DE2312446A1

DE2312446A1 - Elektromechanischer schwinger, insbesondere zum schweissen von metallen

Info

Publication number: DE2312446A1
Application number: DE2312446A
Authority: DE
Inventors: Andrew Shoh
Original assignee: Branson Ultrasonics Corp
Current assignee: Branson Ultrasonics Corp
Priority date: 1972-03-13
Filing date: 1973-03-13
Publication date: 1973-09-20
Also published as: JPS5423349B2; FR2175738A1; IT974412B; FR2175738B1; US3752380A; CA958257A; DE2312446C3; DE2312446B2; GB1389162A; JPS492753A

Description

Patentanwalt·

Dr. Ing. H. Negendank:

DIpI. Ing. H. Hsu;'; - r iof. Pnys. W. Schmilz

DIpI./ng. EGf₃₅₅U₃-Cici. ing. VV. Wehnert

8 München % iAcsartsfraBe 25

Telefon 5380586

Branson Instruments, Inc.

Progress Drive 20. Februar 1973

Stamford,Conn.06904₁USA Anwaltsakte M-2423

Elektromechaniseher Schwinger, insbesondere zum Schweißen von Metallen

Elektromechanische Schwinger zum Verschweißen von Werkstücken sind bekannt (US-PS 2 946 119 und 2 946 120). Das Schweißen von metallischen Werkstücken erfolgt hier mit Schall- bzw. Ultraschallenergie, wobei die Schweißung in Form einer nicht verschmolzenen Verbindung erfolgt. Zum Verbinden der metallischen Werkstücke ist es dabei bekannt, die Werkstücke mittels einer statischen Druckkraft in engen Kontakt zu bringen und eines der Werkstücke mit Schwingungsenergie meiner Richtung zu beaufschlagen, die etwa senkrecht zur Richtung der aufgebrachten

Kraft verläuft. Die Schwingungsenergie liegt im Schall- oder im ;

Ultraschallbereich, also noch innerhalb des Wahrnehmungsbereiches:

! des menschlichen Gehörs oder darüber.

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Dieser Stand der Technik beschäftigt sich auch mit der Anordnung
des Schwingers, der gewöhnlich aus einem Massenelement besteht,
■ das bei einer vorbestimmten Frequenz in Resonanz gerät, sowie
aus einer mit dem Massenelement verbundenen Einrichtung zum Erzeugen von mechanischen Schwingungen in dem Massenelement. Hierzu werden in bekannter Weise piezoelektrische oder magnetostrikj tive Elemente benutzt, welche elektrische Energie in mechanische
ι Schwingungen umwandeln, die sich dann in der Längsachse des Masj senelementes fortpflanzen. Die Gesamtanordnung bildet einen Resonator, der so ausgelegt ist, daß er entweder als Halblängen-
oder als Vollwellenresonator bei einer bestimmten Frequenz arbei-_;

; tet; dies ist auch abhängig vom Werkstoff und der Geometrie des j - ■ . . - - \

j Resonators, wie beispielsweise aus den Seiten 87 bis 102 des j Buches "Ultrasonic Engineering¹' von Julian R. Frederick, Verlag j John Wiley & Sons, Inc. New York, 1965 hervorgeht.

Eine bekannte Anordnung für einen Resonator ist beispielsweise 1 in den US-PS 2 891 178, 2 891 179 und 2 891 180 erläutert. Dabei !

ist eine Befestigung in Betrachtgszogen, die sehr kompliziert j

ι aufgebaut und frequenzempfindlich ist, so daß die geometrischen j

\ Abmessungen in ihrer Auslegung kritisch sind. Die "Befestigung j

erfolgt in Knotenbereiche der Längs schwingungen des Resonators. ''

Hierzu wird auch auf die US-PS 3 209 447 Spalte 2 Zeilen 64 bis \

72 und Spalte 3 Zeilen 1 bis 12 verwiesen. '

; Die vorliegende Erfindung beruht darauf, daß man die Befestigung ! eines Resonators dieser Bauweise wesentlich vereinfachen kann,

wenn die Befestigung in den Bereichen der Schwingungsbäuche des

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Resonators erfolgt. Bei einer Befestigung des Resonators im Bereich der Schwingungsbäuche können sehr einfache und billige Blechteile Verwendung finden, die in Schwingungsrichtung des Resonators nachgiebig sind, jedoch in der Richtung quer zur Schwingungsachse eine erhebliche Festigkeit aufweisen. Dabei j treten keine bedeutsamen Verluste im Wirkungsgrad auf. Man erzielt aber den Vorteil, daß außerordentlich einfache, billige und frequenzunempfindliche Befestigungsteile zum Befestigen des

Resonators an einer festen Traganordnung Verwendung finden können.

Im folgenden ist ein erfindungsgemäßer Resonator beschrieben, der j in erster Linie zum Schweißen mit Schwingungsenergie geeignet ist Der Resonator ist so bemessen, daß seine Länge gleich der Wellenlänge der in ihm fortgepflanzten Schwingung ist und wird an einer festen Traganordnung mittels Bauteile gehalten, welche den Resonator in zwei Bereichen der Schwingungsbäuche seiner Längsschwingung unterstützen. In der einfachsten Ausf ührungsform erfolgt die Befestigung durch zwei Blechlaschen oder dreieckige Bauteile,

: die mit ihren einen Enden jeweils in einer gehäusefesten Ab- ^; Stützung verbunden sind und mit jeweils ihrem anderen Ende im j Bereich eines Schwingungsbauches des Resonators an diesem ein-

gespannt sind. Die Bauteile sind so ausgebildet, daß sie in

! Schwingungsrichtung des Resonators nachgiebig sind, jedoch in einer hierzu quer verlaufenden Richtung fest sind, um eine Bewegung des Resonators in dieser Richtung, also längs der Achse der Schwingung zu verhindern. Eine das Werkstück erfassende

Schweißspitze ist in einem anderen Schwingungsbauch des Resoj -509838/101 1 _₄_

nators befestigt. Die zu verschweißenden Werkstücke werden durch j eine geeignete Einrichtung in Anlage an die Schweißspitze ge-

] drückt.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Ausführung,

Fig. 2 eine Darstellung des Schwingungsverlaufs in dem Resonator,

Fign.3 Schnittansichten der Befestigungen am Resonator gemäß und 4

Fig- 1,

Fign. 5 verschiedene Ausführungsformen von-Befestigungslaschen bis 8

in Draufsicht,

Fign. 9 verschiedene Ausführungsformen für die Befestigung eines bis 11

Resonators,

Fig. 12 eine perspektivische Darstellung des vorderen Endes des in Fig. 11 gezeigten Resonators, und

Fig. 13 eine perspektivische Ansicht eines aus Resonator, Abstützung und Schwingungserzeuger bestehenden Schweißgerätes.

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In Fig. 1 ist mit 10 ein Schwingungserzeuger dargestellt, der mit elektrischer Energie hoher Frequenz gespeist wird und an seiner vorderen Stirnfläche 12 mechanische Schwingungsenergie abgibt. Der Schwingungserzeuger besteht aus piezoelektrischen oder magnetos triktiven Mitteln und ist beispielsweise in der US-PS 3 328 erläutert. Es können auch andere Schwingungserzeuger Verwendung finden. Der Schwingungserzeuger 10 ist über ein Kabel 14 an

, eine Energiequelle,die nicht dargestellt ist, angeschlossen. Die zugeführte Frequenz kann zwischen einigen 100 Hz bis etwa 100 kHz betragen und befindet sich vorzugsweise im Bereich zwischen 1 kHz

^! und 60 kHz.

Ein stabförmiges Element 16, beispielsweise aus Aluminium, Titan, : Monelmetall usw. ist mit der Stirnfläche 12 mechanisch verbunden : und ist unter Berücksichtigung des Werkstoffs und der gewählten ! Geometrie so bemessen, daß es bei einer von dem Schwingungserzeuj ger 10 zugeführten vorbestimmten Frequenz als Ganzwellenresonatorj arbeitet, wobei die Schallschwingungen das Element in Längsrichtung durchsetzen. Fig. 2 zeigt den Amplitudenverlauf im Resona-' tor 16 in Längsrichtung. Somit treten drei Schwingungsbäuche an den Stellen 20, 22 und 24 und zwei Knotenbereiche an den Stellen 26 und 28 auf.

In Fig. 1 sind mit dem Resonator 16 zwei Befestigungslaschen 30 und 32 mechanisch verbunden, die an der Stelle der Schwingungsbäuche angeordnet sind und die mit ihren anderen Enden an einer gehäusefesten Basis oder Abstützung 34 mittels Schrauben 36 und 3i befestigt sind. Die Bauweise der Befestigungslaschen ist aus

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den Fign. 5 bis 8 ersichtlich und wird nachstehend erläutert.

; Eine das Werkstück berührende Spitze 40 ist am Resonator 16 an der Stelle des Schwingungsbauchs 22 eingeschraubt, die sich in der Mitte zwischen den Schwingungsbäuchen 20 und 24 befindet. Die Abstützung 34 weist ferner eine Einspanneinrichtung auf, beispielsweise eine hydraulisch betätigte Einrichtung 42 mit einem Kolben 44, mit dessen Hilfe die beiden Werkstücke W und W gegen die Spitze 40 gedrückt werden. Beim Einschalten des Schwingungserzeugers 10 schwingt die Spitze 40 in einer Richtung, die im wesentlichen senkrecht zur Richtung der durch den Kolben 44 erzeugten Kraft verläuft. Dadurch wird eine nicht verschmolzene Verschweißung zwischen den beiden Werkstücken erzielt, wie in der US-PS 2 946 119 beschrieben ist.

Die wesentliche erfindungsgemäße Verbesserung besteht demgegenüber darin, daß die Befestigungs teile 30 und 32 wesentlich vereinfacht sind, wobei diese Bauteile in Richtung der Resonatorschwingung nachgiebig ausgebildet sind, jedoch in Richtung der durch den Kolben 44 ausgeübten Kraft verhältnismäßig fest sind. Jede Befestigungslasehe besteht aus einem flachen Blechstück in Form einer Lasche 30 (Fig. 5). In Fig. 6 ist ein dreieckförmiges Blechstück 3OA gezeigt. In Fig. 7 weist das dreieckförmige Blechstück 3OB einen Längsschlitz 50 auf und in Fig. 8 sind zwei Lasehen 3OC und 3OD vorgesehen. Der Längsschlitz 50 in Fig. 7 vermittelt eine größere Nachgiebigkeit des Blechstücks 3QB. Alle , diese Ausf uhrungsformen können als eine Art Blattfedern angesehen werden, die in Schwingungsrichtung des Resonators 16 nachgiebig

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sind» so daß der Resonator in seinem Resonanzzustand ungehindert sich zusammenziehen und ausdehnen kann, wobei jedoch in der senkrecht zur Bewegung des Resonators verlaufenden Richtung eine hohe ; Festigkeit und Steifigkeit erzielt ist. Die Befestigungslaschen sind mit einem oder mehreren Löchern 3t versehen, um die Befestigung mittels Schrauben 36 und 38 zu ermöglichen. Eine öffnung in Fig. 5 ist so groß, daß sie mit Abstand einen inneren Schraub- ~_t bolzen 52 umgibt» der das Stirnende 12 des Schwingungserzeugers ! 10 mit der Stirnfläche des Resonators 16 verbindet. Die Befesti-

igungslasche 30 ist somit fest eingespannt. Auch die andere Be- ] festigungslasche 32 wird an dem anderen Ende des Resonators 16 j mittels einer Schraube 54 eingespannt, deren Schaft sich durch \

ι eine öffnung 35 mit Spiel erstreckt (Fig. 4). Das Resonatorende j j ist mit einer radialen Schulter versehen, die so bemessen ist, daß dadurch die Laschen 30 und 32 mittig festgelegt sind.

! Aus den Ausführungsbeispielen geht hervor, daß die zur Befestigung dienenden Bauteile außerordentlich einfach und billig herzustellen sind. Insbesondere müssen sie auf die Arbeitsfrequenz des Resonators nicht besonders abgestimmt sein, und können sie an den Resonator und an der Abstützung in äußerst einfacher Weise befestigt werden.

Fig. 9 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform, bei der der Resonator 16 aus zwei Halbwellenresonatoren 16A und 16B besteht, die über einen Schraubbolzen in der Art der Fig. 3 miteinander verbunden sind und somit ebenfalls einen Ganzwellenresonator bilden.

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Zwei Befestigungslaschen 3OE und 30F sind in zwei nebeneinander liegenden Schwingungsbauchbereichen 20 und 22 mit der Abstützung 34A verbunden, wobei jedoch die Arbeitsspitze 40 an dem äußeren Schwingungsbauch 24 angeordnet ist. Diese Bauweise ist im Hinblick auf eine bessere Zugänglichkeit vorteilhaft, wenn ein Werkstück seitlich einen längeren Oberhang hat und zwischen den Schwii gungsbäuchen 20 und 24 nicht unterzubringen wäTe.

Eine weitere Abänderung ist in Fig. 10 dargestellt, wonach der Resonator 16 mit einem verminderten Querschnittsbereich 60 im Bereich der Schweißspitze 40 versehen ist, um die Schwingungsamplitude der Spitze 40 zu vergrößern. Es ist aus dem eingangs erwähnten Buch bekannt, die Schwingungsamplitude eines Resonators dadurch zu erhöhen, daß man den Querschnitt verringert.

In ähnlüier Weise kann die Schwingungsamplitude durch die Ausführungsform des Resonators in Fig. 11 vergrößert werden, indem man den Querschnitt des Resonators im Bereich 6OA in Fig. 11 verringert. Diese Querschnittsverringerung erfolgt in der Weise, daß man die Festigkeit des Resonators in Richtung der ausgeübten Kraft von Seiten des Kolbens 44 gegen die Spitze 40 nicht vermindert.

Fig. 12 zeigt perspektivisch das vordere Ende des in Fig. 11 gezeigten Resonators. Die Querschnittsverminderung ist im Bereich oder nahe dem Schwingungsknoten vorgesehen. Hierzu wird auf die US-PS Re 25,033 verwiesen.

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Eine vollständige Schweißanordnung ist in Fig. 13 dargestellt. Die Abstützung 70 enthält einen HF-Generator 72, der über das Kabel mit dem Schwingungserzeuger 10 verbunden ist.- Der Resonator ent-■spricht der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform mit drei iSchwingungsbäuchen 20, 22 und 24. Zwei Befestigungslaschen 30* und 32' sind an Vorsprüngen 7OA und 7OB der Abstützung befestigt und halten den Resonator in der beschriebenen Weise. Zwischen die

j Schweißspitze 40 und den Kolben 44 der hydraulischen Einrichtung

I 42 werden die zu verschweißenden Werkstücke eingelegt. Die Abstützung 70 ist ferner an ihrer Vorderseite 74 mit Bedienungsund Anzeigeelementen 76 versehen. Damit kann der vom Kolben 44 I ausgeübte Druck, die Schwingungsenergie an der Spitze 44 die Zeitdauer der Schwingung und notwendigenfalls eine Nachzeit eingestellt werden, die auf das Abschalten der Schwingungsenergie fol-

I gen kann. Anstelle hydraulischer oder pneumatischer Mittel zum Andrücken der Werkstücke können auch mechanische Anordnungen vorgesehen sein.

! Anstelle des Schwingungserzeugers 10 können auch piezoelektri-

sehe Scheiben unmittelbar in den Ganzwellenresonator 16 angeordnet sein, wodurch die Länge des Gerätes um eine halbe Wellenlänge gekürzt werden kann, infolge des Fortfalls der in dem Gehäuse des Schwingungserzeugers angeordneten aktiven Bauteile. Die Anordnung der piezoelektrischen Elemente im Resonator erfolgt zweckmäßigerweise in der in der US-PS 3 524 085 erläuterten Weise, um einen optimalen Wirkungsgrad zu erhalten.

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I Die Spitze 40 kann bei Abnutzung ersetzt werden. Vorzugsweise ' versieht man die mit dem Werkstück in Eingriff stehende Fläche der Spitze mit einer Riffelung um eine höhere Energieankopplung zu erreichen.

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Claims

Patentanwälte Dr. (ng. H. Negendank WpI. Ing. H. Hauck - Dipt Phys. W. Schmitt Dipl. Ing. E. Graetfs - Dipt. Ing. W. Wenn·« • Manchen 2, MozartstraSe 25 Telefon 5380586 Branson Instruments, Inc. Progress Drive 20. Februar 1973 Stamford,Conn.06904»USA Anwaltsakte M-2423 . Patentansprüche

1. Elektromechanischer Schwinger für Schweißgeräte mit einem, stabförmigen Massenelement, das wenigstens als Ganzwellenresonator ausgebildet ist und im Resonanzzustand drei Schwingungsbauchbereiche für die Längsschwingung aufweist und mit einer an einem Werkstück anliegenden Spitze, die in einem Schwingungsbauchbereich des Resonators angeordnet ist, sowie mit einer Abstützung und Befestigungsmitteln zum Anordnen des Resonators an der Abstützung, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützung des Resonators (16) im Bereich der anderen Schwingungsbäuche des Resonators angeordnet ist, und daß die Befestigung so ausgebildet ist, daß sie in Richtungdsr den Resonator durchsetzenden Schwingung begrenzt nachgiebig ist und in der Richtung quer zur Schwingungsrichtung des Resonators eine Bewegung des Resonators verhindert und daß eine Einrichtung zum Andrücken eines Werkstücks an die Spitze (40) eine Kraft liefert, die im wesentlichen senkrecht zur Richtung der Schwingun&en 4&s_fi Resonators verläuft.

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2. Schwinger nach Anspruch T, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (16) mit einem Schwingungserzeuger (11) verbunden ist.

3. Schwinger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Befestigung des Resonators (16) an der Abstützung (34) flache Laschen (30,32) vorgesehen sind, deren Enden jeweils mit dem Resonator und der Abstützung verbunden sind und die in Schwingungsfichtung des Resonators an den Schwingungsbäuchen nachgiebig und in Richtung der ausgeübten Druckkraft steif sind.

4. Schwinger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,, daß die Befestigungslaschen die Form eines Metallstreifens (30) aufweisen.

5. Schwinger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Be- j festigungslaschen die Form dreieckiger Blechstücke (3OA, 30B) f

aufweisen. j

6. Schwinger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die j Spitze (40) auswechselbar und längs einer Achse angeordnet j ist, die etwa senkrecht zur Hauptachse des Resonators ver- ! läuft. !

j

7. Schwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an der Abstützung (34) eine Einrichtung (42) angeordnet ist, mit der die Werkstücke an die Spitze (40) andrückbar sind. -13-

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8. Schwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungen in nebeneinanderliegenden
Schwingungsbauchbereichen angeordnet sind.

9. Schwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 7,dadurch gekenn- i zeichnet, daß die Befestigungen an Schwingungsbauchbereichen j (20,24) angeordnet sind, zwischen denen ein weiterer Schwingungsbauch (22) liegt.

10. Schwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützung (34) als feste Unterlage ausge- j bildet ist. I

11. Schwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn- | zeichnet, daß zum Andrücken der Werkstücke an die Spitze (40);

eine hydraulische Kolbenzylindereinheit (42,44) vorgesehen !

ist, die in der Abstützung (34) angeordnet ist. j

12. Schwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn- ;

zeichnet, daß die Befestigungslaschen an den Resonator (16) i bzw. zwischen dem Schwingungserzeuger (10) und dem Resonator eingespannt sind.

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