RU2301731C1

RU2301731C1 - Apparatus for ultrasonic welding

Info

Publication number: RU2301731C1
Application number: RU2006100814/02A
Authority: RU
Inventors: Александр Алексеевич Новик (RU); Александр Алексеевич Новик
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Ультразвуковая техника-инлаб"
Priority date: 2006-01-10
Filing date: 2006-01-10
Publication date: 2007-06-27

Abstract

FIELD: ultrasonic welding of metals or metals with dielectric materials, for example with polymeric materials.

SUBSTANCE: apparatus has frame 1 on which support 2 for welding and support 3 for ultrasound head are mounted. In body 4 of ultrasonic head ultrasonic transducer of lengthwise oscillations with wave guide system and concentrator 5 with welding tip 6 in its end are arranged. Back part of body of ultrasound head is mounted in support 3 by means of first movable joint. Second movable joint provides joining of head body with rod 10 of pneumatic cylinder 11; rod 10 passes through opening of frame 1. Pneumatic cylinder 11 is mounted on lower surface of frame by means of third movable joint. All movable joints provide motion of ultrasound head along circle arc in the same plane.

EFFECT: lowered metal consumption due to using one frame of apparatus and simplified system for pressure transfer.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к технике ультразвуковой сварки и предназначено для сварки металлов, металлов с диэлектрическими материалами, в частности с полимерными материалами.The invention relates to techniques for ultrasonic welding and is intended for welding metals, metals with dielectric materials, in particular with polymeric materials.

При осуществлении сварки с помощью ультразвука, необходимо создание колебаний наконечника сварочного инструмента с ультразвуковой частотой, направленных по касательной к поверхности свариваемых материалов, которые одновременно должны быть сжаты с силой, нормальной к поверхности их соприкосновения. Совместное действие в зоне сварки нормальных и тангенциальных напряжений, обусловленных силами давления N и амплитудой ультразвуковых колебаний наконечника сварочного инструмента, создает в этой зоне состояние предельной пластичности или текучести и за некоторое время происходит их соединение. Требуемая сила давления N и амплитуда ультразвуковых колебаний определяются характеристиками свариваемого материала, в частности, пределом текучести при сдвиге и модулем сдвига, но в большинстве случаев определяется экспериментальным путем.When welding using ultrasound, it is necessary to create oscillations of the tip of the welding tool with ultrasonic frequency, directed tangentially to the surface of the materials being welded, which at the same time should be compressed with a force normal to the surface of their contact. The combined action in the welding zone of normal and tangential stresses due to pressure forces N and the amplitude of the ultrasonic vibrations of the welding tool tip creates a state of ultimate plasticity or fluidity in this zone and their connection occurs over time. The required pressure force N and the amplitude of ultrasonic vibrations are determined by the characteristics of the material being welded, in particular, the yield strength at shear and the shear modulus, but in most cases it is determined experimentally.

Сложность при создании такого типа устройств объясняется сложностью обеспечения эффективной работы ультразвуковой головки под действием достаточно большого давления. Давление на головку можно прикладывать только в плоскости пучности колебаний, при этом не должно возникать перекосов. Эта задача решается обычно за счет использования металлоемких конструкций для передачи давления в строго определенную область.The difficulty in creating this type of device is explained by the difficulty in ensuring the effective operation of the ultrasonic head under the influence of a sufficiently large pressure. Pressure on the head can be applied only in the plane of the antinode of vibrations, while there should be no distortions. This problem is usually solved by using metal-intensive structures to transfer pressure to a strictly defined area.

Известно устройство для ультразвуковой сварки (Патент РФ №2227087 (фиг.1 патента), которое содержит устройство создания давления, ультразвуковую головку, содержащую помещенный в корпус ультразвуковой преобразователь с волноводной системой, концентратор, на конце которого установлен сварочный наконечник, а также станину, на которой расположены опора для сварки и опора ультразвуковой головки.A device for ultrasonic welding is known (RF Patent No. 2227087 (FIG. 1 patent), which contains a pressure generating device, an ultrasonic head containing an ultrasonic transducer with a waveguide system placed in the housing, a concentrator, at the end of which a welding tip is installed, as well as a bed, which are the support for welding and support of the ultrasonic head.

Основным недостатком рассмотренного устройства является сложность работы оператора с устройством из-за того, что устройство создания давления расположено перед ним, а основание, на котором оно закреплено, находится еще выше. Такое устройство является громоздким и металлоемким.The main disadvantage of the considered device is the complexity of the operator’s work with the device due to the fact that the pressure generating device is located in front of it, and the base on which it is fixed is even higher. Such a device is cumbersome and metal-intensive.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому является устройство для ультразвуковой сварки (авторское свидетельство №1658510, SU), которое содержит ультразвуковую головку, содержащую помещенный в корпус ультразвуковой преобразователь с волноводной системой, концентратор, на конце которого установлен сварочный наконечник, опору для сварки, опору для ультразвуковой головки и устройство создания давления, установленные на параллельных плоскостях второй, П-образной станины. Таким образом, на станине, на которой работает оператор, установлена только одна опора для сварки, а для крепления всех остальных инструментов используются металлоемкие конструкции, которые помещены перед оператором, тем самым создавая неудобство и опасность для его работы.The closest set of essential features to the proposed is a device for ultrasonic welding (copyright certificate No. 1658510, SU), which contains an ultrasonic head containing an ultrasonic transducer with a waveguide system placed in the housing, a concentrator, at the end of which a welding tip, a support for welding, support for the ultrasonic head and a pressure generating device mounted on parallel planes of the second, U-shaped bed. Thus, only one support for welding is installed on the bed on which the operator works, and metal-intensive constructions that are placed in front of the operator are used to fasten all other tools, thereby creating inconvenience and danger for his work.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание компактного устройства ультразвуковой сварки, удобного для работы оператора.The problem to which the invention is directed, is the creation of a compact device for ultrasonic welding, convenient for the operator.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемое устройство, как и известное, содержит станину, ультразвуковую головку, содержащую помещенный в корпус ультразвуковой преобразователь с волноводной системой, концентратор, на конце которого установлен сварочный наконечник, опору для сварки, опору для ультразвуковой головки и устройство создания давления, причем опора для сварки расположена на станине. Но, в отличие от известного, в предлагаемом устройстве в качестве устройства для создания давления использовано пневматическое устройство, в состав которого входит пневмоцилиндр со штоком и направляющей штока. Пневмоцилиндр установлен под станиной, таким образом, что шток проходит в отверстие в станине, расположенное между опорой для сварки и опорой ультразвуковой головки, установленной на станине. Задняя часть корпуса ультразвуковой головки установлена на опоре ультразвуковой головки с помощью первого подвижного соединения с возможностью совершать перемещение по дуге окружности в плоскости, перпендикулярной плоскости станины. Корпус ультразвуковой головки соединен со штоком через второе подвижное соединение жесткого хвостовика хомута, закрепленного на корпусе и навинченной на шток втулки с прорезью в середине, в проушинах которой установлена ось, которая проходит через отверстие на конце хвостовика хомута. Пневмоцилиндр соединен с нижней частью станины с помощью третьего подвижного соединения с возможностью перемещения по дуге окружности, причем все перечисленные подвижные соединения обеспечивают перемещение в одной плоскости.The problem is solved due to the fact that the proposed device, like the known one, contains a bed, an ultrasonic head, an ultrasonic transducer with a waveguide system placed in the housing, a concentrator, at the end of which there is a welding tip, a support for welding, a support for an ultrasonic head and a device creating pressure, and the support for welding is located on the bed. But, unlike the known one, the proposed device uses a pneumatic device as a device for creating pressure, which includes a pneumatic cylinder with a rod and a rod guide. The pneumatic cylinder is installed under the bed, so that the rod passes into the hole in the bed, located between the support for welding and the support of the ultrasonic head mounted on the bed. The rear part of the ultrasonic head housing is mounted on the support of the ultrasonic head using the first movable connection with the ability to move along an arc of a circle in a plane perpendicular to the plane of the bed. The body of the ultrasonic head is connected to the rod through a second movable connection of a rigid shank of the clamp fixed to the body and screwed onto the stem of the sleeve with a slot in the middle, in the eyes of which there is an axis that passes through the hole at the end of the shank of the clamp. The pneumatic cylinder is connected to the lower part of the bed using a third movable connection with the ability to move along an arc of a circle, and all of these movable connections provide movement in the same plane.

Техническим результатом является уменьшение металлоемкости устройства.The technical result is to reduce the metal consumption of the device.

Предлагаемая конструкция позволяет снизить металлоемкость устройства, так как для крепления опор и ультразвуковой головки, и сварочной, и устройства создания давления используется только одна станина, причем используются ее обе стороны, а это позволяет выполнить устройство компактным. К тому же воздействие на ультразвуковую головку снизу, привело к значительному упрощению системы передачи давления, что в результате также сказалось на уменьшении металлоемкости устройства.The proposed design allows to reduce the metal consumption of the device, since only one bed is used to mount the supports and the ultrasonic head, and the welding, and pressure generating devices, and both sides are used, and this allows the device to be compact. In addition, the effect on the ultrasonic head from below led to a significant simplification of the pressure transmission system, which also resulted in a decrease in the metal consumption of the device.

Совокупность признаков, изложенная в пункте два формулы изобретения, характеризует устройство для ультразвуковой сварки, в котором первое подвижное соединение выполнено в виде проушин, установленных на верхней плоскости опоры ультразвуковой головки, и проушин, соединенных с ее корпусом, соединенных друг с другом полуосями.The set of features set forth in paragraph two of the claims characterizes a device for ultrasonic welding, in which the first movable connection is made in the form of eyes installed on the upper plane of the support of the ultrasonic head, and eyes connected to its body, connected to each other by half shafts.

Такое выполнение соединения ультразвуковой головки с ее опорой не только обеспечивает ее перемещение вокруг оси вращения, но также оставляет свободным пространство с задней стороны корпуса, через которое подводится к головке вся арматура. Величина этого пространства будет определяться длиной полуосей.This connection of the ultrasonic head with its support not only ensures its movement around the axis of rotation, but also leaves free space on the rear side of the housing through which all the fittings are brought to the head. The size of this space will be determined by the length of the half shafts.

Совокупность признаков, изложенная в пункте три формулы изобретения, характеризует устройство для ультразвуковой сварки, в котором третье подвижное соединение выполнено в виде двух плоскопараллельных пластин с отверстием в середине, соединенных друг с другом проушинами, скрепленными полуосями, а одна из пластин с отверстием для штока жестко соединено со станиной, а другая, с отверстием для направляющей штока, жестко соединена с пневмоцилиндром.The set of features set forth in paragraph three of the claims characterizes a device for ultrasonic welding, in which the third movable connection is made in the form of two plane-parallel plates with a hole in the middle, connected to each other by eyes, fastened by half shafts, and one of the plates with a hole for the rod is rigidly connected to the bed, and the other, with an opening for the rod guide, is rigidly connected to the pneumatic cylinder.

Такое выполнение обеспечивает не только возможность отклонения пневмоцилиндра по дуге, но и не требует изменений в его конструкции для обеспечения подвижности.This embodiment provides not only the ability to deflect the pneumatic cylinder in an arc, but also does not require changes in its design to ensure mobility.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 схематически изображен пример выполнения устройства для ультразвуковой сварки, а на фиг.2 - пример выполнения третьего подвижного соединения (вид сбоку).The invention is illustrated by drawings, where figure 1 schematically shows an example of a device for ultrasonic welding, and figure 2 is an example of a third movable connection (side view).

Устройство (фиг.1) содержит станину 1, на которой установлены опора 2 для сварки и опора 3 для ультразвуковой головки. Ультразвуковая головка содержит корпус 4, в котором размещен ультразвуковой преобразователь продольных колебаний с волноводной системой, и концентратор 5, на конце которого установлен сварочный наконечник 6. Он выполнен в виде диска. Известно, что при сварке металлов направление вектора колебательной скорости сварочного наконечника должно быть параллельно плоскости соединения свариваемых деталей. В диске продольные колебания трансформируются в изгибные, которые подводятся в зону сварки параллельно свариваемым поверхностям. С его помощью можно производить как точечную, так и линейную сварку.The device (Fig. 1) contains a frame 1 on which a support 2 for welding and a support 3 for an ultrasonic head are installed. The ultrasonic head contains a housing 4, in which an ultrasonic transducer of longitudinal vibrations with a waveguide system is placed, and a concentrator 5, at the end of which a welding tip 6 is mounted. It is made in the form of a disk. It is known that when welding metals, the direction of the vibrational velocity vector of the welding tip should be parallel to the plane of connection of the parts to be welded. In the disk, longitudinal vibrations are transformed into bending ones, which are fed into the welding zone parallel to the surfaces being welded. With its help it is possible to produce both spot and linear welding.

Задняя часть корпуса ультразвуковой головки крепится на опоре 3 с помощью первого подвижного соединения, которое обеспечивает перемещение деталей головки по дуге окружности в плоскости расположения прямой, соединяющей центр соединения с местом сварки. Для этого на верхней плоскости опоры 3 перпендикулярно ей установлены проушины 7, а на корпусе - проушины 8. Между собой они соединены полуосями 9. Полуоси могут быть выполнены в виде болтов. При этом на задней части корпуса остается свободным доступ к отверстию, через которое к головке подводится вся необходимая арматура.The rear part of the body of the ultrasonic head is mounted on the support 3 using the first movable connection, which provides movement of the parts of the head along an arc of a circle in the plane of the straight line connecting the center of the connection to the weld point. To do this, on the upper plane of the support 3, eyes 7 are installed perpendicular to it, and on the body - eyes 8. They are interconnected by half shafts 9. Half shafts can be made in the form of bolts. At the same time, access to the hole through which all necessary fittings are supplied to the head remains free on the back of the housing.

Второй опорой головки является шток 10 пневмоцилиндра 11, который проходит через отверстие в станине 1. Соединена головка со штоком следующим образом. На корпус 4 головки надет хомут 12 с жестким хвостовиком 13, на конце которого выполнено отверстие. Поскольку от штока 10 через хвостовик передается давление прижатия на головку, хомут может быть расположен только в плоскости узла колебаний. Хомут соединен со штоком с помощью второго подвижного соединения. Для этого на конец штока 10 навинчена гайка с проушинами 14, положение которой фиксировано контргайкой 15. Через отверстия проушин 14, хвостовика 13 проходит ось 16. Она установлена в плоскости, параллельной плоскости, в которой установлены полуоси первого подвижного соединения, а это позволяет хвостовику откланяться от штока и обратно при перемещении ультразвуковой головки. Сам пневмоцилиндр установлен на нижней поверхности станины с помощью третьего подвижного соединения, которое состоит из двух параллельных пластин с отверстием посредине. Одна их пластин 17 жестко закреплена на пневмоцилиндре 11 и через отверстие в ней проходит направляющая 18 штока 10, а другая пластина 19 жестко закреплена на нижней поверхности станины 1. На обеих пластинах по обе стороны от направляющей 18 штока установлены проушины, причем проушины 20, установленные на пластине 19, помещены между парой проушин 21, установленных на другой пластине, и соединены полуосями 22. Полуоси 22 расположены в плоскости, параллельной плоскостям расположения полуосей первого подвижного соединения и оси второго подвижного соединения. Это дает возможность пневмоцилиндру отклоняться от вертикальной оси.The second support of the head is the rod 10 of the pneumatic cylinder 11, which passes through the hole in the frame 1. The head is connected to the rod as follows. A collar 12 with a rigid shank 13, at the end of which a hole is made, is put on the head housing 4. Since the pressing pressure is transmitted from the stem 10 through the shank to the head, the clamp can only be located in the plane of the vibration unit. The clamp is connected to the rod using a second movable connection. To do this, a nut with eyes 14 is screwed onto the end of the rod 10, the position of which is fixed by a lock nut 15. Through the holes of the eyes 14, the shank 13, the axis 16 passes. It is installed in a plane parallel to the plane in which the semiaxes of the first movable connection are installed, and this allows the shank to leave from the rod and back when moving the ultrasonic head. The pneumatic cylinder itself is mounted on the bottom surface of the bed using a third movable connection, which consists of two parallel plates with an opening in the middle. One of their plates 17 is rigidly fixed on the pneumatic cylinder 11 and the guide 18 of the rod 10 passes through the hole in it, and the other plate 19 is rigidly fixed on the lower surface of the bed 1. On both plates on both sides of the guide 18 of the rod there are eyes, eyelets 20 installed on the plate 19, placed between a pair of eyes 21 mounted on another plate, and connected by half shafts 22. The half shafts 22 are located in a plane parallel to the planes of the half shafts of the first movable joint and the axis of the second movable joint nenia. This allows the pneumatic cylinder to deviate from the vertical axis.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Перед началом работы ультразвуковая головка находится в положении, при котором сварочный наконечник 6 не касается сварочной поверхности. При этом она опирается через хвостовик 13 и второе подвижное соединение на шток 10 пневмоцилиндра. Когда включается пневматическая система в пневмоцилиндр поступает воздух и шток 10 перемещается вниз вместе с ультразвуковой головкой. В данном случае он выступает как исполнительный механизм устройства создания давления. Перемещение вниз штока 10 эквивалентно воздействию давления сверху на корпус головки в плоскости узла колебаний, поскольку шток соединен через жесткий хвостовик с хомутом 12, установленным на корпусе 4 в этой плоскости. Перемещение вниз головки происходит до момента создания требуемого давления сварочного наконечника. При подаче ультразвуковых колебаний происходит сварка. Для прекращения этого процесса нужно переключить пневмосистему, для того, чтобы шток пошел вверх в исходное положение и отключить ультразвук. Но на самом деле ультразвуковая головка, установленная на двух опорах, при движении одной из них вниз начинает двигаться по дуге. Благодаря тому, что соединение задней части корпуса выполнено подвижным, опора головки не является препятствием движению по дуге. Но, жесткая ось 10 исполнительного механизма ориентирована вертикально, а точка приложения его воздействия совершает движение по криволинейной траектории - дуге окружности вокруг оси вращения, центр которой расположен на оси первого подвижного соединения. Так как, соединение хвостовика 13 со штоком выполнено подвижным хвостовик отклоняется от вертикального положения за счет поворота вокруг оси 16. Но при этом на жесткий шток действуют силы противодействия, направление которых не совпадает с вертикальным, заставляя отклоняться пневмоцилиндр 11 вокруг оси 22 в сторону, противоположную отклонению хвостовика 13. При движении штока вверх в исходное положение пневмоцилиндр и хвостовик возвращаются в исходное вертикальное положение.Before starting work, the ultrasonic head is in a position in which the welding tip 6 does not touch the welding surface. In this case, it is supported through the shank 13 and the second movable connection to the rod 10 of the pneumatic cylinder. When the pneumatic system is turned on, air enters the pneumatic cylinder and the rod 10 moves down along with the ultrasonic head. In this case, it acts as the actuator of the pressure generating device. The downward movement of the rod 10 is equivalent to the effect of pressure from above on the head housing in the plane of the oscillation unit, since the rod is connected through a rigid shank with a clamp 12 mounted on the housing 4 in this plane. The downward movement of the head occurs until the required pressure of the welding tip is created. When ultrasonic vibrations are applied, welding takes place. To stop this process, you need to switch the pneumatic system, so that the rod goes up to its original position and turn off the ultrasound. But in fact, an ultrasonic head mounted on two supports, when one of them moves down, begins to move in an arc. Due to the fact that the connection of the rear part of the housing is movable, the head support is not an obstacle to movement in an arc. But, the rigid axis 10 of the actuator is oriented vertically, and the point of application of its action moves along a curved path - an arc of a circle around the axis of rotation, the center of which is located on the axis of the first movable joint. Since the connection of the shank 13 with the rod is made movable, the shank deviates from the vertical position due to rotation around axis 16. But at the same time, counter forces act on the rigid rod, the direction of which does not coincide with the vertical one, forcing the pneumatic cylinder 11 around axis 22 to deviate in the opposite direction deviation of the shank 13. When the rod moves up to its original position, the pneumatic cylinder and the shank return to their original vertical position.

Описание конструкции и работы устройства доказывает достижение технического результата - получение компактного работоспособного устройства при небольшой его металлоемкости.The description of the design and operation of the device proves the achievement of the technical result - obtaining a compact efficient device with a small metal consumption.

Claims

1. Device for ultrasonic welding, comprising a bed on which a support for welding, an ultrasonic head, comprising an ultrasonic transducer with a waveguide system placed in a housing, a concentrator, at the end of which a welding tip is mounted, a support for the ultrasonic head and a pressure generating device, characterized in that a pneumatic device is used as a pressure generating device, which includes a pneumatic cylinder with a rod and a rod guide installed under the mill so that the rod passes into the hole in the bed, located between the support for welding and the support of the ultrasonic head mounted on the bed, the rear part of the body of the ultrasonic head is mounted on the support of the ultrasonic head using the first movable connection with the ability to move along an arc of a circle in a plane perpendicular to the plane of the bed, and the body of the ultrasonic head is connected to the rod through a second movable connection of a rigid shank of the clamp mounted on the body and screw constant on the stem nut, in the eyes which is mounted axis which passes through the hole at the end of the shank collar, and a pneumatic cylinder connected to the lower part of the frame via a third movable joint is movable along a circular arc, wherein all of the mobile units provide movement in one plane.

2. The device for ultrasonic welding according to claim 1, characterized in that the first movable connection is made in the form of eyes mounted on the upper plane of the support of the ultrasonic head and on the housing, and connected to each other by half shafts.

3. The device for ultrasonic welding according to claim 1, characterized in that the third movable connection is made in the form of two plane-parallel plates with a hole in the middle, connected to each other by eyes, fastened by half shafts, while one of the plates with a hole for the rod is rigidly connected to bed, and the other, with an opening for the rod guide, is rigidly connected to the pneumatic cylinder.