eine begrenzte Aufwärtsbewegung des Ankers. Dadurch wird die 1VTöglichkeit eines Schadens an der Apparatur in solchen Fällen we s entlieh vermindert.
Nach Beendigung eines Schweißvorganges wird der Fußschalter 62 wieder entlastet, so daß der Schalter 65 sich öffnet. Dadurch wird die Schwingbewegung des Kegels 11 angehalten. Außerdem schließt der Schalter 60. Dadurch wird das Heizelement 50 wieder an die Spannungsquelle 55 angeschlossen, so daß das Gebläse 40 wieder Raumluft liefert, um den Kegel auf seiner erhöhten Temperatur zu halten. In manchen Ausführungsbeispielen werden die miteinander zu verbindenden Materialteile während ihrer Bewegung über den Tisch 17 einer Wärmebehandlung unterzogen, bevor sie in den Spalt zwischen dein oberen Ende des Kegels 11 und dem An.boß 12 eingeführt werden. In dem in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind hierzu beispielsweise zwei übereinander liegende Heizelemente 125 und ;2E auf dem Tisch 17 angeordnet. Diese.Elemente weisen im wesentlichen flache Oberflächen auf, zwischen denen das zu verbindende Material Seite auf Seite aufeinander liegend hindurchläuft. Diese Elemente 125 und 126 dienen dazu, das Material vor der Einführung in den Spalt auf eine vorbestimmte Temperatur zu erhitzen. Sie sind vor allem dann zweckmäßig, Nenn die Verbindungsnaht mit erhöhter Geschwindigkeit durchgeführt oder die Qualität der Verbindung weiter erhöht werden soll. Darüber hinaus führt eine solche Vorbehandlung zu guten Ergebnissen, wenn es darum geht, beispielsweise Polyäthylenbetttel nach ihrer Füllung mit einem fremden Material zu verschließen. Die Vorbehandlung ist auch immer dann zweckmäßig, wenn das Material auf einer oder beiden Oberflächen einen fremden Stoff enthält. Durch eine solche Vorbehandlung läßt sich die früher in solchen Fällen zu beobachtende Beeinträchtigung der Gleichförmigkeit der Schweißnaht beseitigen. Fg6 zeigt eine andere Ausführungsform für eine Einrichtung zum Erwärmen des Materials bevor dieses in den Spalt zwischen das Obere Ende des Kegels 11 und den Amboß 12 eingeführt wird: In diesem Fall handelt es sich um zwei auf beiden Seiten des zu erwärmenden Materials angeordnete, einander gegenüberliegende Bügel, die vOn dem Tisch 17 getragen werden und eine im wesentlichen 12-förmige Gestalt aufweisen. Die Schenkel dieser Bügel 128 und-129 sind über Widerstandsdrähte 131 und 132 miteinander verbunden. Diese Drähte erstrecken sich parallel zu d-er, Bewegungsrichtung des zu. erwärnenden Materials und werden von einer geeigneten, nichtdargestellten Stromquelle gesreist.
Obwohl Ultraschall-Schweißeinrichtungen für sehr unterschiedliche Materialien geeignet sind, haben sich doch besonders günstige Ergebnisse bei der Verbindung von synthetischen,., thermoplastischem,.polymerischem Material in flacher Blattform oder in welliger Form erzielen lassen. In manchen fällen hat man aber auch ein natürliches Material, beispielsweise Baumwollstoffe, mit Hilfe von tl1traschall miteinander verbunden, indem man thermoplastisches Material dazwischengelegt hat. Die beschxiebene Maschine ist auch besonders gut geeignet, um verschiedene polyäthylen-Materialien, beispielsweise. Polyäthylen-Teraphthalate, miteinander zu verbinden. Soldes Material wird beispielsweite von der Firma Dupont unter dem Warenzeichen Mylar vertrieben.
Andere polymere Materialen, die mit der beschriebenen Anordnung bearbeitet werden können, sind pölyamide Polymere, wie Nylon, Polycarbonatpolymere, Vinylpolymere, wie beispielsweise Vinylfluoride oder Polytetrafluoräthylene und Vinylidene. Repräsentativ für Polymere dieser letzteren Gattung sind beispielsweise Polymere von Vinylidenbramid, Vinylidenchlorobromid, Vinylidenzyanid und Vinylidenhalozyanid. Diese und andere Monomere können auch zu Kopolymeren, wie beispielsweiße Vinylidenchloridvinylchlörid, polymerisiert werden.
Die verwendeten Bezeichnungen dienen lediglich zur Beschreibung und sind nicht in einem eingrenzenden Sinn zu verstehen. .Vor allem sollen durch diese Bezeichnungen keineswegs solche Lösungen ausgeschlossen werden, die der beschriebenen äquivs,lent sind.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zum Verbinden von Materialteilen mit Ultra-Schall, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verbindenden Materialteile einem Ultraschallwerkzeug zugeführt werden, daäsdieses Werkzeug auf eine bestimmte Temperatur erhitzt und danach in Schwingungen versetzt wird, deren Frequenz im Ultraschallgebiet liegt, dass die Schwingungsenergie den zu verbindenden Teilen zugeführt wird, um so eine Verbindung herzustellen, und daß das Werkzeug gekühlt und auf einer bestimmten Temperatur gehalten wird, während den zu verbindenden Teilen Schwingungsenergie zugeführt wird. verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Erwärmungsvorgang des Werkzeuges unterbrochen wird, bevor es in Schwingungen versetzt wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verbindenden Materialteile zwischen zwei Stößel eines Ultraschallwerkzeuges eingeführt werden, daß einer dieser Stößel auf eine bestimmte Temperatur erhitzt und darauf in Schwingungen versetzt wird und dass der Erwärmungsvorgangeo des Stößels mit Beginn der Sghwingungen beendet und der Stößel von da an gekühlt wird. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verbindenden Materialteile vor der Ultraschallbehandlung auf eine höhere Temperatur erhitzt werden. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug während des Schwingungsvorganges durch Luft gekühlt und dadurch seine T emperatur auf dem Wert gehalten wird, auf den das Werkzeug vor dem Schwingungsvorgang erwärmt wurde. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge- kennzeichnet, daß einer der Stößel des Werkzeuges feststeht und der andere, schwingende Stößelvon dem verjüngten Ende eines kegelförmigen Teiles gebildet wird. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der feststehende Stößel amboßförais ausgebildet ist: 8# Anordnung zum Verbinden von Materialteilen mit Ultraschall, äekennzeichnet durch ein Ultraschallwerkzeug, bestehdnd aus zwei einander gegenüberliegenden Stößeln (11,12), zwischen die die«zu verbindenden Materialteile durch eine Vorrichtung eingeführt werden, durch ein Temperaturstell- glied neben einem der Stößel (11), mit dessen Hilfe dieser auf eine bestimmte Temperatur erb,ä4 wird, durch einen

mit dem zuletzt genannten Stößel (11) zusammenwirkenden Wandler (20), der diesen ein Ultraschallschwingungen in Richtung auf den stationären Stößel zu und von diesem weg versetzt, und durch Mittel zum äteuern des Temperaturstellgliedes, um den schwingenden Stößel während des Schwingungsvorganges zu kühlen. c 9# Anordnung nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, daß das Temperaturstellglied ein Reizelement (50) enthält. 10. Anordnung nach Anpruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß_ die Mittel zum steuern des Temperaturatellgliedesin gteuerabhängiakeit von der Schwingbewegung des einen Stößgls sind und daß durch sie das Heizelement (50) während des Schwingvorganges unwirksam gemacht wird. 11, Anordnungnach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum steuern des Temperaturstellgliedes das Heizelement abschalten und eine Kühlung des schwingenden Stößels veranlassen, s96ld und so lange dieser Stößel

schwingt. 12. Anordnung nach Anspruch 10Ader 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum gteuern des Temperaturstellgliedes die Temperatur des schwingenden Stößels während des Schwingungsvorganges auf einem Wert halten, der im wesentlichen der Temperatur entspricht,, auf die der Stößel vor Beginn des Schwingungsvorgangeserhitzt wurde. 13. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß'als Mittel zum Steuern des Temperatur-. stellgliedes eine Schalteinrichtung dient. . 14. Anordnung nach Anspruch13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung zwei Kontaktpaare enthält, derart, daß bei Betätigung der Schalteinrichtung der eine Stößel zu schwingen beginnt und daß gleichzeitig die Heizeinrichtung abgeschaltet wird. 15.,Anordnung nach einem der Ansprüche ® bis14 , dadurch jekennzeichnet, daß der eine, schwingungsfähige Stößel, das verjüngte Ende eines kegelförmigen Teiles bildet. 16. Anordnung nach Anppruch15, dadurch.gekennzeichnet, daß die äußere Begrenzungslinie des kegelförmigen Teiles etwa nach einer Eaponentialfunktion verläuft. 17.. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis.16 ', dadurch gekennzeichnet, daß eine zureite Heizeinrichtung vorgesehen ist, mit deren Hilfe die zu verbindenden Teile vor -der Bearbeitung mit Ultraschall erhitzt werden. 18. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis17 , dadurch gekennzeichnet, daß der dem schwingungsfähigen Stößel gegenüberliegende Stößel relativ zu denn erstgenannten verschiebbar angeordnet ist. 19. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Stößeln mit einer Grob- und einer Feineinstellvorriehtung veränderbar ist, und daß ein einstellbarer Anschlag vorgesehen ist, der die Bewegung des nicht schwingenden Stößels in Richtung auf den anderen Stößel begrenzt. 20. Anordnung nach einem der Ansprüche 18 oder 19daduroh gekennzeichnet, daß der verschiebbare Stößel federnd befestigt ist.