DE2312446B2

DE2312446B2 - Elektromechanischer Schwinger, insbesondere zum Schweißen von Metallen

Info

Publication number: DE2312446B2
Application number: DE2312446A
Authority: DE
Inventors: Andrew Ridgefield Conn. Shoh (V.St.A.)
Original assignee: Branson Ultrasonics Corp
Current assignee: Branson Ultrasonics Corp
Priority date: 1972-03-13
Filing date: 1973-03-13
Publication date: 1980-11-06
Also published as: FR2175738A1; CA958257A; FR2175738B1; DE2312446C3; DE2312446A1; GB1389162A; JPS5423349B2; IT974412B; JPS492753A; US3752380A

Description

Elektromechanische Schwinger zum Verschweißen von Werkstücken sind bekannt (US-PS 2946 119 und 2946 120). Das Schweißen von metallischen Werkstükken 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 in einer 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.

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 magnetostriktive Elemente benutzt, welche elektrische Energie in mechanische Schwingungen umwandeln, die sich dann in der Längsachse des Massenelementes fortpflanzen. Die Gesamtanordnung bildet einen Resonator, der so ausgelegt ist, daß er entweder als Halblängen- oder als Vollwellenresonator bei einer bestimmten Frequenz arbeitet; dies ist auch abhängig vom Werkstoff und der Geometne des Resonators, wie beispielsweise aus den Seiten 87 bis 102 des Buches »Ultrasonic Engineering« von Julian R. Frederick, Verlag John Wiley & Sons, Inc. New York, 1965 hervorgeht.

Eine bekannte Anordnung für einen Resonator ist beispielsweise in den US-PS 28 91 178, 28 91 179 und 28 91 180 erläutert. Dabei ist eine Befestigung in Betracht gezogen, die sehr kompliziert aufgebaut und frequenzempfindlich ist, so daß die geometrischen Abmessungen in ihrer Auslegung kritisch sind. Die Befestigung erfolgt in Knotenbereiche der Längsschwingungen des Resonators. Hierzu wird auch auf die US-PS 32 09 447 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 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 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

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Schwingungsenergie geeignet ist Der Resonator ist so bemessen, daß seine Länge gleich der Wellenlänge der in ihm fortgepflanzten Schwingung ist und **ird an einer festen Traganordnung mittels Bauteilen gehalten, welche den Resonator in zwei Bereichen der Schwingungsbäuche seiner Längsschwingung unterstützen. In der einfachsten Ausführungsfonn erfolgt die Befestigung durch zwei Blechlaschen oder dreieckige Bauteile, die mit ihren einen Enden jeweüs in einer gehäusefesten Abstützung verbunden sind und mit jeweils ihrem anderen Ende im Bereich eines Schwingungsbauches des Resonators an diesem eingespannt sind Die Bauteile sind so ausgebildet, daß sie in Schwingungsrichtung des Resonators nachgiebig, 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 Resonators befestigt Die zu verschweißenden Werkstücke werden durch eine geeignete Einrichtung in Anlage an die Schweißspitze gedrückt

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Ausführung,

Fig.2 eine Darstellung des Schwingungsveriaufs in dem Resonator,

F i g. 3 und 4 Schnittansichten der Befestigungen am Resonator gemäß F i g. 1,

Fig.5 bis 8 verschiedene Ausführungsformen von Befestigungslaschen in Vorderansicht

F i g. 9 bis 11 verschiedene Ausführungsformen für die Befestigung eines Resonators,

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

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

In F i g. 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 magnetostriktiven Mitteln und ist beispielsweise in der US-PS 33 28 610 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 IGO 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 ist mit der Stirnfläche 12 mechanisch verbunden und unter Berücksichtigung des Werkstoffs sowie der gewählten Geometrie so bemessen, daß es bei einer von dem Schwingungserzeuger 10 zugeführten vorbestimmten Frequenz als Ganzwellenresonator arbeitet, wobei die Schallschwingungen das Element in Längsrichtung durchsetzen. F i g. 2 zeigt den Amplitudenverlauf im Resonator 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 Befestigungsiaschen 30 und 32 mechanisch verbunden, die an der Stelle der Schwingungsbäuche angeordnet sind und die mii ihren anderen Eiiucii äii einer gehäusefesten Basis oder Abstützung 34 mittels Schrauben 36 und 38 befestigt sind. Die Bauweise der Befestigungslaschen ist aus den F i g. 5 und 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,

in beispielsweise eine hydraulisch betätigte Einrichtung 42 mit einem Kolben 44, mit dessen Hilfe die beiden Werkstücke W und W gegen die Spitze 40 gedruckt werden. Beim Einschalten des Schwingungserzeugers 10 schwingt die Spitze 40 in einer Richtung, die im

is 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 29 46 119 beschrieben ist

Die wesentliche erfindungsgemäße Verbesserung besteht demgegenüber darin, daß die Befestigungsteile 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 Befestigungslasche besteht aus einem flachen 3lechstück in Form einer Lasche 30 (Fig.5). In Fig.6 ist ein dreieckförmiges Blechstück 3OA gezeigt In F i g. 7 weist das dreieckförmige Blechstück 300 einen

jo Längsschlitz 50 auf und in F i g. 8 sind zwei Laschen 30C und 3OD vorgesehen. Der Längsschlitz 50 in Fig.7 vermittelt eine größere Nachgiebigkeit des BJechstücks 30B. Alle diese Ausführungsformen können als eine Art Blattfedern angesehen werden, die in Schwingungsrichtung des Resonators 16 nachgiebig 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 31 versehen, um die Befestigung mittels Schrauben 36 und 38 zu ermöglichen. Eine Öffnung 33 in F i g. 5 ist so groß, daß sie mit Abstand einen inneren Schraubbolzen 52 umgibt der das Stirnende 12 des Schwingungserzeugers 10 mit der Stirnfläche des Resonators 16 verbindet Die Befestigungslasche 30 ist somit fest eingespannt Auch die andere Befestigungslasche 32 wird an dem anderen Ende des Resonators 16 mittels einer Schraube 54 eingespannt, deren Schaft sich durch eine öffnung 35 mit Spiel erstreckt (F i g. 4). Das Resonatorende 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.

F^: g. 9 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform, bei der der Resonator 16 aus zwei Halbwellenresonatoren 16/4 und 16S besteht, die über einen Schraubbolzen in

ί>5 der Art der Fig.3 miteinander verbunden sind und somit ebenfalls einen Ganzwellenresonator bilden.
Zwei Befestigungslaschen 30£" und 3OF sind in zwei

nebeneinander iicKci'irieii SuiiwineüPiKäbäüChbercirhcii

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 Überhang hat und zwischen den Schwingungsbäuchen 20 und 24 nicht unterzubringen wäre.

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 ähnlicher Weise kann die Schwingungsamplitude durch die Ausführungsform des Resonators in Fig. 11 vergrößert werden, indem man den Querschnitt des Resonators im Bereich 6OA in F i g. 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

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

Eine vollständige Schweißanordnung ist in Fig. 13 dargestellt Die Abstützung 70 enthält einen HF-Generator 72, der über das Kabel 14 mit dem Schwingungserzeuger 10 verbunden ist Der Resonator entspricht der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform mit drei Schwingungsbäuchen 20,22 und 24. Zwei Befestigungslaschen 30' und 32* sind an Vorsprüngen 7OA und 7Od der Abstützung befestigt und halten den Resonator in der beschriebenen Weise Zwischen die Schweißspitze 40 und den Kolben 44 der hydraulischen Einrichtung 42 werden die zu verschweißenden Werkstücke eingelegt. Die Abstützung 70 ist ferner an ihrer Vorderseite 74 mit Bedienungs- und Anzeigeelementen 76 versehen. Damit

to kann der vom Kolben 44 ausgeübte Druck, die Schwingungsenergie an der Spitze 44, die Zeitdauer der Schwingung und notwendigenfalls eine Nachzeit eingestellt werden, die auf das Abschalten der Schwingungsenergie folgen kann. Anstelle hydraulischer oder

ι % pneumatischer Mittei zum Andrücken der Werkstücke können auch mechanische Anordnungen vorgesehen sein.

Anstelle des Schwingungserzeugers 10 können auch piezoelektrische Scheiben unmittelbar in den Ganzwellenresonator 16 angeordnet sein, wodurch die Länge des Gerätes infolge des Fortfalls der in dem Gehäuse des Schwingungserzeugers angeordneten aktiven Bauteile um eine halbe Wellenlänge gekürzt werden kann. Die Anordnung der piezoelektrischen Elemente im Resonator erfolgt zweckmäßigerweise in der in der US-PS 35 24 085 erläuterten Weise, um einen optimalen Wirkungsgrad zu erhaltea

Die Spitze 40 kann bei Abnutzung ersetzt werden. Vorzugsweise versieht man die mit dem Werkstück in

jo Eingriff stehende Fläche der Spitze mit einer Riffelung, um eine höhere Energieankopplung zu erreichen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektromechanischen Schwinger für Schweißgeräte mit einem stabförmigen Massenelement, das wenigstens als Ganzwellenresonator ausgebildet ist und im Resonanzzustand drei Schwingungsbauchbereiche für die Längsschwingung aufweist, 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, daß die Befestigung so ausgebildet ist, daß sie in Richtung der 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 Schwingungen des Resonators verläuft

2. Schwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (16) mit einem Schwingungserzeuger (10) 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 Schwingungsrichtung 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 Befestigungslaschen die Form dreieckiger Blechstücke (30Λ, 30B) aufweisen.

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

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.

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 gekennzeichnet, daß die Befestigungen an Schwingungsbauchbereichen (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 ausgebildet ist

11. Schwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zum Andrücken der Werkstücke an die Spitze (40) eine hydraulische Kolbenzylindereinheit (42,44) vorgesehen ist, die in der Abstützung (34) angeordnet ist.

12. Schwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 11,

ίο

schen an den Resonator (16) bzw. zwischen dem Schwingungserzeuger (10) und dem Resonator eingespannt sind.