DE3406062A1

DE3406062A1 - Verbundsonotrode

Info

Publication number: DE3406062A1
Application number: DE19843406062
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Bonne Scotto
Original assignee: Mecasonic SA
Current assignee: Mecasonic SA
Priority date: 1983-02-23
Filing date: 1984-02-20
Publication date: 1984-10-04
Also published as: DE3329109C2; FR2541159A1; US4582239A; FR2541159B1; DE3329109A1

Description

Ι'ΛΊΊ'ΛΊ'ΛΝΛΧ.νΐ/Π·;

MECASONIC S.A. MEC-I

Boxte Postale n° 218
Z.I., Ville-La-Grand
F-74104 Annemasse Cedex

Verbundsonotrode

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Ultraschallschweißwerkzeug, nämlich eine Sonotrode, und zwar insbesondere Verbesserungen an einer aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzten Verbundsonotrode.

Solche Verbundsonotroden sind beispielsweise aus den Patentschriften US 28 642 E und FR 73 12 673 B1 der Anmelderin bekannt. Eine Verbundsonotrode der aus diesem Stand der Technik bekannten Art ist in der Figur 1 dargestellt.

BER6bTRAb'..E 4O'/i ■ D-ÜO35 MÜNCHEN UAUTlN<_. TELEPHON: (ObO) U5OCJO3O · TELEX. 6'JI 777 isur d

Die in der Figur 1 gezeigte Verbundsonotrode besteht im wesentlichen aus den folgenden Elementen: Einem Trägerblock 10, der auf eine halbe Wellenlänge der Nennfrequenz des Emitters 12 des Ultraschallgenerators abgestimmt ist, dessen Frequenzen gebräuchlicherweise im Größenordnungsbereich von 20 bis 40 kHz gewählt werden; mehreren Konzentratoren 14, den eigentlichen Arbeitssonotroden, von denen jede ebenso wie der Trägerblock 10 bei gleicher Frequenz auf die halbe Wellenlänge bemessen bzw. zugeschnitten ist; und aus Zapfen 16 zur Befestigung der Konzentratoren 14 am Trägerblock

Die in dieser Weise aufgebaute Verbundsonotrode bildet ein aus zwei Halbwellenlängentexlen bestehendes System. Dabei ist in der Figur 1 die Lage der Wellenbäuche mit V und die Lage der Wellenknoten mit N angedeutet. Durch dieses bekannte System der Verbundsonotroden kann am Kopf der Arbeitssonotrode bzw. des Konzentrators 14 eine beachtliche Energiekonzentration erzielt und anschließend auf den Schweißbereich der miteinander zu verbindenden Werkstücke übertragen werden.

Nachteilig an der bekannten Verbundsonotrode ist, daß sie nur für Anwendungsfälle realisierbar ist, bei denen die Konzentratoren 14 am Trägerblock 10 durch Schraubzapfen 16 befestigt werden können, also für Konfigurationen, bei denen die Konzentratoren ohne einander zu behindern gedreht werden können. So ist es beispielsweise mit der bekannten Konstruktion nicht möglich, eine Verbundsonotrode zu verwirklichen, bei der zwei unmittelbar nebeneinander—liegende quaderförmige Arbeitssonotroden an ein und demselben Trägerblock 10 befestigt sind, da zwei solche quaderförmigen Arbeitssonotroden zur Herstellung der Schraubverbindung nicht gegeneinander verdreht werden können.

Um diese Schwierigkeit bei der Herstellung von Verbundsonotroden mit dicht nebeneinander-liegenden quaderförmigen Kon-

zentratoren zu beheben, ist aus dem Stand der. Technik ebenfalls bereits die in den Figuren 2 und 3 dargestellte Lösung bekannt.

Die in der Figur 2 dargestellte Verbundsonotrode mit guaderförmigen Konzentratoren besteht in der dargestellten Weise im wesentlichen aus einem auf die halbe Wellenlänge geschnittenen Trägerblock 18, mindestens zwei Seite an Seite angeordneten quaderförmigen Konzentratoren 20, 20', wobei diese Konzentratoren in der Weise nebeneinanderliegend angeordnet sind, daß sie um eine Befestigungsachse zum Trägerblock 18 nicht mehr drehbar sind, und aus Schraubzapfen 22, 22". In der aus Figur 3 ersichtlichen Weise weist jeder dieser Schraubzapfen 22 (bzw. 22') auf einer Seite ein Rechtsgewinde 24 und auf der gegenüberliegenden Seite ein Linksgewinde 26 und in der Mitte zwischen beiden Gewinden einen Sechskantflansch 28 auf, der ein Verschrauben der quaderförmigen Konzentratoren 20, 20' am Trägerblock 18 ermöglicht.

Dank dieser konstruktiven Lösung können tatsächlich mehrere quaderförmige Konzentratoren 20, 20' über ein und denselben Adapter oder Trägerblock 18 mit Schwingungsenergie beaufschlagt werden, jedoch nur unter der bedingenden Voraussetzung, daß die Schraubzapfen 22, 22' den Schwingungszustand der so verwirklichten Verbundsonotrode nicht stören. Die praktische Erfahrung hat jedoch gelehrt, daß die Masse solcher Verbindungsschraubzapfen 22, 22' tatsächlich doch Störungen im Schwingungszustand solcher Verbundsonotroden erzeugt. Dies führt letztlich nach begrenzter Lebensdauer unvermeidbar zum Bruch der Zapfen. Dieses vorhersehbare Verhalten einer solcherart aufgebauten Verbundsonotrode ist auf die nicht mehr zu vernachlässigende Masse jedes einzelnen Schraubzapfens zurückzuführen, die nicht auf das Schwingungssystem abgestimmt ist und dennoch einer durchaus intensiven Schwingungsbelastung ausgesetzt ist, da sich ja die Schraubzapfen im Wellenbauch, also im

- T-

Bereich der stehenden Amplitude, befinden und. die Zapfenmasse mit dem Schwingungssystem der Verbundsonotrode nicht in Resonanz treten kann.

Mit diesem bekannten Stand der Technik läßt sich also tatsächlich keine wirklich arbeitsfähige Verbundsonotrode der hier in Rede stehenden Art mit Halbwellenbetrieb verwirklichen, da durch das Vorliegen durchaus signifikanter Massen, die durch die Schraubzapfen eingeführt werden und die im Wellenbauch V des Systems schwingen, nicht mehr zu vernachlässigende Störungen in das Schwingungssystem eingeführt werden, die im Bereich der Zapfenbefestigungen zu signifikanten Sekundärbelastungen führen, wobei doch gerade in diesem Bereich die schwingungsmechanische Belastung so gering wie möglich gehalten werden sollte.

Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Verbundsonotrode der vorstehend beschriebenen Art, insbesondere mit mindestens zwei relativ dicht nebeneinanderliegenden quaderförmigen Konzentratoren, zu schaffen, die die vorstehend beschriebenen Nachteile nicht aufweist, insbesondere keine Zapfenmassen benötigt, die im Wellenbauch zu signifikanten Störschwingungen Anlaß geben.

Diese Aufgabe wird durch eine Verbundsonotrode der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art gelöst, die die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale aufweist.

Gegenstand der Erfindung ist also eine Verbundsonotrode aus einem Adapterblock oder Trägerblock, der auf dem Emitter des Ultraschallgenerators befestigt ist, wobei die Verbundsonotrode erfindungswesentlich dadurch gekennzeichnet ist, daß die einzelnen Arbeitssonotroden oder Konzentratoren am Trägerblock mit Schraubzapfen befestigt sind, deren Eigenfrequenz auf die Resonanzfrequenz des Schwingungssystems abgestimmt

sind, so daß sie den Schwingungszustand der Verbundsonotrode insgesamt nicht mehr störend beeinflussen.

Nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht die Verbundsonotrode aus einem Adapterblock oder Trägerblock mit Halbwellenlängen-Zuschnitt, zwei oder mehreren quaderförmigen Konzentratoren mit ebenfalls Halbwellenlängenabmessungen und Verbundzapfen, die ebenfalls auf Halbwellenlängenmaß geschnitten sind, und eine Befestigung der Konzentratorenblocks am Adapterblock gewährleisten.

Nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht die Verbundsonotrode aus einem Adapterblock, der Ausnehmungen aufweist, in denen die Halbwellenlängenkonzentratoren befestigt sind, und zwar auf dem Niveau des Wellenbauchs. Bei dieser Ausgestaltung werden vorzugsweise die abgestimmten Verbindungszapfen selbst als Konzentratoren, das heißt als Sekundärsonotroden, benutzt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in Verbindung mit Ausführungsbeispielen der Erfindung im folgenden in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in Seitensicht und teilweise weggebrochen im Axialschnitt eine Verbundsonotrode nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 in schematischer Darstellung und in Seitensicht eine zweite, ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannte Verbundsonotrode;

Fig. 3 in vergrößerter Darstellung und in Seitensicht einen Befestigungsschraubzapfen wie er in der Verbundsonotrode gemäß Figur 2 verwendet ist;

Fig. 4 in schematischer Darstellung und in Seitensicht ein erstes Ausführungsbeispiel der Sonotrode nach der Erfindung; und

Fig. 5 ebenfalls in schematischer Darstellung und

in Seitensicht ein zweites Ausführungsbeispiel einer Verbundsonotrode gemäß der Erfindung.

Bei dem in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel der Verbundsonotrode gemäß der Erfindung ist ein Adapter- oder Trägerblock 30, der auf Halbwellenlängenabmessungen zugeschnitten ist, auf einem Emitter 12 eines Ultraschallgenerators befestigt. Arbeitssonotroden 32, 32' sind quaderförmig ausgebildet und auf Halbwellenlängenabmessungen zurechtgeschnitten und nebeneinanderliegend angeordnet. Die Arbeitssonotrodenquader bzw. Konzentratoren 32, 32' sind erfindungsgemäß am Trägerblock 30 mittels Schraubzapfen 36, 36' befestigt, die auf die Resonanzfrequenz des Gesamtschwingungssystems, also der gesamten Verbundsonotrode, abgestimmt sind.

Wie der Figur 4 weiterhin zu entnehmen ist, besteht jeder der abgestimmten Zapfen der Verbundsonotrode, die die Befestigungszapfen 22, 22" gemäß dem in den Figuren 2 und 3 gezeigten Stand der Technik ersetzen, aus einem Halbwellenlängenkörper, der an einem seiner beiden axialen Enden einen Gewindeabschnitt 36 bzw. 36' trägt, mit dem Sekundärsonotrodenblöcke bzw. Konzentratoren 32, 32' am Adapterblock bzw. Trägerblock 30 befestigt sind. Parallel zur Normalen des Trägerblocks 30 sind Bohrungen 39, 39' im Block ausgebildet, in denen je eine ringförmige Anschlagschulter 41, 41' eingearbeitet sind, und die im Bereich des Wellenbauchs V des Blocks liegen. Diese Anschlagschultern ermöglichen die Herstellung einer Schraubverbindung zwischen den Konzentratoren 32, 32' und dem Trägerblock 30. Das Festziehen dieser Schraubzapfen kann dabei über Bohrungen 38, 38' erfolgen, die den Ansatz eines geeigneten Werkzeugs

ermöglichen, oder in an sich bekannter äquivalenter Weise.

In dieser Verbundsonotrode sind die Stifte oder Befestigungszapfen 34, 34', die auf die Resonanzfrequenz des Verbundsystems abgestimmt sind, auf Halbwellenlänge abgelenkt und weisen einen Wellenbauch an jeder ihrer beiden axialen Enden auf und einen Wellenknoten, der zumindest im wesentlichen in der Mitte zwischen den beiden axialen Enden des Zapfens liegt. In diesem Wellenknoten N liegt die Amplitude der Spannungsbelastung.

Zu beachten ist, daß bei der Verbundsonotrode gemäß der Erfindung sämtliche Bauteile oder Elemente, nämlich der Trägerblock 30, die Befestigungszapfen 34, 34' und die quaderförmigen Konzentratoren 32, 32' auf die Halbwellenlänge dimensioniert sind. Die einzigen in dieser Konfiguration auftretenden Spannungsmaxima liegen zumindest im wesentlichen in der Mitte jedes dieser Bauteile. Diese Anordnung verwirklicht ein perfekt abgestimmtes Verbundsystem, in dem auf den Niveaus der Befestigungspunkte keinerlei Sekundärspannungen existieren. In der Verbundsonotrode gemäß der Erfindung treten also in den Gewindeabschnitten 36, 36' der Befestigungszapfen 34 und 34' keinerlei durch Schwingungsstörungen verursachte Sekundärspannungen auf. Durch die Erfindung sind die Sekundärspannungsamplituden, die bei dem in der Figur 2 gezeigten Stand der Technik auf dem Niveau des Wellenbauchs zwischen den Blocks 18 und 20, 20' liegen, in den Mittelabschnitt der Befestigungszapfen 34, 34' verlegt, also in einen Bereich, in dem solche Belastungen normalerweise auftreten sollen bzw. aufgenommen werden sollen. Mit anderen Worten, die Erfindung schafft also ein System zur Befestigung von Sekundärsonotroden 32, 32', das den Schwingungszustand der gesamten Verbundsonotrode nicht mehr stört, wobei das erfindungswesentliche Merkmal zur Erzielung dieses Ergebnisses darin liegt, daß die lediglich eine rein mechanische Rolle spielenden inert Verbund-

zapfen nach dem Stand der Technik durch Gewindezapfen ersetzt werden, die auf die Resonanzfrequenz der gesaraten Verbundsonotrode abgestimmt sind.

Durch diese Konfiguration kann eine Verbundsonotrode mit einer Gesamtbaulänge verwirklicht werden, die gleich zwei halben Arbeitswellenlängen ist, also beispielsweise für eine Verbundsonotrode aus Hartaluminium bei einer Frequenz von 20 kHz im Bereich von 240 mm liegt.

Bei dem in Figur 5 gezeigten Ausführungsbeispxel der Erfindung kann sogar eine Verbundsonotrode verwirklicht werden, deren Bauhöhe beispielsweise bei dem genannten Werkstoff kaum die halbe Wellenlänge zu übersteigen braucht.

Die in Figur 5 gezeigte Verbundsonotrode besteht aus einem quaderförmigen Trägerblock 40, der auf dem Emitter 12 gehaltert ist und in dem Ausnehmungen 42, 42' in der Weise ausgebildet sind, daß sie Arbeitssonotroden oder Konzentratoren 46, 46' auf der Höhe des Primärwellenbauches aufnehmen können.

Jeder der Konzentratoren 46, 46' besteht aus einem Korpus, der auf die halbe Wellenlänge abgelängt ist, und einem mit einem Gewinde versehenen Ende 44, 44', mit dem der Konzentrator am Trägerblock 40 durch Einschrauben befestigt werden kann.

Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung dienen die abgestimmten Befestigungszapfen gleichzeitig als Konzentratoren, wodurch der Vorteil erhalten wird, daß die Arbeitsoberflächen der Konzentratoren 46, 46' nicht mehr als nur einige Millimeter aus dem Trägerblock 40 herausragen.

Weitere Abänderungen der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele können vom Fachmann im Rahmen seiner Erkenntnisse ohne weiteres selbst vorgenommen werden, ohne dabei den Rahmen der Erfindung zu vorlassen.

Claims

I »ΛΤ13ΝΤΛΝ WALTI3 -_

NACHCV. LEICHT

MECASONIC S.A. MEC-1

Boite Postale n° 218
Z.I., Ville-La-Grand
F-74104 Annemasse Cedex

Verbundsonotrode

Patentansprüche

Verbundsonotrode für ein ültraschallschweißgerät mit einem Trägerblock oder Adapter, der auf einem Ultraschallgenerator gehaltert ist, und Sekundärsonotroden oder Konzentratoren, die auf dem Trägerblock befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärsonotroden (32, 32') an dem Trägerblock (30) mittels Zapfen (34, 34') befestigt sind, die auf die Resonanzfrequenz der Verbundstruktur abgestimmt sind, um keine Störungen in den Schwingungszustand der Verbundsonotrode einzuführen.

BEnQSTRASSE 48'fl · D-0030 MÜNCHEN-GAUTINQ TELEPHONl (08S) 8009030 · TELEX: 691777 laar d
2. Verbundsonotrode nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Verbun'dsonotrode aus einem Adapterblock (30), dessen Länge gleich der halben Arbeitswellenlänge ist, mindestens zwei Konzentratoren (32, 32') die ebenfalls auf die halbe Arbeitswellenlänge abgelängt sind, und zwei Befestigungszapfen (34, 34') mit einer Länge, die ebenfalls der halben Arbeitswellenlänge entspricht, besteht, wobei die Befestigungszapfen eine feste Halterung und Verbindung der Konzentratorblöcke mit dem Adapterblock gewährleisten.
3. Verbundsonotrode nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Befestigungszapfen (34, 34") aus einem Hauptschaft mit der Länge einer halben Arbeitswellenlänge besteht, der an einem seiner Enden (36, 36') einen Außengewindezapfen zur Befestigung der Konzentratorblöcke (32, 32') trägt.
4. Verbundsonotrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerblock oder Adapterblock (30) parallel zu seiner Achse ausgerichtete Ausnehmungen (39, 39') aufweist, von denen jede einen Anschlag (41, 41·) im Bereich des Wellenbauchs des Trägerblocks aufweist, wobei dieser Anschlag als Widerlager für eine feste Verschraubung der Konzentratorblöcke (32, 32') am Adapterblock dient.
5. Verbundsonotrode nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Resonanzfrequenz der Verbundstruktur abgestimmten Verbindungszapfen selbst als Konzentratoren (46, 46') dienen·
6. Sonotrode nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet , daß sie aus einem Adapterblock (40) besteht, der mit dem Ultraschallgenerator verbunden ist_rund Ausnehmungen (42, 42') aufweist, in denen die frequenzabgestimmten und als Konzentratoren dienenden Zapfen (46, 46') gehaltert sind.
7. Verbundsonotrode nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Konzentratorzapfen (46, 46') aus einem Schafthauptabschnitt _f dessen Länge gleich der halben Arbeitswellenlänge ist, und einem der Befestigung des Zapfens dienenden Gewindezapfen (44, 44') besteht.