DE2343605C3

DE2343605C3 - Device for generating ultrasonic waves

Info

Publication number: DE2343605C3
Application number: DE19732343605
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Cranves-Sales Lossy Scotto (Frankreich)
Original assignee: Mecasonic S.A., Annemasse (Frankreich)
Priority date: 1972-10-13
Filing date: 1973-08-29
Publication date: 1977-03-10

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen mit einem Wandler, einem Amplitudentransformator und einer Sonotrode, die hintereinander angeordnet und jeweils auf die halbe Wellenlänge der Wandlerfrequenz abgestimmt sind.The invention relates to a device for generating ultrasonic waves with a transducer, an amplitude transformer and a sonotrode, which are arranged one behind the other and each half Wavelength of the converter frequency are matched.

Eine derartige Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen ist beispielsweise in der US-PS 48 298 beschrieben, nach der es aber unvorteilhaft ist, wenn das Ende des Werkzeugs bzw. eine Längsabmessung der Sonotrode größer als das Ende des Übertragungsstückes ist, an dem das Werkzeug befestigt ist.Such a device for generating ultrasonic waves is for example in US-PS 48 298, according to which it is disadvantageous if the end of the tool or a longitudinal dimension the sonotrode is larger than the end of the transmission piece on which the tool is attached.

Bei der in der US-PS 31 13 225 beschriebenen Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen wird die zulässige Abmessung des Werkzeugs bzw. der Sonotrode quer zur Längsachse des Schallgebers auf ein Drittel der Wellenlänge der Schwingung begrenzt. Aus der dort beschriebenen Vorrichtung ist eine schaufeiförmige Sonotrode bekannt, die von mehreren Gebern beaufschlagt ist. Zur Vermeidung störender Überlagerung der Schwingungsfelder der einzelnen Geber ist dort die Sonotrode mit Längsschlitzen versehen, wobei der Abstand der einzelnen Geber voneinander kleiner als ein Drittel der auftretenden Wellenlänge ist.In the device described in US-PS 31 13 225 for generating ultrasonic waves the permissible dimension of the tool or the sonotrode transversely to the longitudinal axis of the sounder Third of the wavelength of the oscillation is limited. The device described there is a shovel-shaped one Known sonotrode, which is acted upon by several donors. To avoid disruptive overlay of the vibration fields of the individual transducers, the sonotrode is provided with longitudinal slots, whereby the distance between the individual transmitters is less than a third of the wavelength that occurs.

Aus der US-PS 29 56 538 ist ferner eine Anordnung zur Unterdrückung von Radial- und Transversalschwingungen einer von einer Sonotrode beaufschlagten Membran bekannt, bei der zur Unterdrückung der Radialschwingungen Dämpfungskörper an den Knotenstellen der Transversalschwingung angebracht werden, die einer Fortsetzung der Schwingung entgegenwirken sollen. Das Dämpfungsglied wirkt dort somit in gleicher Weise wie eine feste Einspannung an dieser Stelle, wobei die Anordnung ier Dämpfungskörper von der Wellenlänge abhängig ist.From US-PS 29 56 538 an arrangement for suppressing radial and transverse vibrations is also a membrane acted upon by a sonotrode known, in which to suppress the Radial vibrations damping bodies are attached to the nodes of the transverse vibration, which should counteract a continuation of the oscillation. The attenuator acts there in the same way Way like a fixed restraint at this point, the arrangement of ier damping bodies from the Wavelength is dependent.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen die bei Werkzeugen mit größeren Abmessungen auftretenden parasitären Schwingungen zu unterdrücken und damit eine Verwendung von Sonotroden großer Abmessungen zu ermöglichen.The object of the invention is, in a device for generating ultrasonic waves, in the case of tools to suppress parasitic vibrations occurring with larger dimensions and thus a To enable the use of sonotrodes of large dimensions.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 bezeichneten Art so auszubilden, daß auf der Sonotrode an Stellen erhöhter Dämpfung mechanische Schwinger angebracht sind, die auf die halbe Wellenlänge oder ein ganzzahliges Vielfaches davon abgestimmt sind.The solution according to the invention consists in providing a device as described in the preamble of claim 1 designated type so that mechanical oscillators on the sonotrode at points of increased damping are attached, which are tuned to half the wavelength or an integral multiple thereof.

In weiterer Ausbildung der Erfindung bestehen die mechanischen Schwinger aus in der Mittelebene der beiden an den Enden der Sonotrode gelegenen Dämpfungsbereiche angeordneten Stäben.In a further embodiment of the invention exist mechanical oscillator located in the center plane of the two at the ends of the sonotrode Rods arranged at damping areas.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die mechanischen Schwinger eine zylindrische, konische, exponentielle oder cathenoidale Form aufweisen.It is particularly advantageous if the mechanical oscillator has a cylindrical, conical, exponential or cathenoidal shape.

Zweckmäßigerweise best "ien die Schwinger der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus Titan oder Duraluminium. The transducers expediently use the Device according to the invention made of titanium or duralumin.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Schwinger der erfindungsgemäßen Vorrichtung an der Sonotrode durch ein Schraubengewinde, durch Schweißen oder Kleben befestigt sind.It is particularly advantageous if the oscillators of the Device according to the invention on the sonotrode by a screw thread, by welding or Gluing are attached.

In weiterer Ausbildung der Erfindung werden zylindrische, schaufeiförmige, dreieckige oder rechtekkige Sonotroden verwendet.In a further embodiment of the invention, cylindrical, shovel-shaped, triangular or rectangular Sonotrodes used.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß eine parallele Wellenfront gleicher Amplitude bzw. Energiedichte auch bei Sonotroden mit Abmessungen erzeugt werden kann, die eine Halbwellenlänge überschreiten.With the device according to the invention it is achieved in an advantageous manner that a parallel wave front the same amplitude or energy density can also be generated with sonotrodes with dimensions that exceed a half wavelength.

Insbesondere läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verarbeitung oder Verschweißung von thermoplastischen Materialien verwenden. Die Anbringungsstellen der Schwinger werden dabei empirisch bestimmt. Beispielsweise treten bei e.i er Sonotrode mit einer Länge von 400 mm zwei Dämpfungsbereiche jeweils 120 mm von den Enden der Sonotrode entfernt auf, während bei einer Sonotrode mit 600 mm Länge die beiden Dämpfungsbereiche jeweils 200 mm von den Enden der Sonotrode entfernt liegen.In particular, the device according to the invention can be used for processing or welding use thermoplastic materials. The locations of the transducers are empirical definitely. For example, sonotrodes are used with e.i. a length of 400 mm, two damping areas each 120 mm from the ends of the sonotrode on, while with a sonotrode with a length of 600 mm, the two damping areas are each 200 mm from the Ends of the sonotrode are removed.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen soll im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen und an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden.The device according to the invention for generating ultrasonic waves is described below with reference to Embodiments and with reference to the drawings are explained in more detail.

Die Zeichnungen zeigen inThe drawings show in

F i g. 1 eine bekannte Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen,F i g. 1 a known device for generating ultrasonic waves,

F i g. 2 und 3 eine Vorderansicht bzw. eine Seitenansicht einer schaufeiförmigen Sonotrode,F i g. 2 and 3 a front view and a side view of a shovel-shaped sonotrode,

F i g. 4 eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen und inF i g. 4 is a front view, partly in section, of a device according to the invention for producing Ultrasonic waves and in

Fig.5 eine Seitenansicht der Vorrichtung nach Fig. 5.5 shows a side view of the device according to Fig. 5.

In F i g. 1 ist eine bekannte Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen dargestellt und weist einen in bekannter Weise arbeitenden magneto- oder elektrostriktiven Halbwellensender 1, einen mit derIn Fig. 1 shows a known device for generating ultrasonic waves and has a magnetostrictive or electrostrictive half-wave transmitter 1 working in a known manner, one with the

Frequenz des Senders 1 arbeitenden und an den Sender in geeigneter Weise, beispielsweise durch ein Schraubengewinde angeschlossenen Halbwellenverstärker 2 sowie eine mit halber Longitudinalwellenlänge arbeitende, auf die Senderfrequenz abgestimmte Sonotrode 3 als Vibrationswerkzeug auf, die t.m Verstärker 2 in geeigneter Weise, beispielsweise mit einem Schraubengewinde 4, befestigt istFrequency of the transmitter 1 working and to the transmitter in a suitable way, for example by a screw thread connected half-wave amplifier 2 and a sonotrode 3 working with half the longitudinal wavelength and tuned to the transmitter frequency as a vibration tool, the amplifier 2 in a suitable way, for example with a screw thread 4 , is attached

Diese Anordnung bildet ein schwingfähiges System von aus drei halben Longitudinalwcllen bestehenden stehenden Wellen, wobei die Anordnung mit der norm ilen Senderfrequenz schwingtThis arrangement forms an oscillatable system consisting of three half longitudinal waves standing waves, whereby the arrangement oscillates with the normal ile transmitter frequency

Eine derartige Anordnung funktioniert jedoch nur dann, wenn Sonotroden verwendet werden, deren Durchmesser nicht die Abmessungen der halben Longitudinaiwelle überschreiten. Zur Erläuterung soll im folgenden von einem mit einer Frequenz von 20 kHz arbeitenden Schweißkopf und einer aus Duraluminium bestehenden Sonotrode ausgegangen werden.Such an arrangement only works if sonotrodes are used, their Diameter does not exceed the dimensions of half the longitudinal wave. To explain in the following by a welding head operating at a frequency of 20 kHz and one made of duralumin existing sonotrode can be assumed.

in Duraluminium liegt die HalbwHIenlänge bei einer Frequenz von 2OkHz in der Größenordnung von 124 mm. Ein Schweißkopf der oben angegebenen Art kann normalerweise nur an Sonotroden mit einem Durchmesser unterhalb 124 mm arbeiten. Oberhalb dieser Abmessungen treten parasitäre Schwingungen in Form von radialen Schwingungen und Biegeschwingungen auf, so daß Sonotroden mit einem Durchmesser von mehr als 130 mm kaum in Betracht gezogen werden können.in duralumin the half-wave length at a frequency of 20 kHz is of the order of 124 mm. A welding head of the type specified above can normally only work on sonotrodes with a diameter of less than 124 mm. Above these dimensions, parasitic vibrations in the form of radial vibrations and flexural vibrations occur, so that sonotrodes with a diameter of more than 130 mm can hardly be taken into account.

Dieser Effekt wird bei einer in F i g. 2 und 3 dargestellten schaufeiförmigen Sonotrode besonders deutlich. Befestigt man beispielsweise am Kopf einer mit einer Frequenz von 20 kHz arbeitenden Schweißmaschine eine aus Duraluminium bestehende schaufeiförmige Sonotrode 5 mit einer halben Wellenlänge von 124 mm, während ihre seitlichen Abmessungen beispielsweise bei 50 mm χ 500 mm liegen, so stellt man fest, daß sich beim Schwingen der Anordnung eine Schwingung ungefähr im Bereich von 200 mm in der Nähe der Achse des mechanischen Verstärkers ergibt, während an den beiden Enden der Sonotrode beiderseits der begünstigten Mittelzone von 200 mm eine erhebliche Dämpfung feststellbar ist.This effect is shown in FIG. 2 and 3 particularly illustrated shovel-shaped sonotrode clear. For example, it is attached to the head of a welding machine operating at a frequency of 20 kHz a duralumin shovel-shaped sonotrode 5 with a half wavelength of 124 mm, while its lateral dimensions are, for example, 50 mm 500 mm, so one sets found that when the arrangement vibrates, there is a vibration approximately in the range of 200 mm in the Proximity to the axis of the mechanical amplifier results, while at the two ends of the sonotrode On both sides of the favored central zone of 200 mm a considerable attenuation can be determined.

Wird die Sonotrode beispielsweise durch Anlegen an ein zu schweißendes Werkstück aus Kunststoff belastet, so zeigt sich in der Mittelzone eine gute Energieübertragung und eine fast vollständige Dämpfung an den Enden.If the sonotrode is loaded, for example, by placing it on a plastic workpiece to be welded, in the middle zone, there is good energy transfer and almost complete attenuation at the End up.

Bei den an Hand der Fig.4 und 5 beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen sind die Dämpfungseffekte bei Sonotroden mit großen Abmessungen beseitigt Bei diesen Ausführungsformen wird von einer an Hand der Fig.2 und 3 beschriebenen schaufeiförmigen Sonotrode 5 von 500 mm Länge ausgegangen, die an einen mechanischen Verstärker 2In the embodiments of the device according to the invention described with reference to FIGS The damping effects in sonotrodes with large dimensions are used to generate ultrasonic waves eliminated In these embodiments is described by one with reference to FIGS Shovel-shaped sonotrode 5 with a length of 500 mm, which is connected to a mechanical amplifier 2

angeschlossen ist, der seinerseits mit einem Sender oder Schallgeber 1 beispielsweise über Schraubengewinde 4, 6 verbunden istis connected, in turn with a transmitter or Sounder 1 is connected via screw threads 4, 6, for example

An der Sonotrode 5 werden zwei mit der gleichen Frequenz, beispielsweise mit einer Frequenz von 20 kHz, wie der Sender und die Sonotrode arbeitende Halbwellenlängenstäbe 7 und 8 befestigt Die beiden Stäbe 7 und 8 sind vorzugsweise in der Miltelebene der beiden an den Enden der Sonotrode gelegenen Dämpfungsbereiche angeordnet.At the sonotrode 5 are two with the same frequency, for example with a frequency of 20 kHz, as the transmitter and the sonotrode working half-wavelength rods 7 and 8 attached The two Rods 7 and 8 are preferably in the median plane of the two located at the ends of the sonotrode Arranged damping areas.

Wird die zuletzt beschriebene Anordnung in Schwingungen versetzt so kann man folgendes beobachten:
ein gleichmäßiges Schwingen der gesamten aktiven Oberfläche der Sonotrode,
keine durch Biege- oder Radialwellen hervorgerufene parasitäre Schwingungen,
eine totale Verminderung des mechanischen Widerstandes der aus Sender, Verstärker und mit den Stäben versehenen Sonotrode bestehenden Anordnung undIf the arrangement described last is set in motion, the following can be observed:
uniform oscillation of the entire active surface of the sonotrode,
no parasitic vibrations caused by bending or radial waves,
a total reduction of the mechanical resistance of the arrangement consisting of transmitter, amplifier and sonotrode provided with the rods and

eine gleichmäßige Aktivität der gesamten Sonotrodenoberfläche bei Belastung der Sonotrode, beispielsweise durch Anlegen eines zu schweißenden Kunststoffwerkstückes.uniform activity of the entire sonotrode surface when the sonotrode is loaded, for example by placing a plastic workpiece to be welded.

Die Stäbe haben somit die Wirkung mechanischer Schwinger.The rods thus have the effect of mechanical oscillators.

Sie können an Sonotroden unabhängig von deren Form verwendet werden, d. h. zylindrisch, schaufeiförmig oder dreieckig oder in Form eines ebenen oder »hohlen« Rechtecks od. dgl.They can be used on sonotrodes regardless of their shape, i. H. cylindrical, shovel-shaped or triangular or in the form of a flat or "hollow" rectangle or the like.

Die verwendeten Schwinger können verschiedene Formen aufweisen:The transducers used can have different shapes:

eine einfache Zylinderform von halber Wellenlänge. a simple half-wave cylindrical shape.

die Form eines Doppelzylinders wie bei einem herkömmlichen Verstärker oder
eine konische, exponentiell, cathenoidale oder sonstige Form.the shape of a double cylinder like a conventional amplifier or
a conical, exponential, cathenoidal or other shape.

Die Zahl der mechanischen Schwinger ist nicht auf zwei beschränkt; es können z. B. drei oder vier, gegebenenfalls auch mehr Stäbe an einer zylindrischen Sonotrode, je nach deren Größe, verwendet werden.The number of mechanical vibrators is not limited to two; it can e.g. B. three or four, if necessary, more rods can be used on a cylindrical sonotrode, depending on its size.

Die für die Hersteilung der mechanischen Schwinger verwendeten Materialien können beliebig gewählt werden, vorausgesetzt, daß sie sich für die Anwendung von Ultraschall eignen. Besonders gut lassen sich Titan oder Duraluminium verwenden.The materials used to manufacture the mechanical transducers can be chosen as desired provided that they are suitable for the application of ultrasound. Titan can be particularly good or use duralumin.

Die Stäbe können durch geeignete Mittel befestigt werden, beispielsweise mittels eines aus einem Einsteckbzw. Aufnahmeteil bestehenden Schraubengewindes oder durch Schweißen oder Kleben.The rods can be fastened by suitable means, for example by means of a plug-in or connector. Receiving part of existing screw thread or by welding or gluing.

Die mechanischen Filter können, wie vorstehend erwähnt, halbe Wellenlänge oder ganzzahlige Vielfache von halben Wellenlängen aufweisen, wobei die Wirkung im wesentlichen die gleiche ist.As mentioned above, the mechanical filters can be half wavelengths or integer multiples of half wavelengths, the effect being essentially the same.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Device for generating ultrasonic waves with a transducer, an amplitude transfer mator and a sonotrode, which are arranged one behind the other and each on half the wavelength the converter frequency are matched, thereby characterized in that mechanical oscillators on the sonotrode (5) at points of increased damping (7,8) are attached to half the wavelength or an integral multiple thereof are matched.

2. Apparatus according to claim 2, characterized in that the mechanical oscillator (7,8) from arranged in the center plane of the two damping areas located at the ends of the sonotrode (5) Rods exist.

X Device according to Claim 1 or 2, characterized in that the mechanical oscillators (7, 8) have a cylindrical, conical, exponential or cathenoidal shape.

4. Device according to one of the preceding Claims, characterized in that the oscillators (7, 8) are made of titanium or duralumin exist.

5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the Oscillator (7, 8) on the sonotrode (5) by a screw thread (4, 6), by welding or Gluing are attached.

6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that cylindrical, Shovel-shaped, triangular or rectangular sonotrodes (5) can be used.