EP2252411B1 - Hochleistungs-ultraschallwandler und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Hochleistungs-ultraschallwandler und verfahren zu dessen herstellung Download PDF

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EP2252411B1
EP2252411B1 EP09711651.1A EP09711651A EP2252411B1 EP 2252411 B1 EP2252411 B1 EP 2252411B1 EP 09711651 A EP09711651 A EP 09711651A EP 2252411 B1 EP2252411 B1 EP 2252411B1
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EP
European Patent Office
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driver
ultrasonic horn
ultrasonic
ultrasonic transducer
contact face
Prior art date
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Active
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EP09711651.1A
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English (en)
French (fr)
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EP2252411A1 (de
Inventor
Udo Hirnschal
Erik Braam
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BSONIC GmbH
Original Assignee
Bsonic GmbH
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Publication date
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Publication of EP2252411A1 publication Critical patent/EP2252411A1/de
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Publication of EP2252411B1 publication Critical patent/EP2252411B1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/08—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with magnetostriction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B3/00—Methods or apparatus specially adapted for transmitting mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic transducer comprising an ultrasonic horn and a magnetostrictive driver, wherein the driver is connected to a contact surface of the ultrasonic horn facing it, and a method for producing a permanent connection between the ultrasonic horn and the driver of such an ultrasonic transducer.
  • magnetostrictive ultrasonic transducers A problem in the design of magnetostrictive ultrasonic transducers is that the magnetostrictive material must be suitably connected to the ultrasonic horn, wherein this connection is realized in the prior art usually by means of a soldering process, in particular a brazing process.
  • Generic magnetostrictive ultrasonic transducers of the aforementioned type are for example from the WO 2004/105085 A1 and the WO 2006/055368 A2 known.
  • the driver consists of a plurality of plates of magnetostrictive material (hereinafter referred to as magnetic plates) soldered in recesses of the ultrasonic horn or on a surface of the ultrasonic horn by means of a brazing process.
  • a suitable geometry of the magnetic plates allows the loading of the plates with an alternating magnetic field.
  • the ultrasonic transducers described in the above-mentioned publications e.g. central opening in the magnetic disks and a suitable coil arrangement is provided, with which the two legs delimiting the opening of the magnetic disks can be excited with appropriate energization of the coil using the effect of magnetostriction to a vibration in the ultrasonic frequency range. This vibration is then transmitted from the magnetic plates to the ultrasonic horn and passed within the ultrasonic horn on to its oscillating head.
  • the above-mentioned disadvantages of magnetostrictive ultrasonic transducers also occur in this prior art.
  • DD 59 963 A a method for connecting electromechanical transducers with coupling links and tools of ultrasonic transmitters is known in which the laminated core of a magnetostrictive transducer to achieve a low-loss coupling by electron beam welding is connected to a flat end face of the ultrasound generator. It requires a high energy for the electron beam to weld the laminated core in the entire end face with this. On the other hand, this connection technique proves to be not very stable, since the laminated core is held exclusively on the flat surface.
  • EP 0 468 125 A2 an ultrasonic horn, in which two adjoining sections are connected by means of electron beam or laser beam welding.
  • the object of the present invention consequently to a method for producing a permanent connection between the ultrasonic horn and magnetostrictive driver of such an ultrasonic transducer.
  • the driver and the ultrasonic horn are connected in the region of the contact surface by electron beam welding and / or laser beam welding, wherein the contact surface is formed by the bottom of at least one receiving pocket, the Ultrasonic horn end of the driver receives, wherein the at least one receiving pocket is formed in a base-like elevation of the driver facing end of the ultrasonic horn and wherein the socket-like Survey is higher than the depth of the receiving pockets formed therein.
  • the electron beam or laser beam is aligned or guided so that it enters through the lateral boundary wall of the socket-like elevation in the massively configured ultrasonic horn at the level of the contact surface and parallel thereto.
  • the method of electron beam welding or laser beam welding used according to the invention in the region of the contact surface opens up the possibility that the ultrasonic horn, the contact surface of the ultrasonic horn and / or the magnetostrictive material of the driver prior to manufacture the weld joint according to the invention can be subjected to a separate heat treatment, without the associated advantages in the subsequent production of a permanent Connection between driver and ultrasonic horn subsequently destroyed again or adversely affected.
  • the known from the prior art method of brazing is associated with the disadvantage that the brazing required temperatures in the range of about 750 ° C before a fabricated by complex heat treatment material structure of the ultrasonic horn and / or the magnetostrictive material of the driver disadvantageous again change, so that the benefits of a previous heat treatment of said elements in the finished ultrasonic transducer did not fully come to fruition.
  • the temperature of the ultrasonic transducer - even in comparison to other welding methods - is lower and limited to a much smaller range.
  • the inventively provided method of electron beam or laser beam welding guarantee a better transmission of the acoustic vibrations from the driver to the ultrasonic horn.
  • solder soldering material used in the prior art during soldering
  • the efficiency of an ultrasonic transducer according to the invention is thus increased compared to the prior art.
  • connection provided according to the invention provides for a better mechanical strength of the connection produced. This has a positive effect on the fatigue strength of an ultrasonic transducer according to the invention and in particular also leads to a higher load capacity of the connection point between the driver and the ultrasonic horn. In addition to the possibility of use under higher loads, this also opens up greater flexibility with regard to the exact arrangement of the connection point, taking into account the acoustic vibration conditions over the length of the ultrasonic transducer.
  • Another aspect of the present invention which did not receive sufficient consideration in the prior art, is again based on the fact that during brazing or brazing a large area around the actual connection point is at a high temperature (in brazing about 750 ° C.). which is not the case with electron beam welding or laser beam welding.
  • the magnetostrictive material of the driver of an ultrasonic transducer according to the invention is preferably provided with an insulating layer, which is often damaged by exposure to the temperatures required for soldering over a large area, which may, for example, lead to short circuits between adjacent elements of the driver.
  • the height of the - required for connecting the driver with the ultrasonic horn and along the contact surface transversely guided - weld in an advantageous Sense is limited to a height of up to about 1-2 mm, which is associated with significantly lower damage of insulating layers on the magnetostrictive material of the driver.
  • the contact surface, along which the welded connection is made between the edge of the driver and the contact surface of the ultrasonic horn is formed by the bottom of at least one receiving pocket which receives the ultrasonic horn side end of the driver.
  • the term receiving pocket is thereby advantageously understood to mean a cutout in the side of the ultrasonic horn facing the driver, which contour matches the contour of the driver or the magnetostrictive elements.
  • sufficiently large seam depths for the weld to be produced can be produced for the present purpose so that the electron or laser beam used to produce the welded joint can be guided and adjusted in such a way that it passes through an edge region of the solid ultrasonic horn Required welded joint in the region of the serving as a contact surface bottom of a receiving pocket - without that in areas above the actual weld a short circuit of adjacent magnetostrictive elements or in large areas around the actual junction or area around an undesirable change in the material structure is caused.
  • the electron beam or laser beam is directed in an advantageous manner parallel to and at the level of the contact surface formed by the bottom of the receiving pocket laterally on the ultrasonic horn, whereby the corresponding voltage to the ultrasonic horn in the at least one receiving pocket driver in the region of its contact surface with the ground the receiving bag is welded.
  • the at least one receiving pocket is formed in a base-like elevation of the driver's facing end of the ultrasonic horn.
  • a pedestal-like elevation it may in particular also be realized in that a region surrounding the receiving pockets of the ultrasonic horn has been taken back by cutting.
  • the electron or laser beam which is preferably aligned parallel to the contact surface during welding can be guided in such a way that it enters the lateral boundary wall of the pedestal, which is reduced in cross-section, approximately at the level of the contact surface, whereby the necessary penetration depth for the Electron or laser beam and the energy input caused thereby incl.
  • the adverse effects on the weld seam adjacent material structure can be further reduced.
  • the beam then only has to cover a smaller distance through the massive ultrasonic horn until it reaches the actual connection area between the driver or magnetic disks and the ultrasonic horn.
  • the extent known from the prior art materials come into consideration, in the case of - depending on the purpose of different loads subjected - ultrasonic horn in particular aluminum, titanium, various steels and especially on nickel-base alloys (such as Nimonic80A, see DIN 2.4952) is to think.
  • all types of magnetostrictive materials can be used as the material for the driver, it being apparent that those with a high magnetostriction are to be preferred. These include e.g. FeCo alloys or terbium-containing alloys, e.g. the alloy families known under the generic names Hiperco, Terfenol and Gerfenol.
  • the magnetostrictive and vibratable with a suitable coil assembly driver of an ultrasonic transducer according to the invention in a variety of geometries of one or more magnetostrictive elements can be realized - as long as it is suitable for ultrasonic conversion and at least within the scope of the invention edge or front side with a facing him contact surface of the ultrasonic horn is welded.
  • the driver consists of only a single magnetostrictive element (for example, plate-shaped or columnar).
  • the driver comprises a plurality of magnetic disks as magnetostrictive elements.
  • the electron or laser beam guided over the entire connection area not only parallel to the contact surface but also always parallel to the contact lines between the magnetic plates and the contact surface is aligned on the ultrasonic horn.
  • Said contact line is defined by the line-like extent of the edge of the respective magnetic disk which bears against the contact surface.
  • the electron and / or Laser beam is guided over the connection region, that a first part of the welded joint from a first side and a second part of the welded joint from a second side, preferably the opposite side is made.
  • the penetration depth of the electron beam or laser beam necessary for producing a sufficiently stable welded connection can be substantially halved, so that the edge of the driver or the edge of the magnetostrictive elements adjacent to the contact surface-in imaginary lines through the actual connection region-advantageously first of all Side to about the middle (or slightly moreover) is welded to the contact surface of the Utraschallhorns and then the other part or the other half is welded from the opposite side.
  • a plurality of receiving pockets are preferably provided, in each of which a part of the driver or the magnetic disks (optionally in packages) is accommodated.
  • the connection of the driver to the ultrasonic horn is hereby further improved with regard to the stability of the connection.
  • the ultrasonic horn and / or the magnetostrictive material of the driver are subjected at least partially (for example only in areas relevant for this) to a (separate) heat treatment.
  • the high-power ultrasound transducers provided according to the invention are in principle suitable for any purpose Uses of ultrasonic transducers, considering the advantages of the invention in particular to high-load applications can be thought (such as use of the ultrasonic transducer for the treatment of liquid fossil fuels or other liquids). Therefore, a previous heat treatment of the ultrasonic horn, if necessary. Even in the region of the particular loads subjected contact surface (s) and / or facing away from the driver and also highly loaded oscillating head proves to be advantageous. Even in the case of the driver can be used in an advantageous manner to a previous heat treatment, since in particular the magnetostrictive properties of the material used can be optimized.
  • the heat treatment leads to an insulating oxide layer on the surface of the magnetic disks, whereby the preferably stacked mutually adjacent magnetic disks are insulated from each other.
  • the problem identified in the context of the present invention is that the material structure or the magnetostrictive properties of the heat-treated material or material are induced by a high temperature load introduced over large areas (eg during brazing) the oxide layer or a separately applied insulating layer on the surface of the magnetostrictive elements of a driver were destroyed or adversely affected.
  • an ultrasonic horn of an ultrasonic transducer does not necessarily have to be configured in one piece, but if necessary, it can also be designed in several parts, in particular in two parts.
  • the contact surface is formed on an intermediate part of the ultrasonic horn, which is connected (for example screwed) to the remaining ultrasonic horn.
  • the present invention also includes an ultrasonic transducer comprising a magnetostrictive driver and a total of two ultrasonic horns disposed on different sides of the driver.
  • an ultrasonic transducer comprising a magnetostrictive driver and a total of two ultrasonic horns disposed on different sides of the driver.
  • an ultrasonic transducer 1 comprises a heat-treated ultrasonic horn 2 and a for reasons of clarity only partially shown, with the aid of several unillustrated coils driven and operating on the principle of magnetostriction driver 3 from a variety of magnetic disks 4, the total of six stacks 9 (only one of which is shown).
  • each stack 9 consists of twenty-two magnetic disks, each with 0.4 mm thickness. It goes without saying that a smaller or higher number of magnetic disks or other plate thicknesses can be used.
  • the receiving pockets 8 are formed in a base-like elevation 10, the height H (see. Fig. 2 ) greater than the depth T (see. Fig. 3 ) of the receiving pockets 8 is.
  • an electron beam can be aligned or guided according to the arrows E1 and E2 so that it laterally, ie through the lateral boundary wall 11 of the socket-like elevation 10, in the massively configured ultrasonic horn at the level of the contact surfaces 6 (see the dashed line 12 in FIG Fig. 2 ) and parallel to this occurs.
  • a laser beam of sufficient energy can be used to produce a welded joint according to the invention within the scope of the present invention.
  • the electron beam which is always aligned parallel to the line of contact between a magnetic disk and the ultrasonic horn (as can be seen from FIGS Fig. 1 and 2 results) initially directed from one side according to arrow E1 on the ultrasonic horn 2 and the side wall 11 of the socket-like elevation 10, wherein the adjustable by the energy of the electron beam penetration depth of the electron beam is to be chosen so that it sufficient energy to produce a permanent welded joint penetrates into approximately the middle of the contact surface 6 adjacent edge 5 of the respective magnetic disk 4 in the material.
  • a corresponding welding operation is repeated from the other side of the magnetic disks 4.
  • the electron beam is guided over the connecting region in accordance with arrow E2 while maintaining its alignment (compare arrow F2), so that after conclusion of the described method all magnetic disks 4 are welded to the ultrasonic horn 2 at the edge.
  • an electron beam guide could also be used in the reverse direction to the illustrated curve according to arrow F2, e.g. if the simultaneous use of two electron and / or laser beams directed from different sides onto the connection area is intended for the production of the welded connection.
  • the ultrasonic vibration applied by means of the driver 3 can then be effectively transmitted to the ultrasonic horn via the electron-beam welded (or laser-welded) connection region, where it is reinforced by a constriction 13 of the horn 2 and transmitted as far as the ultrasound head 14, which is then moved according to the double arrow A in FIG Oscillation is shifted.
  • the ultrasonic horn 2 has on its circumference a mounting flange 15, with which it is e.g. can be attached to an external structure. As a starting point for the flange 14, a node of the transmitted by the ultrasonic horn 2 in the longitudinal direction vibration is suitable.
  • Fig. 4 finally illustrates that the area of the ultrasonic horn 2 having the contact surface (s) 6 may possibly be formed in the form of an intermediate piece 16 which is connected to the remaining ultrasonic horn (not shown), for example by screwing.
  • the intermediate piece 16 in the example shown on its underside advantageously a threaded pin 17 with an external thread, not shown, with which a screw with a corresponding internal thread on the rest of the ultrasonic horn can be produced.
  • the total of six stacks 9 (of which again only one is shown) grouped magnetic disks 4 (the simplicity is here only the stack 9 shown in total), which form the driver 3, at its the intermediate piece 16 of the ultrasonic horn facing edge in Area of a formed by the bottom of the receiving pockets 8 contact surface 7 of the intermediate piece 16 with the same electron beam or laser beam welded.
  • the receiving pockets 8 in a base-like elevation 10 of the driver 3 facing end (here formed by the intermediate piece 16) of the ultrasonic horn are formed here.
  • Fig. 5 shows a third embodiment of an ultrasonic transducer according to the invention, consisting of a driver 3 and two ultrasonic horns 2, 2 ', wherein the two ultrasonic horns 2, 2' in opposite orientation on opposite sides of - as previously - consisting of six magnetic disk stacks 9 driver arranged and each welded in the manner already described above with this.
  • the respective end region of the two ultrasonic horns 2, 2 'facing the driver could be formed by an intermediate piece which is connected to the remaining ultrasonic horn.
  • Fig. 6 shows a fourth embodiment of an ultrasonic transducer according to the invention of ultrasonic horn 2 and driver 3, in which the driver 3 consists of exactly one magnetostrictive element 18 in columnar form, which in turn accommodated end in a round cross-section adapted receiving pocket 8 in a socket-like elevation 10 on the ultrasonic horn 2 and therein - in the region of the contact surface formed by the bottom of the receiving pocket 8 with the ultrasonic horn 2 - is welded.
  • a laser or electron beam according to arrow E3 directed to the lateral boundary wall 11 of the base-like survey and (eg by rotation of the ultrasonic horn) - while maintaining its parallel to the contact surface alignment at the same level and always directed radially to the center of the circular cross section - according to arrow F3 around the base-like elevation 10 are guided around (see the dashed line 19), so that here - with preferably only approximately to the center reaching penetration depth of the electron or laser beam - a first part of the welded joint from a first side and a second part of the weld joint from a second side of the ultrasonic horn.
  • FIG. 7 Yet a fifth embodiment of the invention with again two ultrasonic horns 2, 2 '(identical to that of Fig. 6 constructed) and an intermediate driver 3 from a single, columnar, magnetostrictive element 18.
  • the difference from in Fig. 6 illustrated ultrasonic transducer is that on the side facing away from the first ultrasonic horn 2 side 20 of the driver 3 another - identical to the first ultrasonic horn 2 - ultrasonic horn 2 'arranged and in the manner already described with this is confused.
  • the region of the ultrasonic horn facing the driver can be designed in the form of a separate intermediate piece.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
  • Lining Or Joining Of Plastics Or The Like (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler umfassend ein Ultraschallhorn und einen magnetostriktiven Treiber, wobei der Treiber mit einer ihm zugewandten Kontaktfläche des Ultraschallhorns verbunden ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer dauerhaften Verbindung zwischen dem Ultraschallhorn und dem Treiber eines solchen Ultraschallwandlers.
  • Im vorbekannten Stand der Technik auf dem Gebiet von Ultraschallwandlern wird als Treiber für die angestrebte Ultraschallschwingung entweder auf piezoelektrische oder auf magnetostriktive Treiber zurückgegriffen. Erstere haben den Vorteil einer hohen Effizienz, aber den Nachteil einer begrenzten Ausgangsleistung infolge der geringen Zugfestigkeit piezoelektrischer Materialien. Demgegenüber kann mit magnetostriktiven Ultraschallwandlern eine höhere Ausgangsleistung erzeugt werden, wobei hier jedoch die Nachteile einer vergleichsweise geringeren Effizienz, einer höheren Abwärme im Betrieb sowie eines komplexeren Aufbaus bzw. eines aufwendigeren Herstellungsverfahrens zu berücksichtigen sind.
  • Ein Problem bei der Auslegung magnetostriktiver Ultraschallwandler besteht darin, dass das magnetostriktive Material auf geeignete Weise mit dem Ultraschallhorn verbunden werden muss, wobei diese Verbindung im Stand der Technik zumeist mittels eines Lötverfahrens, insbesondere eines Hartlötverfahrens, realisiert ist. Gattungsgemäße magnetostriktive Ultraschallwandler der vorgenannten Art sind beispielsweise aus der WO 2004/105085 A1 und der WO 2006/055368 A2 bekannt.
  • Bei diesen Ultraschallwandlern besteht der Treiber aus einer Vielzahl an Platten aus magnetostriktivem Material (nachfolgend als Magnetplatten bezeichnet), die in Aussparungen des Ultraschallhorns bzw. an einer Oberfläche des Ultraschallhorns mittels eines Hartlötverfahrens festgelötet sind. Eine geeignete Geometrie der Magnetplatten erlaubt die Beaufschlagung der Platten mit einem wechselnden Magnetfeld. Hierzu sind bei den in den vorstehend genannten Druckschriften beschriebenen Ultraschallwandlern z.B. zentrale Öffnung in den Magnetplatten und eine geeignete Spulenanordnung vorgesehen, mit welchen die beiden die Öffnung begrenzenden Schenkel der Magnetplatten bei geeigneter Bestromung der Spule unter Nutzung des Effekts der Magnetostriktion zu einer Schwingung im Ultraschall-Frequenzbereich angeregt werden können. Diese Schwingung wird dann von den Magnetplatten auf das Ultraschallhorn übertragen und innerhalb des Ultraschallhorns weiter bis zu dessen Schwingkopf geleitet. Die bereits weiter oben genannten Nachteile von magnetostriktiven Ultraschallwandlern treten jedoch auch bei diesem Stand der Technik auf.
  • Ferner ist aus der DD 59 963 A ein Verfahren zur Verbindung von elektromechanischen Wandlern mit Koppelgliedern und Werkzeugen von Ultraschallgebern bekannt, bei welchem das Blechpaket eines magnetostriktiven Wandlers zur Erzielung einer möglichst verlustarmen Kopplung mittels Elektronenstrahlschweißen mit einer ebenen Stirnfläche des Ultraschallgebers verbunden wird. Dabei bedarf es zum einen einer hohen Energie für den Elektronenstrahl, um das Blechpaket im Bereich der gesamten Stirnfläche mit dieser zu verschweißen. Zum anderen erweist sich diese Verbindungstechnik als nicht besonders stabil, da das Blechpaket ausschließlich an der ebenen Fläche gehalten ist.
  • Schließlich zeigt noch die EP 0 468 125 A2 ein Ultraschallhorn, bei dem zwei einander anschließende Abschnitte mittels Elektronenstrahl- oder Laserstrahlschweißen verbunden sind.
  • Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Ultraschallwandler der eingangs genannten Art mit verbesserten Eigenschaften bereitzustel-len. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer dauerhaften Verbindung zwischen Ultraschallhorn und magnetostriktivem Treiber eines solchen Ultraschallwandlers.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Ultraschallwandler nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach Anspruch 8 gelöst.
  • Dabei ist - neben den bereits eingangs genannten Merkmalen - erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Treiber und das Ultraschallhorn im Bereich der Kontaktfläche mittels Elektronenstrahlschweißen und/oder Laserstrahlschweißen verbunden sind bzw. werden, wobei die Kontaktfläche durch den Boden von wenigstens einer Aufnahmetasche ausgebildet ist, die das ultraschallhornseitige Ende des Treibers aufnimmt, wobei die wenigstens eine Aufnahmetasche in einer sockelartigen Erhebung des zum Treiber weisenden Endes des Ultraschallhorns ausgebildet ist und wobei die sockelartige Erhebung höher als die Tiefe der darin ausgebildeten Aufnahmetaschen ist.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist ergänzend zu den vorgenannten Merkmalen vorgesehen, dass der Elektronen- bzw. Laserstrahl so ausgerichtet bzw. geführt ist, dass er durch die seitliche Begrenzungswand der sockelartigen Erhebung in das massiv ausgestaltete Ultraschallhorn auf Höhe der Kontaktfläche und parallel hierzu eintritt.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich insbesondere herausgestellt, dass die einleitend genannten Probleme magnetostriktiver Ultraschallwandler zu nicht unwesentlichen Anteilen durch die im Stand der Technik vorgesehene Lötverbindung zwischen Treiber und Ultraschallhorn verursacht werden, so dass sich ein erfindungsgemäßer bzw. erfindungsgemäß hergestellter Ultraschallwandler unter anderem durch eine höhere Effizienz, eine geringere Abwärme sowie eine Mehrzahl weiterer, nachstehend noch näher diskutierter Vorteile auszeichnet.
  • Als erster Vorteil eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers kann genannt werden, dass das erfindungsgemäß im Bereich der Kontaktfläche zur Anwendung kommende Verfahren des Elektronenstrahlschweißens bzw. des Laserstrahlschweißens die Möglichkeit eröffnet, dass das Ultraschallhorn, die Kontaktfläche des Ultraschallhorns und/oder das magnetostriktive Material des Treibers vor der Herstellung der erfindungsgemäßen Schweißverbindung einer separaten Wärmebehandlung unterzogen werden können, und zwar ohne dass die hiermit verbundenen Vorteile bei der späteren Herstellung einer dauerhaften Verbindung zwischen Treiber und Ultraschallhorn nachträglich wieder zerstört oder nachteilig beeinträchtigt werden.
  • Demgegenüber ist das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren des Hartlötens mit dem Nachteil verbunden, dass die zum Hartlöten benötigten Temperaturen im Bereich von ca. 750° C ein zuvor durch aufwendige Wärmebehandlung hergestellted Materialgefüge des Ultraschallhorns und/oder des magnetostriktiven Materials des Treibers wieder nachteilig verändern, so dass die Vorteile einer vorherigen Wärmebehandlung der genannten Elemente beim fertigen Ultraschallwandler nicht mehr vollständig zum Tragen kamen. Beim Elektronenstrahlschweißen oder Laserstrahlschweißen ist hingegen die Temperaturbeaufschlagung des Ultraschallwandlers - auch im Vergleich zu anderen Schweißverfahren - geringer und auf einen wesentlich geringeren Bereich begrenzt.
  • Ferner wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass das erfindungsgemäß vorgesehenen Verfahren des Elektronenstrahl- bzw. Laserstrahlschweißens eine bessere Übertragung der akustischen Schwingungen vom Treiber auf das Ultraschallhorn garantieren. Insoweit ist davon auszugehen, dass das im Stand der Technik beim Löten zum Einsatz kommende Lötmaterial (das so genannte Lot) eine hohe Dämpfungswirkung auf die akustischen Schwingungen im Bereich der Verbindungsstelle verursacht. Die Effizienz eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers ist somit gegenüber dem Stand der Technik erhöht.
  • Zusätzlich wird in Anwendung der erfindungsgemäß vorgesehenen Verbindungstechnik für eine bessere mechanische Festigkeit der hergestellten Verbindung gesorgt. Dies wirkt sich positiv auf die Dauerschwingfestigkeit eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers aus und führt insbesondere auch zu einer höheren Belastbarkeit der Verbindungsstelle zwischen Treiber und Ultraschallhorn. Dadurch eröffnet sich neben der Möglichkeit eines Einsatzes unter höheren Lasten auch eine größere Flexibilität im Hinblick auf die exakte Anordnung der Verbindungsstelle unter Berücksichtigung der akustischen Schwingungsverhältnisse über die Länge des Ultraschallwandlers.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, welcher im vorbekannten Stand der Technik keine hinreichende Berücksichtigung fand, liegt wiederum in dem Umstand begründet, dass beim Löten bzw. Hartlöten ein großer Bereich um die eigentliche Verbindungsstelle herum einer hohen Temperatur (beim Hartlöten ungefähr 750° C) ausgesetzt wurde, was beim Elektronenstrahlschweißen oder Laserstrahlschweißen nicht der Fall ist. Diesbezüglich ist anzumerken, dass das magnetostriktive Material des Treibers eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers bevorzugt mit einer Isolationsschicht versehen ist, die durch eine Beaufschlagung mit den zum Löten erforderlichen Temperaturen häufig großflächig beschädigt wird, was z.B. zu Kurzschlüssen zwischen einander benachbarten Elementen des Treibers führen kann. Demgegenüber ist beim Elektronenstrahlschweißen bzw. Laserstrahlschweißen nach der vorliegenden Erfindung die Höhe der - zur Verbindung des Treibers mit dem Ultraschallhorn benötigten und längs der Kontaktfläche quergeführten - Schweißnaht in vorteilhafter Weise auf eine Höhe von bis zu etwa 1-2 mm beschränkt, was mit deutlich geringeren Beschädigungen von Isolationsschichten an dem magnetostriktiven Material des Treibers verbunden ist.
  • Ferner tritt im Rahmen der vorliegenden Erfindung noch ein weiterer vorteilhafter Effekt in Erscheinung. Da bei den im Stand der Technik verwendeten Lötverfahren stets eine schmelzbare metallische Legierung als Verbindungsmaterial zum Einsatz kam, wurden die den Treiber bildenden Magnetplatten in größeren Bereichen um die Kontaktfläche herum durch das leitfähige Lot kontaktiert bzw. untereinander und mit der Kontaktfläche des Ultraschallhorns kurzgeschlossen. Dies führt zu erhöhten elektrischen Verlusten bei der elektromagnetischen Schwingungsanregung und letztlich zu einer erhöhten Wärmeerzeugung im Bereich der Verbindungsstelle während des Betriebs eines Ultraschallschwingers. Dieser nachteilige Effekt kann mit der vorliegenden Erfindung reduziert werden, da beim Elektronenstrahl- oder Laserstrahlschweißen, insbesondere wenn dieses wie im vorliegenden Fall längs der Kontaktfläche zwischen Ultraschallhorn und Treiber erfolgt, lediglich ein vergleichsweise kleiner Verbindungsbereich im Bereich des äußersten Randes des Treibers geschaffen wird. Vormals aufwendig zu realisierende Kühlvorrichtungen für den Ultraschallwandler lassen sich daher einfacher realisieren bzw. können ganz weggelassen werden.
  • Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung - entweder alternativ oder ggfs. nacheinander (z.B. auch an verschiedenen Stellen) - angewandten Techniken des Elektronenstrahl- bzw. Laserstrahlschweißens sind als solche bekannt, so dass sich hierzu ausführliche Erläuterungen erübrigen. Es sei jedoch erwähnt, dass in beiden Fällen Schweißnähte mit einer vorgebbaren und im Rahmen der vorliegenden Erfindung hinreichenden Nahttiefe erzeugt werden können. Dies erweist sich insbesondere in Anbetracht des Umstands, dass die Kontaktfläche, in deren Bereich die erfindungsgemäße Schweißverbindung hergestellt werden soll, ggfs. nicht direkt zugänglich ist, als besonders vorteilhaft.
  • Ferner ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass die Kontaktfläche, längs derer die Schweißverbindung zwischen dem Rand des Treibers und der Kontaktfläche des Ultraschallhorns hergestellt wird, durch den Boden von wenigstens einer Aufnahmetasche ausgebildet ist, die das ultraschallhornseitige Ende des Treibers aufnimmt. Unter dem Begriff Aufnahmetasche ist dabei vorteilhaft eine der Kontur des Treibers bzw. der magnetostriktiven Elemente angepasste Aussparung in der dem Treiber zugewandten Seite des Ultraschallhorns zu verstehen.
  • Beim Elektronenstrahl- oder Laserstrahlschweißen können für den vorliegenden Zweck genügend große Nahttiefen für die herzustellende Schweißnaht erzeugt werden, so dass der zur Herstellung der Schweißverbindung verwendete Elektronen- bzw. Laserstrahl so geführt und eingestellt sein kann, dass er durch einen Randbereich des massiven Ultraschallhorns hindurch die geforderte Schweißverbindung im Bereich des als Kontaktfläche dienenden Bodens einer Aufnahmetasche herstellt - und zwar ohne dass in Bereichen oberhalb der eigentlichen Schweißnaht ein Kurzschluss einander benachbarter magnetostriktiver Elemente oder in großen Bereichen um die eigentliche Verbindungsstelle bzw. -fläche herum eine unerwünschte Veränderung des Materialgefüges verursacht wird.
  • Der Elektronen- bzw. Laserstrahl wird in vorteilhafter Weise parallel zu und auf Höhe der durch den Boden der Aufnahmetasche gebildeten Kontaktfläche seitlich auf das Ultraschallhorn gerichtet, wodurch der auf entsprechender Höhe dem Ultraschallhorn in der wenigstens einen Aufnahmetasche anliegende Treiber im Bereich seiner Anlagefläche mit dem Boden der Aufnahmetasche verschweißt wird.
  • Ferner ist bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler vorgesehen, dass die wenigstens eine Aufnahmetasche in einer sockelartigen Erhebung des zum Treiber weisenden Endes des Ultraschallhorns ausgebildet ist. Soweit hier von einer sockelartigen Erhebung gesprochen ist, so kann diese insbesondere auch dadurch realisiert sein, dass ein die Aufnahmetaschen umgebender Bereich des Ultraschallhorns spanabhebend zurückgenommen wurde.
  • Dies erleichtert den erfindungsgemäß vorgesehenen Schweißvorgang maßgeblich, und zwar insbesondere dann, wenn wie im Rahmen der vorliegenden Erfindung zusätzlich noch vorgesehen ist, dass die sockelartige Erhebung höher ist als die Tiefe der darin ausgebildeten Aufnahmetaschen.
  • Hierdurch kann der beim Schweißen bevorzugt parallel zur Kontaktfläche ausgerichtete Elektronen- bzw. Laserstrahl so geführt werden, dass er in etwa auf Höhe der Kontaktfläche von außen in eine seitliche Begrenzungswand des - im Querschnitt verringerten - Sockels eintritt, wodurch die notwendige Eindringtiefe für den Elektronen- bzw. Laserstrahl und der hierbei verursachte Energieeintrag inkl. der nachteiligen Auswirkungen auf das der Schweißnaht benachbarte Materialgefüge nochmals verringert werden kann. Der Strahl muss dann nämlich nur eine geringere Strecke durch das massive Ultraschallhorn zurücklegen, bis er an den eigentlichen Verbindungsbereich zwischen Treiber bzw. Magnetplatten und Ultraschallhorn gelangt.
  • Als Materialien für das (wenigstens eine) Ultraschallhorn und den magnetostriktivem Treiber kommen die insoweit aus dem Stand der Technik bekannten Werkstoffe in Betracht, wobei im Falle des - je nach Einsatzzweck verschiedenen Belastungen unterworfenen - Ultraschallhorns insbesondere an Aluminium, Titan, verschiedenste Stähle und besonders auch an Nickelbasislegierungen (wie z.B. Nimonic80A; vgl. DIN 2.4952) zu denken ist. Als Werkstoff für den Treiber können im Prinzip alle Arten von magnetostriktiven Materialien Verwendung finden, wobei ersichtlich solche mit einer hohen Magnetostriktivität zu bevorzugen sind. Hierunter fallen z.B. FeCo-Legierungen oder Terbium beinhaltende Legierungen, wie z.B. die unter den Gattungsbezeichnungen Hiperco, Terfenol und Gerfenol bekannten Legierungsfamilien.
  • Es sei an dieser Stelle ausdrücklich festgestellt, dass der magnetostriktive und mit einer geeigneten Spulenanordnung in Schwingung versetzbare Treiber eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers in verschiedenster Geometrie aus einem oder mehreren magnetostriktiven Elementen realisiert sein kann - solange er sich dabei für eine Ultraschallwandlung eignet und im Rahmen der Erfindung wenigstens rand- bzw. stirnseitig mit einer ihm zugewandten Kontaktfläche des Ultraschallhorns verschweißbar ist.
  • Insbesondere kann hierbei in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Treiber aus nur einem einzigen magnetostriktiven Element (z.B. platten- oder säulenförmig) besteht.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann jedoch bei gleichzeitiger Vermeidung der sich insoweit aus dem Stand der Technik ergebenden Nachteile vorgesehen sein, dass der Treiber als magnetostriktive Elemente eine Mehrzahl an Magnetplatten umfasst.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, kann dabei im Falle eines aus einer Mehrzahl an Magnetplatten bestehenden Treibers ergänzend vorgesehen sein, dass der über den gesamten Verbindungsbereich geführte Elektronen- bzw. Laserstrahl nicht nur parallel zur Kontaktfläche, sondern stets auch parallel zu den Kontaktlinien zwischen den Magnetplatten und der Kontaktfläche am Ultraschallhorn ausgerichtet ist. Die genannte Kontaktlinie wird durch die linienartige Erstreckung des der Kontaktfläche anliegenden Randes der jeweiligen Magnetplatte definiert. Diese Ausrichtung des Strahls führt zu einer weiteren Minimierung der im Bereich der Schweißnaht entstehenden Kurzschlüsse zwischen einander benachbarten Magnetplatten.
  • Um auch die im Vergleich zum Stand der Technik ohnehin niedrige Temperaturbelastung bzw. den Energieeintrag im Bereich der Schweißnaht nochmals zu verringern, kann ferner vorgesehen sein, dass der Elektronen- und/oder Laserstrahl so über den Verbindungsbereich geführt wird, dass ein erster Teil der Schweißverbindung von einer ersten Seite und ein zweiter Teil der Schweißverbindung von einer zweiten Seite, bevorzugt der gegenüberliegenden Seite, hergestellt wird. Dadurch kann die zur Herstellung einer hinreichend stabilen Schweißverbindung notwendige Eindringtiefe des Elektronen- oder Laserstrahls im Wesentlichen halbiert werden, so dass der der Kontaktfläche anliegende Rand des Treibers bzw. der Rand der magnetostriktiven Elemente - in gedachten Linien durch den eigentlichen Verbindungsbereich - vorteilhaft zunächst von einer Seite bis etwa zur Mitte (oder geringfügig darüber hinaus) mit der Kontaktfläche des Utraschallhorns verschweißt wird und anschließend der andere Teil bzw. die andere Hälfte von der gegenüberliegenden Seite her verschweißt wird.
  • Bevorzugt sind im Rahmen der Erfindung mehrere Aufnahmetaschen vorgesehen, in denen jeweils ein Teil des Treibers bzw. der Magnetplatten (ggfs. paketweise) aufge-nommen ist. Die Anbindung des Treibers an das Ultraschallhorn wird hierdurch im Hinblick auf die Stabilität der Verbindung nochmals verbessert.
  • Ein bereits genannter Aspekt der vorliegenden Erfindung kommt schließlich zum Tragen, wenn in einer nochmals bevorzugten Weiterbildung der Erfindung das Ultraschallhorn und/oder das magnetostriktive Material des Treiber wenigstens teilweise (z.B. nur in hierfür relevanten Bereichen) einer (separaten) Wärmehandlung unterzogen sind.
  • Die erfindungsgemäß bereitgestellten Hochleistungs-Ultraschallwandler eignen sich im Prinzip für beliebige Anwendungszwecke von Ultraschallwandlern, wobei in Anbetracht der erfindungsgemäßen Vorteile insbesondere an Anwendungen mit hohen Belastungen gedacht werden kann (wie z.B. ein Einsatz des Ultraschallwandlers zur Behandlung von flüssigen fossilen Brennstoffen oder sonstigen Flüssigkeiten). Daher erweist sich eine vorherige Wärmebehandlung des Ultraschallhorns, ggfs. auch nur im Bereich der besonderen Belastungen unterworfenen Kontaktfläche(n) und/oder des dem Treiber abgewandten und ebenfalls hochbelasteten Schwingkopfs, als vorteilhaft. Auch im Fall des Treibers kann in vorteilhafter Weise auf eine vorherige Wärmebehandlung zurückgegriffen werden, da hierdurch insbesondere die magnetostrikiven Eigenschaften des verwendeten Materials optimiert werden können. Im übrigen führt die Wärmebehandlung zu einer isolierenden Oxidschicht auf der Oberfläche der Magnetplatten, wodurch die bevorzugt stapelweise einander anliegenden Magnetplatten gegeneinander isoliert sind. Wie bereits erläutert, ergab sich bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verbindungstechniken die im Rahmen der vorliegenden Erfindung festgestellte Problematik, dass durch eine hohe und über große Bereiche eingeleitete Temperaturbelastung (z.B. beim Hartlöten) das Materialgefüge bzw. die magnetostriven Eigenschaften des wärmebehandelten Materials oder die Oxidschicht bzw. eine separat aufgebrachte Isolationsschicht auf der Oberfläche der magnetostriktiven Elemente eines Treibers zerstört oder nachteilig beeinflusst wurden. Dieser nachteilige Effekt (Verringerung der Festigkeit des Horns bzw. Festigkeit und der magnetostriktiven Eigenschaften des Treibers; Kurzschlüsse zwischen den Magnetplatten durch Zerstörung der Isolationsschicht) tritt demgegenüber bei dem erfindungsgemäß verwendeten Verfahren des Elektronen- oder Laserstrahlschweißens nicht bzw. allenfalls in einem lokal begrenzten Bereich auf, so dass auch insoweit die bereits genannten Vorteile der Erfindung zum Tragen kommen.
  • Ferner sei erwähnt, dass ein Ultraschallhorn eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers nicht zwangsläufig einteilig ausgestaltet sein muss, sondern ggfs. auch mehrteilig, insbesondere zweiteilig ausgestaltet sein kann. Dabei kann in einer abermals bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Kontaktfläche an einem Zwischenteil des Ultraschallhorns ausgebildet ist, welches mit dem übrigen Ultraschallhorn verbunden (z.B. verschraubt) ist.
  • Und schließlich sei erwähnt, dass die vorliegende Erfindung auch einen Ultraschallwandler umfasst, der einen magnetostriktiven Treiber und insgesamt zwei, auf verschiedenen Seiten des Treibers angeordnete Ultraschallhörner umfasst. Hierbei ist dann zu beiden Seiten des Treibers für eine erfindungsgemäße Schweißverbindung zwischen dem Treiber und dem jeweiligen Ultraschallhorn im Bereich der jeweiligen Kontaktfläche des Ultraschallhorns zu sorgen.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt:
    • Fig. 1
    eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers,
    Fig. 2
    einen ersten Längsschnitt durch den Ultraschallwandler aus Fig. 1 parallel zu der durch die Magnetplatten aufgespannten Ebene,
    Fig. 3
    einen zweiten Längsschnitt durch den Ultraschallwandler aus Fig. 1 senkrecht zu der durch die Magnetplatten aufgespannten Ebene,
    Fig. 4
    ein Zwischenstück eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers,
    Fig. 5
    eine perspektivische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
    Fig. 6
    eine perspektivische Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung und
    Fig. 7
    eine perspektivische Ansicht eines fünften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
  • Das in den Fig. 1 bis 3 dargestellte erste Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers 1 umfasst ein wärmebehandeltes Ultraschallhorn 2 und einen aus Gründen der Übersichtlichkeit nur teilweise dargestellten, mit Hilfe mehrerer nicht dargestellter Spulen antreibbaren und auf dem Prinzip der Magnetostriktion funktionierenden Treiber 3 aus einer Vielzahl an Magnetplatten 4, die zu insgesamt sechs Stapeln 9 (hiervon ist nur einer dargestellt) gruppiert werden. Die aus einem magnetostriktiven Werkstoff hergestellten und ebenfalls wärmebehandelten Magnetplatten 4 liegen mit ihrem zum Ultraschallhorn 2 weisenden Rand 5 einer Kontaktfläche 6 an, wobei die Kontaktfläche 6 im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils durch den Boden 7 einer in Draufsicht rechteckigen Aufnahmetasche 8 gebildet wird. Insgesamt sind sechs Aufnahmetaschen 8 vorgesehen, in denen bei fertig montiertem Ultraschallschwinger 1 jeweils ein Stapel 9 aus einer Mehrzahl an Magnetplatten 4 endseitig aufgenommen ist, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeder Stapel aus zweiundzwanzig Magnetplatten mit je 0,4 mm Dicke besteht. Es versteht sich von selbst, dass auch eine geringere oder höhere Zahl von Magnetplatten oder andere Plattendicken Verwendung finden können.
  • Die Aufnahmetaschen 8 sind in einer sockelartigen Erhebung 10 ausgebildet, deren Höhe H (vgl. Fig. 2) größer als die Tiefe T (vgl. Fig. 3) der Aufnahmetaschen 8 ist. Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Verbindung zwischen dem aus den Magnetplatten 4 gebildeten Treiber 3 und dem Ultraschallhorn 2 kann ein Elektronenstrahl gemäß der Pfeile E1 und E2 so ausgerichtet bzw. geführt werden, dass er seitlich, also durch die seitliche Begrenzungswand 11 der sockelartigen Erhebung 10, in das massiv ausgestaltete Ultraschallhorn auf Höhe der Kontaktflächen 6 (vgl. die gestrichelte Linie 12 in Fig. 2) und parallel hierzu eintritt. Anstelle eines Elektronenstrahls kann jedoch zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Schweißverbindung im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch ein geeignet zu fokussierender Laserstrahl von hinreichender Energie Verwendung finden.
  • Bei dem dargestellten Ultraschallwandler 1 wird der stets parallel zur Kontaktlinie zwischen einer Magnetplatte und dem Ultraschallhorn ausgerichtete Elektronenstrahl (wie sich aus den Fig. 1 und 2 ergibt) zunächst von einer Seite gemäß Pfeil E1 auf das Ultraschallhorn 2 bzw. die Seitenwand 11 der sockelartigen Erhebung 10 gerichtet, wobei die durch die Energie des verwendeten Elektronenstrahls einstellbare Eindringtiefe des Elektronenstrahls so zu wählen ist, dass er mit ausreichender Energie zur Erzeugung einer dauerfesten Schweißverbindung bis in etwa zur Mitte des der Kontaktfläche 6 anliegenden Randes 5 der jeweiligen Magnetplatte 4 in das Material eindringt. Dabei wird der Elektronenstrahl gemäß Pfeil F1 - in einer stets zu Pfeil E1 parallelen Ausrichtung - linear über den Verbindungsbereich geführt, so dass alle in den sechs Aufnahmetaschen 8 aufgenommenen Magnetplatten 4 wenigstens bis zur Mitte mit der Kontaktfläche 6 bzw. 7 linienförmig mit dem Ultraschallhorn 2 verschweißt werden.
  • Anschließend wird ein entsprechender Schweißvorgang von der anderen Seite der Magnetplatten 4 wiederholt. Hierbei wird der Elektronenstrahl gemäß Pfeil E2 unter Beibehaltung seiner Ausrichtung über den Verbindungsbereich geführt (vgl. Pfeil F2), so dass nach Abschluss des geschilderten Verfahrens alle Magnetplatten 4 randseitig mit dem Ultraschallhorn 2 verschweißt sind. Ggfs. könnte auch eine Elektronenstrahlführung in umgekehrter Richtung zum dargestellten Verlauf gemäß Pfeil F2 verwendet werden, z.B. wenn zur Herstellung der Schweißverbindung die gleichzeitige Verwendung zweier von verschiedener Seiten auf den Verbindungsbereich gerichteter Elektronen- und/oder Laserstrahlen angedacht ist.
  • Die mittels des Treibers 3 aufgebrachte Ultraschallschwingung kann dann über den elektronenstrahlgeschweißten (oder laserstrahlgeschweißten) Verbindungsbereich wirksam auf das Ultraschallhorn übertragen werden, wo sie durch eine Einschnürung 13 des Horn 2 verstärkt und bis hin zum Ultraschallkopf 14 hin übertragen wird, der dann gemäß Doppelpfeil A in Schwingung versetzt wird.
  • Das Ultraschallhorn 2 weist umfangseitig einen Befestigungsflansch 15 auf, mit welchem es z.B. an einer externern Struktur befestigt werden kann. Als Ansatzpunkt für den Flansch 14 eignet sich ein Knotenpunkt der durch das Ultraschallhorn 2 in Längsrichtung übertragenen Schwingung.
  • Fig. 4 veranschaulicht schließlich noch, dass der die Kontaktfläche(n) 6 aufweisende Bereich des Ultraschallhorns 2 ggfs. in Form eines Zwischenstücks 16 ausgebildet sein kann, welches mit dem übrigen Ultraschallhorn (nicht dargestellt) - z.B. durch Verschraubung - verbunden wird. Hierzu weist das Zwischenstück 16 in dem dargestellten Beispiel an seiner Unterseite vorteilhaft einen Gewindestift 17 mit einem nicht dargestellten Außengewinde auf, mit welchem eine Schraubverbindung mit einem entsprechen Innengewinde am übrigen Ultraschallhorn hergestellt werden kann. Auch hier sind die zu insgesamt sechs Stapeln 9 (von denen wiederum nur einer dargestellt ist) gruppierten Magnetplatten 4 (der Einfachheit ist hier nur der Stapel 9 insgesamt dargestellt), die den Treiber 3 bilden, an ihrem dem Zwischenstück 16 des Ultraschallhorns zugewandten Rand im Bereich einer durch den Boden der Aufnahmetaschen 8 gebildeten Kontaktfläche 7 des Zwischenstücks 16 mit demselben elektronenstrahl- oder laserstrahlverschweißt. Wie im vorherigen Ausführungsbeispiel sind hier die Aufnahmetaschen 8 in einer sockelartigen Erhebung 10 des zum Treiber 3 weisenden Endes (hier durch das Zwischenstück 16 gebildet) des Ultraschallhorns ausgebildet.
  • Fig. 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers, der aus einem Treiber 3 und zwei Ultraschallhörnern 2, 2' besteht, wobei die beiden Ultraschallhörner 2, 2' in einander entgegengesetzter Orientierung auf gegenüberliegenden Seiten des - wie zuvor - aus sechs Magnetplattenstapeln 9 bestehenden Treibers angeordnet und jeweils in der vorstehend bereits beschriebenen Weise mit diesem verschweißt sind. Auch hier könnte z.B. der jeweilige dem Treiber zugewandte Endbereich der beiden Ultraschallhörner 2, 2' durch ein Zwischenstück ausgebildet sein, das mit dem übrigen Ultraschallhorn verbunden ist.
  • Fig. 6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers aus Ultraschallhorn 2 und Treiber 3, bei welchem der Treiber 3 aus genau einem magnetostriktiven Element 18 in Säulenform besteht, welches wiederum endseitig in einer dem runden Querschnitt angepassten Aufnahmetasche 8 in einer sockelartigen Erhebung 10 am Ultraschallhorn 2 aufgenommen und darin - im Bereich der durch den Boden der Aufnahmetasche 8 gebildeten Kontaktfläche mit dem Ultraschallhorn 2 - verschweißt ist. Hierzu kann ein Laser- oder Elektronenstrahl gemäß Pfeil E3 auf die seitliche Begrenzungswand 11 der sockelartigen Erhebung gerichtet und (z.B. durch Drehung des Ultraschallhorns) - unter Beibehaltungen seiner zur Kontaktfläche parallelen Ausrichtung auf der Höhe derselben und stets radial auf den Mittelpunkt des runden Querschnitts gerichtet - gemäß Pfeil F3 um die sockelartige Erhebung 10 herum geführt werden (vgl. die gestrichelte Linie 19), so dass auch hier - bei bevorzugt nur in etwa zur Mitte reichender Eindringtiefe des Elektronen- oder Laserstrahls - ein erster Teil der Schweißverbindung von einer ersten Seite und ein zweiter Teil der Schweißverbindung von einer zweiten Seite des Ultraschallhorns hergestellt wird.
  • Und schließlich zeigt Fig. 7 noch ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit wiederum zwei Ultraschallhörnern 2, 2' (identisch zu demjenigen aus Fig. 6 aufgebaut) und einem dazwischen liegenden Treiber 3 aus einem einzigen, säulenförmigen magentostriktiven Element 18. Der Unterschied zu dem in Fig. 6 dargestellten Ultraschallwandler besteht darin, dass auf der dem ersten Ultraschallhorn 2 abgewandten Seite 20 des Treibers 3 ein weiteres - zum ersten Ultraschallhorn 2 baugleiches - Ultraschallhorn 2' angeordnet und in der bereits beschriebenen Weise mit diesem verweißt wird. Auch bei den Beispielen nach den Fig. 6 und 7 kann der dem Treiber zugewandte Bereich des Ultraschallhorns ggfs. in Form eines separaten Zwischenstücks ausgebildet sein.

Claims (10)

  1. Ultraschallwandler (1) umfassend ein Ultraschallhorn (2) und einen magnetostriktiven Treiber (3),
    wobei der Treiber (3) mit einer ihm zugewandten Kontaktfläche (6) des Ultraschallhorns (2) verbunden ist,
    wobei der Treiber (3) und das Ultraschallhorn (2) im Bereich der Kontaktfläche (6) mittels Elektronenstrahlschweißen und/oder Laserstrahlschweißen verbunden sind,
    wobei die Kontaktfläche (6) durch den Boden (7) von wenigstens einer Aufnahmetasche (8) ausgebildet ist, die das ultraschallhornseitige Ende des Treibers (3) aufnimmt,
    wobei die wenigstens eine Aufnahmetasche (8) in einer sockelartigen Erhebung (10) des zum Treiber (3) weisenden Endes des Ultraschallhorns (2) ausgebildet ist, und
    wobei die sockelartige Erhebung (10) höher ist als die Tiefe der darin ausgebildeten Aufnahmetaschen (8) .
  2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Treiber (3) genau ein magnetostriktives Element (18) umfasst.
  3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Treiber (3) eine Mehrzahl an Magnetplatten (4) umfasst.
  4. Ultraschallwandler nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mehrere Aufnahmetaschen (8) vorgesehen sind, in denen jeweils ein Teil des Treibers (3) bzw. der Magnetplatten (4) aufgenommen ist.
  5. Ultraschallwandler nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Ultraschallhorn (2) und/oder das magnetostriktive Material des Treibers (3) wenigstens teilweise einer Wärmebehandlung unterzogen sind.
  6. Ultraschallwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Ultraschallhorn (2) mehrteilig, insbesondere zweiteilig, aufgebaut ist, wobei die Kontaktfläche (6) an einem Zwischenteil (16) des Ultraschallhorns (2) ausgebildet ist, welches mit dem übrigen Ultraschallhorn (2) verbunden ist.
  7. Ultraschallwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Ultraschallwandler (1) ein zweites Ultraschallhorn (2') umfasst, welches auf einer dem ersten Ultraschallhorn (2) abgewandten Seite des Treibers (3) mit diesem verbunden ist, wobei der Treiber und das zweite Ultraschallhorn (2') im Bereich einer Kontaktfläche des zweiten Ultraschallhorns (2') mittels Elektronenstrahlschweißen und/oder Laserstrahlschweißen verbunden ist.
  8. Verfahren zur Herstellung einer dauerhaften Verbindung zwischen einem Ultraschallhorn (2) und einem magnetostriktiven Treiber (3) eines Ultraschallwandlers (1),
    wobei der Treiber (3) und das Ultraschallhorn (2) im Bereich einer dem Treiber (3) zugewandten Kontaktfläche (6) des Ultraschallhorns (2) mittels Elektronenstrahlschweißen und/oder Laserstrahlschweißen verbunden werden,
    wobei die Kontaktfläche (6) durch den Boden (7) von wenigstens einer Aufnahmetasche (8) ausgebildet ist, die das ultraschallhornseitige Ende des Treibers (3) aufnimmt,
    wobei die wenigstens eine Aufnahmetasche (8) in einer sockelartigen Erhebung (10) des zum Treiber (3) weisenden Endes des Ultraschallhorns (2) ausgebildet ist,
    wobei die sockelartige Erhebung (10) höher ist als die Tiefe der darin ausgebildeten Aufnahmetaschen (8), und
    wobei der Elektronen- bzw. Laserstrahl so ausgerichtet bzw. geführt wird, dass er durch die seitliche Begrenzungswand (11) der sockelartigen Erhebung (10) in das massiv ausgestaltete Ultraschallhorn (2) auf Höhe der Kontaktfläche (6) und parallel hierzu eintritt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Treiber (3) durch eine Vielzahl an Magnetplatten (4) gebildet ist, wobei der Elektronen- bzw. Laserstrahl (E1, E2) während des Schweißvorgangs stets parallel zur Kontaktfläche (6) sowie parallel zu den Kontaktlinien zwischen den Magnetplatten (4) und der Kontaktfläche (6) ausgerichtet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Elektronen- und/oder Laserstrahl (E1, E2) so über den Verbindungsbereich geführt wird, dass ein erster Teil der Schweißverbindung von einer ersten Seite und ein zweiter Teil der Schweißverbindung von einer zweiten Seite hergestellt wird.
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