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Vorrichtung zum Beeinflussen von Metallschmelzen beim Schweißen Es
ist bekannt, beim elektrischen Widerstandschweißen die Schweißverbindungen dadurch
zu verbessern, daß die Schweißstelle während des Schweißens der Einwirkung von Schall-
oder Ultraschallschwingungen ausgesetzt wird. Dies geschieht in der Weise, daß die
Schweißelektrode an ihrer dem Werkstück abgewandten Seite mit dem Schwingkörper
eines Schall- bzw. Ultraschallschwingers gekoppelt wird, so daß die Schwingungen
vom Schwingkörper über die Elektrode auf das Werkstück übertragen werden.
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Es ist ferner bekannt, das Löten von Aluminium unter der Einwirkung
von Schall- oder Ultraschallschwingungen auf die Lötstelle durchzuführen. Dies geschieht
beispielsweise derart, daß ein Lötbolzen mit dem Schwingkörper eines Schall- bzw.
Ultraschallschwingers gekoppelt wird, oder derart, daß der Schwingkörper an ein
Lötzinnschmelzgefäß angekoppelt wird, in das die für das Löten zu verzinnenden Teile
eingetaucht werden.
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In beiden Fällen wird also von dem Verfahren zur Beeinflussung von
Metallschmelzen durch Schall- bzw. Ultraschallschwingungen Gebrauch gemacht. Vorrichtungen
zur Anwendung dieses Verfahrens werden vorzugsweise mit einem magnetostriktiven
Schall- bzw. Ultraschallschwinger ausgestattet.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Beeinflussen von
Metallschmelzen beim Schweißen, insbesondere Widerstandschweißen, und beim Löten
mit Schall- oder Ultraschallschwingungen, die sich schwingungsmäßig durch eine erhebliche
Verbesserung
der Beeinflussung auszeichnet. Erfindungsgemäß ist an den Schwingkörper des vorzugsweise
magnetostriktiven Schall- bzw. Ultraschallschwingers ein konvergierender oder divergierender,
zur Übertragung der Schwingungen auf die Metallschmelze dienender Richtkörper angeschlossen,
dessen Flanke nach einer Exponentialfunktion verläuft.
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Es ist an sich schon bekannt, Ultraschallschwingungen mittels eines
sich kegelig oder nach einer Kurvenform verjüngenden Übertragungskörpers in Flüssigkeiten
hineinzuleiten, insbesondere zu Meßzwecken, doch sind die Vorteile, die sich durch
die Vorrichtung nach der Erfindung für das Schweißen und Löten ergeben, bisher noch
nicht erkannt worden und daher auch noch nicht bekannt. Der Richtkörper nach der
Erfindung erreicht durch seine Formgebung Reflexionen der Schwingungen und gibt
sie mit geringstmöglicher Schwächung auf die an der Arbeitsstelle befindliche Metallschmelze.
Es hat sich beim Schweißen und Löten mit Schall bzw. Ultraschall gezeigt, daß je
nach der Art des Werkstückes und je nach der Art der verwendeten Schweiß- bzw. Lötweise
die zu beschallende Fläche von Fall zu Fall größer oder kleiner ist. Die Vorrichtung
nach der Erfindung gibt in einfacher Weise die Möglichkeit an die Hand, in allen
diesen Fällen einen Schwingkörper gegebener Größe der Größe der jeweils zu beschallenden
Fläche anzupassen, oder umgekehrt die Möglichkeit, in verschiedenartigen Anwendungsfällen
stets ein und denselben Schwingungserzeuger verwenden zu können. Die Abmessungen
des Schwingkörpers können unabhängig von den vorliegenden Schweiß- bzw. Lötbedingungen
weitgehend nach den Gesichtspunkten einer günstigsten Schweißung bzw. Lötung bemessen
werden.
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Drei in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiele mögen die
Erfindung erläutern.
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In Fig. i ist eine Vorrichtung nach der Erfindung für elektrische
Punktschweißung dargestellt. Die beiden Bleche i und 2 sollen miteinander punktförmig
verschweißt werden. Oberhalb und unterhalb der Bleche ist je ein stabförmiger magnetostriktiver
Schwingkörper 3 bzw. 4 mit den Erregerspulen 5 bzw. 6 angeordnet. An dem den Blechen
zugewandten Ende der Schwingkörper ist erfindungsgemäß je ein konusförmiger Richtkörper
7 bzw. 8 vorgesehen, und zwar derart, daß er sich nach den Blechen zu, also nach
der Schweißstelle hin, verjüngt. Die Richtkörper können mit den Schwingungskörpern
3 bzw. 5 aus einem Stück bestehen oder auch in anderer Weise fest verbunden sein.
Die Richtkörper dienen in diesem Fall gleichzeitig als Elektroden bzw. Elektrodenkopf,
doch kann gegebenenfalls auch ein besonderes Elektrodenstück zwischen Richtkörper
und Blech vorgesehen sein. Die Stromzuführung zu den Schweißelektroden erfolgt entweder
über die Schwinger 3 und .4 oder über besondere Zuleitungen.
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Werden die beiden Erregerwicklungen 5 und 6 an eine geeignete Hochfrequenzspannungsquelle
angeschlossen, so üben die magnetostriktiven Schwingkörper 3 und 4 über die Richtkörper
7 und 8,bzw., falls besondere Elektrodenstücke vorgesehen sind, auch über diese
auf die Schweißstelle Schwingungen aus. Die Richtkörper, deren Flanke nach einer
Exponentialkurve verläuft, konzentrieren die Schwingungen der Stirnfläche der Schwingkörper
auf die wesentlich kleinere Schweißstelle, wodurch die Schwingungen besonders wirksam
werden. Die beiden Schwingkörper 3 und q. können also ohne Rücksicht auf die Größe
der Schweißstelle die für ihre magnetostriktive Erregung günstigsten Abmessungen
erhalten.
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Die in der Fig. i gezeigte Vorrichtung kann aber erfindungsgemäß ebenso
wie beim Schweißen auch beim Löten verwendet werden. In diesem Fall kann man sich
vorstellen, daß in der Fig. i an die Stelle der beiden Bleche i und 2 ein zum Zwecke
der Lötung zu verzinnendes Blechstück tritt, so daß beim Betrieb der Vorrichtung
die Schwingungen auf die geschmolzene Lötzinnmasse an der Arbeitsstelle zur Wirkung
kommen.
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Der Werkstoff, aus dem die als Elektroden dienenden Richtkörper 7
und 8 gefertigt werden, kann an sich beliebig sein. Zweckmäßig wählt man hierfür
den gleichen Werkstoff wie für das zu schweißende bzw. das zu lötende Werkstück,
so daß Schallreflexionen an den Grenzflächen zwischen den Elektroden und dem Werkstück
vermieden und einpraktisch vollständiger Energieübergang erzielt werden kann. Ist
eine solche Werkstoffauswahl aus besonderen, beispielsweise technologischen Gründen
unerwünscht, so ist es zweckmäßig, für die Richtkörper zum mindesten einen solchen
Stoff zu nehmen, dessen Schallwellenwiderstand ähnlich demjenigen des Werkstückes
ist. Gegebenenfalls kann der Werkstoff des Richtkörpers auch so gewählt werden,
daß sein Schallwellenwiderstand möglichst gleich dem geometrischen Mittel der Schallwellenwiderstände
des Schwingungserzeugers und des Werkstückes ist. Werden die Richtkörper und die
magnetostriktiven Schwingkörper nicht aus einem Stück hergestellt, so kann man den
Werkstoff des Schwingkörpers ohne Rücksicht auf den Werkstoff des Richtkörpers allein
unter dem Gesichtspunkt der günstigsten magnetostriktiven Erregung in bekannter
Weise auswählen.
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Die Fig. 2 zeigt eine Anordnung zur Ausführung einer Nahtschweißung
unter Verwendung von Schall- oder Ultraschallwellen. Die miteinander zu verschweißenden
Bleche sind wieder mit i und 2 bezeichnet. Die Elektroden 9 und io haben Rollenform,
sie werden mittels geeigneter, in der Zeichnung nicht dargestellter Druckvorrichtungen
an die Bleche angepreßt. Die Stromzuführungen der Elektroden sind mit i i und 12
bezeichnet. Bei der Ausführung der Schweißnaht werden die Rollen beispielsweise
in der angedeuteten Pfeilrichtung fortbewegt. In der Nähe der beiden Elektroden
ist ein magnetostriktiver Schwingkörper 13 mit seiner Erregerspule 14 angeordnet,
dessen Schwingungen, nhnlich wie bei Fig. i, mittels eines Richtkörpers 15 auf das
Werkstück übertragen werden. Unterschiedlich ist jedoch, daß der Richtkörper im
vorliegenden
Fall im Gegensatz zu der Anordnung der Fig. i so ausgebildet
ist, daß die Schallstrahlung nicht konvergent, sondern divergent auf das Werkstück
gerichtet ist, um eine möglichst große Fläche des plattenförmigen Werkstückes zu
beschallen. Bei diesem Beispiel schließt sich die nach einer Exponentialfy,nktion
verlaufende Flanke des Richtkörpers ohne Sprung an die Flanke des Schwingkörpers
an. Außerdem werden die Schwingungen nicht unmittelbar an der Schweißstelle, sondern
in deren Nähe auf das Werkstück zur Wirkung gebracht. Der Schwingkörper 13 mit dem
Richtkörper 15 wird zweckmäßig zusammen mit den Elektroden in der Schweißrichtung
fortbewegt.
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In Fig.3 ist eine Anordnung zum Beschallen eines Lötschmelzbades dargestellt.
Die Lötmasse 16, z. B. Lötzinn, befindet sich in einem Behälter 17, an dessen Bodenfläche
der erfindungsgemäß ausgebildete Richtkörper 18 angesetzt ist. An dem anderen Ende
des Richtkörpers befindet sich ein piezoelektrischer Schwingungserzeuger i9, an
dessen vom Richtkörper abgewandter Seite ein kapselförmiges Gehäuse 28 angebracht
ist. Der Richtkörper 18 und das Gehäuse 2o dienen gleichzeitig als Elektroden des
Piezoschwingers i9. Das mit Luft oder einem anderen Gas gefüllte Gehäuse 20 wirkt
als Reflektor, so daß die gesamte Schwingungsenergie des Schwingers i9 nur nach
oben in den Richtkörper und über diesen in den Behälter 17 abgestrahlt wird. Die
dem Schwinger i9 anliegende Kante des Richtkörpers 18 wird zur Vermeidung von Funkenüberschlägen
vorteilhaft abgerundet. Besteht der Richtkörper aus einem isolierenden Stoff, so
muß der Schwinger auf dieser Seite mit einer besonderen Elektrode versehen werden,
an die sich dann der Richtkörper anschließen würde. Die Anwendung des Richtkörpers
nach der Erfindung beim Schweißen und Löten mit Schall und Ultraschall ist nicht
auf die beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern kann auch in mannigfacher anderer
Weise durchgeführt werden. So kann beispielsweise bei der in Fig. i dargestellten
Anordnung der Richtkörper samt Schwingungserzeuger auf der einen Seite des Werkstückes
auch fortgelassen und durch eine einfache, nicht schwingende Schweißelektrode ersetzt
werden.