EP1578554A1 - Vorrichtung zum mittels schallwellen verschweissen eines zylinderförmigen körpers wie rohres mit einem plattenförmi gen körper wie wärmeableitstreifen - Google Patents

Vorrichtung zum mittels schallwellen verschweissen eines zylinderförmigen körpers wie rohres mit einem plattenförmi gen körper wie wärmeableitstreifen

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EP1578554A1
EP1578554A1 EP03789348A EP03789348A EP1578554A1 EP 1578554 A1 EP1578554 A1 EP 1578554A1 EP 03789348 A EP03789348 A EP 03789348A EP 03789348 A EP03789348 A EP 03789348A EP 1578554 A1 EP1578554 A1 EP 1578554A1
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EP
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welding
sonotrode head
sonotrode
welded
heat dissipation
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Withdrawn
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EP03789348A
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English (en)
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Klaus-Eckhart Dobernecker
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Forschung and Entwicklung Klaus Dobernecker Ing grad
Original Assignee
Forschung and Entwicklung Klaus Dobernecker Ing grad
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/10—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating making use of vibrations, e.g. ultrasonic welding
    • B23K20/103—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating making use of vibrations, e.g. ultrasonic welding using a roller
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/04—Tubular or hollow articles
    • B23K2101/14—Heat exchangers

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for welding a cylindrical body, such as a tube, to a plate-shaped body, such as heat-dissipating strips, by means of sound wave welding, and a corresponding use.
  • the object of the present invention is to provide an ultrasonic welding device which achieves excellent welds, in particular between plate-shaped elements and cylindrical bodies. An excellent welding tweaked two cylindrical bodies, especially pipes, should also be possible.
  • the device according to the invention for welding a cylindrical body such as a tube with a plate-shaped element such as heat dissipation strips by means of sound waves, with a rotatable sonotrode generating sound vibrations with a sonotrode head is characterized in that during welding a relative translation movement between the sonotrode head and the body synchronously with a rotary movement of the Sonotrode head runs.
  • BESTATIGUNGSKOPIE This means that when welding by means of the rolling sonotrode head, in particular via the plate-shaped element, that is to say with a corresponding rotational movement of the sonotrode head, with simultaneous relative translational movement between the sonotrode head and the body to be welded, a slip-free and quasi-precise or line-precise and extremely reliable ultrasonic welding can take place.
  • the device has at least one drive wheel for propelling the body to be welded and the drive wheel and the sonotrode head can be driven synchronously by means of a single motor, so that simple and reliable synchronized welding can thereby be accomplished.
  • the device has two drive wheels, which leads to a safe guidance of the body to be welded.
  • the drive wheels can be driven synchronously, so that the accuracy of the propulsion is particularly high.
  • the drive wheels are synchronized via a gear-like device, with the gear-like device making it possible to set the synchronization precisely and easily, for example via the ratios of the individual gear wheels to one another.
  • the drive wheel and the sonotrode head are synchronized via a gear-like device, and in this case, too, an exact and simple setting of the synchronization is possible.
  • the gear-like device has a worm gear, since such a gear has proven to be extremely reliable.
  • the drive wheel can be displaced in the direction of the body in such a way that slip-free propulsion of the body is achieved during welding, in order in this way to further increase the reproducibility of the ultrasonic welding.
  • the displacement can be carried out, for example, by means of a rod guide.
  • the body can be fixed in the longitudinal direction by applying pressure via a hose-like element, while the sonotrode head can be moved translationally along the body, since in this embodiment an inexpensive and extremely reliable fixation of the body to be welded and consequently a high reproducibility of the weld is possible.
  • the hose-like element is a pull actuator.
  • the profile of the sonotrode head is designed in such a way that a body to be welded, in particular elongated, is moved positively during welding to a second body and is thereby deformed and / or free of compression. Due to the forced guidance, a particularly high-quality weld is achieved, since an uncontrolled slipping of the body towards each other is greatly reduced.
  • the profile of the sonotrode head has a recess has, which corresponds to the cross-sectional profile of the body to be welded.
  • the recess is concave, in particular semicircular.
  • Welding of the cylindrical body with the plate-shaped element is in the order of approximately 1000 to several thousand Newtons, the energy density of the ultrasonic waves to be applied, which are to be located in terms of their frequency in the range of approximately 20-40 kHz, in the order of about 1 - 20 J / mm 3 (J corresponds to Ws).
  • J corresponds to Ws.
  • Parts of copper are often welded together, although other suitable metals are also conceivable.
  • 1 shows a sketchy cross-sectional representation of an embodiment of the device according to the invention
  • 2 shows a sketchy cross-sectional representation of a further embodiment of the device according to the invention
  • 3 shows a sketchy cross-sectional illustration of a sonotrode of a device according to the invention.
  • FIG. 1 shows a sketch of a first embodiment of the device according to the invention in cross-section.
  • a motor 6 drives two drive wheels 5 via a shaft 11 via a worm gear 7, which drive a tubular body 1.
  • a gearwheel on the shaft drives a sonotrode 3 with a sonotrode head 4 in synchronous rotation.
  • a plate-shaped element 2 is driven synchronously by exerting a certain force on the sonotrode head 4, ie both plate-shaped element 2 and tubular body 1 move synchronously translationally, while the sonotrode head rotates synchronously for this purpose and at the same time by exposure to ultrasonic energy both parts welded exactly together.
  • FIG. 2 shows a sketch of a second embodiment of the device according to the invention in cross section.
  • the cross section only shows a hose-like pull actuator 8 which is in the non-expanded state (hatching from bottom left to top right) and in the expanded state (hatching from top left to bottom right).
  • a jaw 9 is shifted to the left (since a right jaw 10 is fixed), which then presses on the tubular body 1 via a corresponding receptacle and fixes it.
  • FIG. 3 shows a sketch of a sonotrode of a device according to the invention in cross section. To see in cross section is essentially one
  • Sonotrode 3 which has a sonotrode head 4 at one longitudinal axial end.
  • the sonotrode head 4 is configured in a wheel-like manner such that the profile of the sonotrode head 4 has a semicircular recess 11 when viewed in cross section with respect to the rotating direction of the sonotrode head 4.
  • At least one tube is passed through the special profile of the sonotrode head 4 is welded in a force-centering manner via the recess 12 when the sonotrode head is rotated and appropriate ultrasonic energy is applied and at the same time is conveyed in the process.
  • this configuration it is in particular possible to continuously weld two tubes of any length together.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Vorrichtung zum mittels Schallwellen Verschweissen eines zylinderförmigen Körpers (1) wie Rohres mit einem plattenförmigen Element (2) wie Wärmeableitstreifen, mit einer Schallschwingungen erzeugenden drehbaren Sontorode (3) mit einem Sonotrodenkopf (4), dadurch gekennzeichnet, dass beim Verschweissen eine relative Translationsbewegung zwischen Sonotrodenkopf (4) und Körper (1) synchron zu einer Drehbewegung des Sonotrodenkopfes (4) verläuft.

Description

Vorrichtung zum mittels Schallwellen Verschweißen eines zylinderförmigen Körpers wie Rohres mit einem plattenförmigen Körper wie Wärmeableitstreifen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum mittels Schallwellen Verschweißen eines zylinderförmigen Körpers wie Rohres mit einem plattenförmigen Körper wie ärmeableitstreifen sowie eine ent- sprechende Verwendung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Ultraschallschweißvorrichtung bereitzustellen, die ausgezeichnete Verschweißungen insbesondere zwischen plattenförmigen Elementen und zylinderförmigen Körpern bewerkstelligt. Eine ausgezeichnete Verschweißung zwickten zwei zylinderförmigen Körpern, insbesondere Rohren, soll jedoch auch möglich sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1, ein Verfahren nach Anspruch 15 sowie durch eine Verwendung nach Anspruch 16 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum mittels Schallwellen Verschweißen eines zylinderförmigen Körpers wie Rohres mit einem plattenförmigen Element wie Wärmeableitstreifen, mit einer SchallSchwingungen er- zeugenden drehbaren Sonotrode mit einem Sonotrodenkopf, ist dadurch gekennzeichnet, daß beim Verschweißen eine relative Translationsbewegung zwischen Sonotrodenkopf und Körper synchron zu einer Drehbewegung des Sonotrodenkopfes verläuft .
BESTATIGUNGSKOPIE Dies führt dazu, daß beim Verschweißen mittels des rollenden Sonotrodenkopfes insbesondere über das plat- tenförmige Element, also bei einer entsprechenden Drehbewegung des Sonotrodenkopfes, bei gleichzeitiger rela- tiver translatorischer Bewegung zwischen Sonotrodenkopf und zu verschweißendem Körper ein schlupffreies und quasi punkt- bzw. liniengenaues und ausgesprochen zuverlässiges Ultraschallschweißen stattfinden kann.
Die nachfolgenden vorteilhaften Ausführungen haben sich in der Praxis bewährt.
Die Vorrichtung weist mindestens ein Antriebsrad zum Vortrieb des zu verschweißenden Körpers auf und das Antriebsrad und der Sonotrodenkopf sind mittels eines einzigen Motors synchron antreibbar, so daß dadurch eine einfache und zuverlässige synchronisierte Verschweißung bewerkstelligbar ist.
Die Vorrichtung weist zwei Antriebsräder auf, was zu einer sicheren Führung des zu verschweißenden Körpers führ . Die Antriebsräder sind synchron antreibbar, so daß die Genauigkeit des Vortriebs besonders hoch ist.
Die Antriebsräder sind über eine getriebeartige Einrichtung synchronisiert, wobei über die getriebeartige Einrichtung eine exakte und einfache Einstellung der Synchronisierung, beispielsweise über die Verhältniszahlen der einzelnen Zahnräder zueinander, möglich ist .
Das Antriebsrad und der Sonotrodenkopf sind über eine getriebeartige Einrichtung synchronisiert, wobei auch in diesem Fall eine exakte und einfache Einstellung der Synchronisierung möglich ist.
Die getriebeartige Einrichtung weist ein Schnek- kengetriebe auf, da sich ein solches Getriebe als ausgesprochen zuverlässig erwiesen hat . Das Antriebsrad ist in Richtung des Körpers derart verschiebbar, daß beim Verschweißen ein schlupffreier Vortrieb des Körpers bewerkstelligt wird, um auf diese Weise die Reproduzierbarkeit des Ultraschallschweißens nochmals zu erhöhen. Die Verschiebung kann beispielsweise mittels einer Stangenführung durchgeführt werden. Der Körper ist beim Verschweißen in Längsrichtung mittels Druckbeaufschlagung über ein schlauchartiges Element fixierbar, während der Sonotrodenkopf entlang des Körpers translatorisch verfahrbar ist, da bei dieser Ausführungsform eine kostengünstige und ausgesprochen zuverlässige Fixierung des zu verschweißenden Körpers und folglich eine hohe Reproduzierbarkeit der Verschweißung möglich ist. Beim schlauchartigen Element handelt es sich um einen Zugaktuator. Diese Art von Elementen hat sich ausgesprochen bewährt, da mittels einfachen Füllens des entsprechenden Schlauches mit Luft dieser sich entsprechend radial ausdehnt und dabei die gewünschte Kraft direkt bzw. insbesondere über ein weiteres Element, beispielsweise ein backenförmiges Element, beim Fixieren des zu verschweißenden Körpers auf diesen ausübt .
Im Querschnitt zur drehenden Laufrichtung des So- notrodenkopfes gesehen ist das Profil des Sonotroden- köpfes derart ausgestaltet, daß ein zu verschweißender, insbesondere länglicher, Körper beim Verschweißen mit einem zweiten Körper zwangsführend und dabei verfor- mungs- und/oder verpressungsfrei bewegt wird. Durch die Zwangsführung wird eine besonderes qualitativ hochwer- tige Verschweißung bewerkstelligt, da ein unkontrolliertes Wegrutschen der Körper zueinander stark vermindert wird.
Dabei ist es von der Ausgestaltung recht einfach, wenn das Profil des Sonotrodenkopfes eine Ausnehmung aufweist, die dem Querschnittsprofil des zu verschweißenden Körpers entspricht. Hierbei hat es sich in der Praxis als günstig herausgestellt, wenn die Ausnehmung konkav, insbesondere halbkreisförmig, ausgebildet ist. Die üblicherweise zu applizierenden Kräfte zum
Verschweißen des zylinderförmigen Körpers mit dem plattenförmigen Element liegt in der Größenordnung von ca. 1000 bis zu mehreren Tausenden Newton, wobei die zu beaufschlagende Energiedichte der Ultraschallwellen, die bezüglich ihrer Frequenz im Bereich von ca. 20 - 40 kHz anzusiedeln sind, in der Größenordnung von etwa 1 - 20 J/mm3 liegt (J entspricht Ws) . Häufig werden Teile aus Kupfer zusammengeschweißt, wobei jedoch auch andere geeignete Metalle denkbar sind. Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand mehrerer Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine skizzenhafte Querschnittsdarstel- lung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; Fig. 2 eine skizzenhafte Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; Fig. 3 eine skizzenhafte Querschnittsdarstellung einer Sonotrode einer erfindungs- gemäßen Vorrichtung.
In Fig. 1 ist skizzenhaft im Querschnitt eine er- ste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt .
Ein Motor 6 treibt über eine Welle 11 über ein Schneckengetriebe 7 zwei Antriebsräder 5 an, die einen rohrartigen Körper 1 vortreiben. Gleichzeitig wird über ein Zahnrad an der Welle eine Sonotrode 3 mit einem Sonotrodenkopf 4 drehend synchron angetrieben. Dabei wird ein plattenförmiges Element 2 durch Ausüben einer bestimmten Kraft des Sonotrodenkopfes 4 dieses entspre- chend synchron vorgetrieben, d. h. daß sich sowohl plattenförmiges Element 2 als auch rohrartiger Körper 1 synchron translational bewegen, während der Sonotrodenkopf sich hierzu synchron dreht und gleichzeitig über Beaufschlagung von Ultraschallenergie beide Teile exakt miteinander verschweißt.
In Fig. 2 ist skizzenhaft im Querschnitt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt .
Im Querschnitt zu sehen ist lediglich ein schlauchartiger Zugaktuator 8, der sich im nicht-ausgedehnten Zustand (Schraffierung von links unten nach rechts oben) und im ausgedehnten Zustand (Schraffierung von links oben nach rechts unten) befindet. Im ausgedehnten Zustand wird eine Backe 9 nach links verschoben (da eine rechte Backe 10 feststeht) , die dann über eine entsprechende Aufnahme auf den rohrartigen Körper 1 drückt und diesen fixiert.
In Fig. 3 ist skizzenhaft im Querschnitt eine Sonotrode einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt . Im Querschnitt zu sehen ist im wesentlichen eine
Sonotrode 3 , die an ihrem einen längsaxialen Ende einen Sonotrodenkopf 4 aufweist.
Der Sonotrodenkopf 4 ist radartig derart ausgestaltet, daß im Querschnitt zur drehenden Laufrichtung des Sonotrodenkopfes 4 gesehen das Profil des Sonotro- denkopfes 4 eine halbkreisförmige Ausnehmung 11 aufweist .
Beim Verschweißen von zwei länglichen, insbesondere rohrförmigen, Körpern wird zumindest ein Rohr durch das spezielle Profil des Sonotrodenkopfes 4 über die Ausnehmung 12 bei Drehung des Sonotrodenkopfes und Ap- plizieren von entsprechender Ultraschallenergie zwangszentrierend verschweißt und gleichzeitig dabei befördert. Mit dieser Ausgestaltung ist es insbesondere möglich, zwei Rohre beliebiger Länge kontinuierlich miteinander zu verschweißen.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum mittels Schallwellen Verschweißen eines zylinderförmigen Körpers (1) wie Rohres mit einem plattenförmigen Element (2) wie Wärmeableitstreifen, mit einer Schallschwingungen erzeugenden drehbaren So- notrode (3) mit einem Sonotrodenkopf (4) ,
dadurch gekennzeichnet, daß
beim Verschweißen eine relative Translationsbewegung zwischen Sonotrodenkopf (4) und Körper (1) synchron zu einer Drehbewegung des Sonotrodenkopfes (4) verläuft.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese mindestens ein Antriebsrad (5) zum Vor- trieb des zu verschweißenden Körpers (1) aufweist und das Antriebsrad (5) und der Sonotrodenkopf (4) mittels eines einzigen Motors (6) synchron antreibbar sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekenn- zeichnet, daß diese zwei Antriebsräder (5) aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsräder (5) synchron antreibbar sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsräder über eine getriebeartige Einrichtung synchronisiert sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsrad (5) und der Sonotrodenkopf (4) über eine getriebeartige Einrichtung synchronisiert sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die getriebeartige Einrichtung ein Schneckengetriebe (7) aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, da- durch gekennzeichnet, daß das Antriebsrad (5) in Richtung des Körpers (1) derart verschiebbar ist, daß beim Verschweißen ein schlupffreier Vortrieb des Körpers (1) bewerkstelligt wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,' daß der Körper (1) beim Verschweißen in Längsrichtung mittels Druckbeaufschlagung über ein schlauchartiges Element (8) fixierbar ist, während der Sonotrodenkopf (4) entlang des Körpers (1) translatorisch ver- fahrbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es sich beim schlauchartigen Element (8) um einen Zugaktuator handelt .
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Querschnitt zur drehenden Laufrichtung des Sonotrodenkopfes (4) gesehen das Profil des Sonotrodenkopfes (4) derart ausgestaltet ist, daß ein zu verschweißender, insbesondere länglicher, Körper bei Verschweißen mit einem zweiten Körper zwangsführend und dabei verformungs- und/oder verpressungsfrei bewegt wird.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil des Sonotrodenkopfes (4) eine Ausnehmung (11) aufweist, die dem Querschnittsprofil des zu verschweißenden Körpers entspricht.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (12) konkav ausgebildet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich- net, daß die Ausnehmung (12) halbkreisförmig ausgebildet ist.
15. Verfahren zum mittels Schallwellen Verschweißen eines zylinderförmigen Körpers wie Rohres mit einem plattenförmigen Element wie Wärmeableitstreifen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 verwendet wird.
16. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der An- Sprüche 1 bis 14 zum mittels Schallwellen Verschweißen eines zylinderförmigen Körpers wie Rohres mit einem plattenförmigen Element wie Wärmeableitstreifen.
EP03789348A 2002-12-20 2003-12-18 Vorrichtung zum mittels schallwellen verschweissen eines zylinderförmigen körpers wie rohres mit einem plattenförmi gen körper wie wärmeableitstreifen Withdrawn EP1578554A1 (de)

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