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Die Erfindung betrifft eine Ultraschallvorrichtung und genauer eine
Ultraschallvorrichtung, die zum Schweißen von Metall einsetzbar ist, indem Vibrationen
in einer parallelen Richtung auf die Oberfläche des Werkstückes gelenkt werden, die
auch als Schubwellenvibrationen bekannt sind. Noch genauer legt die Erfindung eine
Ultraschallschweißvorrichtung dar, die gekennzeichnet ist durch das Bereitstellen einer
erhöhten Vibrationsenergie, um ein verbessertes Schweißen von schwieriger zu
schweißenden Metallwerkstücken zu ermöglichen, oder um den Schweißzyklus infolge
der von der Vorrichtung bereitgestellten höheren Energie zu verkürzen.
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Die US-A-3039333 legt eine Ultraschallvorrichtung dar, wie sie in dem Oberbegriff des
unabhängigen Anspruchs beschrieben ist.
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Die FR-A-2 454 351 legt eine Anordnung aus einer Vielzahl von piezoelektrischen
Scheiben dar, die dazu dienen einen Ultraschalltransducer zu bilden.
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Gegenstand der Erfindung ist die Bereitstellung einer verbesserten
Ultraschallschweißvorrichtung zum Schweißen von Metallwerkstücken, welche u. a. in
der Lage ist, eine erhöhte Schweißenergie zu liefern.
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Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch eine Ultraschallvorrichtung gemäß dem
Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs mit den in dessen kennzeichnendem Teil
beschriebenen Eigenschaften erreicht. Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den
abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Kurz zusammengefasst, umfasst eine erfindungsgemäße Ultraschallschweißvorrichtung
einen langgestreckten Schalltrichter, der auch als Volltrichter, Resonator, Sonotrode
etc. bekannt ist, und der so dimensioniert ist, dass er einen Ganzwellenlängenresonator
für Vibrationen mit einer vorbestimmten Frequenz bildet, welche in Längsrichtung durch
ihn hindurch laufen. Der Schalltrichter ist an seinen beiden radial angeordneten
Endflächen, welche in Wellenbauchbereichen der Längsbewegung des Schalltrichters
angeordnet sind, an einen jeweiligen Transducer gekoppelt, und zwar entweder direkt
oder über einen Kupplungstrichter, der auch als Booster-Trichter bekannt ist. Die
Transducer werden parallel und synchron von einer geeigneten Wechselstromquelle mit
der vorbestimmten Frequenz elektrisch versorgt. Wichtig ist, dass die Transducer derart
betrieben werden, dass sich ein Transducer in seinem Längsausdehnungsmodus
befindet, wenn der andere und gegenüberliegende Transducer in seinem
Kontraktionsmodus ist und umgekehrt, im Hinblick darauf, dass die Endflächen des
Schalltrichters eine hin- und hergehende Längsbewegung in dieselbe Richtung
ausführen. Eine Werkstückseingriffsfläche, die im wesentlichen in dem dritten
Wellenbauchbereich des Schalltrichters, im wesentlichen in der Mitte zwischen den
Endflächen angeordnet ist, ist dafür eingerichtet, Vibrationen auf ein Werkstück zu
übertragen, wobei die Vibrationen eine größere Amplitude von Spitze zu Spitze
aufweisen, als sie mit einem einzigen Transducer erreicht wird. In der bevorzugten
Ausführung setzen die beiden Transducer piezoelektrische Scheiben zur Umwandlung
von elektrischer Energie in mechanische Bewegung ein und weisen im wesentlichen
eine identische Bauweise auf, außer dass die piezoelektrische Scheibe oder die
piezoelektrischen Scheiben in einem Transducer bezüglich des anderen Transducers in
einer umgekehrten Weise, d. h. umgekippt, ausgerichtet sind.
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Weitere und noch andere wichtige Gegenstände dieser Erfindung werden deutlicher
aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den beigefügten
Zeichnungen hervorgehen.
KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNG
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Fig. 1 ist ein Aufriss, der eine Ultraschallvorrichtung des Standes der Technik zeigt,
welche zum Schweißen von Metallwerkstücken einsetzbar ist;
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Fig. 2 ist eine Graphik, welche die augenblickliche Wegamplitude bezüglich des
Standortes zeigt, wenn sich der in Fig. 1 gezeigte Schalltrichter in seinem Resonanz
erzeugenden Zustand befindet;
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Fig. 3 ist ein Aufriss einer piezoelektrischen Scheibe;
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die Fig. 4A und 4B sind Teilansichten von in der vorliegenden Erfindung eingesetzten
Transduceranordnungen, und
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Fig. 5 zeigt eine Ausführung der Ultraschallvorrichtung, welche die vorliegende
Erfindung bildet.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Unter Bezugnahme auf die Abbildungen und insbesondere die Fig. 1 und 2, ist eine
Ultraschallvorrichtung des Standes der Technik gezeigt, die in Einzelheiten in dem U.S.-
Patent Nr. 3,752,380 "Vibrationsschweißvorrichtung", erteilt an A. Shoh am 14. August
1973, beschrieben ist. Die Bezugszahl 10 bezeichnet einen elektroakustischen
Transducer, der dafür eingerichtet ist, über einen Leiter 14 Wechselstromenergie mit
einer vorbestimmten Frequenz zu empfangen, und der mechanische Vibrationen auf
dieser Frequenz an seiner radialen Ausgangsfläche 12 liefert.
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Ein langgestreckter Schalltrichter 16, der dafür ausgelegt ist, als ein
Gänzwellenlängenresonator für Vibrationen mit dieser vorbestimmten Frequenz, die in
Längsrichtung durch den Schalltrichter zwischen den beiden radial angeordneten
Endflächen 18 und 20 laufen, Resonanz erzeugend zu sein, ist an die Transducerfläche
12 gekoppelt, um die Vibrationen an seiner Endfläche 18 aufzunehmen. Wenn der
Schalltrichter Resonanz erzeugend ist, sind die radialen Endflächen 18 und 20 an
jeweiligen Wellenbauchbereichen der Längsvibrationen angeordnet, und infolge
dessen, dass der Schalltrichter 16 ein Ganzwellenlängenresonator ist, laufen diese
Endflächen mechanisch synchron miteinander hin und her, d. h. ihre mechanische
Vibrationsbewegung läuft in die gleiche Richtung. Typischerweise wird eine
Ultraschallfrequenz im Bereich zwischen 15 kHz und 100 kHz ausgewählt und die am
häufigsten im Handel erhältlichen Vorrichtungen arbeiten bei einer Frequenz um 20 kHz
oder 40 bis 50 kHz.
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Der Schalltrichter 16 und der Transducer 10, die mechanisch aneinander gekoppelt
sind, werden von einer stationären Basis 22 auf einem Satz Tragelementen 24 und 26
getragen, welche an ihrem unteren Ende durch Schraubvorrichtungen 28 an der Basis
befestigt sind. Das Tragelement 26 ist an seinem oberen Ende an der radialen
Endfläche 20 des Schalltrichters 16 durch Schraubvorrichtungen 30 befestigt. Die
Bauweise der Tragelemente 24 und 26 und ihre Fähigkeit, als Federn zu fungieren,
welche in Richtung der Vibrationen nachgeben, aber in der senkrechten Richtung zu
den Vibrationen Steifheit aufweisen, ist in dem oben erwähnten Patent von Shoh
erläutert und gezeigt.
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Wenn der Schalltrichter 16 Resonanz erzeugend gemacht wird, weist er einen weiteren
oder dritten Wellenbauchbereich auf, der im wesentlichen in der Mitte zwischen den
Wellenbauchbereichen an den Endflächen angeordnet ist, und dieser weitere
Wellenbauchbereich ist mit einer Werkstückeingriffsfläche 32 versehen. Die
Werkstückseingriffsfläche zum Schweißen befindet sich in gepresstem Eingriff mit der
Oberfläche eines Werkstücks W', welches über das Werkstück W gelegt ist,
beispielsweise zwei Blechstücke. Die Eingriffskraft mit den beiden Werkstücken W' und
W wird durch einen vertikal beweglichen Amboss 34 erzeugt, der an eine
Rammvorrichtung 36 angekoppelt ist.
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Wenn der Schalltrichter Resonanz erzeugend gemacht wird, erhält die
Werkstückseingriffsfläche 32 Vibrationen auf der vorbestimmten Frequenz entlang der
Längsachse des Schalltrichters und überträgt die Vibrationen in einer Ebene entlang
der Werkstücksoberfläche in beide Werkstücke, um das Schweißen durchzuführen,
siehe U.S.-Patent Nr. 2,946,119, erteilt an J.B. Jones u. a. am 26. Juli 1960. Neben
Metallschweißen kann die Vorrichtung auch zur Verformung von thermoplastischem
Material eingesetzt werden, wie in dem U.S.-Patent Nr. 4,326,903, erteilt an A.M.
Summo am 27. April 1982, gezeigt.
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Fig. 2 ist eine Graphik, welche die augenblickliche Vibrationsamplitude des Resonanz
erzeugenden Schalltrichters in Bezug zu dem Standort entlang des Schalltrichters zeigt.
Die Bezugszahlen 38 und 40 bezeichnen Wellenbauchbereiche, die im wesentlichen mit
den radialen Endflächen 18 und 20 des Schalltrichters zusammenfallen, und die
Bezugszahl 42 zeigt den Wellenbauchbereich an, der im wesentlichen mit der
Werkstückseingriffsfläche oder dem Werkstückseingriffswerkzeug 32 zusammenfällt.
Die Bezugszahlen 44 bezeichnen die Knotenpunktbereiche des Schalltrichters, die
zwischen den Wellenbauchbereichen angeordnet sind.
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Es dürfte klar sein, dass die mechanische Energieausgabe eines einzigen Transducers
begrenzt ist. Um die Energieausgabe an der Werkstückseingriffsfläche zu erhöhen, legt
die vorliegende Erfindung eine Anordnung dar, in welcher ein Transducer, der auch
Wandlereinheit genannt wird, an jede Endfläche des Schalltrichters angeschlossen ist,
siehe Fig. 5. Da sich die Endflächen des Schalltrichters, wenn er Resonanz erzeugend
ist, entlang derselben Längsrichtung synchron bewegen, liegt es auf der Hand, dass die
beiden Transducer mechanisch um 180 Grad phasenverschoben operieren müssen,
oder genauer gesagt, ein Transducer muss sich in seiner Längsausdehnungsphase
befinden, wenn sich der andere Transducer in seiner Längskontraktionsphase befindet
und umgekehrt.
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Dieser Betriebszustand kann auf verschiedene Arten erreicht werden. Beispielsweise
kann jeder Transducer von einer getrennten Energieversorgung bedient werden, deren
elektrische Wechselstromausgaben genau um 180 Grad phasenverschoben zueinander
sind. Einen solchen Betriebsmodus aufrecht zu erhalten ist schwierig. Eine andere
Möglichkeit umfasst den Einsatz einer einzigen Energieversorgung und die Verwendung
einer 180 Grad-Phasenverschiebungsschaltung in dem Ausgang, um eine erste und
eine zweite Ausgangsspannung mit 180 Grad-Phasenverschiebung zueinander
bereitzustellen. Diese Anordnung trägt auch zur Kompliziertheit der elektrischen
Schaltung bei.
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Eine weitaus einfachere Lösung wird erzielt, indem ein Paar piezoelektrischer
Transducer mit einer oder mehreren piezoelektrischen Scheiben eingesetzt wird und
einer der Transducer in einer solchen Weise zusammengebaut wird, dass die in dem
einen Transducer vorhandene piezoelektrische Scheibe oder Scheiben bezüglich des
anderen Transducers umgekehrt ist/sind. Es ist dann möglich, beide Transducer parallel
und synchron aus einer einzigen Energieversorgung zu erregen und eine um 180 Grad
phasenverschobene Bewegung an den jeweiligen Ausgangsflächen 12, Fig. 1, der
Transducer zu erhalten.
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Fig. 3 illustriert eine typische piezoelektrische Scheibe oder ein piezoelektrisches
Plättchen 46. Die Scheibe ist bei Erhalt vom Hersteller so polarisiert, dass wenn
beispielsweise eine positive Spannung an die radiale Seite 48 und eine negative
Spannung an die andere Seite 50 angelegt wird, sich die Scheibe 46 radial
zusammenzieht, wodurch ihre Dicke erhöht wird, was zu einer axialen Ausdehnung
führt. Wenn umgekehrt eine negative Spannung an die Fläche 48 und eine positive
Spannung an die Fläche 50 angelegt wird, dehnt sich die Scheibe radial aus, was eine
Verringerung ihrer Dicke bewirkt und daher ein Zusammenziehen entlang der axialen
Richtung erfolgt. Zum Zweck der nachfolgenden Beschreibung sind die radialen Seiten
der piezoelektrischen Scheibe jeweils mit einer Plus- und Minus-
Identifizierungsmarkierung gekennzeichnet worden. Da eine Wechselspannung an den
Scheibenseiten angelegt wird, dehnt sich die Scheibe entlang ihrer Dicke abwechselnd
aus und zieht sich zusammen, wodurch der Schalltrichter den Vibrationen ausgesetzt
wird.
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Unter Bezugnahme auf die Fig. 4A und 4B sind zwei im wesentlichen identische,
piezoelektrische Transduceranordnungen 60 und 62 in einer quasi schematischen Form
gezeigt. Die Bauweise piezoelektrischer Transducer, die auch als Wandlereinheiten
bekannt sind, ist in der Technik gut bekannt und diese Vorrichtungen sind von
verschiedenen Herstellern, einschließlich der Anmelderin der vorliegenden
Patentanmeldung, erhältlich. Jeder Transducer umfasst einen Stapel aus vier
piezoelektrischen Scheiben 46 und 46', welche zwischen einer jeweiligen vorderen
Masse (vorderer Treiber) 64 und einer hinteren Masse (hinterer Treiber) 66 durch einen
Mittelbolzen, der nicht gezeigt ist, festgeklemmt sind. Wichtig ist festzustellen, dass die
piezoelektrischen Scheiben 46', Abb. 4B, mit ihren Seiten in umgekehrter
Anordnung, also umgekippt, bezüglich der Ausrichtung der Scheiben 46 des
Transducers in Abb. 4A ausgerichtet sind. Diese Ausrichtung ist durch die Plus-
und Minus-Polaritätszeichen in den Abbildungen angedeutet.
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Als Folge wird sich, wenn eine positive Spannung an den Terminal 68 bezüglich des
Terminals 70 angelegt wird, die festgeklemmte Anordnung aus Fig. 4A in Längsrichtung
ausdehnen, während wenn eine positive Spannung an den Terminal 72 bezüglich des
Terminals 74 angelegt wird, sich die Anordnung aus Fig. 4B zusammenziehen wird.
Wenn die Spannungspolarität umgekehrt wird, wird der umgekehrte Zustand eintreten.
Daher können die Transducer 60 und 62 an die gegenüberliegenden Endflächen eines
Ganzwellenlängenschalltrichters angeschlossen werden, um solch einen Schalltrichter
in seinem Resonanz erzeugenden Zustand anzutreiben, wobei sich in diesem Zustand
die Endflächen des Schalltrichters synchron in dieselbe Längsrichtung bewegen,
während der Vibrationsmodus der Transducer um 180 Grad phasenverschoben
zueinander ist, d. h. ein Transducer befindet sich im Ausdehnungsmodus, wenn sich der
andere Transducer in dem Kontraktionsmodus befindet.
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Fig. 5 zeigt eine bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung, nämlich eine
Ultraschallvorrichtung, die zum Verbinden von Metallwerkstücken durch
Vibrationsenergie oder zum Verformen thermoplastischer Werkstücke einsetzbar ist,
wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch das Bereitstellen einer erhöhten
Vibrationsenergie. Wie in dieser Abbildung zu sehen, ist ein Transducer 80 über einen
Kupplungstrichter 84 an die linke Endfläche eines Ganzwellenlängenschalltrichters 86
angekoppelt, während ein zweiter Transducer 82 über einen im wesentlichen
identischen Kupplungstrichter 84 an die rechte Endfläche des Schalltrichters 86
angekoppelt ist. Wie in Verbindung mit den Fig. 4A und 4B erläutert, weisen die
Transducer eine im wesentlichen identische Bauweise auf, außer dass die Ausrichtung
der polarisierten piezoelektrischen Scheibe oder Scheiben, die zwischen einer
jeweiligen vorderen Masse und hinteren Masse in einem Transducer festgeklemmt sind,
bezüglich des anderen Transducers umgekehrt ist, wodurch bewirkt wird, dass ein
Transducer sich in Längsrichtung ausdehnt, wenn sich der andere Transducer
zusammenzieht und umgekehrt, in einer abwechselnden Weise in Reaktion darauf,
dass beide Transducer parallel und synchron von einer Wechselstromquelle 88 erregt
werden. Die Quelle 88, die auch als Energieversorgung oder Generator bekannt ist,
liefert an ihrem Ausgang die Spannung mit der vorbestimmten Frequenz, bei welcher
der Schalltrichter, die Kupplungstrichter und die Transducer Resonanz erzeugend sind.
Geeignete Leiter 90 verbinden die Quelle 88 mit den Transducern, die parallel und
synchron erregt werden.
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Eine ausgleichende Wandlereinheit ("balun") 92 ist in Serie in dem elektrischen
Stromkreis zwischen der Wechselstromquelle und den ~ Transducern 80 und 82
angeschlossen, um den Fluss von umlaufendem Strom zu minimieren. Da es sich bei
den Transducern um kapazitive Vorrichtungen handelt, könnte ein Unterschied in der
jeweiligen elektrischen Kapazitanz und der dynamischen Spannungstoleranz das
Entstehen von umlaufendem Strom, der zwischen den Transducern fließt, verursachen.
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Die Bezugszahl 94 bezeichnet die Werkstückseingriffsfläche oder das
Werkstückseingriffswerkzeug, das in dem dritten Wellenbauchbereich des
Schalltrichters angeordnet ist, und das während der Resonanz des Schalltrichters
Vibrationen liefert, welche im wesentlichen parallel zu der Oberfläche der übereinander
angeordneten Werkstücke W' und W liegen. Die Vibrationen bewirken das Schweißen,
wie oben erwähnt. Die Werkstücke werden durch eine bewegliche Ambossstruktur 100
in einen gepressten Kontakt mit der Werkstückseingriffsfläche des Schalltrichters
gepresst. Ein Paar Tragelemente 102 tragen den Schalltrichter 86 von einer festen,
nicht gezeigten Basis aus, in einer in Verbindung mit Abb. 1 beschriebenen Weise.
Es ist festzustellen, dass die Verwendung von Kupplungstrichtern optional ist, aber sie
sind nützlich bei der Steigerung des mechanischen Verstärkungsgrad des
Schalltrichters. In einer ähnlichen Weise kann der Schalltrichter zu demselben Zweck
mit einer Verminderung in der Querschnittsfläche versehen sein, wie in dem oben
erwähnten Patent von Shoh, Fig. 10 illustriert. Ein erhöhter mechanischer
Verstärkungsgrad führt zu einer Steigerung der Vibrationsauslenklung des Werkzeugs
94.
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Die oben beschriebenen Transducerkonstruktionen, lösen, wie zu sehen ist, das
Problem des Antriebs eines Ganzwellenlängenschalltrichters unter Verwendung eines
jeweiligen Transducers, der an jedes Ende des Schalltrichters angekoppelt ist, in einer
sehr einfachen und wirtschaftlichen Weise unter Verwendung einer einzigen
Energieversorgung und ohne die Notwendigkeit einer Phasenverschiebungsvorrichtung.
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Während eine bevorzugte Ausführung der Erfindung beschrieben und illustriert wurde,
ist es den Fachleuten klar, dass verschiedene Änderungen und Modifizierungen daran
vorgenommen werden können, ohne diese Erfindung zu verlassen, welche nur durch
den Rahmen der anhängenden Ansprüche begrenzt sein soll.