DE3218920A1 - Anordnung zum ultraschall-schweissen - Google Patents

Anordnung zum ultraschall-schweissen

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DE3218920A1 DE19823218920 DE3218920A DE3218920A1 DE 3218920 A1 DE3218920 A1 DE 3218920A1 DE 19823218920 DE19823218920 DE 19823218920 DE 3218920 A DE3218920 A DE 3218920A DE 3218920 A1 DE3218920 A1 DE 3218920A1
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Description

  • "Anordnung zum Ultraschall-Schweißen Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Ultraschall-Schweißen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Ultraschall-Schweißverfahren sind vor allem gebräuchlich zur Verbindung von Kunststoffteilen. Für Punktschweißungen oder Schweißungen kurzer Linien werden hierzu Sonotroden mit entsprechend geformter Endfläche eingeseLzt, über die die zu verbindenden Teile mit Ultraschall senkrecht zur Verbindungsfläche beaufschlagt werden. Zum Verbinden von Kunststoffteilen über lange Schweißnähte, wie beispielsweise zum Verschweißen von Folien oder Planen, werden Rollschweißverfahren eingesetzt, bei denen eine rotationssymmetrische, um ihre Achse drehbare Sonotrode auf ihrer Arbeitsfläche entlang der zu schweißenden Naht abrollt.
  • Bei den bekannten Anordnungen zum Rollschweißen mittels Ultraschall weist die Sonotrode an der Spitze des Amplitudentransformators eine kreisrunde Scheibe auf.
  • Die Scheibe ist auf dem Außendurchmesser meist gehärtet und muß eine hohe mechanische Festigkeit besitzen. Beim Schweißen wird die Scheibe in Schwingungen quer zur Scheibenfläche versetzt. Die Arbeitsfläche der Sonotrode, i. e. der Außendurchmesser der Scheibe, trägt eine Riffelung, durch welche das eine der zu verbindenen Werkstück von der Scheibe erfaßt wird. Das andere Werkstück wird durch eine gleichfalls geriffelte Scheibe oder Walze festgehalten, die nicht zu Schwingungen angeregt wird.
  • Durch die Querschwingung der ersten Scheibe wird das eine Werkstück an der Verbindungsstelle gegen das andere Werkstück unter Druck so lange gerieben, bis eine Verbindung zustande gekommen ist. Für die Querbeschleunigung der Scheibe gegen den Widerstand des Werkstücks ist ein relativ hoher Energieaufwand erforderlich. Das Schweißgut trägt zudem in seiner Oberfläche bleibende Abdrücke der Scheibenrwffelung. Das Verbinden sehr dünner Folien ist ohne teilweise Zerstörung der Folien kaum möglich. Beim Verbinden von faserverstärkten Werkstoffen sind die Scheiben einem relativ hohen Verschleiß unterworfen. Die Werkstückoberfläche wird teilweise zerstört. Die Herstellung niveaugleicher Überlappungsschweißungen ist mit den bekannten Anordnungen im allgemeinen nicht möglich.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zum Ultraschall-Rollschweißen anzugeben, mit der das Anwendungsgebiet des Rollschweißens wesentlich erweitert werden kann.
  • Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung. Durch die trompetenförmige Aufweitung wird die Längs schwingung der Sonotrode in achsialer Richtung umgelenkt in radial gerichtete Schwingungen. Zur Transformation der Schwingungsamplitude nimmt die Wandstärke der Sonotrode von der Verbindungsstelle zum Erreger zur Arbeitsfläche hin ab. Für die Funktion der Sonotrode ist es wesentlich, daß die Sonotrode einen k/2-Schwingkörper darstellt und die Schwingungsrichtung an der Arbeitsfläche senkrecht zur Arbeitsfläche verläuft. Dies wird dadurch erreicht, daß die innere Oberfläche und die äußere Oberfläche der Sonotorde so geformt und abgestimmt sind, daß die Signallaufzeit von der Erregerseite bis zur Arbeitsfläche gleich der halben Periodendauer der Ultraschall-Arbeitsfrequenz und für beide Oberflächen genau gleich ist.
  • Für die Amplitudentransformation ist vorteilhafterweise die Sonotrode im Bereich zwischen der Verbindungsstelle zum Erreger und dem Schwingungsknoten auf der äußeren und der inneren Oberfläche des Konus ausgebildet.
  • Eine schwingungstechnisch bessere Lösung, die jedoch in der Herstellung einen höheren Aufwand erfordert, sieht Exponentialkurven anstelle der Konen vor. Diese Ausführung besitzt eine höhere Frequenzstabilität und eine bessere Amplitudentransformation.
  • Die Amplitudentransformation und der Abgleich der Sonotrode erfolgt in gleicher Weise und nach dem gleichen Berechnungsverfahren wie bei bekannten Sonotroden und stellt damit keine besonderen Probleme an den Fachmann.
  • Die trompetenartig geformte Hohlsonotrode besitzt eine hohe mechanische Stabilität.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch veranschaulicht. Dabei zeigt FIG. 1 eine erfindungsgemäße Sonotrode, FIG. 2 eine Anordnung mit zwei gleichartigen Sonotroden.
  • Bei der in FIG. 1 im Längsschnitt dargestellten Sonotrode 1 ist ein Ultraschallerreger 3 (symmetrisch dargestellt) über die Verbindungsfläche 4 an die Sonotrode gekoppelt.
  • Gestrichelt eingezeichnet ist die Achse 2 der Wellenbewegung im Sonotrodenkörper. Zwischen Verbindungsstelle zum Erreger und Arbeitsfläche 8 der Sonotrode bildet sich ein Schwingungsknoten. Die Lage dieses Schwingungsknotens kann durch entsprechende Formung der Sonotrode hinsichtlich Verringerung des Querschnitts und Ausbildung der Übergangsradien in den Bereich der Übergangsradien gelegt werden. Dadurch wird erreicht, daß der größte Teil der Amplituden eine Schwingung der Sonotrode senkrecht zur Arbeitsfläche bewirkt. Ein geringer Restanteil der Ampli-. tude bewirkt noch eine Querschwingung der Arbeitsfläche, die jedoch kaum störend wirkt, da bei der erfindungsgemäßen Anordnung eine Riffelung der Sonotrode nicht erforderlich ist.
  • Das Amplitudentransformationsverhältnis der Sonotrode richtet sich im wesentlichen nach dem Verhältnis der Größe der Arbeitsfläche 8 zur Größe der Verbindungsfläche 4 auf Erregerseite. Durch die Aufweitung der Sonotrode auf den Durchmesser der Arbeitsfläche tritt eine Verringerung der Amplitude auf. Diese wird durch die Auslegung der Durchmesser am Beginn des A/2-Schwingkörpers auf das für die Arbeit erforderliche Maß gebracht.
  • Wesentlich für die Funktion der Sonotrode ist die Gleichheit der Wellenlaufzeiten auf Innenfläche 6 und Außenfläche 7 der Sonotrode jeweils von der Verbindungsfläche 4 auf Erregerseite bis zur Arbeitsfläche 8.
  • Die Sonotrode ist rotationssymmetrisch zu der Achse 5 und um diese drehbar. Bei der dargestellten Sonotrode ist die Arbeitsfläche eine Zylindermantelfläche. Unter Einhaltung der im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale kann die Arbeitsfläche der Sonotrode selbstverständlich auch eine andere Form aufweisen und beispielsweise für kreisförmig verlaufende Schweißnähte als Kegelstumpf-Mantelfläche ausgebildet sein.
  • Da bei der Schweißung mit Ultraschall immer auch eine Erwärmung der Sonotrode auftritt, was insbesondere bei Kunststoffen ein teilweises Aufschmelzen der Oberfläche zur Folge haben kann, ist die Sonotrode vorteilhafterweise in Achsrichtung durchgehend hohl, so daß durch die Sonotrode Gase zur Temperaturregelung durchgeblasen werden können. Da die Schallamplitude sich gleichmäßig auf den ganzen Außendurchmesser der Sonotrode verteilt, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, daß an einer von der Schweißstelle unterschiedlichen Stelle der Sonotroden-Arbeitsfläche auf dem Umfang der Sonotrode Vorrichtungen 12 zu Messung der Schallamplitude angeordnet sind. Dies erlaubt die Überwachung der Amplitude während des Betriebs und ermöglicht durch die Direktmessung der Amplitude einen unmittelbaren Einfluß auf die Verbindungsqualität, beispielsweise bei Änderungen der Werkstückdicke oder -zusammensetzung infolge von Fertigungstoleranzen.
  • Derartige Änderungen machen sich durch unterschiedliche Bedämpfung der Sonotrode und damit Beeinflussung der Schwingungsamplituden bemerkbar. Ein Leistungsabfall auf der Geräteseite infolge Erwärmung kann damit ebenfalls gemessen und durch Nachregelung kompensiert werden. Für die Nachregelung ist eine Regeleinrichtung 13 vorgesehen, der die als Meßgröße von den Vorrichtungen 12 abgegebenen Signale als Istgröße für den Regelvorgang zugeführt werden. Die Messung der Schallamplitude erfolgt vorzugsweise berührungslos.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung sieht den Synchronbetrieb zweier gleichphasig schwingender Sonotroden 1, 9 vor, die so angeordnet sind, daß ihre Arbeitsflächen 8, 10 an der Schweißstelle parallel verlaufend sich gegenüberstehen und das Schweißgut 14, 15 zwischen sich einschließen. Vorteilhafterweise werden die den beiden Sonotroden zugeordneten Ultraschallerreger 3 durch einen gemeinsamen Frequenzgenerator 11 angesteuert. Eine derartige Anordnung gewährleistet auf beiden Seiten der Verbindungsstelle eine gleichmäßige Arbeitsflächenqualität. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist, daß die Amplituden der einzelnen Sonotroden jeweils wesentlich geringer sind als bei Verwendung nur einer Sonotrode und einer festen Gegenrolle, so daß Zerstörungen im Werkstückgefüge vermieden werden. Insbesondere bei niveaugleichen Überlappungsschweißungen muß die Amplitude der einzelnen Sonotrode nur so stark sein, daß das Werkstück bis zur halben Dicke verbunden wird.

Claims (11)

  1. Patentansprüche ½ ½ Anordnung zum Ultraschall-Schweißen mit einer rotationssymmetrisch aufgebauten, um ihre Achse (5) drehbar gelagerten, und auf ihrer Arbeitsfläche (8) abrollenden Sonotrode (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (1) von der Erregerseite zur nrbeitsfläche (8) hin trompetenförmig aufgeweitet ist, daß die Wandstärke der Sonotrode von der Erregerseite (4) zur Arbeitsfläche (8) hin abnimmt und daß die innere Oberfläche (6) und die äußere Oberfläche (7) der Sonotrode (1) so geformt und abgestimmt sind, daß die Signallaufzeit von der Erregerseite (4) bis zur Arbeitsfläche (8) auf beiden Oberflächen (6, 7) gleich und gleich der halben Periodendauer der Ultraschall-Arbeitsfrequenz ist.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sonotrodenquerschnitt im Bereich zwischen Erregerseite und Schwingungsknoten sich konisch verjüngt.
  3. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sonotrodenquerschnitt im Bereich zwischen Erregerseite und Schwingungsknoten sich exponentiell verjüngt.
  4. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode in Achsrichtung durchgehend hohl ist und Einrichtungen zum Durchblasen von Gasen zur Temperaturregelung der Sonotrode vorgesehen sind.
  5. 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsfläche (8) eine Zylindermantelfläche ist.
  6. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsfläche (8) eine Kegelstumpfmantelfläche ist.
  7. 7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an einer von der Schweißstelle unterschiedlichen Stelle der Sonotrodenarbeitsfläche (8) Vorrichtungen (12) zur Messung der Schallamplitude angeordnet sind.
  8. 8. Anordnung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung (13) zur Regelung der eingesetzten Leistung, der die Signale der Vorrichtungen (12) zur Amplitudenmessung als Ist-Größe zugeführt werden.
  9. 9. Anordnung nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Schallamplitude berührungslos erfolgt.
  10. 10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gleichphasig schwingende Sonotroden (1, 9) so angeordnet sind, daß ihre Arbeitsflächen (8, 10) an der Schweißstelle parallel verlaufen und das Schweißgut (14, 15) zwischen sich einschließen.
  11. 11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die den beiden Sonotroden zugeordneten Ultraschallerreger (3) durch einen gemeinsamen Frequenzgenerator (11) angesteuert werden.
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