ES2897569T3 - Dispositivo de soldadura por ultrasonidos - Google Patents

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Abstract

Dispositivo de soldadura por ultrasonidos; que comprende un sonotrodo (1) fijado a un amplificador (12) y éste a un convertidor (13), al que se le fija el cabezal (2); caracterizado porque comprende: una camisa exterior (3) dispuesta en tomo al sonotrodo (1), delimitándose entre ellos una cámara anular (4) de circulación de aire a presión que dispone en su extremo anterior (31 ) de una boca almenada, para la salida de aire a presión y la refrigeración del sonotrodo (1); dicha camisa exterior (3) presenta una porción posterior (32) en el cabezal (2) con posibilidad de desplazamiento axial, conformando un pisador que ejerce, por la acción de unos medios compresibles (51), una presión contra las piezas (P1, P2) a soldar, en una zona perimetral próxima a la de soldadura, antes de que la punta (11) del sonotrodo (1) establezca contacto con dichas piezas a soldar.

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo de soldadura por ultrasonidos
OBJETO DE LA INVENCIÓN
El objeto de la presente invención es un dispositivo de soldadura por ultrasonidos, en particular para la soldadura de piezas de material plástico. El dispositivo comprende un sonotrodo, un amplificador y un convertidor, adecuado para su acoplamiento a un manipulador, actuador o brazo robótico encargado de desplazarlo durante su aproximación a la zona a soldar y la realización de la soldadura, y al que se le fija un cabezal pisador y de refrigeración.
Un aspecto principal de la invención es dotar al dispositivo de unos medios adecuados para ejercer una presión frontal sobre las piezas a soldar en una zona periférica y muy próxima a la soldadura a realizar, de modo que no quede una separación indeseada entre dichas piezas; y a realizar una refrigeración efectiva del sonotrodo y de la propia soldadura una vez conformada.
CAMPO DE APLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
Esta invención es aplicable en la soldadura de materiales plásticos por ultrasonidos.
ANTECEDENTES
En diversos sectores, como el de automoción, es habitual la soldadura de piezas de material plásticos mediante ultrasonidos; presentando una de las piezas a unir unos orificios para paso de unas torretas tubulares definidas en la segunda pieza a unir. Previamente a la soldadura las zonas a soldar de ambas piezas se disponen superpuestas. Durante la soldadura un sonotrodo actúa en dirección axial contra la torreta tubular de material plástico provocando la fusión del plástico y su aplastamiento, formando sobre la primera pieza una cabeza o regruesamiento de material que impide la liberación de ambas piezas.
Para la realización de soldaduras múltiples de forma simultánea, se utilizan maquinas provistas de unos casetes con varios sonotrodos de soldadura por puntos, proporcionando una configuración repetitiva.
El cambio de las piezas a soldar requiere un cambio del modelo y la reconfiguración de la máquina para cada modelo.
También son conocidos dispositivos de soldadura por ultrasonidos más flexibles, con brazo robótico, que permiten cambiar de modelo cambiando únicamente de coordenadas.
Durante la utilización de estos dispositivos de soldadura se plantean habitualmente dos problemas:
• un primer problema relacionado con la adecuada refrigeración del sonotrodo y de la misma soldadura para su eficiencia y;
• un segundo problema relacionado con el correcto posicionamiento de las piezas a unir, de modo que no quede una separación indeseada entre las mismas.
En relación con el primer problema de refrigeración del sonotrodo existen diversos antecedentes:
En la patente US3438428 se describe un método para el mantenimiento de una herramienta vibratoria a una temperatura controlada. Para una realización, dicha herramienta vibratoria se aplica a la soldadura de plásticos por medio de un sonotrodo. A los efectos de realizar el control de temperatura mencionado, se define en dicho sonotrodo un conducto al que están conectadas la entrada y la salida de circuito exterior de circulación de un fluido de refrigeración.
La patente US6691909 se refiere a un aparato y un método para piezas de trabajo de soldadura por ultrasonidos que reduce la adhesión sonotrodo durante el proceso de soldadura por ultrasonidos. Este documento US6691909 también propone sistemas de enfriamiento internos para el sonotrodo similares a los propuestos en US3438428. El documento EP1000732 describe un aparato para la soldadura por ultrasonidos de elementos de fijación de la resina, y propone la formación de un pasaje para el aire definido a través de una porción del sonotrodo, uno de cuyos usos es inyectar aire con el fin de enfriar el área soldada.
Estos antecedentes presentan algunos inconvenientes: la proyección de aire por un conducto interno del sonotrodo puede provocar la aparición de burbujas o filamentos en el material fundido y consiguientemente soldaduras defectuosas; además esta proyección no resulta especialmente efectiva ya que al producirse el avance del sonotrodo sobre el material fundido dicho conducto interno queda taponado por el propio plástico fundido impidiendo la circulación del aire por el interior del sonotrodo y su salida por la punta o extremo anterior e incrementando excesivamente la temperatura del sonotrodo.
En relación con el segundo problema de posicionamiento de las piezas a soldar es conocida la utilización de manipuladores externos, ajenos al dispositivo de soldadura, que sujetan las piezas en una zona más o menos alejada de la zona de soldadura.
Esto determina con frecuencia, y especialmente en aquellos casos en los que hay un material (por ejemplo forros) entre las piezas a soldar, que ambas piezas no se presionen adecuadamente en la zona de soldadura, por lo que ambas piezas no quedan juntas sino que existe entre las mismas una ranura o separación indeseada y en algunos casos inaceptable por el fabricante.
El solicitante desconoce la existencia de antecedentes referentes a dispositivos de soldadura por ultrasonidos que permitan resolver satisfactoriamente y de forma simultánea los dos problemas expuestos, tanto en lo que se refiere a la refrigeración del sonotrodo como al correcto posicionado de las piezas en las zonas de soldadura para evitar que quede una ranura o separación entre las mismas.
US2015360414 A1 se refiere a un dispositivo para unir piezas de trabajo termoplásticas que incluye un soldador ultrasónico que incluye un transductor ultrasónico, un amplificador y una bocina que tiene una punta de soldadura. Un mecanismo de sujeción se conecta al soldador ultrasónico e incluye un marco superior acoplado a una bota. La punta de soldadura del cuerno del soldador ultrasónico se proyecta en una abertura en la bota del mecanismo de sujeción. El mecanismo de sujeción ejerce una fuerza de sujeción sobre las piezas de trabajo que difiere de la fuerza de soldadura ejercida sobre las piezas de trabajo por el soldador ultrasónico cuando el soldador ultrasónico está funcionando para unir las piezas termoplásticas.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El dispositivo de soldadura por ultrasonidos objeto de la invención; comprendiendo un sonotrodo, un amplificador de ultrasonidos un convertidor, adecuado para su acoplamiento a un manipulador o brazo robótico, y al que se le fija un cabezal pisador de refrigeración, presenta unas características adecuadas para resolver la problemática expuesta y concretamente para ejercer una presión frontal sobre las piezas a soldar en una zona periférica y muy próxima a la soldadura a realizar, de modo que no quede una separación indeseada entre dichas piezas; y para realizar una refrigeración efectiva del sonotrodo, por su superficie externa, garantizado la circulación de aire a presión hacia la zona de soldadura durante la realización de dicha soldadura.
Para ello, y de acuerdo con la invención, este dispositivo comprende una camisa exterior dispuesta en torno al sonotrodo y que delimita conjuntamente con dicho sonotrodo una cámara de sección anular para la circulación de aire a presión conectada, a través de una cavidad interior del cabezal, a una entrada de aire a presión y que dispone de una boca anterior anular almenada, para la salida de aire a presión y la refrigeración perimetral del sonotrodo. Dicha camisa exterior presenta una porción posterior montada en el cabezal con posibilidad de desplazamiento axial, entre: - una posición anterior en la que el extremo anterior de la camisa sobresale frontalmente respecto a la punta del sonotrodo; conformando un pisador que ejerce, por la acción de unos medios compresibles, una presión configurable contra las piezas a soldar, en una zona perimetral próxima a la de soldadura, durante la aproximación del sonotrodo a las piezas a soldar y antes de que la punta del sonotrodo establezca contacto con dichas piezas a soldar, y - una posición posterior, determinada por el avance del sonotrodo durante la soldadura mientras que el extremo anterior de la camisa mantiene presionadas las piezas a soldar, y en cuya posición posterior el extremo anterior de la camisa se dispone coplanariamente, o en un plano muy próximo, a la punta del sonotrodo.
Con estas características, se consigue que el extremo anterior de la camisa ejerza una presión configurable sobre las piezas a soldar, en una zona perimetral próxima a la zona de soldadura, antes de que se inicie la soldadura y durante todo el proceso de soldadura, con lo que queda garantizado el correcto posicionamiento de dichas piezas, evitando que queden ranuras o espacios indeseados entre las mismas.
También se consigue con la invención que el aire a presión utilizado para la refrigeración exterior del sonotrodo, circule por la cámara anular y que salga por la boca anterior de la camisa, incluso durante la soldadura, ya que la configuración almenada de la boca anterior de la camisa impide que el plástico fundido bloquee la salida de aire a presión, contrariamente a lo que ocurre en los antecedentes citados provistos de una boca de salida central definida en el propio sonotrodo
El aire refrigerante a presión aporta un efecto beneficioso adicional sobre el rendimiento en las operaciones de este tipo de soldadura pues, cuando tras la soldadura es retirado el sonotrodo, ese aire a presión refrigera el plástico fundido en el punto de soldadura, haciendo que el material fundido se solidifique, con la consecuencia de que el sonotrodo se separa sin arrastrar material fundido y, por tanto, sin deformar y/o debilitar la soldadura, lo que evita tener que dedicar el tiempo que actualmente es habitual dedicar a la espera de que el plástico fundido se solidifique -sin refrigeración- para poder retirar el sonotrodo sin las molestas deformaciones de la soldadura. El resultado de este efecto es el de que las soldaduras se realizan a intervalos de tiempo más cortos; es decir, con más alto rendimiento por unidad de tiempo.
Asimismo, la presión ejercida sobre las piezas se mantiene efectiva en el retroceso del sonotrodo, impidiendo la separación de las mismas mientras se enfría la soldadura con el aire a presión.
Una ventaja adicional de la circulación del aire a presión, de refrigeración por la cavidad interior del dispositivo, es que la propia presión del aire provoca un autocentrado en dirección radial de la camisa respecto al elemento mecánico de guiado, minimizando así el desgaste por rozamiento mecánico entre ambos, puesto que sólo actúa en caso de fuerzas radiales extremas.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de facilitar la comprensión de las características de la invención, se acompaña a la presente memoria descriptiva un juego de dibujos en los que, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
- La figura 1 muestra una vista en alzado de un ejemplo de realización del dispositivo de soldadura por ultrasonidos de acuerdo con la invención, en posición inoperante y en la que se puede observar la camisa en la posición anterior.
- La figura 2 muestra el cabezal pisador y de refrigeración en una vista análoga a la anterior en la que se han eliminado los elementos ultrasónicos de soldadura.
- La figura 3 muestran una vista en alzado del dispositivo de soldadura por ultrasonidos de la figura 1 en una posición operativa, con la camisa en la posición posterior.
- Las figuras 4 y 5 muestran sendos detalles de una porción anterior del dispositivo de la invención en diferentes fases de la soldadura de dos piezas de material plástico.
REALIZACIÓN PREFERIDA DE LA INVENCIÓN
Como se puede observar en el ejemplo de realización mostrado en la figura 1 y 3 el dispositivo de soldadura por ultrasonidos, comprende un sonotrodo (1) fijado por su zona posterior a un amplificador (12) y éste a su vez a un convertidor (13) adecuado para su acoplamiento a un actuador, manipulador o brazo robótico encargado de su desplazamiento, y al que se le fija el cabezal (2).
El dispositivo comprende una camisa exterior (3) dispuesta en torno al sonotrodo (1) y que delimita conjuntamente con dicho sonotrodo una cámara anular (4) de circulación de aire a presión conectada a través de la cavidad (23) a una entrada (21) de aire a presión definida en el cabezal (2); disponiendo dicha camisa exterior (3) en su extremo anterior (31) de una boca almenada, para la salida de aire a presión por la periferia de la punta (11) del sonotrodo (1) y la refrigeración perimetral de dicho sonotrodo (1).
La camisa exterior (3) presenta una porción posterior (32) montada en el cabezal (2) con posibilidad de desplazamiento axial, entre una posición anterior representada en la figura 1, y una posición posterior representada en la figura 3.
En la posición anterior el extremo anterior (31) de la camisa (3), sobresale frontalmente respecto a la punta (11) del sonotrodo (1), mientras que en la posición posterior el extremo anterior (31) de la camisa se dispone coplanariamente o en un plano próximo a la punta (11) del sonotrodo (1).
El dispositivo comprende un soporte (5) fijado exteriormente a una zona intermedia de la camisa (3) y que se desplaza conjuntamente con dicha camisa (3) respecto al cabezal (2), entre las posiciones anterior y posterior, mencionadas anteriormente.
El dispositivo comprende unos medios compresibles (51) representados en este ejemplo por unos muelles helicoidales que actúan sobre el soporte (5) y tienden a mantenerlo en la posición anterior, en contacto con un tope (22) fijado al cabezal (2) y que limita el avance del soporte (5) en la posición anterior, tal como se muestra en la figura 1.
La porción posterior (32) de camisa exterior (3) está alojada en una cavidad (23) del cabezal (2) que se comunica a través de un casquillo cilíndrico perforado (6) con la entrada lateral (21) de aire a presión definida en dicho cabezal (2); comprendiendo dicha porción posterior (32) de la camisa un extremo posterior almenado (33) y unos orificios radiales (34) para el paso de aire a presión desde la cavidad (23) del cabezal (2) hasta la cámara anular (4) definida entre la camisa exterior (3) y el sonotrodo (1), con independencia de la posición más o menos avanzada de dicha camisa exterior (3).
El casquillo cilíndrico perforado (6) se encuentra alojado en un asiento perimetral (24) definido en la cavidad (23) del cabezal (2) y fijado en dicho asiento perimetral (24) por medio de un retenedor (7) fijado al cabezal (2) y que dispone de una junta de cierre (71) que actúa contra el soporte (5) desplazable impidiendo la fuga al exterior de aire a presión por el espacio comprendido entre el soporte (5) y el cabezal (2).
En las figuras 4 y 5 se representa dos posiciones del dispositivo durante su actuación en dirección axial y la soldadura de dos piezas de plástico (P1, P2) convenientemente superpuestas y provistas respectivamente de una torreta (T) y de un orificio (O) para el paso de la torreta (T).
Como se observa en la figura 4, durante la aproximación del sonotrodo (1) a las piezas (P1, P2) a soldar, antes de que la punta (11) del sonotrodo (1) establezca contacto con dichas piezas a soldar, la camisa (3) se encuentra en una posición anterior sobresaliente y su extremo anterior (31) conforma un pisador que ejerce, por la acción de los medios compresibles (51), una presión configurable contra las piezas (P1, P2) a soldar, en una zona perimetral próxima a la de soldadura, inmovilizándolas en la posición adecuada y evitando que quede un espacio o ranura entre las mismas.
Como se observa en la figura 5, durante el avance del dispositivo en dirección axial el sonotrodo actúa con la punta (11) sobre la torreta (T) realizando la soldadura; y el extremo anterior (31) de la camisa mantiene presionadas las piezas (P1, P2) a soldar, alcanzando una posición posterior, determinada precisamente por el mencionado avance del sonotrodo (1).
Durante la soldadura la camisa (3) retrocede respecto al sonotrodo (1) produciéndose una compresión de los medios compresibles (51) que tienden a mantenerla en la posición anterior.
Una vez descrita suficientemente la naturaleza de la invención, así como un ejemplo de realización preferente, se hace constar a los efectos oportunos que los materiales, forma, tamaño y disposición de los elementos descritos podrán ser modificados, siempre y cuando ello no suponga una alteración de las características esenciales de la invención que se reivindican a continuación

Claims (6)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Dispositivo de soldadura por ultrasonidos; que comprende un sonotrodo (1) fijado por su zona posterior a un amplificador (12) y éste a su vez a un convertidor (13) adecuado para su acoplamiento a un actuador, manipulador o brazo robótico encargado de su desplazamiento, y al que se le fija un cabezal (2); en el que el dispositivo comprende:
    una camisa exterior (3) dispuesta en torno al sonotrodo (1) y que delimita, conjuntamente con dicho sonotrodo (1), una cámara anular (4) de circulación de aire a presión conectada a través de una cavidad (23) a una entrada (21) de aire a presión definida en el cabezal (2),
    cuya camisa exterior (3) dispone de una boca almenada en un extremo anterior (31) para la salida de aire a presión en el perímetro de una punta (11) del sonotrodo y para la refrigeración perimetral del sonotrodo (1);
    la camisa exterior (3) presenta una porción posterior (32) montada en el cabezal (2) con desplazamiento axial, entre:
    - una posición anterior en la que el extremo anterior (31) de la camisa exterior (3) sobresale frontalmente respecto a la punta (11) del sonotrodo (1); conformando un pisador que ejerce, por la acción de unos medios compresibles (51), una presión configurable contra las piezas (P1, P2) a soldar, en una zona perimetral próxima a la de soldadura, durante la aproximación del sonotrodo (1) a las piezas a soldar y antes de que la punta (11) del sonotrodo (1) establezca contacto con dichas piezas a soldar, y
    - una posición posterior, determinada por el avance del sonotrodo (1) durante la soldadura mientras que el extremo anterior (31) de la camisa exterior (3) mantiene presionadas las piezas (P1, P2) a soldar, y en cuya posición posterior el extremo anterior (31) de la camisa exterior (3) se dispone coplanariamente, o en un plano muy próximo, a la punta (11) del sonotrodo (1).
  2. 2. El dispositivo, según la reivindicacion1, caracterizado por la porción posterior (32) de la camisa exterior (3) que está alojada en una cavidad (23) del cabezal (2) que se comunica a través de un casquillo cilíndrico perforado (6) con una entrada (21) lateral de aire a presión, definida en dicho cabezal (2); comprendiendo dicha porción posterior (32) de la camisa exterior (3) un extremo posterior almenado (33) y unos orificios radiales (34) para el paso de aire a presión desde la cavidad (23) del cabezal (2) hasta la cámara anular (4) definida entre la camisa exterior (3) y el sonotrodo (1).
  3. 3. El dispositivo, según la reivindicación 2, caracterizado por el casquillo cilíndrico perforado (6) que se encuentra alojado en un asiento perimetral (24) definido en la cavidad (23) del cabezal (2) y fijado en dicho asiento por medio de un retenedor (7).
  4. 4. El dispositivo, según la reivindicación 3, caracterizado por el retenedor (7) que dispone de una junta de cierre (71) que actúa contra el soporte (5) desplazable, impidiendo la fuga al exterior de aire a presión por el espacio comprendido entre el soporte (5) y el cabezal (2).
  5. 5. El dispositivo, según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende: un soporte (5) fijado exteriormente a una zona intermedia de la camisa exterior (3) y que se desplaza conjuntamente con dicha camisa exterior (3), entre las posiciones anterior y posterior; unos medios compresibles (51) que actúan sobre el cabezal (2) y tienden a mantenerlo en la posición anterior; y un tope mecánico (22) que delimita el avance del soporte (5) en la posición anterior.
  6. 6. Procedimiento de soldar que utiliza el dispositivo de soldadura por ultrasonidos de la reivindicación 1.
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