DE3329109A1

DE3329109A1 - Sonotrode zum ultraschweissen

Info

Publication number: DE3329109A1
Application number: DE3329109A
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Bonne Scotto
Original assignee: Mecasonic SA
Current assignee: Mecasonic SA
Priority date: 1983-02-23
Filing date: 1983-08-11
Publication date: 1984-08-23
Also published as: DE3329109C2; FR2541159A1; US4582239A; DE3406062A1; FR2541159B1

Description

Sonotrode zum Ultraschweißen

Die Erfindung betrifft eine Sonotrode gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit Ultraschweißwerkzeugen und betrifft Verbesserungen für derartige zusammengesetzte Sonotroden.

Zusammengesetzte Sonotroden sind insbesondere in der Amerikanischen Patentschrift RE 28 642 (Societe Dukane Corporation) sowie in der Französischen Patentschrift 73 12 673 beschrieben, die auf die Anmelderin zurückgeht. In Fig. 1 ist ein Beispiel für eine solche zusammengesetzte Sonotrode nach dem Stand der Technik dargestellt.

Diese zusammengesetzte Sonotrode umfaßt im wesentlichen einen Tragblock 10, der auf halbe Wellenlänge auf die nominale Frequenz des Emitters 12 des Ultraschweißgerats (die Frequenzen liegen allgemein im Bereich von 20 bis 40 Hz) abgestimmt ist, eine Anzahl von Sonotroden oder Konzentratoren 14, die auf halbe Wellenlänge auf derselben Frequenz wie der Block 10 geschnitten sind sowie Bolzen 16 zur Befestigung der Konzentratoren 14 auf dem Tragblock 10.

Der dadurch geschaffene Gesamtaufbau bildet ein System mit zwei halben Wellenlängen. Gemäß Fig. 1 sind die Schwingungsbäuche der Amplitude durch das Bezugszeichen V und die Schwingungsknoten der Amplitude oder Bäuche der Belastung durch das Bezugszeichen N bezeichnet. Ein solches bekanntes System von zusammengesetzten Sonotroden erlaubt insbesondere die Konzentration der Energie auf die aktive Zone der Sonotroden 14, verteilt gemäß den Schweißzonen auf dem zusammenzubauenden Stück.

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Bei einem solchen System ist nachteilhaft, daß es nur dort anwendbar ist, wo es möglich ist, die Sonotroden oder Konzentratoren 14 auf den Tragblock 10 mittels Bolzen 16, was es unmöglich macht, eine zusammengesetzte Sonotrode mit zwei benachbarten rechteckförmigen Blöcken zu schaffen, die auf demselben Block oder Adapter 10 montiert sind, weil es unmöglich ist, die beiden rechteckf örmigen Blöcke zu schrauben, um diese auf einem Adapter 10 zu befestigen.

Zur Behebung dieser Nachteile hat man versucht, zusammengesetzte Sonotroden zu schaffen, die rechteckförmige Konzentratoren besitzen, die nebeneinander angeordnet sind. Eine bekannte Lösung ist hierbei in den Fig. 2 und 3 dargestellt.

Die darin dargestellte Sonotrode umfaßt einen Stützblock 18, der auf halbe Wellenlänge geschnitten ist, mindestens zwei Konzentratoren 20, 20' in Form von rechteckförmigen Blöcken, die nebeneinander in einer Stellung angeordnet sind, die eine ganze Drehung um die Befestigungsmittel nicht zuläßt, sowie Befestigungsbolzen 22, 22'. Wie man aus Fig. 3 ersieht, umfaßt jeder Befestigungsbolzen 22 (oder 22') auf einer Seite ein Rechtsgewinde 24 und auf der anderen Seite ein Linksgewinde 26 sowie einen Zwischenteil 28 mit einer hexagonalen Form, was das Verklemmen der Konzentratorblöcke 20, 20' auf dem Tragblock 18 ermöglicht»^xmehrere Konzentratorblöcke, wie 20, 20', auf demselben Adapterblock 18 schwingen zu lassen, jedoch vorausgesetzt, daß die Befestigungsbolzen 22, 22' nicht den Schwingungszustand der dadurch geschaffenen kombinierten Sonotrode stören. Die Erfahrung zeigt, daß das Gewicht der Befestigungsbolzen 22, 22' Störungen im Schwingungszustand der zusammengesetzten Sonotroden bedingt, und daß die Bolzen zwangsläufig Brüchen nach einer bestimmten Betriebsdauer ausgesetzt sind. Dieser vorhersehbare Nachteil beruht darauf, daß jeder Befestigungsbolzen eine χ Dadurch ist es möglich,

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wesentliche, nicht abgestimmte Masse darstellt, die einer starken Schwingung ausgesetzt ist, da er in einem Bereich maximaler Amplitude angeordnet ist, wobei diese Masse in keinem Fall in Resonanz mit dem Schwingungssystem treten kann, da es die zusammengesetzte Sonotrode bildet.

Der Stand der Technik erlaubt folglich nicht die Bildung von zusammengesetzten Sonotroden, die im theoretischen Bereich von halben Wellenlängen arbeiten können, weil das Vorhandensein einer wesentlichen Masse, die ein Befestigungsbolzen bedingt, am Schwingungsbauch der Amplitude V des Resonanzsystems erheblich den Resonanzbereich stört und Sekundärbelastungen im Befestigungsbereich der Bolzen in dem Bereich bedingt, wo exakt das Minimum der Belas-tun· gen sein muß.

Die Erfindung befaßt sich mit der Schaffung einer zusammengesetzten Sonotrode, mit welcher die Nachteile des Stands der Technik behoben sind.

Hierzu sieht die Erfindung eine zusammengesetzte Sonotrode mit einem auf dem Emitter des Ultraschallgeräts montierte: blockartigen Adapter vor, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Sonotroden auf dem Block mittels Bolzen fixiert sind, die auf die Resonanzfrequenz des Gesamtaufbaus ab- j gestimmt sind, derart, daß der Schwingungszustand der zu-; sammengesetzten Sonotrode nicht gestört wird. j

Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfaßt ; die Sonotrode einen Adapterblock, der auf halbe Wellenlänge geschnitten ist, zwei oder mehrere Konzentratoren in Form von rechteckförmigen Blöcken, die auf halbe Wellenlänge geschnitten sind, sowie Befestigungsbolzen, die auf halbe Wellenlänge geschnitten sind, welche die Befestigung der Konzentratorblöcke und des Adapterblocks sicherstellen.

Nach Maßgabe einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung ist die zusammengesetzte Sonotrode gebildet durch einen Adapterblock, der Aufnahmen besitzt, in welchen in Höhe des Schwingungsbauchs der Amplitude Konzentratoren fixiert sind, die auf halbe Wellenlänge geschnitten sind. Bei dieser Ausführungsform sind die Abstimmbolzen wie Konzentratoren verwendet, d.h. als Sekundärsonotroden.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigen

Fig. 1 eine Ansicht seitlich von vorn und im Vertikalschnitt eines ersten Beispiels einer bekannten Sonotrode gemäß obiger Beschreibung,

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht eines zweiten Beispiels einer bekannten Sonotrode gemäß obiger Beschreibung,

Fig. 3 eine Ansicht in vergrößerter Darstellung einer Befestigungsschraube, wie sie bei der Sonotrode gemäß Fig. 2 verwendet ist,

Fig. 4 eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung sowie

Fig. 5 eine gleichfalls schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer Sonotrode nach Maßgabe der Erfindung.

Die erfindungsgemäß aufgebaute Sonotrode besitzt entsprechend Fig. 4 einen Tragblock 30, geschnitten bzw. in Abmessung mit einer Halbwellenlänge und angeordnet auf dem Emitter 12 des Ultraschallwellengeräts, sowie die Sonotroden 32, 32', die die Form von rechteckförmigen Blocken besitzen, die auf Halbwellenlänge geschnitten und nebeneinander angeordnet sind. Nach Maßgabe der Erfindung sind

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diese Sonotrodenblöcke oder Konzentratoren 32, 32' auf dem Tragblock 30 unter Zwischenschaltung von Stiftschrauben 36, 36' abgestimmt auf die Resonanzfrequenz des Gesamtaufbaus fixiert. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, besitzt jeder der Abstimmstifte, welche somit die Befestigungs- ^; stifte 22, 22'(nach der bekannten Bauweise entsprechend ι Fig. 2 und 3 ersetzen) einen auf Halbwellenlänge geschnit-¹ tenen Körper, wovon eines der Enden jeweils einen Gewinde-; abschnitt 36, 36' besitzt, der jeweils eine Befestigung der blockartigen Sekundärsonotroden oder Konzentratoren 32, 32* ermöglicht. Im Tragblock 30 sind Bohrungen 39, 39' parallel zur Achse des Blocks 30 vorgesehen, von denen jede eine Trag- bzw. Auflagefläche 41, 41" besitzt, die jeweils nahe des Schwingungsbauchs der Amplitude V des Blocks angeordnet sind, um eine Schraubbefestigung der Konzentratoren 32, 32' am Tragblock 30 zu ermöglichend Die Verriegelung kann durch einen Verriegelungsstift 38, 38' jeweils bewirkt werden oder durch andere geeignete Mittel.

In dieser kombinierten Sonotrode sind die Befestigungsbolzen oder Befestigungsstifte 34, 34¹, die .mit der Resonanzfrequenz des Gesamtaufbaus übereinstimmen, auf halbe Wellenlänge geschnitten und sie besitzen einen Schwingungsbauch der Amplitude V an jedem Ende und einen Schwin gungsknoten N genau in der Mitte. Der Schwingungsknoten Nj entspricht einem Belastungsbauch.

Ersichtlich sind sämtliche Bauteile, die nach Maßgabe der Erfindung die kombinierte Sonotrode bilden (Stützblock 3C Befestigungsbolzen 34, 34' sowie Konzentratorblöcke 32, 32') auf halbe Wellenlänge geschnitten sind. Die einziger Schwingungsbäuche der Belastung, die auftreten, sind genau in der Mitte eines jeden Elements angeordnet. Man hat somit einen perfekt abgestimmten Gesamtaufbau geschaffen und es sind keine Sekundärbeanspruchungen auf dem Niveau Befestigung mehr, d.h. in der Höhe von jeweils dem Gewin-

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deabschnitt 36, 36' der Befestigungsbolzen 34 und 34'. Aufgrund der Erfindung sind die Schwingungsbäuche der Sekundärbelastung/ die bei der bekannten Lösung gemäß Fig. 2 in Höhe des Schwingungsbauchs der Amplitude, der die Blöcke 18 und 20, 20' trennt, in die mittlere Zone der Befestigungsstifte 34, 34· verlagert, d.h. an eine Stelle, wo sie normalerweise vorhanden sein müssen. Nach Maßgabe der Erfindung wird folglich ein Befestigungssystem für Sekundärsonotröden 32, 32' geschaffen, welches nicht die Schwingungsleistung der kombinierten Sonotroden stört, wobei das wesentliche Merkmal der Erfindung darin besteht, die inaktiven Bolzen nach dem Stand der Technik, die eine rein mechanische Rolle spielen, durch auf die Resonanzfrequenz des Gesamtaufbaus der zusammengesetzten Sonotrode abgestimmte Bolzen zu ersetzen.

Die oben beschriebene Ausführungsform erlaubt die Bildung einer zusammengesetzten Sonotrode, deren Gesamtlänge gleich zwei halben Wellenlängen ist, etwa 240 mm bei einer zusammengesetzten Sonotrode aus Duraluminium, die bei einer Frequenz von 20 kHz schwingt.

Ein abgeändertes Ausführungsbexspiel der Erfindung entsprechend Fig. 5 ergibt eine zusammengesetzte Sonotrode, deren Länge kaum die halbe Wellenlänge im Falle des betrachteten Materials übersteigt.

Die aus Fig. 5 ersichtliche Sonotrode umfaßt einen Tragblock 40 mit Rechteckform, der auf dem Emitter 12 montiert ist und Aufnahmen 42, 42' aufweist, um in bekannter Weise Sonotroden oder Konzentratoren 46, 46' aufzunehmen und zwar in Höhe des Prxmarschwingungsbauchs der Amplitude.

Jeder Konzentrator 46, 46' umfaßt einen auf halbe Wellenlänge geschnittenen Körper und ein mit Gewinde versehenes Ende 44, 44' zur Befestigung im Tragblock 40.

Bei dieser Ausführungsform sind die Abstimmbolzen wie Konzentratoren verwendet, was den Vorteil besitzt, daß die aktive Fläche der Konzentratoren 46, 46' nur einige Millimeter vom Tragblock 40 vorsteht.

Claims

Patentansprüche

1., Zusammengesetzte Sonotrode zum Ultraschallschweißen, mit einem Tragblock oder Adapter, der auf einem Ultraschallgerät montiert ist, und mit Sekundärsonotroden oder Konzentratoren, die auf dem Tragblock befestigt sind, dadurch gekennzeichnet , daß die Sekundärsonotroden (32, 32¹) auf dem Adapterblock (30) mittels Bolzen (34, 34') befestigt sind, die auf die Resonanzfrequenz des Gesamtaufbaus abgestimmt sind, um den Schwingungszustand der zusammengesetzten Sonotrode nicht zu stören.

2. Sonotrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengesetzte Sonotrode einen Adapterblock (30) enthält, der auf halbe Wellenlänge geschnitten ist, zwei oder mehrere Konzentratoren (32, 32') umfaßt, die auf halbe Wellenlänge geschnitten sind, sowie Befestigungsbolzen (34, 34') beinhaltet, welche den Zusammenhalt der Konzentratorblöcke und des Adapterblocks sicher stellen.

3. Sonotrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Befestigungsbolzen (34, 34') einen auf halbe Wellenlänge geschnittenen Körper auf-

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weist und an einem seiner Enden (36, 36¹) ein Gewinde zur Befestigung der Konzentratorblöcke (3 2, 32") besitzt.

4. Sonotrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragblock oder Adapter (30) mit Aufnahmen (39, 39') parallel zu seiner Achse versehen ist, wobei jede Aufnahme mit einer Tragfläche (41, 41") in der Nähe des Schwingungsbauchs der Amplitude des Tragblocks versehen ist, um eine Schraubbefestigung der Konzentratorblöcke (32, 32') auf dem Adapterblock zu gewährleisten.

5. Sonotrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Resonanzfrequenz des Gesamtaufbaus abgestimmten Bolzen als Konzentratoren (46, 46') verwendet werden.

6. Sonotrode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode einen Adapterblock (40) aufweist, der auf dem Ultraschallgerät montiert ist, wobei der Adapterblock Aufnahmen (42, 42') enthält, in welchen die Abstimmbolzen (46, 46') montiert sind, die als Konzentratoren verwendet sind.

7. Sonotrode nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Bolzen-Konzentrator (46, 46') einen auf halbe Wellenlänge geschnittenen Körper und ein Befestigungsgewinde (44, 44") aufweist.

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