WO2005107994A2 - Vorrichtung und verfahren zum verschweissen zumindest eines elementes - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum verschweissen zumindest eines elementes Download PDF

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WO2005107994A2
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tube
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Harald Frank
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Stapla Ultraschall-Technik Gmbh
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    • B29L2023/005—Hoses, i.e. flexible
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    • B29L—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS B29C, RELATING TO PARTICULAR ARTICLES
    • B29L2023/00—Tubular articles
    • B29L2023/22—Tubes or pipes, i.e. rigid

Definitions

  • the invention relates to a device for welding at least a first element or from a first element to a second element by means of an ultrasonic welding device, comprising a vibrating system with a sonotrode having at least a first working surface and a converter, and a counter electrode assigned to the sonotrode with a second Work surface and a drive for relative adjustment of the sonotrode to the counter electrode, the first element or the first and the second element being arranged between the first and the second work surface during welding.
  • the invention relates to a method for welding at least one element, in particular for fluid-tight sealing welding and optionally separating a section from a tube by means of an ultrasound welding device comprising an oscillating system with a sonotrode and sonotrode head and a counter electrode associated therewith, the tube section delimiting between a working area Working surfaces of the sonotrode head and the counter electrode is arranged.
  • pipes are used which are first evacuated and then filled with a cooling gas.
  • pipes are connected with a coupling. After filling, the section of the pipe on the coupling side must be cut off. This means that the pipe leading to the system, such as a device such as a refrigerator or air conditioning system, must be closed in a fluid-tight manner.
  • sonotrodes which have a first welding or working surface, next to which a cutting element runs.
  • the assigned counter electrode - also called anvil - has a welding surface assigned to the first welding surface, next to which a counter element assigned to the cutting elements runs like an edge.
  • a corresponding ultrasonic welding device is known as a hand-held device with two manual releases under the name "VIPER" from the applicant.
  • the welding parameters of the ultrasonic welding system must be set individually in order to enable squeezing and sealing or welding to the required extent.
  • EP-B-0 723 713 discloses a method and a device for compacting and then welding electrical conductors.
  • a drive in the form of a pressure medium cylinder is used.
  • An additionally used slide which laterally delimits the compression space accommodating the conductors is also adjusted by means of a pressure cylinder.
  • a strand welding machine in which the anvil is formed in two parts and has a horizontally adjustable section , The horizontal section protruding laterally over the vertical section of the anvil is set to the width of the compression space to be made available. This can be done either manually by exchanging differently dimensioned anvil parts or by means of a servomotor which controls the movement of the anvil parts to the desired width. Regardless of this, the anvil is fed in the direction of the sonotrode by means of a pneumatic cylinder.
  • a sonotrode In an ultrasonic welding device according to DE-T-696 17 869, a sonotrode is designed to be rotatable about its longitudinal axis in order to carry out a roll seam welding.
  • a stepper motor is used to turn the sonotrode.
  • the present invention is based on the object of developing a device and a method of the type mentioned at the outset in such a way that reproducible welding results can be achieved with structurally simple measures.
  • the forces which act between the sonotrode and anvil or their work surfaces on the element or elements to be welded should be adjustable in an extremely precise and reproducible manner.
  • Another aspect of the invention is to make it possible to provide parameters of the ultrasonic welding device or of the welding method with simple measures.
  • the possibility should be created to enable simple mounting of the vibrating system in order to be able to exchange components without problems, without having to accept losses in terms of the functionality of the ultrasonic welding device.
  • the assembly of the components of the vibration system should also be possible without any problems.
  • the ultrasound viewing device itself should be compact. A clear positioning of the at least one too welding element to the sonotrode or counter electrode should be made possible. Extensive automation of welding, in particular sealing welding and separating pipe sections, should also be made possible in order to be able to exclude operating errors. The risk to users from undesirably high temperatures should be avoided.
  • the drive for the relative adjustment of the sonotrode and anvil to generate a desired welding pressure or a welding force is an electromotive drive.
  • This can be a servo drive or servomotor.
  • the drive is a DC motor or an AC synchronous motor, preferably a brushless, permanently excited AC synchronous motor.
  • a defined welding pressure or welding force can be set without any problems, without the need for complex pressure regulators, pressure gauges and sensors, as is the case when using pneumatic cylinders.
  • An air supply is also not necessary.
  • Separate sensors for distance measurement or force measurement are not required. Rather, the force and distance can be tapped directly from the electric motor drive, that is, determined. In the case of an electric motor drive, there is a linear movement and the required forces are achieved after a defined period of time. The torque of the motor is measured so that the point in time when certain welding processes have been completed can be determined with great precision. Long cycle times can be achieved with appropriate electric motor drives. Parameters required for welding can be determined in a simple manner in order to then call up the required welding parameters.
  • the electromotive drive drives a spindle or an eccentric which is in operative connection with the sonotrode or the counter electrode.
  • the invention provides that the vibrating system is arranged in a radially adjustable manner in a housing, the electromotive drive acting directly or indirectly on the vibrating system to adjust it.
  • the vibrating system can be mounted in the housing and radially adjusted against a spring force.
  • the sonotrode and converter can be directly connected to one another. It is of course also possible to arrange a booster (amplitude amplifier) between the converter and sonotrode in a known manner.
  • a proprietary proposal provides that the components are connected via a quick-release fastener such as bayonet joint in the form of a bayonet lock, for example.
  • a quick-release fastener such as bayonet joint in the form of a bayonet lock, for example.
  • This has the particular advantage that the sonotrode is separated from the adjacent component, ie. H. Converter or booster can be released quickly and thus can also be connected.
  • the quick-release fastener can also be a snap-in connection in which spring-loaded balls emanating from one of the components engage in corresponding recesses in the other component to be connected.
  • a bayonet connection should preferably be mentioned, that is to say the connection of two components which are plugged together, then moved and / or rotated.
  • the components in their mutually facing end faces each have a circumferential annular edge, the edges lying flat on one another in the case of connected components.
  • one of the components has a hollow cylindrical end section running on the end face, from the inner surface of which at least two projections protrude radially.
  • the other component has a cylindrical section projecting beyond the annular edge with a receptacle receiving the projection.
  • This can be a spaced from the end face of the cylindrical section and approximately parallel to the end face, such as a groove or a nest or pocket delimited by a preferably axially extending L-shaped projection, the extension of which is adapted to that of the projection.
  • the projection engaging in the receptacle should be flexible to a certain extent in order to ensure the required non-positive connection between the components in the case of assembled components.
  • a composite material, a spring material or possibly a plastic material are suitable as materials for the projections.
  • a proprietary proposal of the invention to facilitate the replacement of the vibrating system with a defined fixation at the same time provides that the vibrating system can be fixed in a holder via a quick-action clamp.
  • the quick-release fastener should in particular comprise an eccentric element, by means of which the vibrating system can be pressed against a support.
  • the holder preferably holds a preferably ring-section-shaped holding element which surrounds the vibrating system in sections and has a section which has, in particular, a V-shaped geometry on the vibrating system side and against which the vibrating system is acted upon by force via the eccentric or an equivalent element.
  • a first and a second support point for the oscillation system can be located on lines extending along the oscillation system and along straight lines extending regions of a preferably V-shaped section of the holding element.
  • the first and the second support point can furthermore be arranged symmetrically to a straight line which intersects the longitudinal axis of the vibrating system, in particular perpendicularly, a third supporting point being arranged to be adjustable along the straight line and acting on the vibrating system in the direction of the first and second supporting point. This is done in particular via the eccentric element.
  • the vibrating system can be supported via a linear support, to which the eccentric element is arranged diametrically opposite in relation to the vibrating system.
  • the sonotrode and / or the booster arranged between the sonotrode and the converter can be supported via a corresponding quick-release system in the respective vibration node.
  • a ball element, a rod element running transversely to the longitudinal axis of the vibrating system or a screw element can be used as the third support point, the ball or rod element being able to be acted upon by a spring element which is in particular tensioned or relieved via a wedge or the eccentric.
  • the measure in this regard results in a quick change of the vibration system.
  • a further inventive proposal provides that an optical display such as a display and / or an acoustic display for displaying or signaling parameters of the ultrasonic welding or the ultrasonic welding device is integrated in the housing receiving the vibrating system at least in some areas.
  • a corresponding display can signal that, for example, a tool change is required. Quality information can also be transmitted. Information about the wear of the tool or safety information such as exceeding an impermissible temperature can be displayed. Therefore, the ultrasonic welding device, in particular its housing, should in particular have a temperature display, via which the temperature of the sonotrode and / or the counter electrode is conveyed. The temperature can be displayed via LEDs. Alternatively, there is also the possibility of enabling the temperature to be displayed by means of temperature-indicating painting of the sonotrode and / or the counter electrode.
  • the visual and / or acoustic display should be used when designing the ultrasonic welding device as a hand-held device, in order to be able to carry out checks directly at the welding site as to whether the welding processes carried out meet quality requirements and to what extent tool changes are required.
  • the display can be acoustic or alphanumeric. It is also possible to display them solely via LEDs.
  • the counter electrode be assigned a receptacle for fixing the element or elements that are to be welded.
  • the receptacle is suitable for fixing a tube which is welded in a fluid-tight manner and, if appropriate, a section of the tube is then to be separated off.
  • the receptacle has gripping elements running on both sides of the welding surfaces, which comprise a fixed leg and a leg pivotable to the latter, between which the tube can be fixed.
  • the legs can be pivoted relative to one another in such a way that the tube to be welded or separated is clamped during welding, but the tube is inserted and removed from the working area between the working or welding surfaces without hindrance when the ultrasonic welding device is open.
  • the receptacle should have an execution unit for removing the tube.
  • the fixed leg of the receptacle is the side leg of a U-shaped frame, the sonotrode head running between its cross leg and the counter electrode.
  • the receptacle is detachably connected to the ultrasound device and has a clear positioning relative to the anvil or sonotrode.
  • a method of the type mentioned at the outset for welding at least one element, in particular for fluid-tight sealing welding and separating a section from a tube by means of an ultrasonic welding device comprising an oscillating system with a sonotrode and sonotrode head and a counter electrode associated therewith, the tube section being between working or welding surfaces delimiting a working area the sonotrode head and the counter electrode is arranged, the sonotrode vibrates with ultrasound excitation at a frequency f and at the same time acts on the element such as the tube via the sonotrode head or the counter electrode, characterized in that during or after successive welds or after a predetermined number of welds actual frequency of the sonotrode is compared with a target frequency range and that if there are inadmissible deviations between the actual frequency and target frequency range, the ultrasound The welding device is put out of operation.
  • a relative adjustment between the sonotrode head and counter electrode is preferably carried out such that the
  • Work area is limited by at least one new work surface; because an increase in the frequency indicates an exchange of a work surface. If the frequency falls below the target frequency range, this is an indication of a crack in the sonotrode, so that it is checked and, if necessary, replaced.
  • the actual frequency of the sonotrode is measured and the target frequency range is determined or calculated on the basis thereof.
  • the sonotrode head is assigned one of several new working surfaces of the counter electrode. It is envisaged that the counter-electrode can be adjusted in relation to the sonotrode in such a way that when the counter-electrode is moved or moved, only a new, and not an already used, work surface can be assigned to the sonotrode head.
  • the target frequency range itself is preferably determined on the basis of frequency values which are recorded in the case of “idling pulses”, that is to say unloaded sonotrode, in new tools (sonotrode or counterelectrode) or new welding or working surfaces.
  • Falling below or exceeding the target frequency range can be shown on a display or by lamps, so that the user is informed that due to impermissible frequency changes, proper welds can no longer be ensured. This can be signaled before the target frequency range is exceeded or undershot.
  • tolerance bands are defined, within which frequencies must lie in order to be able to assume correct welds.
  • a frequency check should be carried out after every tool-like change, such as changing tools, changing work surfaces, etc.
  • a temperature display of the tool should take place, for example to protect an operator or to meet requirements for explosion protection.
  • the temperature can be determined via sensors and displayed, for example, by LEDs.
  • the ultrasonic welding device should be operated in a dialog-based manner, with acknowledgment taking place, for example, when changes have been made and the associated frequency check or adaptation.
  • FIG. 11 shows a sonotrode with an associated anvil and receptacle for a tube in a first position
  • FIG. 12 shows the representation according to FIG. 11 with the receptacle closed
  • FIG. 13 is a side view of the illustration in FIG. 12 in detail
  • FIG. 14 is a side view of the illustration of FIG. 11 in detail
  • 16 shows a torque-time diagram during the squeezing and sealing of a pipe.
  • the ultrasonic welding device comprises an oscillation system or an oscillation 100, which in the exemplary embodiment consists of a converter 112, a booster 114 and a sonotrode 116.
  • the sonotrode 116 can delimit a compression space, which is further delimited by a counter electrode or anvil 118 and possibly by further delimiting elements such as sliders.
  • the sonotrode 116 and the anvil 118 each have a working or Welding surface, between which the element or elements to be welded are arranged during welding.
  • the converter 112 is connected via a line 120 to a generator 122 which is connected to a computer 126 via a line 124.
  • the generator 122 is controlled via the computer 126, in order then to convert electrical into mechanical vibrations, in particular via piezo elements, via the converter 112, the vibrations being amplified via the booster 114, in order then to excite the sonotrode 116 accordingly.
  • the ultrasonic welding device is shown in FIG. 1 as a stand-alone device, there is also the possibility without further ado of designing the ultrasonic welding device as a hand-held device or so-called hand-held pliers.
  • the teachings of the invention apply to any type of ultrasonic welding device, and also regardless of whether metal parts and / or plastic parts are to be welded together or individually like a tube.
  • the sonotrodes or sections of these which can be seen in FIGS. 1-14 with an associated counter electrode - hereinafter referred to as anvil - are components of an ultrasonic welding device or machine, as has been explained in principle in connection with FIG. 1.
  • the sonotrode is connected to a booster in the drawings, it is readily possible to connect the sonotrode directly to a converter, which results in a particularly compact design.
  • An arrangement in this regard is particularly preferred if pipes are to be welded tight and, if necessary, separated for a desired application.
  • a corresponding sonotrode has a sonotrode or welding head 12 with welding or working surfaces 14, 16 diametrically opposite to the longitudinal axis of the sonotrode 10 in the exemplary embodiment, which are optionally aligned with an anvil 18, which in turn has a plurality of working surfaces can.
  • the anvil 18 has two welding or working surfaces 20, 22, between which a channel-like recess 24 extends.
  • the welding surfaces 20, 22 are assigned welding surfaces 26, 28 and 30, 32 of the welding surfaces 14, 16 of the sonotrode head 12, respectively.
  • Cutting elements 34, 36 run between the welding or working surfaces 26, 28 or 30, 32 in order to be able to separate a tube arranged between the anvil 18 and the sonotrode head 12 after the sealing welding.
  • a Sclinell tension lock is fixable. 1, 3, 4 and 5, a holder is provided, which consists of a holding element 38 in the form of a ring section and an eccentric element 54, by means of which, in the manner described below, the sonotrode in the direction of the holding or supporting element 38 force is applied to fix them.
  • the ring element 38 itself can be fastened in a housing to the ultrasonic welding device.
  • the holding element 38 can be inserted into a recess 39 in the sonotrode 10.
  • a corresponding fixation can also take place in the node of a booster 41, as shown in FIG. 3.
  • the fixation of the booster 41 takes place in a manner as described in connection with FIGS. 1, 2, 4 and 5, without the need for further explanations.
  • the holding element 38 following a ring section has two sections 44, 46 on the sonotrode side which run symmetrically to a straight line 42 intersecting the sonotrode longitudinal axis 40 and which can form a V-geometry.
  • the sonotrode-side boundaries of the sections 44, 46 run in a straight line, so that the sonotrode 10 can be supported on the sections 44, 46 at two points running symmetrically to the straight line 42.
  • Other geometries with respect to the area on which the sonotrode 10 is supported are also possible. In this way, the sonotrode 10 can be helical region on the holding element 38 are supported with a suitably designed internal geometry.
  • a spring-loaded element 48, 50 runs opposite to the sections 44, 46 and in particular cut from the straight line 42, via which the sonotrode 10 is subjected to force in the direction of the sections 44, 46 and is thus fixed.
  • the element 50 is a spherical element
  • the element 48 is a rod or cylinder element that extends perpendicular to the longitudinal axis 40 of the sonotrode.
  • a spring 52 acts on the ball element 50 or the rod element 48, which in the exemplary embodiment is tensioned or relieved via an eccentric 54. In this way, the sonotrode 10 and thus the vibrating system can be fixed with structurally simple options, but at the same time the sonotrode 10 can be released by adjusting the eccentric 54.
  • booster 41 and converter can be fixed by means of a quick-action lock of the type described above, there is also the possibility, according to the exemplary embodiment according to FIG. 6, of the components of the vibrating system, that is Sonotrode 10 with booster 41 or, in the absence of a booster, sonotrode 10 with converter or converter with booster 41, to be connected via a quick-release fastener, preferably a bayonet connection being provided, as can be seen by way of example from FIG. 6.
  • the sonotrode 10 is connected to the booster 41.
  • the sonotrode 10 has in its rear area an end face forming an annular surface 150, which delimits a hollow cylindrical end section 152, from the inner wall of which protrusions 154, 156 project radially inward.
  • the projections 154, 156 run diametrically to the longitudinal axis of the sonotrode 10 and thus of the vibrating system.
  • the booster 41 has an end face 158 which comprises an area corresponding to the ring face 150 of the sonotrode 10.
  • the surfaces 154, 158 accordingly lie flat on one another.
  • a cylindrical section 160 projects axially from the end face 158 of the booster 41 and has receptacles 162 for the projections 154, 156.
  • the receptacles 162 are formed by axially extending L-shaped sections of the cylindrical section 160. This results in pockets or nests forming the receptacles 162, into which the projections 154, 156 penetrate, as a result of which the sonotrode 10 can be non-positively connected to the booster 41.
  • a corresponding type of connection also exists between the booster 41 and the converter or, in the absence of a booster, between the sonotrode 10 and the converter.
  • the relevant bayonet connection ensures that a structurally simple measure enables a secure connection between the sonotrode 10 and the booster by pushing the cylindrical section 160 into the hollow cylindrical receptacle 152 of the sonotrode 10 and then rotating the sonotrode 10 to the booster 41.
  • a type of bayonet lock is proposed in order to connect the sonotrode 10 to the booster 41.
  • the projections 154, 156 are preferably made of a spring element material or a composite material.
  • the projections 154, 156 can be inserted into corresponding bores in the hollow cylindrical section 152.
  • Other suitable materials are also possible. It is essential, however, that the projections 154, 156 yield to an extent that the required force-locking connection of the sonotrode 10 to the booster 41 takes place and that the mutually facing end faces 150, 158 lie flat on one another to the required extent.
  • the invention provides a receptacle or holder 56 for a corresponding one in accordance with the exemplary embodiments in FIGS tube 58 to be tightly welded and separated.
  • the receptacle 56 has a U-shaped frame 60 with side legs 62, 64 and
  • Cross leg 66 on.
  • the side legs 62, 64 start from the ultrasonic welding device or its housing.
  • the cross leg 66 runs above the sonotrode head 12.
  • Pivotal arms 66, 68 extend from the side legs 62, 64 which, when the tube 58 is pivoted, is pressed against the legs 62, 64 and is thus fixed. This can be seen from FIGS. 12 and 13.
  • the legs 66, 68 can be pivoted independently of one another in order to enable adaptation to the respective outer pipe diameter, shape and / or course of the pipe, as a result of which a definite fixing takes place.
  • the pivotable levers 66, 68 with the legs 62, 64 consequently perform the function of grippers.
  • the levers 66, 68 or equivalent elements can for example be pivoted mechanically, pneumatically, in particular automatically. In this case, there is an automatic pivoting in the direction of the side legs 62, 64 when the sealing welding or separation is carried out, so that a clear position fixing of the tube 58 is ensured. After the sealing welding and separation, the sections of the separated tube 58 can be easily removed. For this purpose, the fleece 66, 68 can be pivoted freely. If necessary, an ejector device can also be provided.
  • cooling can be integrated at least in the anvil 18, in particular Peltier elements can be used.
  • a temperature display should also be provided - for example on a display, by means of LEDs or by coloring a temperature-indicating lacquer - in order in particular to protect a user or to enable use in the explosion protection area.
  • a display 130 should be integrated in the housing 128 of the ultrasonic welding device in order to convey information about the ultrasonic welding device or its components, which include the sonotrode 116, the booster 114 and the converter 112. In this way, wear indicator of the tools or also safety information, which for example signal impermissible temperatures, can be conveyed on the display 130.
  • a visual display can also an acoustic may be provided.
  • LEDs can also be used to convey information relating to the ultrasonic welding device or the welding processes carried out.
  • FIGS. 7-10 The same reference numerals are basically used for elements that have been described above.
  • the invention provides that the relative movement between anvil 18, i. H. whose welding surfaces and the sonotrode 10, i.e. likewise their welding surfaces, are not carried out via pneumatic cylinders, but by means of an electromotive drive 132, in the exemplary embodiment the anvil 18 being adjusted to the sonotrode (FIGS. 7 and 8) or the sonotrode 10 to the anvil ( 9 and 10) via an eccentric 134 actuated by the electric motor drive 132.
  • the eccentric 134 acts on a section of the anvil 18 in such a way that it can be guided in the direction of the sonotrode 10 or can be spaced apart therefrom.
  • the sonotrode is received in a radially adjustable manner by a guide 136, the sonotrode 10 being mounted in a holder 138 which is spring-biased in the direction of the eccentric 134.
  • the sonotrode can thus be adjusted downward against the spring force in the drawing and can thus be moved in the direction of an anvil, not shown.
  • the related design provides the advantage, among other things, that no separate sensors are required for distance measurement or force measurement. Force and travel can be tapped directly on the electromotive drive, which is designed in particular as a servo motor.
  • the electric motor drive 132 causes the anvil 18 or the sonotrode 10 to move linearly.
  • the forces required for welding are achieved after a defined period of time. By determining the torque, the welding process can be followed or the achievement certain welding conditions can be determined. It is possible to switch parameter sets seamlessly, in particular to changing forces, advantages that drives using pressure cylinders do not offer. It is possible to make a statement about the position and force of the sonotrode or anvil at any time during the welding process. A problem-free explosion protection is also possible.
  • the electromotive drive offers the possibility of carrying out automatic squeezing and sealing of a pipe by simple measures without the pipe data having to be individually entered into an ultrasonic welding device or its control beforehand.
  • the following procedure is possible for this. 11-14, the tube 58 is first arranged between the sonotrode 10 and the counter electrode 18 or their working surfaces. The characteristic size of the tube 58 is then determined. This can be the diameter or the wall thickness of the tube 58.
  • the relevant quantities can be read from a torque-time curve that is recorded during the welding process. For this, however, it is necessary beforehand that control curves are recorded from so-called standard pipes. The diameter and wall thickness of the standard pipes are known.
  • Characteristic peaks are also present in the torque-time curve in the case of the standard pipes, a first peak 232 occurring as shown in FIG. 16 due to the sonotrode hitting the pipe 58, since the torque of the electromotive drive increases.
  • the torque first decreases, then then increases again and passes into a second maximum 234.
  • This point is characteristic of the wall thickness of the pipe; because the torque increase in the maximum 234 is determined by the fact that the tube is squeezed together to such an extent that the walls lie on top of one another. With further ultrasound and force an effect, the welding takes place, at the same time a reduction in torque takes place.
  • Corresponding torque-time curves 230 are mentioned to be recorded by a large number of standard pipes and the welding joints characteristic of the standard pipes parameters stored. Then 30 tolerance bands 238, 240 are placed along the standard curves.
  • a teaching mode is initially carried out in order to record control curves corresponding to curve 230 for different pipe diameters of, for example, 4, 6, 8 or 12 mm, different wall thicknesses, for example 0.6 mm - 1 mm, and then to define and save a tolerance band.
  • a tube of unknown diameter and wall thickness is then positioned between the sonotrode 10 and the counter electrode 18, the sonotrode 10 and the counter electrode 22 are moved towards one another by means of the electromotive drive 132, as explained above, and then the tube diameter and wall thickness due to peaks occurring in the actual curve to determine and compare the corresponding values with values of control curves. If there is a corresponding value in a control curve, the other parameters required for proper squeezing and sealing are then called up (welding mode).

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Verschweißen von zumindest einem Element wie Rohr mittels einer Ultraschallschweißvorrichtung umfassend zumindest eine Sonotrode (116), einen Konverter (112) sowie eine der Sonotrode zugeordnete Gegenelektrode (118). Um präzise die Sonotrode zu der Gegenelektrode bei gleichzeitiger definierter Einstellung der Kräfte verstellen zu können, wird ein elektromotorischer Antrieb verwendet.

Description

Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zum Verschweißen zumindest eines Elementes
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Verschweißen von zumindest einem ersten Element oder von einem ersten Element mit einem zweiten Element mittels einer Ultraschallschweißvorrichtung, umfassend ein Schwingersystem mit einer zumindest eine erste Arbeitsfläche aufweisenden Sonotrode und einem Konverter sowie eine der Sonotrode zugeordnete Gegenelektrode mit einer zweiten Arbeitsfläche sowie einen Antrieb zum relativen Verstellen der Sonotrode zu der Gegenelektrode, wobei das erste Element bzw. das erste und das zweite Element während des Verschweißens zwischen der ersten und der zweiten Arbeitsfläche angeordnet sind. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Verschweißen zumindest eines Elementes, insbesondere zum fluiddichten Dichtschweißen und gegebenenfalls Trennen eines Abschnitts von einem Rohr mittels einer Ultraschallschweißvorrichtung umfassend ein Schwingersystem mit Sonotrode und Sonotro- denkopf und diesem zugeordneter Gegenelektrode, wobei der Rohrabschnitt zwischen einen Arbeitsbereich begrenzenden Arbeitsflächen des Sonotrodenkopfs und der Gegenelektrode angeordnet wird.
Bei Geräten und Anlagen zum Beispiel der Mess- bzw. Kühltechnik werden Rohre benutzt, die zunächst evakuiert und sodann mit einem Kühlgas befüllt werden. Hierzu werden Rohre mit einer Kupplung verbunden. Nach dem Befüllen muss der kupplungsseitige Abschnitt des Rohres abgetrennt werden. Somit ist es erforderlich, dass das Rohr, das zu der Anlage wie zu einem Gerät wie Kühlschrank oder Klimaanlage führt, fluiddicht verschlossen wird.
BESTÄTIGUNGSKOPfE Nach dem Stand der Technik ist ein Verquetschen und Hartlöten bekannt. Auch gelangt eine Klebetechnik zur Anwendung, bei der das gefüllte Rohr mit einer Kappe verschlossen wird, die ihrerseits mit dem Rohr verklebt wird.
Eine andere Lösungsmöglichkeit sieht vor, dass ein Rohr mit einer Verschlusskappe mittels Ultraschallschweißens verschlossen wird. Bei dünnen Rohrwandstärken kann es jedoch zu Leckagen kommen.
Sofern ein fluiddichtes Verschließen mittels Hartlöten erfolgt, ist der Nachteil gegeben, dass dann, wenn das Rohr zuvor nicht dicht verquetscht wurde, sich in dem aufzutragenden Lot ein Schlot bildet, der von aus dem Rohr austretendem Gas durchsetzt wird und somit ein Leck bildet. Unabhängig hiervon kann eine entsprechende Technik nur bei FCK - Fluiden benutzt werden, da diese nicht brennbar sind.
Bei den bekannten Ultraschallschweißvorrichtungen zum fluiddichten Verschließen von Rohren gelangen Sonotroden zum Einsatz, die eine erste Schweiß- oder Arbeitsfläche aufweisen, neben der ein Schneidelement verläuft. Entsprechend weist die zugeordnete Gegenelektrode — auch Amboss genannt — eine der ersten Schweißfläche zugeordnete Schweißfläche aus, neben der ein dem Schneidelemente zugeordnetes Gegenelement wie Kante verläuft. Eine entsprechende Ultraschallschweißvorrichtung ist als Handgerät mit zwei Handauslösungen unter der Bezeichnung „VIPER" der Anmelderin bekannt.
Eine ein Rohr links oder rechts zu einer Dichtstelle abtrennende Ultraschallschweißvorrichtung wird in der DE-A-102 10 075 beschrieben.
In Abhängigkeit von zum Beispiel dem Durchmesser, der Wandstärke und dem Material des Rohres müssen die Schweißparameter der Ultraschallschweißanlage individuell eingestellt werden, um im erforderlichen Umfang ein Abquetschen und Abdichten bzw. Verschweißen zu ermöglichen.
Aus der EP-B-0 723 713 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kompaktieren und anschließenden Schweißen von elektrischen Leitern bekannt. Um Sonotrode und Amboss zueinander zu verstellen, wird ein Antrieb in Form eines Druckmittelzylinders benutzt. Ein zusätzlich verwendeter einen die Leiter aufnehmenden Verdichtungsraum seitlich begrenzender Schieber wird ebenfalls mittels eines Druckzylinders verstellt.
In der Literaturstelle DE.Z.: Golde, Hans-Dieter, Ultraschall-Metallschweißen, Verlag Moderne Industrie, 86895 Landsberg, 1995, S. 23 ff, ist eine Litzenschweißmaschine dargestellt, bei der der Amboss zweiteilig ausgebildet ist und einen horizontal verstellbaren Abschnitt aufweist. Der über den vertikalen Abschnitt des Ambosses seitlich vorstehende horizontale Abschnitt wird auf die Breite des zur Verfügung zu stellenden Verdichtungsraums eingestellt. Dies kann entweder manuell durch Austausch entsprechend unterschiedlich dimensionierter Ambossteile oder durch einen Stellmotor erfolgen, über den die Bewegung der Ambossteile auf die gewünschte Breite gesteuert wird. Unabhängig hiervon wird der Amboss in Richtung der Sonotrode mittels eines Pneumatikzylinders zugestellt.
Bei einer Ultraschallschweißvorrichtung nach der DE-T-696 17 869 ist eine Sonotrode um ihre Längsachse drehbar ausgebildet, um eine Rollnahtschweißung durchzuführen. Zum Drehen der Sonotrode wird ein Schrittmotor benutzt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass mit konstruktiv einfachen Maßnahmen reproduzierbare Schweißergebnisse erzielbar sind. Dabei sollen nach einem Aspekt der Erfindung die Kräfte überaus präzise und reproduzierbar einstellbar sein, die zwischen Sonotrode und Amboss bzw. deren Arbeitsflächen auf das bzw. die zu verschweißenden Elemente einwirken. Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, die Möglichkeit zu schaffen, mit einfachen Maßnahmen Parameter der Ultraschallschweißvorrichtung bzw. des Schweißverfahrens zur Verfügung zu stellen. Nach einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung soll die Möglichkeit geschaffen werden, eine einfache Lagerung des Schwingersystems zu ermöglichen, um problemlos Komponenten austauschen zu können, ohne dass Einbußen in Bezug auf die Funktionstüchtigkeit der Ultraschallschweißvorrich- tung in Kauf genommen werden müssen. Auch soll ein problemloser Zusammenbau der Bauteile des Schwingersystems ermöglicht werden. Die Ultraschall seh weißvorrichtung selbst soll kompakt aufgebaut sein. Eine eindeutige Positionierung des zumindest einen zu verschweißenden Elementes zu der Sonotrode bzw. Gegenelektrode soll ermöglicht werden. Auch eine weitgehende Automatisierung des Schweißens, insbesondere Dichtschweißens und Trennen von Rohrabschnitten soll ermöglicht werden, um bedienungsbedingte Fehler ausschließen zu können. Die Gefährdung der Nutzer durch unerwünscht hohe Temperaturen soll vermieden werden.
Zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabenstellungen wird nach einem Aspekt vorgeschlagen, dass der Antrieb zur Relativverstellung von Sonotrode und Amboss zur Erzeugung eines gewünschten Schweißdrucks bzw. einer Schweißkraft ein elektromotorischer Antrieb ist. Hierbei kann es sich um einen Servoantrieb bzw. Stellmotor handeln. Insbesondere ist der Antrieb ein Gleichstrommotor oder ein AC-Synchronmotor, wobei bevorzugterweise ein bürstenloser permanenterregter AC-Synchronmotor zu nennen ist.
Durch diese Maßnahmen ist problemlos ein definierter Schweißdruck bzw. eine definierte Schweißkraft einstellbar, ohne dass aufwendige Druckregler, Manometer und Sensoren erforderlich sind, wie dies beim Einsatz von Pneumatikzylindern zutrifft. Auch ist eine Luftzuführung nicht erforderlich. Gesonderte Sensoren für die Wegmessung bzw. Kraftmessung sind nicht erforderlich. Vielmehr können Kraft und Weg unmittelbar vom elektromotorischen Antrieb abgegriffen werden, also bestimmt werden. Bei einem elektromotorischen Antrieb erfolgt eine lineare Bewegung und die erforderlichen Kräfte werden nach einem definierten Zeitablauf erreicht. Das Drehmoment des Motors wird gemessen, so dass überaus präzise der Zeitpunkt bestimmt werden kann, wann bestimmte Schweißprozesse abgeschlossen sind. Mit entsprechenden elektromotorischen Antrieben können hohe Taktzeiten erzielt werden. Für das Schweißen erforderliche Parameter können auf einfache Weise bestimmt werden, um sodann die erforderlichen Schweißparameter abzurufen.
Bei einem elektromotorischen Antrieb ist ein nahtloses Umschalten von Parametersätzen, insbesondere zu ändernder Kräfte möglich. Dies kann bei einem mit Druckluft beauf- schlagten Zylinder nicht erfolgen. Erfindungsgemäße Vorteile ergeben sich zum Beispiel dann, wenn zum Beispiel isolierte Kabel miteinander verschweißt werden sollen, also unterschiedliche Kräfte aufzubringen sind, wenn die Isolation aufgeweicht und sodann das Schweißen durchgeführt werden soll. Zu jedem Schweißzeitpunkt ist unmittelbar eine Aussage über Position und die Kraft des Werkzeuges möglich. Auch sind Exschutz- Bedingungen einfacher realisierbar.
Insbesondere ist vorgesehen, dass der elektromotorische Antrieb eine Spindel oder einen Exzenter antreibt, die bzw. der in Wirkverbindung mit der Sonotrode oder der Gegenelektrode stehen.
Nach einer Weiterbildung sieht die Erfindung vor, dass das Schwingersystem radial verstellbar in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei auf das Schwingersystem zu dessen Verstellen mittelbar oder unmittelbar der elektromotorische Antrieb einwirkt. Hierzu kann das Schwingersystem in dem Gehäuse gelagert und gegen eine Federkraft radial verstellt werden.
Um eine kompakte Baueinheit zum Dichtschweißen von Rohren zur Verfügung zu stellen, können Sonotrode und Konverter unmittelbar miteinander verbunden sein. Es besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit, in bekannter Weise zwischen Konverter und Sonotrode einen Booster (Amplitudenverstärker) anzuordnen.
Um ein definiertes kraft- und formschlüssiges Verbinden der Komponenten des Schwingersystems zu ermöglichen, gleichzeitig jedoch ein schnelles Montieren bzw. Auswechseln sicherzustellen, sieht ein eigenerfinderischer Vorschlag vor, dass die Komponenten über einen Schnellverschluss wie Renkverbindung in Form von zum Beispiel eines Bajonettverschlusses verbunden sind. Hierdurch ergibt sich insbesondere der Vorteil, dass die Sonotrode von der angrenzenden Komponente, d. h. Konverter oder Booster schnell lösbar und somit auch verbindbar ist.
Bei dem Schnellverschluss kann es sich auch um eine Rastverbindung handeln, bei der von einem der Komponenten ausgehende federvorgespannte Kugeln in entsprechende Ausspa- rungen der zu verbindenden anderen Komponente eingreifen. Erwälmtermaßen ist jedoch bevorzugterweise eine Renkverbindung zu nennen, also die Verbindung von zwei Komponenten, die zusammengesteckt, dann verschoben und/oder verdreht werden. Dabei ist nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Komponenten in ihren einander zugewandten Stirnflächen jeweils einen umlaufenden ringförmigen Rand aufweisen, wobei die Ränder bei verbundenen Komponenten plan aufeinander liegen. Insbesondere weist eine der Komponenten einen stirnflächenseitig verlaufenden hohlzylindrischen Endabschnitt auf, von dessen Innenfläche zumindest zwei Vorsprünge radial abragen. Die andere Komponente weist einen über den ringförmig verlaufenden Rand vorstehenden zylindrischen Abschnitt mit einer den Vorsprung aufnehmenden Aufnahme auf. Diese kann eine beabstandet zu der Stirnfläche des zylindrischen Abschnitts und in etwa parallel zu der Stirnfläche verlaufenden Vertiefung wie Nut oder ein von einem vorzugsweise axial verlaufenden L-förmigen Vorsprung begrenztes Nest oder Tasche sein, deren bzw. dessen Erstreckung an die des Vorsprungs angepasst ist.
Der in die Aufnahme eingreifende Vorsprung sollte im gewissen Umfang nachgiebig sein, um bei zusammengesetzten Komponenten die erforderliche Kraftschlüssigkeit zwischen den Komponenten sicherzustellen. Als Materialien für die Vorsprünge kommen ein Verbundwerkstoff, ein Federmaterial oder gegebenenfalls ein Kunststoffmaterial in Frage.
Ein eigenerfinderischer Vorschlag der Erfindung zur Erleichterung des Austauschs des Schwingersystems bei gleichzeitig definierter Fixierung dieses sieht vor, dass das Schwingersystem über einen Schnellspannverschluss in einer Halterung fixierbar ist. Dabei sollte der Schnellspannverschluss insbesondere ein Exzenterelement umfassen, über das das Schwingersystem gegen eine Abstützung drückbar ist.
Bevorzugterweise fasst die Halterung ein das Schwingersystem abschnittsweise umgebendes vorzugsweise ringabschnittförmiges Halteelement mit einem schwingersystemseitig insbesondere eine V-förmige Geometrie aufweisenden Abschnitt, gegen den das Schwingersystem über den Exzenter oder ein gleichwirkendes Element kraftbeaufschlagt wird.
Dabei können nach einer Ausgestaltung ein erster und ein zweiter Abstützpunkt für das Schwingersystem auf schwingersystemseitig verlaufenden und entlang von Geraden sich erstreckenden Bereichen eines vorzugsweise V-förmigen Abschnitts des Halteelementes liegen. Der erste und der zweite Abstützpunkt können des Weiteren symmetrisch zu einer die Schwingersystemlängsachse insbesondere senkrecht schneidenden Gerade angeordnet sein, wobei ein dritter Abstützpunkt entlang der Geraden verstellbar angeordnet und in Richtung des ersten und zweiten Abstützpunktes kraftbeaufschlagend auf das Schwingersystem einwirkt. Dies erfolgt insbesondere über das Exzenterelement.
Alternativ besteht die Möglichkeit, dass das Schwingersystem über eine linienförmige Ab- stützung abstützbar ist, zu der in Bezug auf das Schwingersystem diametral gegenüberliegend das Exzenterelement angeordnet ist.
Die Sonotrode und/oder der zwischen der Sonotrode und dem Konverter angeordnete Booster können über ein entsprechendes Schnellspannsystem im jeweiligen Schwingungsknotenpunkt abgestützt werden.
Als dritter Stützpunkt kann ein Kugelelement, ein quer zur Längsachse des Schwingersystems verlaufendes Stabelement oder ein Schraubelement benutzt werden, wobei das Kugelbzw, das Stabelement über ein Federelement kraftbeaufschlagt sein kann, das insbesondere über einen Keil oder den Exzenter gespannt bzw. entlastet ist.
Durch die diesbezügliche Maßnahme ergibt sich ein schnelles Wechseln des Schwingersystems.
Ein weiterer eigenerfinderischer Vorschlag sieht vor, dass in dem das Schwingersystem zumindest bereichsweise aufnehmende Gehäuse eine optische Anzeige wie ein Display und/oder eine akustische Anzeige zum Anzeigen bzw. Signalisieren von Parametern des Ultraschallschweißens bzw. der Ultraschallschweißvorrichtung integriert ist. Eine entsprechende Anzeige kann signalisieren, dass zum Beispiel ein Werkzeugwechsel erforderlich ist. Auch können Qualitätsinformationen übermittelt werden. Informationen über den Ver- schleiß des Werkzeuges oder aber Sicherheitsinformationen wie zum Beispiel das Überschreiten einer unzulässigen Temperatur können angezeigt werden. Daher sollte die Ultraschallschweißvorrichtung, insbesondere dessen Gehäuse insbesondere eine Temperaturanzeige aufweisen, über die die Temperatur der Sonotrode und/oder der Gegenelektrode vermittelt wird. Die Temperaturanzeige kann über LEDs erfolgen. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, die Temperaturanzeige mittels temperaturanzeigendem Anstrich der Sonotrode und/oder der Gegenelektrode zu ermöglichen.
Diesbezügliche Maßnahmen, insbesondere die optische und/oder akustische Anzeige sollten bei der Ausbildung der Ultraschallschweißvorrichtung als Handgerät genutzt werden, um unmittelbar am Schweißort Überprüfungen vornehmen zu können, ob die durchgeführten Schweißvorgänge Qualitätsanforderungen genügen bzw. inwieweit Werkzeugwechsel erforderlich sind. Die Anzeige kann erwähntermaßen akustisch oder alphanumerisch erfolgen. Auch ein Anzeigen allein über Leuchtdioden ist möglich.
Zur Lösung eines weiteren Aspekts der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Gegenelektrode eine Aufnahme zum Fixieren des bzw. der Elemente, die verschweißt werden sollen, zugeordnet ist. Insbesondere ist die Aufnahme zum Fixieren eines Rohres geeignet, das fluiddicht verschweißt und gegebenenfalls ein Abschnitt des Rohres sodann abgetrennt werden soll. Dabei weist die Aufnahme zu beiden Seiten der Schweißflächen verlaufende Greifelemente auf, die einen feststehenden Schenkel sowie einen zu diesem verschwenkbaren Schenkel umfassen, zwischen denen das Rohr fixierbar ist. Dabei sind die Schenkel derart zueinander verschwenkbar, dass beim Schweißen ein klemmendes Fixieren des zu schweißenden bzw. abzutrennenden Rohres erfolgt, jedoch bei geöffneter Ultraschallschweißvorrichtung ein ungehindertes Einführen bzw. Entnehmen des Rohres aus dem Arbeitsbereich zwischen den Arbeits- bzw. Schweißflächen erfolgt. Gegebenenfalls soll die Aufnahme eine Ausführeinheit zum Entfernen des Rohres aufweisen.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre ist erstmalig die Möglichkeit gegeben, die in dem Arbeitsbereich zwischen Sonotrodenkopf und Gegenelektrode - auch Amboss genannt — einzubringenden Rohre eindeutig zu positionieren und zu fixieren, wodurch nicht nur eine verbesserte Reproduzierbarkeit der Schweißergebnisse erzielbar ist, sondern eine Automatisierung erfolgt, die dazu führt, dass die Anzahl der Schweißungen pro Zeiteinheit erhöht werden kann. Insbesondere ist vorgesehen, dass die zu beiden Seiten der Arbeitsflächen angeordneten Greifelemente unabhängig voneinander derart betätigbar sind, dass eine automatische Anpassung an Querschnitte, Form und/oder Verlauf des jeweilig zu erfassenden Rohrabschnittes erfolgt. Somit können auch Rohre verschweißt und abgetrennt werden, die in ihrem Querschnitt, ihrem Verlauf und/oder ihrer Form variieren.
Nach einem weiteren Vorschlag ist der feststehende Schenkel der Aufnahme Seitenschenkel eines U-förmigen Rahmens, wobei zwischen dessen Querschenkel und der Gegenelektrode der Sonotrodenkopf verläuft.
Die Aufnahme ist lösbar mit der Ultraschallvorrichtung verbunden und weist eine eindeutige Positionierung zu Amboss bzw. Sonotrode auf.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art zum Verschweißen von zumindest einem Element, insbesondere zum fluiddichten Dichtschweißen und Trennen eines Abschnitts von einem Rohr mittels einer Ultraschallschweißvorrichtung umfassend ein Schwingersystem mit Sonotrode und Sonotrodenkopf sowie diesem zugeordneter Gegenelektrode, wobei der Rohrabschnitt zwischen einen Arbeitsbereich begrenzenden Arbeits- oder Schweißflächen des Sonotrodenkopfs und der Gegenelektrode angeordnet wird, die Sonotrode ultraschallerregt mit einer Frequenz f schwingt und gleichzeitig über den Sonotrodenkopf bzw. die Gegenelektrode ein Schweißdruck auf das Element wie das Rohr einwirkt, zeichnet sich dadurch aus, dass während oder nach aufeinander folgender Schweißungen oder nach einer vorgegebenen Anzahl von Schweißungen Ist-Frequenz der Sonotrode mit einem Soll- Frequenzbereich verglichen wird und dass bei Auftreten unzulässiger Abweichungen zwischen Ist-Frequenz und Soll-Frequenzbereich die Ultraschallschweißvorrichtung außer Betrieb gesetzt wird.
Erfolgt ein Überschreiten des Soll-Frequenzbereichs, so wird bevorzugterweise eine Relativverstellung zwischen Sonotrodenkopf und Gegenelektrode durchgeführt derart, dass der
Arbeitsbereich von zumindest einer neuen Arbeitsfläche begrenzt wird; denn eine Erhöhung der Frequenz deutet auf ein Austauschen einer Arbeitsfläche hin. Erfolgt ein Unterschreiten des Soll-Frequenzbereichs, so ist dies ein Indiz für einen Riss in der Sonotrode, so dass diese überprüft und ggf. ausgetauscht wird.
Um eine Automatisierung der Übe riifung und Selbstregelung der Schweißungen zu ermöglichen, ist des Weiteren vorgesehen, dass bei Nutzung einer neuen Arbeitsfläche und/oder einer Sonotrode Ist-Frequenz der Sonotrode gemessen und auf deren Basis der Soll-Frequenzbereich bestimmt bzw. berechnet wird.
Insbesondere ist vorgesehen, dass dem Sonotrodenkopf eine von mehreren neuen Arbeitsflächen der Gegenelektrode zugeordnet wird. Dabei ist vorgesehen, dass eine gerichtete Verstellung der Gegenelektrode zu der Sonotrode derart erfolgen kann, dass beim Verschieben bzw. Umsetzen der Gegenelektrode nur eine neue, und nicht eine bereits benutzte Arbeitsfläche dem Sonotrodenkopf zugeordnet werden kann.
Der Soll-Frequenzbereich selbst wird bevorzugterweise unter Zugrundelegung von Frequenzwerten ermittelt, die bei „Leerlaufimpulsen", also unbelasteter Sonotrode, bei neuen Werkzeugen (Sonotrode bzw. Gegenelektrode) bzw. neuen Schweiß- bzw. Arbeitsflächen aufgenommen sind.
Das Unter- bzw. Überschreiten des Soll-Frequenzbereichs kann auf einem Display oder durch Lampen angezeigt werden, so dass der Nutzer darauf hingewiesen wird, dass aufgrund unzulässiger Frequenzänderungen ordnungsgemäße Schweißungen nicht mehr sichergestellt sind. Dies kann bereits vor Über- bzw. Unterschreiten des Soll- Frequenzbereichs signalisiert werden. Hierzu werden so genannte Toleranzbänder festgelegt, innerhalb der Frequenzen liegen müssen, um von ordnungsgemäßen Schweißungen ausgehen zu können.
Ganz allgemein sollte nach jeder werkzeugmäßigen Änderung wie Werkzeugwechsel, Arbeitsflächenänderung etc. ein Frequenzcheck durchgeführt werden.
Ferner sollte erwähntermaßen eine Temperaturanzeige des Werkzeugs erfolgen, um zum Beispiel einen Bediener zu schützen oder Anforderungen an einen Ex-Schutz zu genügen. Die Temperatur kann über Sensoren ermittelt und durch zum Beispiel LEDs angezeigt werden.
Des Weiteren sollte die Ultraschallschweißvorrichtung dialoggeführt bedient werden, wobei ein Quittieren zum Beispiel bei vorgenommenen Änderungen und der damit verbundenen Frequenzüberprüfung bzw. -anpassung erfolgen sollte.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen —für sich und/oder in Kombination-, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsformen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Sonotrode einer Ultraschallschweißvorrichtung mit zugeordnetem Amboss,
Fig. 2 eine Sonotrode im Schnitt mit Lagerung dieser,
Fig. 3 eine Sonotrode mit Booster,
Fig. 4 eine Ausführungsform einer Lagerung der Sonotrode,
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer Lagerung der Sonotrode,
Fig. 6 in vergrößerter Darstellung und im Ausschnitt Verbindungsbereich zwischen einer Sonotrode und einem Booster,
Fig. 7 eine Sonotrode mit zu dieser beabstandeten Gegenelektrode,
Fig. 8 eine der Fig. 7 entsprechende Darstellung mit in Richtung der Sonotrode verstellter Gegenelektrode, Fig. 9 eine Sonotrode mit Lagerung und zugeordnetem Verstellexzenter,
Fig. 10 die Darstellung gemäß Fig. 9 mit abgesenkter Sonotrode,
Fig. 11 eine Sonotrode mit zugeordnetem Amboss sowie Aufnahme für ein Rohr in einer ersten Position,
Fig. 12 die Darstellung gemäß Fig. 11 mit geschlossener Aufnahme,
Fig. 13 eine Seitenansicht der Darstellung in Fig. 12 im Ausschnitt,
Fig. 14 eine Seitenansicht der Darstellung gemäß Fig. 11 im Ausschnitt,
Fig. 15 eine Prinzipdarstellung einer Ultraschallschweißvorrichtung und
Fig. 16 ein Drehmoment-Zeit-Diagram während des Abquetschens und Abdichtens eines Rohres.
In der Fig. 15 ist rein prinzipiell eine Ultraschallschweißvorrichtung dargestellt, mittels der ein erstes Element bzw. ein erstes und ein zweites Element miteinander verschweißt werden sollen. Bei den Elementen handelt es sich insbesondere um Metallteile, ohne dass hierdurch eine Einschränkung der erfindungsgemäßen Lehre erfolgen soll. Wird nur ein Element verschweißt, so handelt es sich insbesondere um ein Rohr, das abgequetscht und abgedichtet und somit verschweißt werden soll. Losgelöst hiervon umfasst die Ultraschallschweißvorrichtung ein Schwingersystem bzw. einen Schwinger 100, der im Ausführungsbeispiel aus einem Konverter 112, einem Booster 114 und einer Sonotrode 116 besteht. Die Sonotrode 116 kann einen Verdichtungsraum begrenzen, der des Weiteren von einer Gegenelektrode bzw. einem Amboss 118 und gegebenenfalls von weiteren Begrenzungselementen wie Schiebern begrenzt ist. Insoweit wird auf Lehren verwiesen, wie diese zum
Beispiel der US-A-4,596,352 oder der US-A-4,869,419 zu entnehmen sind. Unabhängig hiervon weisen die Sonotrode 116 und der Amboss 118 jeweils eine Arbeits- bzw. Schweißfläche auf, zwischen denen das bzw. die zu verschweißenden Elemente während des Verschweißens angeordnet sind.
Der Konverter 112 ist über eine Leitung 120 mit einem Generator 122 verbunden, der über eine Leitung 124 an einen Rechner 126 angeschlossen ist. Über den Rechner 126 wird der Generator 122 gesteuert, um sodann über den Konverter 112 elektrische in mechanische Schwingungen insbesondere über Piezoelemente umzuwandeln, wobei die Schwingungen über den Booster 114 verstärkt werden, um sodann entsprechend die Sonotrode 116 zu erregen.
Ist die Ultraschallschweißvorrichtung in Fig. 1 als Standgerät dargestellt, so besteht ohne Weiteres die Möglichkeit, die Ultraschallschweißvorrichtung auch als Handgerät oder so genannte Handzange auszubilden. Die erfindungsgemäßen Lehren gelten für jede Art von Ultraschallschweißvorrichtungen, und auch unabhängig davon, ob Metallteile und/oder Kunststoffteile miteinander oder einzeln wie ein Rohr verschweißt werden sollen.
Die den Fig. 1 — 14 zu entnehmenden Sonotroden bzw. Ausschnitte dieser mit zugeordneter Gegenelektrode — nachstehend als Amboss bezeichnet - sind Bestandteile einer Ultraschallschweißvorrichtung oder -maschine, wie diese prinzipiell im Zusammenhang mit der Fig. 1 erläutert worden ist.
Ist in den zeichnerischen Darstellungen die Sonotrode mit einem Booster verbunden, so besteht ohne Weiteres die Möglichkeit, die Sonotrode unmittelbar mit einem Konverter zu verbinden, wodurch sich eine besonders kompakte Bauweise ergibt. Eine diesbezügliche Anordnung ist besonders dann zu bevorzugen, wenn Rohre für einen gewünschten Einsatz dichtzuschweißen und gegebenenfalls zu trennen sind.
Nach der Fig. 1 weist eine entsprechende Sonotrode einen Sonotroden- oder Schweißkopf 12 mit im Ausführungsbeispiel zur Längsachse der Sonotrode 10 diametral gegenüberlie- gende Schweiß- oder Arbeitsflächen 14, 16 auf, die wahlweise auf einen Amboss 18 ausgerichtet sind, der seinerseits mehrere Arbeitsflächen aufweisen kann. Im Ausführungsbeispiel weist der Amboss 18 zwei Schweiß- oder Arbeitsflächen 20, 22 auf, zwischen denen eine kanalartige Aussparung 24 verläuft. Insoweit wird auf eine Konstruktion verwiesen, wie diese der DE-A-102 10 075 zu entnehmen ist.
Den Schweißflächen 20, 22 sind Schweißflächen 26, 28 bzw. 30, 32 der Schweißflächen 14, 16 des Sonotrodenkopfs 12 zugeordnet. Zwischen den Schweiß- oder Arbeitsflächen 26, 28 bzw. 30, 32 verlaufen Schneidelemente 34, 36, um ein zwischen dem Amboss 18 und dem Sonotrodenkopf 12 angeordnetes Rohr nach dem Dichtschweißen trennen zu können. Insoweit wird gleichfalls auf die DE-A-102 10 075 verwiesen.
Um eine eindeutige Fixierung der Sonotrode 10 in ihrem Schwingungsknoten und damit des Schwingersystems, das aus Sonotrode 10 sowie gegebenenfalls Booster und Konverter besteht, zu ermöglichen, wobei gleichzeitig ein einfaches bzw. schnelles Auswechseln gegeben sein soll, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Sonotrode 10 über einen Sclinellspannverschluss fixierbar ist. Hierzu ist im Ausführungsbei spiel der Fig. 1, 3, 4 und 5 eine Halterung vorgesehen, die aus einem Halteelement 38 in Form eines Ringabschnitts sowie einem Exzenterelement 54 besteht, mittels dessen in nachstehend beschriebener Weise die Sonotrode in Richtung des Halte- oder Abstützelementes 38 zu deren Fixierung kraftbeaufschlagt wird. Das Ringelement 38 selbst kann in einem Gehäuse an der Ultraschallschweißvorrichtung befestigt sein. Zur eindeutigen Fixierung des Haltelements 38 ist dieses in eine Vertiefung 39 der Sonotrode 10 einsetzbar. Eine entsprechende Fixierung kann auch im Knotenpunkt eines Boosters 41 erfolgen, wie die Fig. 3 vermittelt. Die Fixierung des Boosters 41 erfolgt dabei in einer Weise, wie dies im Zusammenhang mit den Fig. 1 , 2, 4 und 5 beschrieben wird, ohne dass es näherer Erläuterungen bedarf.
Im Ausführungsbeispiel weist das einem Ringabschnitt folgende Halteelement 38 sonotro- denseitig zwei symmetrisch zu einer die Sonotrodenlängsachse 40 schneidenden Geraden 42 verlaufende Abschnitte 44, 46 auf, die eine V-Geometrie bilden können. Die sonotro- denseitigen Begrenzungen der Abschnitte 44, 46 verlaufen geradlinig, so dass die Sonotro- de 10 an den Abschnitten 44, 46 an zwei symmetrisch zu der Geraden 42 verlaufenden Punkten abstützbar ist. Andere Geometrien in Bezug auf den Bereich, an dem die Sonotrode 10 abgestützt wird, sind gleichfalls möglich. So kann die Sonotrode 10 über einen li- nienförmigen Bereich an dem Halteelement 38 bei entsprechend ausgebildeter Innengeometrie abgestützt werden.
Unabhängig hiervon verläuft gegenüberliegend zu den Abschnitten 44, 46 und insbesondere von der Geraden 42 geschnitten ein federkraftbeaufschlagtes Element 48, 50, über das die Sonotrode 10 in Richtung der Abschnitte 44, 46 kraftbeaufschlagt und damit fixiert wird. Bei dem Element 50 handelt es sich um ein Kugelelement, wohingegen das Element 48 ein Stab- oder Zylinderelement ist, das senkrecht zur Sonotrodenlängsachse 40 verläuft. Auf das Kugelelement 50 bzw. das Stabelement 48 wirkt eine Feder 52, die im Ausführungsbeispiel über einen Exzenter 54 gespannt bzw. entlastet wird. Auf diese Weise ist mit konstruktiv einfachen Möglichkeiten die Sonotrode 10 und damit das Schwingersystem fixierbar, gleichzeitig jedoch durch Verstellen des Exzenters 54 ein Lösen der Sonotrode 10 möglich.
Ist die Sonotrode 10 bzw. der Booster 41 bzw. das aus Sonotrode 10, gegebenenfalls Booster 41 und Konverter gebildete Schwingersystem über einen Schnellspannverschluss zuvor beschriebener Art fixierbar, so besteht entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 gleichfalls die Möglichkeit, die Komponenten des Schwingersystems, also Sonotrode 10 mit Booster 41 bzw. bei Fehlen eines Boosters Sonotrode 10 mit Konverter bzw. Konverter mit Booster 41, über einen Schnellverschluss zu verbinden, wobei bevorzugterweise eine Renkverbindung vorgesehen ist, wie diese beispielhaft aus der Fig. 6 ersichtlich ist. Dabei wird jm Ausfuhrungsbeispiel die Sonotrode 10 mit dem Booster 41 verbunden.
Die Sonotrode 10 weist in ihrem rückseitigen Bereich eine eine Ringfläche 150 bildende Stirnfläche auf, die einen hohlzylindrischen Endabschnitt 152 begrenzt, von dessen Innenwandung Vorsprünge 154, 156 radial nach innen abragen. Die Vorsprünge 154, 156 verlaufen diametral zur Längsachse der Sonotrode 10 und damit des Schwingersystems.
Der Booster 41 weist eine Stirnfläche 158 auf, die einen der Ringfläche 150 der Sonotrode 10 entsprechenden Bereich umfasst. Bei zusammengesetzter Sonotrode 10 und Booster 41 liegen dementsprechend die Flächen 154, 158 plan aufeinander. Von der Stirnfläche 158 des Boosters 41 ragt axial ein zylindrischer Abschnitt 160 ab, der Aufnahmen 162 für die Vorsprünge 154, 156 aufweist. Die Aufnahmen 162 werden von axial sich erstreckenden L-förmigen Abschnitten des zylindrischen Abschnitts 160 gebildet. Hierdurch entstehen die Aufnahmen 162 bildende Taschen oder Nester, in die die Vorsprünge 154, 156 eindringen, wodurch die Sonotrode 10 mit dem Booster 41 kraftschlüssig verbunden werden kann. Eine entsprechende Verbindungsart besteht auch zwischen dem Booster 41 und dem Konverter bzw. bei Fehlen eines Boosters zwischen der Sonotrode 10 und dem Konverter.
Die diesbezügliche Renkverbindung stellt sicher, dass mit konstruktiv einfachen Maßnahmen eine sichere Verbindung zwischen der Sonotrode 10 und dem Booster ermöglicht wird, indem der zylindrische Abschnitt 160 in die hohlzylindrische Aufnahme 152 der Sonotrode 10 geschoben und sodann die Sonotrode 10 zu dem Booster 41 gedreht wird. Mit anderen Worten wird eine Art Bajonettverschluss vorgeschlagen, um die Sonotrode 10 mit dem Booster 41 zu verbinden.
Bei den Vorsprüngen 154, 156 handelt es sich um solche aus vorzugsweise einem Federelementmaterial oder einem Verbundwerkstoff. Die Vorsprünge 154, 156 können in entsprechende Bohrungen in dem hohlzylindrischen Abschnitt 152 eingesetzt werden. Andere geeignete Materialien sind gleichfalls möglich. Wesentlich ist jedoch, dass die Vorsprünge 154, 156 in einem Umfang nachgeben, dass die erforderliche kraftschlüssige Verbindung der Sonotrode 10 mit dem Booster 41 erfolgt und die einander zugewandten Stirnflächen 150, 158 im erforderlichen Umfang plan aufeinander liegen.
Um sicherzustellen, dass ein zwischen dem Sonotrodenkopf 12 und dem Amboss 18 angeordnetes Rohr ordnungsgemäß zu den Arbeitsflächen 20, 22 bzw. 26, 28 ausgerichtet ist, sieht die Erfindung entsprechend der Ausführungsbeispiele der Fig. 11 - 14 eine Aufnahme oder Halterung 56 für ein entsprechendes dichtzuschweißendes und zu trennendes Rohr 58 vor. Die Aufnahme 56 weist ein U-formiges Gestell 60 mit Seitenschenkeln 62, 64 und
Querschenkel 66 auf. Die Seitenschenkel 62, 64 gehen von der Ultraschallschweißvorrichtung bzw. dessen Gehäuse aus. Der Querschenkel 66 verläuft oberhalb des Sonotrodeή- kopfes 12. Von den Seitenschenkeln 62, 64 gehen verschwenkbare Arme 66, 68 aus, über die bei Verschwenken dieser das Rohr 58 gegen die Schenkel 62, 64 gedrückt und somit fixiert wird. Dies ergibt sich aus den Fig. 12 und 13. Dabei sind die Schenkel 66, 68 unabhängig voneinander verschwenkbar, um eine Anpassung an den jeweiligen Rohraußendurchmesser, Form und/oder Verlauf des Rohres zu ermöglichen, wodurch ein eindeutiges Fixieren erfolgt.
Die verschwenkbaren Hebel 66, 68 mit den Schenkeln 62, 64 üben folglich die Funktion von Greifern aus.
Die Hebel 66, 68 oder gleichwirkende Elemente können zum Beispiel mechanisch, pneumatisch, insbesondere automatisch verschwenkt werden. Dabei erfolgt ein automatisches Verschwenken in Richtung der Seitenschenkel 62, 64, wenn das Dichtschweißen bzw. Trennen erfolgt, so dass eine eindeutige Lagefixierung des Rohres 58 gewährleistet ist. Nach dem Dichtschweißen und Trennen können die Abschnitte des getrennten Rohres 58 problemlos entfernt werden. Hierzu sind die Flebel 66, 68 frei verschwenkbar. Gegebenenfalls kann auch eine Auswerfereinrichtung vorgesehen sein.
Ferner kann zumindest in dem Amboss 18 eine Kühlung integriert sein, insbesondere können Peltierelemente zum Einsatz gelangen. Durch diese Maßnahmen ist sichergestellt, dass der Amboss 18 nicht unzulässig erwärmt wird, so dass insbesondere dann, wenn das Rohr 58 mit Isobutan gefüllt ist, die Gefahr von Entzündungen ausgeschlossen ist.
Auch sollte eine Temperaturanzeige vorgesehen sein — zum Beispiel auf einem Display, durch LEDs oder durch Färbung eines temperaturanzeigenden Lacks -, um insbesondere einen Benutzer zu schützen oder eine Verwendung im Ex-Schutz-Bereich zu ermöglichen.
Insbesondere sollte jedoch in dem Gehäuse 128 der Ultraschallschweißvorrichtung eine Anzeige 130 integriert sein, um Informationen über die Ultraschallschweißvorrichtung bzw. deren Komponenten, die die Sonotrode 116, den Booster 114 und den Konverter 112 einschließen, zu vermitteln. So können auf der Anzeige 130 Verschleißanzeige der Werkzeuge oder auch Sicherheitsinformationen vermittelt werden, die zum Beispiel unzulässige Temperaturen signalisieren. Neben oder alternativ zu einer optischen Anzeige kann auch eine akustische vorgesehen sein. Anstelle eines Displays können auch LEDs benutzt werden, um Informationen zu vermitteln, die die Ultraschallschweißvorrichtung bzw. die durchgeführten Schweißprozesse betreffen.
Die Erfindung besonders prägende Merkmale ergeben sich aus den Fig. 7 - 10. Dabei werden für Elemente, die zuvor beschrieben worden sind, grundsätzlich gleiche Bezugszeichen verwendet.
Abweichend vom vorbekannten Stand der Technik ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Relativbewegung zwischen Amboss 18, d. h. dessen Schweißflächen und der Sonotrode 10, also ebenfalls deren Schweißflächen nicht über Pneumatikzylinder, sondern mittels eines elektromotorischen Antriebs 132 erfolgt, wobei im Ausführungsbeispiel das Verstellen des Amboss 18 zu der Sonotrode (Fig. 7 und 8) bzw. der Sonotrode 10 zu dem Amboss (Fig. 9 und 10) über einen von dem elektromotorischen Antrieb 132 betätigten Exzenter 134 erfolgt. Wie ein Vergleich der Fig. 7 und 8 verdeutlicht, wirkt der Exzenter 134 auf einen Abschnitt des Ambosses 18 derart, dass dieser geführt in Richtung der Sonotrode 10 verstellbar bzw. zu diesem beabstandbar ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 9 und 10 wird die Sonotrode radial verstellbar von einer Führung 136 aufgenommen, wobei die Sonotrode 10 in einer Halterung 138 gelagert ist, die in Richtung des Exzenters 134 federvorgespannt ist. Durch Verstellen des Exzenters 134 kann somit die Sonotrode entgegen der Federkraft in der zeichnerischen Darstellung nach unten verstellt werden und somit in Richtung eines nicht gezeichneten Ambosses bewegt werden.
Durch die diesbezügliche Konstruktion ist unter anderem der Vorteil gegeben, dass keine gesonderten Sensoren für die Wegmessung bzw. Kraftmessung erforderlich sind. Kraft und Weg können unmittelbar an dem insbesondere als Servomotor ausgebildeten elektromotorischen Antrieb abgegriffen werden. Durch den elektromotorischen Antrieb 132 erfolgt eine lineare Bewegung des Ambosses 18 bzw. der Sonotrode 10. Die erforderlichen zum Verschweißen aufzubringenden Kräfte werden nach einem definierten Zeitablauf erreicht. Durch Bestimmung des Drehmomentes kann der Schweißprozess verfolgt bzw. das Errei- chen bestimmter Schweißzustände ermittelt werden. Es ist ein nahtloses Umschalten von Parametersätzen insbesondere zu ändernder Kräfte möglich, Vorteile, die Antriebe mittels Druckzylinder nicht bieten. Es besteht die Möglichkeit, zu jedem Schweißzeitpunkt unmittelbar eine Aussage über Position und Kraft der Sonotrode bzw. des Ambosses zu treffen. Auch ist ein problemloser Exschutz möglich.
Insbesondere bietet der elektromotorische Antrieb die Möglichkeit, durch einfache Maßnahmen ein automatisches Abquetschen und Abdichten eines Rohres durchzuführen, ohne dass zuvor individuell die Daten des Rohres in eine Ultraschallschweißvorrichtung bzw. deren Steuerung einzugeben sind. Hierzu ist folgende Verfahrensweise möglich. Zunächst wird entsprechend der Fig. 11 - 14 das Rohr 58 zwischen der Sonotrode 10 und der Gegenelektrode 18 bzw. deren Arbeitsflächen angeordnet. Sodann erfolgt die Bestimmung einer charakteristischen Größe des Rohres 58. Hierbei kann es sich um den Durchmesser bzw. die Wanddicke des Rohres 58 handeln. Die diesbezüglichen Größen können aus einer Drehmoment-Zeit-Kurve abgelesen werden, die während des Schweißprozesses aufgenommen wird. Hierzu ist es jedoch zuvor erforderlich, dass von so genannten Normrohren Regelkurven aufgenommen werden. Von den Normrohren sind Durchmesser und Wandstärke bekannt.
Auch bei den Normrohren sind charakteristische Peaks in der Drehmoment-Zeit-Kurve vorhanden, wobei entsprechend der Fig. 16 ein erster Peak 232 durch Auftreffen der Sonotrode auf das Rohr 58 auftritt, da eine Drehmomenterhöhung des elektromotorischen Antriebs erfolgt. Während des Quetschens des Rohres 58 nimmt zunächst das Drehmoment ab, um sodann wieder anzusteigen und in ein zweites Maximum 234 überzugehen. Dieser Punkt ist charakteristisch für die Wandstärke des Rohres; denn die Drehmomenterhöhung im Maximum 234 ist durch den Umstand bestimmt, dass das Rohr in einem Umfang zusammengequetscht ist, das die Wandungen aufeinander liegen. Bei weitere Ultraschalleinwirkung und Kraft ein Wirkung erfolgt das Verschweißen, wobei gleichzeitig eine Drehmomentverringerung erfolgt.
Entsprechende Drehmoment-Zeit-Kurven 230 werden erwähntermaßen von einer Vielzahl von Normrohren aufgenommen und die für die Normrohren charakteristischen Schweißpa- rameter abgelegt. Sodann werden entlang der Normkurven 30 Toleranzbänder 238, 240 gelegt.
Soll nun das Rohr 58 unbekannten Durchmesser und unbekannter Wanddicke abgequetscht und abgedichtet werden, so wird eine Istkurve aufgenommen und diese in eine Regelkurve eingepasst. Nach Ermittlung der entsprechenden Regelkurve werden sodann Schweißparameter wie Druck, Schweißdauer oder Energieeintrag aus abgelegten Tabellen abgerufen, um das Rohr 58 unbekannten Durchmessers und Wandstärke ordnungsgemäß abquetschen und abdichten zu können.
Mit anderen Worten erfolgt zunächst ein Einlehrmode, um für unterschiedliche Rohrdurchmesser von zum Beispiel 4, 6, 8 oder 12 mm unterschiedlichen Wandstärken von zum Beispiel 0,6 mm - 1 mm Regelkurven entsprechend der Kurve 230 aufzunehmen, sodann ein Toleranzband festzulegen und abzuspeichern. Sodann wird ein Rohr unbekannten Durchmessers und unbekannter Wandstärke zwischen der Sonotrode 10 und der Gegenelektrode 18 positioniert, die Sonotrode 10 und die Gegenelektrode 22 gemäß zuvor erfolgter Erläuterung mittels des elektromotorischen Antriebs 132 aufeinander zu bewegt, um sodann Rohrdurchmesser und Wanddicke aufgrund in der Istkurve auftretenden Peaks zu ermitteln und die entsprechenden Werte mit Werten von Regelkurven zu vergleichen. Bei Vorliegen entsprechender Wert in einer Regelkurve werden sodann die weiteren zum ordnungsgemäßen Abquetschen und Abdichten erforderlichen Parameter abgerufen (Schweißmode).

Claims

PatentansprücheVorrichtung und Verfahren zum flυiddichten Dichtschweißen eines Rohrabschnitts
1. Vorrichtung zum Verschweißen von zumindest einem ersten Element (58) oder von einem ersten Element mit einem zweiten Element mittels einer Ultraschallschweißvorrichtung umfassend ein Schwingersystem mit zumindest einer eine erste Schweißfläche (14, 16) aufweisenden Sonotrode (10, 116) und einem Konverter (112) und gegebenenfalls zwischen der Sonotrode und dem Konverter angeordnetem Booster (41, 114), eine der Sonotrode zugeordnete Gegenelektrode (18, 118) mit zumindest einer zweiten Arbeitsfläche (20, 22) sowie einen Antrieb (132) zum relativen Verstellen der Sonotrode zu der Gegenelektrode, wobei das erste Element bzw. das erste und das zweite Element während des Verschweißens zwischen der ersten und der zweiten Arbeitsfläche angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (132) ein elektromotorischer Antrieb ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (132) ein Servoantrieb bzw. Stellmotor ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (132) ein Gleichstrommotor ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (132) ein AC-Synchronmotor ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (132) ein bürstenloser permanenterregter AC-Synchronmotor ist.
6. Vorrichtung nach dadurch gekennzeichnet, dass der elektromotorische Antrieb (132) eine Spindel oder einen Exzenter (134) antreibt, die bzw. der in Wirkverbindung mit der Sonotrode (10) oder der Gegenelektrode (18) steht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingersystem radial verstellbar in einem Gehäuse (136) angeordnet ist und dass auf das Schwingersystem zu dessem Verstellen mittelbar oder unmittelbar der elektromotorische Antrieb (132) einwirkt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingersystem entgegen einer Federkraft radial verstellbar ist.
9. Vorrichtung zum Verschweißen von zumindest einem ersten Element (58) oder von einem ersten Element mit einem zweiten Element mittels einer Ultraschallschweißvorrichtung umfassend ein Schwingersystem mit zumindest einer eine erste Schweißfläche (14, 16) aufweisenden Sonotrode (10, 116) und einem Konverter (112) und gegebenenfalls zwischen der Sonotrode und dem Konverter angeordnetem Booster (41, 114), eine der Sonotrode zugeordnete Gegenelektrode (18, 118) mit zumindest einer zweiten Arbeitsfläche (20, 22) sowie einen Antrieb (132) zum relativen Verstellen der Sonotrode zu der Gegenelektrode, wobei das Schwingersystem, insbesondere die Sonotrode, in einer Flalterung (38, 48, 50, 52, 54) fixier- bar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingersystem über einen Schnellspannverschluss (52, 54) in der Halterung (38, 48, 50) fixierbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schnellspannverschluss ein Exzenterelement (54) umfasst, über das das Schwingersystem gegen eine Abstützung (38, 44, 46) der Halterung (38) drückbar ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung ein das Schwingersystem abschnittsweise umgebendes vorzugsweise ringabschnittsförmiges Flalteelement (38) mit Abstützungen (44, 46) umfasst, die vorzugsweise eine V-förmige Geometrie bilden.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützungen (44, 46) einen ersten und einen zweiten Abstützpunkt aufweisen, die auf schwingersystemseitig verlaufenden und entlang von sich schneidenden Geraden sich erstreckenden Bereichen liegen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Abstützpunkt symmetrisch zu einer die Schwingersystemlängsachse (40) insbesondere senkrecht schneidenden Geraden (42) angeordnet sind und dass ein dritter. Abstützpunkt entlang der Geraden verstellbar angeordnet ist und in Richtung des ersten und zweiten Abstützpunktes kraftbeaufschlagend auf das Schwingersystem einwirkt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Exzenterelement (54) auf den dritten Abstützpunkt einwirkt oder dieser ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingersystem über eine linienformige Abstützung abstützbar ist, zu der in Bezug auf das Schwingersystem diametral gegenüberliegend das Exzenterelement (54) angeordnet ist.
16. Vorrichtung nach zumindest Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Abstützpunkt durch ein Kugelelement (50), ein quer zur Längsachse (40) des Schwingersystems verlaufendes Stabelement (48) oder ein Schraubelement gebildet ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugel- bzw. Stabelement (48, 50) über ein Federelement (52) kraftbeaufschlagt ist, das insbesondere über einen Keil oder das Exzenterelement (54) gespannt bzw. entlastet ist.
18. Vorrichtung nach zumindest Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (10) und/oder der Booster (41) über den Schnellspannverschluss fixiert ist.
19. Vorrichtung nach vorzugsweise Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Komponenten (10, 41, 116, 114, 112) wie die Sonotrode und der Booster und/oder der Booster und der Konverter und/oder die Sonotrode und der Konverter über einen Schnellverschluss (154, 156, 162, 164) verbunden sind.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Schnellverschluss eine Renkverbindung (154, 156, 162, 164) ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Renkverbindung ein Bajonettverschluss ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten (10, 41) des Schwingersystems in ihren einander zugewandten Stirnflächen (150, 158) jeweils einen umlaufenden ringförmigen Stirnrand aufweisen, die bei verbundenen Komponenten plan aufeinander liegen.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Komponenten (10) von der Stirnfläche (150) ausgehend einen hohlzylindrischen Endabschnitt (152) aufweist, von dessen Innenfläche zumindest zwei Vorspränge (154, 156) radial abragen, und dass die andere Komponente (41) einen über den Stirnrand (158) vorstehenden zylindrischen Abschnitt (160) aufweist, der die Vorsprünge aufnehmende Aufnahmen (162) aufweist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass entlang Außenfläche des zylindrischen Abschnitts (160) ein vorzugsweise L- förmiger Vorsprung (164) verläuft, der ein Nest als die Aufnahme (162) begrenzt.
25. Vorrichtung nach zumindest Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der in die Aufnahme (162) eingreifende Vorsprung (154, 156) ein Verbundwerkstoff, ein Federmaterial oder ein Kunststoffmaterial ist.
26. Vorrichtung nach vorzugsweise einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem das Schwingersystem zumindest bereichsweise aufnehmenden Gehäuse (128), dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (128) eine optische Anzeige (130) wie ein Display und/oder eine akustische Anzeige zum Anzeigen oder Signalisieren von Parametern des Ultraschallschweißens bzw. der Ultraschallschweißvorrichtung integriert ist.
27. Vorrichtung nach vorzugsweise Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallschweißvorrichtung eine Temperaturanzeige (130), insbesondere zum Anzeigen der Temperatur der Sonotrode (10) und/oder der Gegenelektrode (18) aufweist.
28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturanzeige (130) über LEDs erfolgt.
29. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturanzeige mittels temperaturanzeigendem Anstrich der Sonotrode (10) und/oder der Gegenelektrode (18) erfolgt.
30. Vorrichtung nach vorzugsweise Anspruch 1, wobei das erste Element ein dicht zu schweißender und gegebenenfalls abzutrennender Abschnitt eines Rohres (58) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenelektrode (18) eine Aufnahme (56) zum Fixieren des ersten Elementes (58) zugeordnet ist.
31. Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (56) zu beiden Seiten der Schweißflächen (20, 22, 26, 28) verlaufende Greifelemente (62, 66; 64, 68) aufweist.
32. Vorrichtung nach Anspruch 30 oder 31 , dadurch gekennzeichnet, dass jedes Greifelement (62, 66; 64, 68) einen feststehenden Schenkel (62, 64) sowie zu diesem verschwenkbaren Schenkel (66, 68) umfasst, zwischen denen das Rohr (58) fixierbar ist.
33. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel (62, 66; 64, 68) das Rohr (58) in Schweißposition des Sonotro- denkopfes (12) klemmend fixieren.
34. Vorrichtung nach zumindest Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass der verschwenkbare Schenkel (66, 68) zu dem feststehenden Schenkel (62, 64) pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch verstellbar ist.
35. Vorrichtung nach zumindest Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die zu beiden Seiten der Schweißflächen (20, 22, 26, 28) verlaufenden Greifelemente (62, 66; 64, 68) unabhängig voneinander derart betätigbar sind, dass eine automatische Anpassung an Querschnitt jeweiligen zu erfassenden Rohrabschnitts erfolgt.
36. Vorrichtung nach zumindest Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die feststehenden Schenkel (62, 64) der Aufnahme (56) Seitenschenkel eines U- förmigen Rahmens sind, dessen Querschenkel (66) entlang ambossabgewandter Seite des Sonotrodenkopfs (12) verläuft.
37. Vorrichtung nach zumindest Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass in der Aufnahme (56) ein Auswerfer zum Entfernen des Rohres (58) bzw. des Rohrabschnitts integriert ist.
38. Verfahren zum Verschweißen zumindest eines Elements, insbesondere zum fluid- dichten Dichtschweißen und gegebenenfalls Trennen eines Abschnitts von einem Rohr, mittels einer Ultraschallschweißvorrichtung umfassend ein Schwingersystem mit Sonotrode und Sonotrodenkopf, diesem zugeordnete Gegenelektrode, wobei das Element zwischen einen Arbeitsbereich begrenzenden Arbeits- oder Schweißflächen des Sonotrodenkopfs bzw. der Gegenelektrode angeordnet wird, die Sonotrode ultraschallerregt mit einer Frequenz f schwingt und durch Relativverstellung von Sonotrodenkopf und Gegenelektrode ein Schweißdruck auf das Rohr einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass während oder nach aufeinander folgenden Schweißungen oder nach einer vorgegebenen Anzahl von Schweißungen Ist-Frequenz der Sonotrode mit einem Soll- Frequenzbereich verglichen wird und dass bei Auftreten einer unzulässigen Abweichung zwischen der Ist-Frequenz und dem Soll-Frequenzbereich die Ultraschallschweißvorrichtung außer Betrieb gesetzt wird.
39. Verfahrennach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten des Soll-Frequenzbereichs aktuell genutzte Arbeitsfläche durch eine neue Arbeitsfläche ersetzt wird.
40. Verfahren nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass die neue Arbeitsfläche durch Verstellen der Gegenelektrode entlang Längsachse der Sonotrode zur Verfügung gestellt wird.
41. Verfahren nach zumindest Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere neue Arbeitsflächen durch Relativverschiebung von Sonotrode und Gegenelektrode zur Verfügung gestellt werden.
42. Verfahren nach zumindest Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreiten des Soll-Frequenzbereichs die Sonotrode ausgetauscht wird.
43. Verfahren nach zumindest Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass bei Nutzung einer neuen Arbeitsfläche und/oder einer neuen Sonotrode Ist- Frequenz der Sonotrode gemessen und auf deren Basis Soll-Frequenzbereich berechnet wird.
44. Verfahren nach zumindest Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Frequenzbereich unter Zugrundelegung von gemessenen Frequenzwerten unbelasteter Sonotrode festgelegt bzw. berechnet wird.
45. Verfahren nach zumindest Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißdruck über einen elektrisch betätigten Antrieb eingestellt wird.
46. Verfahren nach vorzugsweise Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung abzulegender Schweißparameter zum Abquetschen und Abdichten des Rohres Drehmoment eines die Sonotrode zu der Gegenelektrode verstellbaren elektrischen Antriebs von abzuquetschenden und abzudichtenden Normrohren als Regelkurve bzw. Regelkurven aufgenommen werden, dass Ist-Kurven von sodann abzuquetschenden und abzudichtenden Rohren unbekannten Durchmessers und/oder unbekannter Wandstärke mit so ermittelter Regelkurve bzw. ermittelten Regelkurven verglichen werden und dass unter Berücksichtigung gegebenenfalls vorgegebener Toleranzen bei Übereinstimmung mit einer Regelkurve die dieser zugeordneten Schweißparameter zum Abquetschen und Verschweißen der Rohre verwendet werden.
47. Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Kurve mit mit einem Toleranzband verbreiterten Regelkurven verglichen wird.
48. Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass den Regelkurven Schweißparameter wie Druck, Schweißdauer und/oder Energieeintrag zugeordnet werden, die zum Abquetschen und Verschweißen von beim Aufnelimen von Regelkurven verwendeten Normrohren ermittelt werden, dass zum Verschweißen eines Rohres unbekannter Größe eine Ist-Kurve aufgenommen und die Ist-Kurve in. eine von mehreren Regelkurven eingepasst wird und dass das Rohr unbekannter Größe unter Zugrundelegung der der entsprechenden Regelkurve zugeordneten Schweißparameter abgequetscht und verschweißt wird.
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