RU2261177C1

RU2261177C1 - Ultrasonic welding press

Info

Publication number: RU2261177C1
Application number: RU2004120873/12A
Authority: RU
Inventors: А.А. Новик (RU); А.А. Новик
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Ультразвуковая техника - инлаб"
Priority date: 2004-07-08
Filing date: 2004-07-08
Publication date: 2005-09-27

Abstract

FIELD: equipment for welding components made out of thermoplastics.

SUBSTANCE: the invention is pertaining to the field of ultrasonic welding equipment, in particular to ultrasonic welding press used for welding components made out of thermoplastics and may to be used in different branches of industry, where connections of plastic components or assemblies to each other are used. The ultrasonic welding press contains a unit of ultrasonic converter with a waveguide, a support unit, a drive gear of welding pressure and a cradle. The supporting unit is mounted on the same shaft with the waveguide and has a capability to change space interval between them. The welding pressure drive contains a pneumatic power cylinder with a coupling rod mounted with a capability to transfer a pneumatic effort to the unit of the hypersonic converter. Two poles of the cradle are placed in parallel to the waveguide axis and in symmetry to its shaft. Three other bearing bars of the cradle are located in the plains perpendicular to the poles. At that the upper bearing bar is a support for the pneumatic power cylinder and the middle bearing bar is mounted with a capability of relocation on the poles. On its symmetry axis oppositely to the coupling rod of the pneumatic power cylinder there is a boss. The waveguide passes through an aperture located in middle of the middle bearing bar, which is rigidly connected with the unit of the ultrasonic converter in the plane of location of zero oscillations of the waveguide. The invention ensures decrease of losses of ultrasonic power.

EFFECT: the invention ensures decrease of losses of ultrasonic power.

4 cl, 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение предназначено для сварки деталей из термопластов и может быть использовано во всех отраслях промышленности, в которых используется соединение друг с другом пластмассовых деталей или узлов.The present invention is intended for welding parts from thermoplastics and can be used in all industries that use the connection of plastic parts or assemblies with each other.

Для проведения процесса ультразвуковой сварки полимерных материалов необходимо приложение к месту сварки статического давления и ультразвуковых колебаний, причем направление приложения давления и вектор колебательной скорости должны быть расположены перпендикулярно к плоскости сварного шва.To carry out the process of ultrasonic welding of polymeric materials, it is necessary to apply static pressure and ultrasonic vibrations to the welding site, and the direction of pressure application and the vibrational velocity vector should be perpendicular to the plane of the weld.

Известен ультразвуковой сварочный пресс (УЗПК-10, выпускаемый фирмой Advanced Networks Technologies (www.ant.kiev.ua), который содержит блок ультразвукового преобразователя с волноводом, опорный узел, установленный на одной оси с волноводом с возможностью изменения расстояния между ними, привод сварочного давления, содержащий пневмоцилиндр со штоком, установленный с возможностью передачи пневмоусилия на блок ультразвукового преобразователя. Перед началом работы свариваемые элементы помещают в регулируемый зазор между опорным узлом и волноводом, уменьшают его, затем с помощью пневматической системы прижимают волновод к свариваемым элементам и производят процесс сварки. Недостатком известного устройства является невысокая эффективность процесса сварки. Дело в том, что количество энергии, необходимое для получения сварного шва, определяется амплитудой смещения сварочного инструмента, давлением, частотой колебаний, временем сварки. Давление прижатия обеспечивает акустическую связь между свариваемыми материалами. Эта связь делает возможной передачу ультразвуковой энергии и определяет ее количество. В известном устройстве шток пневмоцилиндра воздействует на не рабочий торец корпуса преобразователя, обеспечивая необходимый прижим. Но при таком способе создания прижима возможно отклонение волновода от вертикали и создание такой ситуации, при которой только часть механических колебаний будет поступать в зону сварки.Known ultrasonic welding press (UZPK-10, manufactured by Advanced Networks Technologies (www.ant.kiev.ua), which contains an ultrasonic transducer block with a waveguide, a support node mounted on the same axis with the waveguide with the ability to change the distance between them, the welding drive a pressure containing a pneumatic cylinder with a rod installed with the possibility of transmitting pneumatic force to the ultrasonic transducer block Before starting work, the elements to be welded are placed in an adjustable gap between the support unit and the waveguide, it, then using a pneumatic system, press the waveguide to the elements being welded and perform the welding process. A disadvantage of the known device is the low efficiency of the welding process. The fact is that the amount of energy required to obtain the weld is determined by the amplitude of the offset of the welding tool, pressure, and vibration frequency , welding time The pressing pressure provides an acoustic connection between the materials being welded. This connection makes possible the transfer of ultrasonic energy and determines its amount. In the known device, the rod of the pneumatic cylinder acts on a non-working end face of the transducer housing, providing the necessary clamp. But with this method of creating a clamp, the waveguide can deviate from the vertical and create a situation in which only part of the mechanical vibrations will enter the welding zone.

Этот недостаток отсутствует в ультразвуковом сварочном прессе УПМ-21 (Волков С.С. Сварка и склеивание полимерных материалов. - М.: Химия, 2001. - С.162-163). В этом прессе давление, а соответственно прижим, регулируется со стороны опорного узла. Но такой способ повышения кпд приводит к уменьшению безопасности пресса, т.к. механизм давления расположен со стороны оператора.This disadvantage is absent in the ultrasonic welding press UPM-21 (Volkov S.S. Welding and bonding of polymeric materials. - M .: Chemistry, 2001. - P.162-163). In this press, the pressure, and accordingly the clamp, is regulated by the support unit. But this way of increasing efficiency leads to a decrease in press safety, as The pressure mechanism is located on the operator’s side.

Известен ультразвуковой сварочный пресс (патент RU №2011529), который по совокупности существенных признаков наиболее близок к предлагаемому. Он содержит блок ультразвукового преобразователя с волноводом, опорный узел, установленный на одной оси с волноводом с возможностью изменения расстояния между ними, привод сварочного давления, содержащий пневмоцилиндр со штоком, установленный с возможностью передачи пневмоусилия на блок ультразвукового преобразователя. В известном устройстве давление прижатия создается за счет воздействия штока пневмоцилиндра на торец ультразвукового преобразователя. При таком способе создания давления возникает требуемый прижим, но при этом гасятся сами механические колебания, а следовательно, возникают потери ультразвуковой энергии.Known ultrasonic welding press (patent RU No. 20111529), which, by the combination of essential features, is closest to the proposed one. It contains an ultrasonic transducer block with a waveguide, a support unit mounted on the same axis as the waveguide with the possibility of changing the distance between them, a welding pressure actuator containing a pneumatic cylinder with a rod installed with the possibility of transmitting pneumatic force to the ultrasonic transducer block. In the known device, the pressing pressure is created due to the influence of the rod of the pneumatic cylinder on the end face of the ultrasonic transducer. With this method of creating pressure, the required clamp occurs, but the mechanical vibrations themselves are damped, and consequently, losses of ultrasonic energy occur.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является уменьшение потерь ультразвуковой энергии, вызванных воздействием давления.The problem to which the invention is directed is to reduce the loss of ultrasonic energy caused by pressure.

Достигаемый технический результат - повышение кпд.Achievable technical result - increased efficiency.

Технический результат достигается за счет того, что предлагаемое устройство, также как и известное, содержит блок ультразвукового преобразователя с волноводом, опорный узел, установленный на одной оси с волноводом с возможностью изменения расстояния между ними, привод сварочного давления, содержащий пневмоцилиндр со штоком, установленный с возможностью передачи пневмоусилия на блок ультразвукового преобразователя. В отличие от известного предлагаемый сварочный пресс дополнительно снабжен рамой, две стойки которой расположены параллельно оси волновода симметрично относительно его оси, а три других образующих рамы расположены в плоскостях, перпендикулярных стойкам, причем верхняя образующая является опорой корпуса пневмоцилиндра, средняя образующая установлена с возможностью перемещения по стойкам, на ее оси симметрии оппозитно штоку пневмоцилиндра расположен выступ, а волновод проходит через отверстие, расположенное в середине средней образующей, которая жестко соединена с блоком ультразвукового преобразователя в плоскости расположения нулевых колебаний волновода.The technical result is achieved due to the fact that the proposed device, as well as the known one, contains an ultrasonic transducer block with a waveguide, a support unit mounted on the same axis as the waveguide with the possibility of changing the distance between them, a welding pressure actuator containing a pneumatic cylinder with a rod installed with the ability to transfer pneumatic force to the ultrasonic transducer block. Unlike the known one, the proposed welding press is additionally equipped with a frame, two racks of which are parallel to the axis of the waveguide symmetrically with respect to its axis, and three other generatrix frames are located in planes perpendicular to the racks, the upper generatrix being the support of the pneumatic cylinder body, the middle generatrix is mounted with the possibility of moving along struts, on its axis of symmetry, a protrusion is located opposite the rod of the pneumatic cylinder, and the waveguide passes through the hole located in the middle of the middle image which is rigidly connected to the block of the ultrasonic transducer in the plane of the arrangement of zero oscillations of the waveguide.

Конструкция сварочного пресса предусматривает использование иной точки приложения давления прижима по сравнению с известными устройствами. Шток пневмоцилиндра давит на выступ, соединенный с точкой нулевых колебаний волновода. Под действием приложенного давления средняя образующая опускается по стойкам вместе с блоком ультразвукового преобразователя и создается требуемое прижатие волновода к свариваемым деталям. Из-за того, что точкой приложения давления является точка нулевых колебаний, не происходит потери ультразвуковой энергии, т.е. не уменьшается амплитуда ультразвуковых колебаний и за счет этого увеличивается кпд устройства. Для того, чтобы не было отклонения волновода от вертикальной оси, он установлен в отверстие средней образующей.The design of the welding press involves the use of a different point of application of pressure clamp compared to known devices. The rod of the pneumatic cylinder presses on the protrusion connected to the point of zero oscillations of the waveguide. Under the action of the applied pressure, the middle generatrix descends along the racks together with the ultrasonic transducer block and the required compression of the waveguide to the parts being welded is created. Due to the fact that the point of application of pressure is the point of zero vibrations, there is no loss of ultrasonic energy, i.e. the amplitude of ultrasonic vibrations does not decrease and due to this the efficiency of the device increases. In order to avoid deviation of the waveguide from the vertical axis, it is installed in the hole of the middle generatrix.

Совокупность признаков, изложенная в пункте два формулы изобретения, характеризует ультразвуковой сварочный пресс, в котором опорный узел установлен на нижней образующей, а стойки снабжены резьбой, выполненной на участке между нижней и средней образующей.The set of features set forth in paragraph two of the claims characterizes an ultrasonic welding press in which the support assembly is mounted on the lower generatrix, and the racks are provided with a thread made in the area between the lower and middle generatrix.

Выполнение резьбы на стойках позволяет менять расстояние между средней образующей и опорным узлом при установке новых свариваемых деталей. В то же время размещение опорного узла на нижней образующей дает возможность использовать ее одновременно как опору и как крепежную часть рамы.The threading on the posts allows you to change the distance between the middle generatrix and the support node when installing new parts to be welded. At the same time, the placement of the support node on the lower generatrix makes it possible to use it simultaneously as a support and as a mounting part of the frame.

Совокупность признаков, изложенная в пункте три формулы изобретения, характеризует ультразвуковой сварочный пресс, в котором опорный узел установлен на дополнительной площадке, на которой установлена консоль, снабженная резьбой и соединенная с дополнительной стойкой, расположенной в плоскости, параллельной плоскости расположения первой и второй стоек, и соединяющей верхнюю и нижнюю образующие рамы, причем нижняя образующая выполнена в форме, при которой проекция волновода на плоскость расположения образующей находится вне образующей.The set of features set forth in paragraph three of the claims characterizes an ultrasonic welding press in which the support assembly is mounted on an additional platform on which a console is mounted, threaded and connected to an additional strut located in a plane parallel to the plane of the first and second struts, and connecting the upper and lower generatrix of the frame, and the lower generatrix is made in the form in which the projection of the waveguide onto the plane of the generatrix is outside generatrix th.

Варианты установки рамы зависят от формы свариваемых деталей, от их ширины. При использовании крепления рамы на консоли, к которой она присоединена с помощью дополнительной стойки, можно сваривать широкие и протяженные детали. Резьба, выполненная на консоли, предназначена для установки деталей разной толщины. Форма нижней образующей обеспечивает выполнение ею функции стяжки для стоек и в то же время не препятствует движению волновода.Installation options for the frame depend on the shape of the parts being welded, on their width. When using the frame mount on the console, to which it is attached using an additional rack, you can weld wide and extended parts. The thread made on the console is designed to install parts of different thicknesses. The shape of the lower generatrix ensures that it performs the function of a coupler for struts and at the same time does not impede the movement of the waveguide.

Совокупность признаков, изложенная в пункте четыре формулы изобретения, характеризует ультразвуковой сварочный пресс, в котором нижняя образующая имеет форму, изогнутую в плоскости ее расположения относительно центра.The set of features set forth in paragraph four of the claims characterizes an ultrasonic welding press in which the lower generatrix has a shape curved in the plane of its location relative to the center.

Такая форма выполнения нижней образующей не препятствует движению волновода и не требует большого расхода металла.This form of execution of the lower generatrix does not impede the movement of the waveguide and does not require a large consumption of metal.

Конструкция ультразвукового сварочного пресса иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 и фиг.2 показаны варианты выполнения устройства.The design of the ultrasonic welding press is illustrated by drawings, where in Fig.1 and Fig.2 shows embodiments of the device.

Ультразвуковой сварочный пресс (фиг.1) содержит блок ультразвукового преобразователя 1 с волноводом 2, опорный узел 3 (наковальня), установленный на одной оси с волноводом 2, привод сварочного давления, содержащий пневмоцилиндр 4 со штоком 5. Пресс также содержит раму, образованную стойками 6, которые установлены параллельно волноводу 2 по обе стороны от него, симметрично относительно его оси и тремя образующими 7, 8, 9, которые расположены в плоскостях, перпендикулярных стойкам 6. Верхняя образующая 7 является опорой корпуса пневмоцилиндра 4. Средняя образующая 8 расположена в плоскости нулевых колебаний волновода 2 и жестко соединена с преобразователем 1. Волновод проходит через отверстие, выполненное в середине образующей 8. На оси симметрии этой образующей расположен выступ 10 оппозитно штоку 5 пневмоцилиндра. Средняя образующая может перемещаться по стойкам 6 с помощью ползуна. Нижняя образующая 9 является элементом жесткости рамы. Но в устройстве на фиг.1 она является несущим элементом для установки на ней опорного узла. Стойки 6 на участке, расположенном между нижней и средней образующими рамы, снабжены резьбой 11.The ultrasonic welding press (Fig. 1) contains an ultrasonic transducer block 1 with a waveguide 2, a support unit 3 (anvil) mounted on the same axis as the waveguide 2, a welding pressure drive comprising a pneumatic cylinder 4 with a rod 5. The press also contains a frame formed by uprights 6, which are mounted parallel to the waveguide 2 on either side of it, symmetrically about its axis and with three generators 7, 8, 9, which are located in planes perpendicular to the struts 6. The upper generatrix 7 is a support for the housing of the pneumatic cylinder 4. Medium the generatrix 8 is located in the plane of zero vibrations of the waveguide 2 and is rigidly connected to the transducer 1. The waveguide passes through an opening made in the middle of the generatrix 8. On the axis of symmetry of this generatrix there is a protrusion 10 opposite to the rod 5 of the pneumatic cylinder. The middle generatrix can be moved along the racks 6 with the help of a slider. The lower generatrix 9 is an element of rigidity of the frame. But in the device of FIG. 1, it is a supporting element for installing a support unit on it. Racks 6 in the area located between the lower and middle generators of the frame are provided with a thread 11.

Свариваемые детали помещают между наковальней 3 и волноводом 2. Для этого с помощью резьбы 11 устанавливают между ними расстояние, определяемое толщиной свариваемых деталей. Работа сварочного пресса зависит от того способа дозирования подводимой энергии, который выбран для конкретно материала. Чаще всего используется сварка по фиксированному времени. Включают привод сварочного давления. Пневмоцилиндр перемещается вниз и штоком 5 упирается в выступ 10. Под действием давления, приложенного через выступ 10 к средней образующей 8, она вместе с волноводом движется вниз, и таким образом создается требуемое давление прижатия. На определенное время (1 сек) включается ультразвуковой преобразователь. Электрические колебания ультразвуковой частоты, вырабатываемые генератором, входящим в состав блока 1 ультразвукового преобразователя, преобразуются в механические продольные колебания преобразователя и вводятся в свариваемый материал с помощью продольно колеблющегося волновода 2, расположенного перпендикулярно свариваемым поверхностям. Из-за того, что давление штока пневмоцилиндра передается на волновод в точке нулевых колебаний, оно не изменяет амплитуду механических колебаний волновода. Часть энергии механических колебаний переходит в тепловую, что приводит к нагреву зоны контакта, соединяемых деталей до температуры вязкотекучего состояния. После окончания сварки пневмоцилиндр поднимается.The parts to be welded are placed between the anvil 3 and the waveguide 2. For this, using the thread 11, a distance is established between them, determined by the thickness of the parts to be welded. The operation of the welding press depends on the method of dosing the input energy that is selected for a particular material. Most often fixed-time welding is used. Turn on the welding pressure actuator. The pneumatic cylinder moves down and the rod 5 abuts against the protrusion 10. Under the action of pressure applied through the protrusion 10 to the middle generatrix 8, it moves down with the waveguide, and thus the required pressing pressure is created. For a certain time (1 sec) the ultrasonic transducer is switched on. Electric vibrations of the ultrasonic frequency generated by the generator, which is part of the unit 1 of the ultrasonic transducer, are converted into mechanical longitudinal vibrations of the transducer and introduced into the material to be welded using a longitudinally oscillating waveguide 2 located perpendicular to the surfaces being welded. Due to the fact that the pressure of the rod of the pneumatic cylinder is transmitted to the waveguide at the point of zero vibrations, it does not change the amplitude of the mechanical vibrations of the waveguide. Part of the energy of mechanical vibrations goes into heat, which leads to heating of the contact zone, of the parts to be connected to a temperature of a viscous flowing state. After welding, the pneumatic cylinder rises.

Устройство, показанное на фиг 2, отличается от устройства, показанного на фиг.1 тем, что рама установлена на консоли 12, снабженной резьбой, с помощью дополнительной стойки 13, а консоль установлена на дополнительной площадке 14. В этом случае опорный узел 3 установлен на этой дополнительной площадке, а расстояние, требуемое для размещения деталей разной толщины, регулируется резьбой 11 на консоли. Для того, чтобы нижняя образующая не препятствовала ходу волновода, она имеет изогнутую относительно центра форму, как показано на чертеже.The device shown in FIG. 2 differs from the device shown in FIG. 1 in that the frame is mounted on a threaded console 12 using an additional rack 13, and the console is mounted on an additional platform 14. In this case, the support assembly 3 is mounted on this additional platform, and the distance required to accommodate parts of different thicknesses is regulated by thread 11 on the console. In order that the lower generatrix does not interfere with the waveguide, it has a shape curved relative to the center, as shown in the drawing.

Claims

1. An ultrasonic welding press comprising an ultrasonic transducer block with a waveguide, a support unit mounted on the same axis as the waveguide with the possibility of changing the distance between them, a welding pressure actuator comprising a pneumatic cylinder with a rod, mounted to transmit pneumatic force to the ultrasonic transducer block, characterized in that the press is additionally equipped with a frame, two racks of which are located parallel to the axis of the waveguide symmetrically with respect to its axis, and the other three forming frames are located They are married in planes perpendicular to the uprights, the upper generatrix being the support of the pneumatic cylinder body, the middle generatrix mounted for movement along the uprights, a protrusion is located on its axis of symmetry and opposite to the pneumatic cylinder rod, and the waveguide passes through an opening located in the middle of the middle generatrix, which is rigidly connected with the block of the ultrasonic transducer in the plane of the arrangement of zero oscillations of the waveguide.

2. The ultrasonic welding press according to claim 1, characterized in that the support unit is mounted on the lower generatrix, and the racks are provided with a thread made in the area between the lower and middle generatrix.

3. The ultrasonic welding press according to claim 1, characterized in that the support unit is mounted on an additional platform, which is connected to the console, threaded and connected to an additional rack, located in a plane parallel to the plane of the first and second racks, and connecting the upper and lower generators, and the lower generatrix is made in the form in which the projection of the waveguide onto the plane of the generatrix is outside the generatrix.

4. Ultrasonic welding press according to claim 3, characterized in that the lower generatrix has a shape curved in the plane of its location relative to the center.