DE3329109C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sonotrode gemäß dem Oberbe­ griff von Anspruch 1. Insbesondere befaßt sich die Erfin­ dung mit Ultraschweißwerkzeugen und betrifft Verbesserun­ gen für derartige zusammengesetzte Sonotroden.

Zusammengesetzte Sonotroden sind bereits in der DE-PS 30 32 241 beschrieben. In Fig. 1 ist ein Beispiel für eine solche zusammengesetz­ te 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 Ultraschweißgeräts (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 dersel­ ben 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.

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 Bol­ zen 16 zu befestigen, 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 recht­ eckförmigen Blöcke zu schrauben, um diese auf einem Adapter 10 zu befestigen.

Zur Behebung dieser Nachteile hat man versucht, zusammen­ gesetzte Sonotroden zu schaffen, die rechteckförmige Kon­ zentratoren besitzen, die nebeneinander angeordnet sind. Eine bekannte Lösung (DE 30 32 241) ist hierbei in den Fig. 2 und 3 dar­ gestellt.

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 Zwi­ schenteil 28 mit einer hexagonalen Form, was das Verklem­ men der Konzentratorblöcke 20, 20′ auf dem Tragblock 18 ermöglicht. Dadurch ist es möglich, mehrere Konzentratorblöcke, wie 20, 20′, auf demselben Adapterblock 18 schwingen zu lassen, jedoch vorausgesetzt, daß die Befestigungsbolzen 22, 22′ nicht den Schwingungszustand der dadurch geschaffenen kombinier­ ten Sonotrode stören. Die Erfahrung zeigt, daß das Gewicht der Befestigungsbolzen 22, 22′ Störungen im Schwingungs­ zustand der zusammengesetzten Sonotroden bedingt, und daß die Bolzen zwangsläufig Brüchen nach einer bestimmten Betriebsdauer ausgesetzt sind. Dieser vorhersehbare Nach­ teil beruht darauf, daß jeder Befestigungsbolzen eine 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 Befesti­ gungsbolzen 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 Belastun­ gen sein muß.

Die Erfindung befaßt sich mit der Schaffung einer zusam­ mengesetzten 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 montierten blockartigen Adapter vor, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Sonotroden auf dem Block mittels Bolzen fixiert sind, die auf die Resonanzfrequenz des Gesamtaufbaus ab­ gestimmt sind, derart, daß der Schwingungszustand der zu­ sammengesetzten Sonotrode nicht gestört wird.

Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Sonotrode einen Adapterblock, der auf halbe Wellen­ länge geschnitten ist, zwei oder mehrere Konzentratoren in Form von rechteckförmigen Blöcken, die auf halbe Wel­ lenlänge geschnitten sind, sowie Befestigungsbolzen, die auf halbe Wellenlänge geschnitten sind, welche die Befe­ stigung der Konzentratorblöcke und des Adapterblocks si­ cherstellen.

Nach Maßgabe einer weiteren Ausführungsform 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 die­ ser Ausführungsform sind die Abstimmbolzen wie Konzentra­ toren 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 Vertikal­ schnitt eines ersten Beispiels einer bekannten Sonotrode gemäß obiger Beschreibung,

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht eines zweiten Beispiels einer bekannten Sonotrode gemäß obi­ ger 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 entspre­ chend Fig. 4 einen Tragblock 30, geschnitten bzw. in Ab­ messung mit einer Halbwellenlänge und angeordnet auf dem Emitter 12 des Ultraschallwellengeräts, sowie die Sono­ troden 32, 32′, die die Form von rechteckförmigen Blöcken besitzen, die auf Halbwellenlänge geschnitten und neben­ einander angeordnet sind. Nach Maßgabe der Erfindung sind diese Sonotrodenblöcke oder Konzentratoren 32, 32′ auf dem Tragblock 30 unter Zwischenschaltung von Stift­ schrauben 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 Fig. 2 und 3 ersetzen) einen auf Halbwellenlänge geschnit­ 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 de­ nen 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 ermöglichen. Die Verriegelung kann durch einen Verriegelungsstift 38, 38′ jeweils bewirkt werden oder durch andere geeignete Mittel.

In dieser kombinierten Sonotrode sind die Befestigungs­ bolzen oder Befestigungsstifte 34, 34′, die mit der Re­ sonanzfrequenz des Gesamtaufbaus übereinstimmen, auf hal­ be Wellenlänge geschnitten und sie besitzen einen Schwin­ gungsbauch der Amplitude V an jedem Ende und einen Schwin­ gungsknoten N genau in der Mitte. Der Schwingungsknoten N entspricht einem Belastungsbauch.

Ersichtlich sind sämtliche Bauteile, die nach Maßgabe der Erfindung die kombinierte Sonotrode bilden (Stützblock 30, Befestigungsbolzen 34, 34′ sowie Konzentratorblöcke 32, 32′) auf halbe Wellenlänge geschnitten sind. Die einzigen Schwingungsbäuche der Belastung, die auftreten, sind ge­ nau in der Mitte eines jeden Elements angeordnet. Man hat somit einen perfekt abgestimmten Gesamtaufbau geschaffen und es sind keine Sekundärbeanspruchungen auf dem Niveau der Befestigung mehr, d. h. in der Höhe von jeweils dem Gewin­ 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 Befestigungs­ system für Sekundärsonotroden 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 ei­ ner zusammengesetzten Sonotrode aus Duraluminium, die bei einer Frequenz von 20 kHz schwingt.

Ein abgeändertes Ausführungsbeispiel der Erfindung ent­ sprechend Fig. 5 ergibt eine zusammengesetzte Sonotrode, deren Länge kaum die halbe Wellenlänge im Falle des be­ trachteten Materials übersteigt.

Die aus Fig. 5 ersichtliche Sonotrode umfaßt einen Trag­ block 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 Primärschwingungsbauchs der Amplitude.

Jeder Konzentrator 46, 46′ umfaßt einen auf halbe Wellen­ länge 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 (5)

1. Zusammengesetzte Sonotrode zum Ultraschallschweißen, mit Tragblock oder Adapter, der auf einem Ultraschallgerät montiert ist und mit Sekundärsonotroden oder Konzentrato­ ren, die auf dem Adapterblock mittels Bolzen befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengesetzte So­ notrode einen Adapterblock (30) enthält, der auf halbe Wellenlänge geschnitten ist, zwei oder mehrere Konzentra­ toren (32, 32′) umfaßt, die auf halbe Wellenlänge ge­ schnitten sind, sowie Befestigungsbolzen (34, 34′) bein­ haltet, die auf halbe Wellenlänge geschnitten sind, welche den Zusammenhalt der Konzentratorblöcke (32, 32′) und des Adapterblocks (30) sicherstellen, sowie daß jeder Befesti­ gungsbolzen (34, 34′) einen auf halbe Wellenlänge ge­ schnittenen Körper aufweist und an einem seiner Enden (36, 36′) ein Gewinde zur Befestigung der Konzentratorblöcke (32, 32′) besitzt.

2. Sonotrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragblock oder Adapter (30) mit Aufnahmen (39, 39′) paral­ lel zu seiner Achse versehen ist, wobei jede Aufnahme mit einer Tragfläche (41, 41′) in der Nähe des Schwingungs­ bauchs der Amplitude des Tragblocks versehen ist, um eine Schraubbefestigung der Konzentratorblöcke (32, 32′) auf dem Adapterblock zu gewährleisten.

3. Sonotrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Resonanzfrequenz des Gesamtaufbaus abgestimmten Bolzen als Konzentratoren (46, 46′) eingesetzt sind.

4. Sonotrode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode einen Adapterblock (40) aufweist, der auf dem Ultraschallgerät montiert ist, wobei der Adapterblock Auf­ nahmen (42, 42′) enthält, in welchen die Abstimmbolzen (46, 46′) montiert sind, die als Konzentratoren eingesetzt sind.

5. Sonotrode nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Bolzen-Konzentrator (46, 46′) einen auf halbe Wellenlänge geschnittenen Körper und ein Befestigungsge­ winde (44, 44′) aufweist.