DE3411933A1 - Stabilisierte ultraschall-schweissvorrichtung - Google Patents

Description

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BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine stabilisierte Ultraschallklemmrohr-Schweißvorrichtung (wedge-reed welding apparatus), genauer gesagt eine Vorrichtung, bei der das Vibrationsrohr durch eine stabilisierende Einrichtung an seinem Knotenpunkt gelagert oder in anderer Weise stabilisiert ist, um zu verhindern, daß sich das Rohr während des Schweißvorganges um ein beträchtliches Ausmaß durchbiegt. Die Vorrichtung umfaßt ferner ein Klemmsystem, mit dem die Werkstücke vor dem SchweißVorgang und während desselben festgeklemmt werden können, um eine Bewegung oder ein Verdrehen der Werkstücke während des Schweißvorganges zu verhindern.

Punktschweißverfahren mittels Ultraschallschwingungen zum Verbinden von zwei oder mehreren ähnlichen bzw. unähnlichen Materialien finden seit einer Reihe von Jahren Anwendung. Bis in die jüngste Vergangenheit war dieses Verfahren jedoch auf thermoplastische Kunststoffe, vliesartige Materialien und Metall begrenzt, bei denen Festigkeit und Integrität keine besondere Rolle spielten. Diese Begrenzungen beruhten in großem Maße auf den mit den eingesetzten Ultraschall-Schweißverfahren verbundenen Problemen, da sich die meisten dieser Verfahren noch im Prototypstadium befanden. In den Fällen, in denen die Festigkeit und die Integrität der Schweißverbindungen eine Rolle spielten, d.h. beim Verbinden von Flugzeugbauelementen etc., fanden Widerstandspunkt-Schweißverfahren Anwendung.

Ultraschall-Punktschweißverfahren haben jedoch in neuerer Zeit große Möglichkeiten für eine verbesserte Montage von Metallblechen unter reduzierten Kosten

im Vergleich zu Widerstands-Punktschweißverfahren und Klebetechniken aufgezeigt. Frühe Untersuchungen haben bewiesen, daß unter Einsatz von Prototypen von Ultraschall-Schweißgeräten, beispielsweise einem Sonobond M-8000 Ultraschall-Schweißgerät, durchgeführte Schweißverbindungen solchen Schweißverbindungen überlegen waren, bei denen herkömmliche Widerstands-Punktschweißverfahren Anwendung fanden. Diese frühen Versuche ließen ferner erkennen, daß für nahezu jede Materialkombination eine mittels Ultraschall erzeugte Punktschweißverbindung eine Streckgrenze besitzt, die mehr als 2,5 mal so hoch ist wie die einer Schweißverbindung, die mit einem Widerstands-Punktschweißverfahren erzeugt worden ist. Weitere Untersuchungen haben gezeigt, daß mit Ultraschall erzeugte Punktschweißverbindüngen mit einem Aufwand an Zeit und Kosten durchgeführt werden können, der gegenüber herkömmlichen Klebetechniken eine Ersparnis von 75 % mit sich bringt. Bis heute war es jedoch nicht möglich, Ultraschall-Punktschweißverfahren für große Metallteile in der Produktion einzusetzen, da diese Verfahren mit zahlreichen Problemen verbunden s ind.

Bei einem Ultraschall-Schweißverfahren handelt es sich um eine metallurgische Verbindungstechnik, bei der Hochfrequenzschwingungen Anwendung finden, um die Oberflächenfilme und Oxide zu zerbrechen, so daß auf diese Weise die Diffusion zwischen den Atomen und der plastische Fluß zwischen den in Kontakt stehenden Oberflächen gefördert wird, ohne daß die Materialien schmelzen. Kurz gesagt werden bei dem Ultraschall-Schweißverfahren die miteinander zu verschweißenden Werkstücke unter einem relativ geringen Druck zwischen

der Schweißspitze und einem Amboß aneinander geklemmt oder in anderer Weise aneinander befestigt, wonach über eine relativ kurze Zeitdauer, d.h. vom Bruchteil einer Sekunde bis zu einer Reihe von Sekunden, Hochfrequenzenergie in die Werkstücke eingeführt wird. In vielen Fällen werden die aneinander zu schweißenden Werkstücke auch miteinander verklebt, indem ein Klebemittel zwischen die aneinander liegenden Werkstücke eingeführt wird, bevor der SchweißVorgang durchgeführt wird, was zu einer bruchfesten Verbindung mit überlegenen statischen und Ermüdungseigenschaften führt.

Ein Ausführungsbeispiel eines Ultraschall-Punktschweißgerätes, das insbesondere für metallische Werkstücke geeignet ist, ist das von der Firma Sonobond Corporation, West Chester, PA vertriebene Sonobond Model M-8000 Ultraschall-Punktschweißgerät. Dieses Schweißgerät umfaßt einen transistorisierten Festkörperfrequenzumformer, der die übliche elektrische Netzfrequenz von 60 Hz auf 15-40 kHz umformt und die Ausgangssignale verstärkt. Der auf diese Weise erhaltene hochfrequente elektrische Strom wird durch ein Kabel mit geringem Gewicht einem Wandler im Schweißkopf zugeführt, indem er in Vibrationsenergie der gleichen Frequenz umgewandelt wird. Diese Vibrationsenergie wird daraufhin über ein akustisches Kupplungssystem der Schweißspitze zugeführt und danach über die Schweißspitze in die Werkstücke hinein und durch diese hindurch, wobei durch die eingeführte Vibrationsenergie die Schweißverbindung zustandekoinmt.

Dieses Sonobond M-8000 Ultraschall-Punktschweißgerät umfaßt ein blattförmig ausgebildetes Wandlerkupplungs-

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system, das lat arale Schwingungen auf ein daran befestigtes senkrechtes Rohrelement überträgt, so daß die Schweißspitze am oberen Ende des Rohrelementes Schervibrationen auf die Oberfläche der Werkstücke überträgt. Der Wandler umfaßt piezoelektrische Elemente aus Keramik, die in einer Spannungsgehäuseeinheit untergebracht sind, und arbeitet mit einer Nennfrequenz von 15 kHz. Ein Festkörperfrequenzumformer mit einem transistorisierten Hybrideverstärker (hybrid junction amplifier) versorgt das Schweißgerät mit Energie. Der Frequenzumformer arbeitet bei einer Nennfrequenz von 15 kHz mit einer Ausgangsleistung, die bis hinauf auf etwa 4.000 RMS RF Watt variierbar ist. Das Schweißgerät kann auf eine genaue Betriebsfrequenz abgestimmt werden. Der Frequenzumformer umfaßt eine Breitband RF Strommeßschaltung, die den Ausgangsstrom abtastet und auf dem Prinzip einer bidirectionalen Kopplung in einer Übertragungsleitung den Vorwärtsstrom und den Laststrom ermittelt. Das Signal wird elektronisch verarbeitet, um echte RMS-Werte zur Verfügung zu stellen, die wahlweise entweder als Vorwärtsstrom oder Laststrom auf einem LED-Paneel angezeigt werden. Bei dem Vorwärtsstrom handelt es sich um den vom Frequenzumformer an den Wandler im Schweißkopf abgegebenen Strom, während der Laststrom den in der Arbeitezone akustisch absorbierten Antriebsstrom des Wandlers darstellt. Die Differenz zwischen den beiden Ablesungen ist die vom Lastimpedanzversatz induzierte reflektierte Energie, die während des SchweißVorganges durch Impedanzanpassungstechniken auf ein Minimum gebracht wird.

Bei frühen Versuchen zum Schweißen von Aluminium-Legierungen unter Verwendung von Ultraschallschweißprototypen wurde festgestellt, daß insbesondere in bezug

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auf die Relativbewegung der miteinander zu verschweißenden Werkstücke Probleme auftreten, indem sich die Werkstücke von der Schweißzone wegbewegen und indem die Schweißspitze dazu neigt, während des Verlaufes des Schweißzyklus zu wandern oder sich in anderer Weise seitlich oder horizontal zu bewegen. Natürlich führen diese Vorgänge zu unerwünschten Gegebenheiten, da es hierdurch nahezu unmöglich wird, den Schweißpunkt genau festzulegen. Es wurde festgestellt, daß diese Vorgänge infolge einer instabilen Situation auftreten, die sich während des SchweißVorganges ausbildet. Durch Reibung und den Klemmvorgang wird auf den genoppten Zwischenflächen Wärme erzeugt. Diese Wärmeenergie reicht aus,um zu einer örtlichen Expansion der Werkstücke und zur Erzeugung eines "thermischen Kegels" zu führen, auf dem die Schweißspitze, der Amboß und die Werkstücke in unstabiler Weise aufsitzen. Durch die Querschwingungen werden die aufsitzenden Elemente voneinander weggestoßen, so daß sie den "thermischen Kegel" heruntergleiten, was zu einer Verdrehung der Werkstücke, einem Ausstoß der Werkstücke oder einem Wandern der Schweißspitze führt. Ein Wandern der Schweißspitze wurde nur nach Verwendung von Klemmen festgestellt, mit denen die Werkstücke gegenüber Verdrehungen oder einem Wegstoßen aus dem Arbeitsbereich gesichert wurden. Wenn die Schweiß spitze vom thermischen Kegel wegwandert,, läßt sie die Stelle der höchsten Temperatur zurück, die naturgemäß die Festigkeit der Schweißverbindung erhöht hätte. Somit wird durch ein Auswandern der Spitze die wirksame Schweißenergie gestreut, was zu einer Herabsetzung der Festigkeit der Schweißverbindung führt. Es wurde festgestellt, daß dann, wenn die

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Schweißspitze nicht wandert und in einer stabilen Lage auf dem an der Schweißstelle erzeugten thermischen Kegel verbleibt, die gesamte entstehende Reibungsenergie der Schweißspitze auf einen Punkt konzentriert wird, so daß die Festigkeit der Schweißverbindung verbessert wird.

Bei einem Versuch zur Reduktion der Werkstückbewegungen und zur Erzeugung von festen starken Schweißverbindungen wurde es als erforderlich angesehen, ain Klemmsystem am Schweißpunkt oder in der Nähe desselben einzusetzen, um die Werkstücke fest aneinander zu drücken und eine Bewegung bzw. ein Verdrehen derselben infolge der während des Schweißvorganges erzeugten großen Kräfte zu verhindern. Ferner müssen die aus dem Arbeitsbereich resultierenden mechanischen Wellen und Kräfte so unter Kontrolle gehalten werden, daß sie nicht zu groß werden, um die vom Schweißpunkt entfernten Werkstückbereiche zu beschädigen. Das Fehlen einer derartigen Kontrolle über diese Kräfte hat bei den in der Vergangenheit durchgeführten Schweißverbindungen, anderen Verbindungen bzw. mechanischen Befestigungen zu einem gewissen Grad an Unsicherheit in bezug auf die Integrität der Verbindungen bzw. die Spannungskonzentrationen geführt.

Der Einsatz von üblichen Schraubenförmigen C-Klemmen und federbelasteten Klemmen in einem Klemmsystem zum Zusammenhalten der Werkstücke während des Schweißvorganges hat sich als nichtgeeignet erwiesen, da derartige Klemmen dazu neigen, Bewegungen auszuführen und/oder sich in die Werkstücke einzugraben.

Modifiktionen, die an dem von der Firma Sonobond

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Corporation gelieferten Ultraschall-Schweißgerät, durchgeführt wurden, betrafen ein Klemmsystemi, das eine obere Klemmeinheit, die an der Rohrbasis befestigt wurde, und eine untere Klemmeinheit umfaßte, welche an einem beweglichen Element befestigt wurde, das von an der Amboßbasis befestigten Hydraulikzylindern angetrieben wurde. Hierbei wurden die Reaktionskräfte der Klemmkräfte durch den Maschinenrahmen abgetragen. In der oberen Klemme war eine Schraube vorgesehen, um eine Verstellung der Klemmenebene relativ zu den Ebenen des oberen Werkstückes und der Schweißspitze zu ermöglichen. Eine derartige Verstellung erwies sich jedoch als ungeeignet, da der Werkstückklemmenständer und der Rohr-Amboß-Ständer in unterschiedlicher Weise während des Schweißvorganges auf Druck beansprucht wurden, so daß die anfängliche Einstellung der Ebenen der dynamischen Situation bei einer Vertikalverschiebung der Ebenen nicht gerecht wurde« Um eine gute Ultraschall-Schweißverbindung zu erzielen, mußten ferner die Schweißspitze und/oder der Amboß in die Werkstücke eindringen, was eine Verschiebung der Ebene der Schweißspitze zur Klemme hin erforderlich machte, was bei diesem Klemmsystem nicht verwirklicht werden konnte. Eine elastische Verformung des Werkstückes ist erforderlich, um eine derartige Verschiebung aufzunehmen oder eine anfängliche Fehllage der Spitze zu kompensieren, damit diese während des Schweißvorganges in das Werkstück eindringen kann. Die erforderliche elastische Verformung der Werkstücke vor oder nach dem SchweißVorgang kann in einfacher Weise erreicht werden, wenn die um die Schweißspitze herum angeordneten Klemmen breit genug sind, um eine geringfügige Durchbiegung zu gestatten. Wenn jedoch die Klemmen enger zusammenbewegt werden und eine

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Fehllage zwischen den Ebenen existiert, werden beträchtliche Scherkräfte zwischen der Schweißspitze, dem Amboß und den Klemmen übertragen. Diese Kräfte können zu ernsthaften Verformungen bzw. Verdrehungen der Werkstücke führen / oder den Schweißvorgang verhindern, indem für den Durchtritt der Ultraschallenergie von der Schweißspitze eine bevorzugte Bahn zur Verfügung gestellt wird. Ein derartiges Klemmsystem hat sich daher für engbenachbarte Klemmen, die bei .komplex ausgebildeten Einheiten erforderlich sind, als in der Praxis nicht geeignet erwiesen.

Wenn Klemmen vorhanden sind, wurde ferner festgestellt, daß das Vibrationsrohr an einem Knotenpunkt gelagert werden muß, um das Rohr und seine Schweißspitze an einer beträchtlichen Durchbiegung aus einer Normalstellung zu hindern, wenn die Echweißspitze in Kontakt mit den Werkstücken gebracht wird. Durch Auswahl des entsprechenden Knotenpunktes wird verhindert, daß sich die Lagerung auf die Zufuhr der Ultraschallenergie von dem daran befestigten Wandler auf die Rohreinheit und dann in das Werkstück an der Schweißspitze nachteilig auswirkt. Die Verwendung eines Lagers zur Stabilisierung des Vibrationsrohres hindert die Schweißspitze an einem Auswandern oder an einer Verschiebung gegenüber ihrer anfänglichen Klemmlage, so daß die Ultraschallenergie in konstanter Weiee auf einen einzigen Punkt konzentriert werden kann, was zu einer wirksameren Nutzung der entsprechenden Energie führt. Die Stabilisierung des Rohres trägt ferner zu einer sauberen Anwendung der Ultraschallenergie bei, indem mechanisches Rauschen, das durch ein ruckendes Gleiten in der Schweißzone verursacht

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wird, beträchtlich reduziert wird. Bei einer derartigen ruckenden Gleitbewegung handelt es sich um eine große Momentanbewegung, die beispielsweise auftreten kann, wenn die Spitze auswandert und dann zurückfedert. Dieses Rauschen wird durch Kennlinienaufzeichnung der Spannung im piezoelektrischen Wandler gelöscht. Ohne stabilisierende Lagerung des Vibrationsrohres ist das Oszillogramm so verrauscht, daß die 15 Kc zyklischen Wellen nicht erfaßt werden können. Mit Lagerung verschwindet das Rauschen, so daß ein sauberes 15 Kc-Signal auftritt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschall-Schweißvorrichtung zu schaffen, die Einrichtungen aufweist, welche eine Durchbiegung bzw. Ablenkung des Vibrationselementes bzw. Vibrationsrohres und der entsprechenden Schweißspitze während des Schweißvorganges verhindern.

Die Erfindung bezweckt ferner die Schaffung einer Vorrichtung, bei der ein Lager an einem Knotenpunkt am Vibrationselement der Vorrichtung vorgesehen ist.

Ferner soll durch die Erfindung eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden, die ein Klemmsystem an oder in der Nähe der zu schweißenden Stelle aufweist, um eine Bewegung oder ein Verdrehen der Werkstücke während des Schweißvorganges zu verhindern.

Schließlich soll durch die Erfindung ein Klemmsystem geschaffen werden, das unabhängig von einem stationären Schweißrahmen und schwenkbar an diesem gelagert ist.

Zusammengefaßt betrifft die Erfindung eine Ultra-

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schall-Schweißvorrichtung, die ein Vibrationselement bzw. Vibrationsrohr mit einer Schweißspitze und einem komplementär ausgebildeten Amboß aufweist, welche Elemente an einem stationären Rahmen montiert sind, der eine Engstelle bildet, in die die Werkstücke zur Durchführung des Schweißvorganges eingeführt werden können. Das Vibrationselement bzw. Vibrationsrohr kann über seine Schweißspitze Vibrationsenergie hoher Frequenz in einer Größenordnung in die Werkstücke hinein und durch diese hindurchführen, die ausreichend ist, um eine Schweißverbindung herzustellen. Die Vorrichtung umfaßt ferner eine Stabilisierungseinrichtung für das Vibrationselement, die dieses an seinem Knotenpunkt lagert und stabilisiert, sowie Klemmeinrichtungen, die in unabhängiger Weise an einem Klemmrahmen montiert und schwenkbar an oder durch den stationären Rahmen gelagert sind, um die Werkstücke festzuklemmen und damit eine Bewegung und / oder ein Verdrehen der Werkstücke während des Schweißvorganges zu verhindern.

Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Ultraschall-

Schweißvorrichtung von der Seite;

Figur 2 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung der Figur 1 von vorne, wobei die Stabilisierungs-und Klemmeinrichtungen

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gezeigt sind;

Figur 3 eine Seitenansicht der Vorrichtung, die die Art und Weise zeigt, in der sich der Kleininrahmen relativ zu dem stationären Schweißrahmen verschwenkt;

Figur 4 eine vergrößerte Schnittansicht der Schweißzone ι und

Figur 5 eine vergrößerte perspektivische Teilansicht, die die Klemmeinrichtungen und die Stabilisierungseinrichtungen für das Vibrationselement zeigt.

In Figur 1 ist eine Ultraschall-Punktschweißmaschine 10, die in der Lage ist, Metallbleche aneinanderzuschweißen, in einer perspektivischen Ansicht von der Seite gezeigt. Die Schweißmaschine 10 umfaßt einen allgemein C-förmigen Klemmrahmen 12, der schwenkbar

um einen Drehzapfen 14 montiert und an einem stationären zentralen Schweißrahmen 16 gelagert ist. Der Schweißrahmen 12 umfaßt einen länglichen oberen und unteren Abschnitt 12A und 12B, die zusammen mit .dem zentralen Schweißrahmen 16 eine Engstelle T bilden, in die die

zu verschweißenden Werkstücke eingeführt werden können.

Ein Schweißkopf 20, der eine Schweißspitze 21 aufweist, die das Ende eines Vibrationsrohres 22 bildet, ist an dem stationären Schweißrahmen 16 vorgesehen und daran befestigt. Ein gleitend montierter Amboß 40 ist an der gegenüberliegenden Seite der Engstelle angeordnet. Ringklemmen 50 und 60 sind jeweils um den Amboß 40 und die Schweißspitze 21 herum vorgesehen.

Der Amboß 40, der entlang einer Amboßführung 44 in

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Richtung auf die Schweißspitze 21 und von dieser weg bewegbar ist, wird durch mindestens einen im Inneren des Amboß angeordneten Hydraulikzylinders 46 angetrieben. Die Bewegung des Amboß 40 ist unabhängig von der Bewegung der Ringklemme 50. Wenn ein zu verschweißendes Werkstück W (in Figur 1 nicht gezeigt) in die Engstelle zwischen dem Amboß 40 und der Schweißspitze 21 eingeführt wird, wird der Amboß 40 in einer Klemmrichtung C in Richtung auf die Schweißspitze 21

IQ abgesenkt, bis die Werkstücke zwischen den Ringklemmen 50 und 60 zusammengeklemmt sind, wie in Figur 4 gezeigt. Dieser Klemmvorgang zwischen den Klemmen 50 und 60 dient nicht nur dazu, die Werkstücke aneinander zuklemmen, sondern bewirkt ferner auch, daß zwischen den Werkstücken eine Druckkraft erzeugt wird. Die Werkstücke können somit in der nachfolgend beschriebenen Weise punktgeschweißt werden.

Das Vibrationsrohr 22 ist an seinem der Schweißspitze 21 gegenüberliegenden Ende mit einem Wandler 24 verbunden, der im Schweißrahmen 16 angeordnet ist, wie in Figur 2 gezeigt. Der Wandler 24 überträgt lat erale Schwingungen und induziert Biegeschwingungen des Vibrationsrohres 22, so daß die Schweißspitze 21 am oberen Ende des Rohres 22 die Werkstücke mit Scherung sschwingungen beaufschlagen kann. Der Wandler 24 besteht aus piezoelektrischen Keramikelementen, die in einer Spannungsgehäuseeinheit angeordnet sind, und wird mit einer Nennfreguenz von etwa 15 kHz betrieben.

Die Punktschweißmaschine 10, bei der es sich um eine Modifikation einer Sonobond Model M-8000 Ultraschall-Punktschweißmaschine handelt, umfaßt einen

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Frequenzumformer, der eine Breitband-HF-Meßschaltung zum Abtasten des Ausgangsstromes aufweist, um nach dem Prinzip der Richtungskopplung in einer übertragungsleitung den Vorwärtsstrom und den Laststrom erfassen zu können. Das Signal wird durch eine interne Schaltung elektronisch verarbeitet, um echte RMF-Werte zur Verfügung stellen zu können, die entweder als Vorwärtsstrom oder als Laststrom angezeigt werden. Bei dem Vorwärtsstrom handelt es sich um den Ausgang des Frequenzumformers, der an den Wandler in der Schweißspitze 21 angelegt wird, während es sich bei dem Laststrom um die Wandlerantriebsenergie handelt, die in der Schweißzone akustisch absorbiert wird. Die Differenz zwischen dem Vorwärtsstrom und dem Laststrom stellt die durch den Lastimpedanzfehler induzierte reflektierte Energie dar und wird durch Impedanzanpassungstechniken während nachfolgender Schweißvorgänge auf ein Minimum gebracht.

Die Schweißspitze 21 und der Amboß 40 bestehen beide aus einem ziemlich harten Metall, beispielsweise einem Stahl, der bis auf einen Wert von etwa R 50

gehärtet worden ist. Die Radien der Schweißspitze 21 können zwischen etwa 5,1 und etwa 50 cm liegen, und die Form sowie die Abmessungen des Ambosses 40 sind normalerweise an die der Schweißspitze 21 angepaßt.

Die vorstehend genannte Aufgabe kann durch zwei miteinander in Beziehung stehende Stabilisierungs-ZKlemmsysteme der Schweißmaschine 10 gelöst werden. Die Stabilisierung des senkrechten Vibrationsrohres 22

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wird, wie in den Figuren 2 und 5 gezeigt, dadurch erreicht, daß ein Stabilisator 30 vorgesehen ist, der um das senkrechte Vibrationsrohr 22 an dessen Knotenpunkt N geklemmt ist. Der Stabilisator 30 umfaßt gegenüberliegende innere und äußere Armabschnitte 31 und 32, die jeweils V-förmige Keilabschnitte 31A und 32A besitzen, die mit dem Rohr 22 in Kontakt treten können. Die Keilabschnitte 31A und 32A sind vorzugsweise aus einem etwas elastischen Material hergestellt, beispielsweise Polytetrafluoräthylen, das eine Kompensation von geringeren Fehlern bei der Lokalisierung des exacten Knotenpunktes N am Rohr 22 ermöglicht. Dieses Material ist gegenüber den starken Querschwingungen des Rohres 22 etwas nachgiebig, wirkt jedoch einer dauerhaften Neigung des Rohres 22 infolge einer Durchbiegung aus seiner Normallage entgegen.

Wie aus Figur 5 hervorgeht, ist ein innerer Armabschnitt 31 an dem stationären Rahmen 16 der Schweißmaschine 10 befestigt. Ein äußerer Armabschnitt ist über zwei Verbindungsbolzen 34 am inneren Armabschnitt 31 befestigt, wobei sich die Bolzen von dem inneren Armabschnitt 31 auf jeder Seite des Vibrationsrohres 22 nach außen erstrecken, im äußeren Armabschnitt 32 angeordnete öffnungen durchlaufen und an diesen über Muttern 36 befestigt sind. Die Stabilisierung des Vibrationsrohres 22 wird durchgeführt, indem die Muttern 36 angezogen werden, bis durch die gegenüberliegenden Armabschnitte 31 und eine ausreichende Spannung auf das Vibrationsrohr ausgeübt wird, wobei das Rohr zwischen den gegenüberliegenden Teilen 3IA und 32A stabilisiert wird. Durch

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die Lagerung des Vibrationsrohres 22 an seinem Knotenpunkt N mit Hilfe der Armabschnitte 31 und 32 ist das Vibrationsrohr während der nachfolgenden Schweißvorgänge stabilisiert, so daß das Werkstück W durch die bewegliche Ringklemme 50 um den Amboß 40 und die stationäre Ringklemme 60 um die Schweißspitze 21 festgeklemmt werden kann. Wie in Figur 2 gezeigt, ist die bewegliche Ringklemme 50 an einem Klemmengehäuse 52 montiert, das über Hydraulikzylinder 56 entlang Schienen 54 angehoben und abgesenkt werden kann. Die stationäre Ringklemme 60, die die Schweißspitze 21 umgibt, ist an einem Klemmrahmen montiert.

Wie vorstehend erläutert und in den Figuren 1 bis 3 gezeigt, ist der Klemmrahmen 12 in unabhängiger Weise über einen Zapfen 14 schwenkbar am stationären Rahmen 16 montiert. Um somit vor dem Schweißvorgang die Werkstücke W festzuklemmen, wie in Figur 4 gezeigt, werden diese in die Verengung T zwischen dem Amboß 40 und der Schweißspitze 21 eingeführt, und die bewegliche Klemme 50 wird in Klemmrichtung C abgesenkt, indem die Hydraulikzylinder 56 betätigt werden, die ein Absenken des Klemmgehäuses 52 bewirken, bis die Werkstücke W zwischen den Klemmen 50 und 60 fest zwischen den Klemmen 50 und 60 gehalten werden. Danach wird Ultraschallenergie von der Schweißspitze auf die Werkstücke W übertragen und durch diese hindurch geführt, so daß eine Schweißverbindung zustandekommt. Die unabhängige schwenkbare Lagerung des Klemmrahmens 12 am Schweißrahmen 16 ist in Figur 3 dargestellt. Durch Anordnung eines unabhängigen Klemmrahmens 12, an dem die entsprechenden Klemmen 50 und 6 0 be-

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festigt sind, und durch eine schwenkbare Lagerung dieses Klemmrahmens am Schweißrahmen 16 ist das Klemmsystem völlig unabhängig von den Schweißteilen der Maschine 10.
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Das vorstehend beschriebene Klemmsystem bietet eine Reihe von Vorteilen. Einerseits schränkt es die Verengung T der Schweißmaschine 10 nicht weiter ein und ist ausreichend fest, um die Klemmkräfte ohne wesentliche Durchbiegungen aufzunehmen. Andererseits besitzt der Klemmrahmen 12 eine ausreichend große Masse, so daß er ohne weiteres Beschleunigungen oder Bewegungen aufnehmen kann, die durch Stöße der Schweißspitze 21 bis hinauf auf etwa 4000 W erzeugt werden.

Des weiteren ist es ausreichend, in erster Linie eine Vertikalbewegung mit einer minimalen Horizontalbewegung zur Verfügung zu stellen. Eine freie Vertikalbewegung ist kritisch in bezug auf die Aufrechterhaltung der Ebene, die zur Hälfte der Strecke zwischen den Klemmblechen vorhanden ist, auf exact der gleichen Ebene, die in der Hälfte der Strecke zwischen der Schweißspitze 21 und dem Amboß 40 liegt. Ohne diese Bedingung ist es äußerst schwierig, während eines Klemmvorganges gute Schweißverbindungen zu erzeugen. Darüberhinaus ist der Schwenkradius ausreichend groß, um eine signifikante Neigung der Klemme gegenüber der Horizontalen zu verhindern .

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Claims (21)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   Ultraschallvibrations-Punktschweißvorrichtung mit einer Schweißspitze und einem komplementär ausgebildeten Amboß, die beide an einem stationären Schweißrahmen montiert sind, so daß sie eine Verengung bilden, in die miteinander zu verschweißende Werkstücke eingeführt werden können, wobei die Schweißspitze ein Ende eines Vibrationsrohres bildet und in das Werkstück sowie durch dieses hindurch Hochfrequenzvibrationsenergie führen kann, um eine Schweißverbindung zwischen den Werkstücken herzustellen, dadurch gekennzeichnet , daß die Schweißvorrichtung (10) Einrichtungen (30) zum Stabilisieren des Vibrationsrohres (22 ) während des SchweißVorganges und Klemmeinrichtungen (12, 40, 50, 60) aufweist, die unabhängig von dem Schweißrahmen (16) angeordnet sind und eine Bewegung der Werkstücke während des Schweißvorganges verhindern.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisierungseinrichtungen einen Vibrationsrohr-Stabilisator (30) umfassen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2 , dadurch gekenn zeichnet, daß der Vibrationsrohrstabilisator (30) gegenüberliegende innere und äußere Armabschnitte (31, 32) aufweist, die an gegenüberliegenden Seiten des Vibrationsrohres (22) vorgesehen sind.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegenden Armabschnitte (31, 32) jeweils mindestens einen Keilabschnitt (3IA, 32A) aufweisen, der mit dem Vibrationsrohr (22) in Kontakt gebracht werden kann.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Keilabschnitte (3IA, 32A) V-förmig ausgebildet sind.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4,dadurch gekenn ze ichnet, daß die Keilabschnitte (31A, 32A) elastisch sind.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn ze ichnet, daß die Keilabschnitte (31A, 32A) aus Polytetrafluoräthylen bestehen.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Armabschnitt (31) an dem stationären Rahmen (16) befestigt ist.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Armabschnitte (31, 32) über mindestens zwei Verbindungsbolzen (34) aneinander befestigt sind und daß die Entfernung zwischen den Armabschnitten mit Hilfe dieser Bolzen einstellbar ist.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet, daß der Vibrationsrohrstabilisator (30) das Vibrationsrohr an dessen

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    Knotenpunkt (N) unterstützt.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Klenuneinrichtungen mindestens eine Ringklemme (50, 60) umfassen, die um den Amboß (40) und die Schweißspitze (21) vorgesehen ist, und daß jede Klemme an einem Klemmrahmen (12) montiert ist.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn ze lehnet, daß die Ringklemme (50), die um den Amboß (40) herum vorgesehen ist, an einem Klemmengehäuse (52) montiert ist, das sich in Richtung auf die Schweißspitze (21) und von dieser weg bewegen kann.
13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12,dadurch gekennzeichnet, daß das Klemmengehäuse

    (52) durch mindestens einen Hydraulikzylinder (56) angetrieben wird.
14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 11,dadurch gekennzeichnet, daß die um die Schweißspitze (21) herum vorgesehene Ringklemme (60) fest am Rahmen angeordnet ist.
15. 15. Vorrichtung nach Anspruch ll,dadurch gekennzeichnet, daß der Klemmrahmen (12) schwenkbar und unabhängig an dem Schweißrahmen (16) montiert ist, so daß er eine freie Vertikalbewegung relativ zu der horizontalen Schweißebene ausführen kann.
16. 16. Ultraschallvibrations-Punktschweißvorrichtung mit einer Schweißspitze und einem komplementär ausge-

    bildeten Schweißamboß, die beide an einem stationären Schweißrahmen montiert sind, so daß sie eine Verengung bilden, in die miteinander zu verschweißende Werkstücke eingeführt werden können, wobei die Schweißspitze ein Ende eines Vibrationsrohres bildet, das an einen Wandler angeschlossen ist und in die Werkstücke und durch diese hindurch Hqchfrequenzvibra-tionsenergie führen kann, um die Werkstücke miteinander zu verschweißen, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung einen Vibrationsrohrstabilisator (30) aufweist, der am Knotenpunkt (N) des Vibrationsrohres um dieses geklemmt ist und das Vibrationsrohr an dem stationären Schweißrahmen (16) befestigt.
17. 17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Vibrationsrohrstabilisator gegenüberliegende innere und äußere Armabschnitte aufweist, die an gegenüberliegenden Seiten des Vibrationsrohres vorgesehen und über mindestens zwei Verbindungsbolzen in verstellbarer Weise miteiannder ve rbunden s ind.
18. 18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß an den gegenüberliegenden Armabschnitten V-förmige Keilabschnitte vorgesehen sind, die mit dem Vibrationsrohr in Kontakt bringbar sind.
19. 19. Ultraschallvibrations-Punktschweißvorrichtung mit einer Schweißspitze und einem komplementär

    ausgebildeten Schweißamboß, die beide an einem stationären Schweißrahmen montiert sind und eine Verengung bilden, in die miteinander zu verschweißende Werkstücke einführbar sind, wobei die Schweißspitze ein Ende eines Vibrationsrohres bildet und in der Lage ist, Hochfrequenz

    vibrationsenergie in die Werkstücke und durch diese hindurchzuführen, um eine Schweißverbindung zwischen den Werkstücken durchzuführen, dadurch gekennzeichnet ,daß die Vorrichtung Klemmeinrichtungen aufweist,

    die der Schweißspitze und dem Amboß zugeordnet sind und zum Festklemmen der Werkstücke vor dem Schweißvorgang und während desselben dienen, und daß diese Klemmeinrichtungen an einem Klemmrahmen montiert sind, der in seiner Be

    wegung im wesentlichen von dem stationären Schweißrahmen unabhängig ist.
20. 20. Vorrichtung nach Anspruch 19,dadurch g ekennzeichnet, daß die Klemmeinrichtungen mindestens eine Ringklemme umfassen, die um den Amboß und das Vibrationsrohr an der Schweißspitze herum vorgesehen

    ist, wobei eine dieser Ringklemmen in eine Richtung auf die andere Klemme zu und von die

    ser weg bewegbar und die andere Klemme stationär am Rahmen angeordnet ist.
21. 21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch

    gekennzeichnet, daß die um den Amboß

    herum angeordnete Klemme bewegbar und daß die um die Schweißspitze herum angeordnete Klemme stationär am Rahmen ausgebildet ist.

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