WO2008090251A2 - Cabezal y transductor ultrasónico para soldadura ultrasónica de materiales plásticos - Google Patents

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WO2008090251A2
WO2008090251A2 PCT/ES2008/000120 ES2008000120W WO2008090251A2 WO 2008090251 A2 WO2008090251 A2 WO 2008090251A2 ES 2008000120 W ES2008000120 W ES 2008000120W WO 2008090251 A2 WO2008090251 A2 WO 2008090251A2
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Definitions

  • the present invention relates to ultrasonic vibration welding of plastic parts, comprising thermoplastics, mixtures of plastics and plastics with charge, in general.
  • the invention relates in general, in a first aspect, to a head for ultrasonic welding of plastic materials that allows internally cooling at least one sonotrode connected to an ultrasonic transducer of said head and the welding area of said plastic materials, and in particular to a head with an arrangement of cooling pipes that allows working at high frequencies and high amplitudes of oscillation without the end piece that constitutes or includes one or more sonotrodes suffering any damage.
  • a second aspect of the present invention concerns an ultrasonic transducer with a cooling duct that runs inside and adapted to be coupled to one or more pieces for the assembly of an ultrasonic welding head of plastic materials with interior and area cooling of welding arranged under it.
  • a method is known to keep a vibrating tool at a controlled temperature.
  • said vibrating tool is applied to the welding of plastic materials by means of a sonotrode that moves in a direction perpendicular to the work surface of the tool and in general perpendicular to said plastic materials to be welded.
  • a channel is defined in said sonotrode that at least comprises a section parallel to the work surface, and a cooling fluid is circulated inside said channel.
  • Both ends of said channeling are connected to two sockets of a respective external circuit to the sonotrode, one of them, the input, a source of supply of said fluid, and the other, the output, to for example a reservoir of the The fluid is extracted again with a pump to be recirculated through the sonotrode duct.
  • Said US3438428 patent does not teach or suggest the possibility of also cooling the welding area of the plastic materials or an external face of the sonotrode by means of the cooling fluid circulating inside.
  • the US6691909 patent refers to an apparatus for ultrasonic welding of metals of the type of resonant tongue and wedge, wherein a wedge that is directly connected to the ultrasonic transducer (operating as a sonotrode) is linked to a tongue held by one of its ends and supporting at the other end on the pieces to be welded, attached and pressed, rubbing on them.
  • this device in order to prevent the tip of the said tongue, called sonotrode, from sticking to the metal being welded, it comprises, for an example of embodiment, a pipe that in its portion closest to said tip has a capillary section in order that a fluid contained in the pipeline only goes outside through said tip when the sonotrode is vibrated.
  • the sonotrode is thus displaced in a direction parallel to the work area, that is to say to the metal materials to be welded, by means of the actuation of a transducer to which the said wedge is attached to which the tongue terminated in the sonotrode, of so that the longitudinal vibration of the transducer translates into a transverse vibration of the sonotrode, sliding it on the face of the upper part of the pair of parts to be welded.
  • internal sonotrode cooling systems similar to those proposed in US3438428 are also proposed, that is to say formed by internal sonotrode pipes that do not have an outlet to the outside, since they are not intended to cool more than interior of the sonotrode.
  • each of its parts must resonate at the frequency of the ultrasonic vibration. generated by the ultrasonic transducer, for which each of these parts (read sonotrode, ultrasonic transducer, "booster”, etc.), depending on their respective materials (each with its own sound transmission rate), must have dimensions that allow it to resonate at the generated ultrasonic frequency, to vibrate so that it transmits a coincident vibration or multiple of a wavelength, being the most extreme piece or part of the piece, that is the sonotrode, the one that vibrates with a greater amplitude.
  • the passage for the air or channeling proposed in EP 1 000 732 has a defined input in the same sonotrode, through a corresponding lateral intake, that is to say at a height (from the tip of the sonotrode) less than the wavelength Ultrasonic As indicated in the previous paragraph, the sonotrode is the piece that vibrates with a greater amplitude.
  • the present applicant does not know ultrasonic transducers applicable to heads for ultrasonic welding of plastic materials, which have a cooling duct inside it positioned to communicate with another defined cooling duct inside a sonotrode.
  • the present invention concerns, in a first aspect, a head for ultrasonic welding of plastic materials of the type comprising an ultrasonic transducer assembly, such as a piezoelectric converter, intended to generate a vibration at a predetermined ultrasonic frequency, to which they are one or more end pieces coupled or removably attached, each of which constitutes or includes at least one sonotrode, intended to vibrate at said ultrasonic frequency according to a direction that can be oriented in relation to the work area and generally perpendicular to plastic materials to be welded arranged below a free end of said part extreme, said head having a connection to an external source of coolant fluid, said end piece in its interior defining at least a first pipeline that runs through the inside of at least part of the end piece, through the interior of which said circuit circulates coolant fluid, and which goes outside through said free end so that the coolant flowing through it is projected on the welding area of said plastic materials in order to cool said welding area.
  • an ultrasonic transducer assembly such as a piezoelectric converter
  • the head proposed by the invention comprises a second channel that communicates said first channel with said connection, and whose entrance is arranged at a distance from the free end of the end piece, taken according to said axis defining said direction of vibration, greater than the length of the end piece or of an end part of the end piece intended to vibrate so as to transmit a vibration of a wavelength at said predetermined ultrasonic frequency.
  • the location of said entrance has been foreseen preventing it from coinciding within the part of the welding head that vibrates with a greater amplitude, that is the sonotrode or an end portion of said end piece in sonotrode functions, where a vibration of a wavelength, in order to offer security guarantees against breakage of all the parts that make up the welding head.
  • Said end piece and said ultrasonic transducer are sized, depending on the respective materials from which they are manufactured, so that they resonate at said predetermined ultrasonic frequency, vibrating so as to transmit a vibration of a wavelength or a multiple of a wavelength. If they are not sized in such a way they would not enter into resonance with the generated ultrasonic frequency.
  • said end piece is a sonotrode and said first pipe is a through pipe that, unlike the pipe proposed in EP 1 000 732, runs longitudinally through the interior of the entire sonotrode, passing through it.
  • the sonotrode included therein has a main body adapted to couple different interchangeable tips, selected according to the application.
  • the dimensions that should enable vibration in resonance with Ia predetermined ultrasonic frequencies are those of the complete sonotrode, that is, once one of said interchangeable tips has been attached to the main body, for example by screw connection.
  • said first pipe runs parallel to the axis defining said perpendicular direction of the vibration movement, although other non-parallel paths are also contemplated in the present invention.
  • said end piece is sized, depending on the material of which it is manufactured, so that it resonates at said predetermined ultrasonic frequency, vibrating so as to transmit a vibration of two or more wavelengths, and includes so integrated a first end part constituting a sonotrode, and a second part constituting an adapter in function of coupling part or oscillation amplifier modifier, each of said parts being sized to vibrate so as to transmit a vibration of at least a respective wavelength of said two or more wavelengths.
  • the head comprises one or more adapters interposed between the transducer and the sonotrode, said adapter being, unlike the adapter of the example of embodiment described in the previous paragraph, an independent part of the one that forms the sonotrode but coupled to the same.
  • Said adapter is commonly called coupling piece when it does not modify the amplitude of vibration, or "booster" or amplifier modifier when it does (either increasing or decreasing the amplitude of oscillation), and it must also be sized, depending on of the material from which it is manufactured, so that it resonates at said predetermined ultrasonic frequency, vibrating so as to transmit a vibration of a wavelength or a multiple of a wavelength.
  • Said adapter is intended to vibrate at said ultrasonic frequency together with the sonotrode along a common direction.
  • the said second pipe runs through at least part of the adapter.
  • the said inlet of the second channel is the entrance of a side outlet defined in said adapter transversely to said axis that defines said direction of vibration, and communicated with the second channel.
  • said inlet of the second channel and said lateral outlet is arranged close to the nodal zone of the adapter (in general less than 20 mm from it).
  • the first channeling of the proposed head has a section or sections of sufficient diameter throughout its entire length to avoid that there is a phenomenon of capillarity in it that stops the outflow of the fluid to the outside.
  • the first channeling communicates with the second through one or more connecting elements of the end piece that constitutes or includes the sonotrode with said piezoelectric converter assembly.
  • said second pipe extends through part or preferably of all said piezoelectric converter assembly, which is aligned with the end piece, until communicating with said fluid supply connection.
  • a pressurized housing surrounds the piezoelectric converter assembly, the cooling fluid penetrating into the pipeline through one end or through one or more side intake ducts.
  • said outlet and lateral shots are arranged close to the nodal zone of the transducer (in general, less than 20 mm from it).
  • At least a part of said intermediate portion of the end piece is of decreasing variable section, the passage of said passage or passages being defined or defined in said part of variable section of the intermediate portion.
  • the head proposed by the invention comprises a piece or skirt coupled to the end piece above the outlet of said passages and extending in the direction of said free end of the sonotrode.
  • Said or said passages describe an inclined path with respect to the axis that defines the direction of vibration, in order to guarantee the structural integrity of the end piece.
  • said skirt is coupled at one end to a coupling configuration, such as a perimeter groove, of said portion of the end piece of greater section, said skirt not reaching contact with the work area to avoid that it could Breaking through the blows against the work area.
  • the ultrasonic converter assembly of the head proposed by the first aspect of the present invention comprises the following elements aligned: - a piece, or toe, with a first end portion or tip coupled to the end piece (directly or with interpolation of an adapter), a second end portion and an intermediate portion defining a clamping ring,
  • the first pipe extends through said connecting element that joins said piece with said counter.
  • the channeling resulting from communicating both the first and second pipes is a through channel (or channels, if applicable) that runs through the entire head axially or in a direction parallel to the longitudinal axis of the head .
  • a second aspect of the invention concerns an ultrasonic transducer for ultrasonic welding head of plastic materials, intended to generate a vibration at a predetermined ultrasonic frequency, and which is coupled to at least one end piece that constitutes or includes at least one sonotrode, provided to vibrate at said predetermined ultrasonic frequency according to a direction capable of being oriented with respect to a work surface where plastic materials are to be welded arranged below a free end of said end piece, said end piece inside at least a first channel that runs through the inside of the end piece, passing through it, for the circulation of a refrigerant fluid from an external source attachable to a connection of said head, and that goes outside by at least said free end so that the fluid refrigerant circulating through it pr inject at least on the welding area of said plastic materials.
  • the ultrasonic transducer proposed by the second aspect of the invention comprises a second channel that runs at least part of its interior and is positioned to communicate with the first channel of said end piece when the transducer and the end piece are coupled together, for communicate to the first channel with said connection, and therefore with the cooling fluid.
  • the use of suitable materials and an effective design that allow obtaining the transducer proposed by the second aspect of the invention, suitable for generating ultrasonic waves of such amplitude of oscillation that allow dispensing with intermediate amplitude modifiers, is contemplated. , and therefore directly connect the transducer to the sonotrode, for a wide range of applications.
  • Fig. 1 is an elevation view of the head for ultrasonic welding of plastic materials proposed by the invention for an embodiment example
  • Fig. 2 is a view of a section of the head of Fig. 1, made through the plane indicated as AA in said Fig. 1
  • Fig. 3 is an elevation view of the head for ultrasonic welding of plastic materials proposed by the invention for another embodiment
  • Fig. 4 is a view of a section of the head of Fig. 3, made through the plane indicated as A-A in said Fig. 3,
  • Fig. 5 is an elevation view of the head for ultrasonic welding of plastic materials proposed by the invention for another embodiment
  • Fig. 6 is a view of a section of the head of Fig. 5, made through the plane indicated as A-A in said Fig. 5,
  • Fig. 7 is an elevation view of the head for ultrasonic welding of plastic materials proposed by the invention for yet another embodiment
  • Fig. 8 is a view of a section of the head of Fig. 7, made through the plane indicated as AA in said Fig. 7
  • Fig. 9 is an elevational view of the head for ultrasonic welding of plastic materials proposed by the invention for another embodiment that includes an arrangement that allows cooling a cooling gas just before projecting it on the welding area
  • Fig. 10 is a view of a section of the head of Fig. 9, made through the plane indicated as AA in said Fig. 9,
  • Fig. 11 is an elevation view of the head for ultrasonic welding of plastic materials proposed by the invention for yet another embodiment, where the end piece of the head integrates a sonotrode and an adapter, in this case in functions of coupling part , Y
  • Fig. 12 is a view of a section of the head of Fig. 11, made through the plane indicated as A-A in said Fig. 11.
  • the present invention concerns, in a first aspect, a head C for ultrasonic welding of plastic materials comprising an ultrasonic transducer 1 to which it is directly coupled to removable form a sonotrode 2 intended to vibrate at a predetermined ultrasonic frequency, generated by transducer 1, according to a direction that can be oriented (generally perpendicular) with respect to a work surface where plastic materials (not shown) are located being soldiers disposed below a free end 2a of said sonotrode 2.
  • the ultrasonic transducer 1 is connected to a sonotrode 2 not directly but through an intermediate adapter 5 sandwiched between said ultrasonic transducer 1 and said sonotrode 2, and intended to vibrate at said predetermined ultrasonic frequency together with the sonotrode along a common direction.
  • Said adapter 5 is commonly known as a coupling piece when it does not modify the amplitude of oscillation, or as a "booster" or amplifier modifier when it does. Specifically the adapter 5 illustrated in the
  • Figs. 7 to 10 does not modify the amplitude of oscillation, since its input section
  • Figs. 11 and 12 show another embodiment for which the ultrasonic transducer 1 is directly coupled to an end piece 2 dimensioned, depending on the material of which it is manufactured, so that it resonates at said predetermined ultrasonic frequency, vibrating so as to transmit a vibration of two wavelengths.
  • the extreme piece 2 of Figs. 11 and 12 integrally includes a first end part 20a constituting a sonotrode, and a second part 20b constituting an adapter in functions of coupling part (or for another embodiment not illustrated, in functions of oscillation amplitude modifier ), each of said parts 20a, 20b being sized to vibrate so as to transmit a vibration of a wavelength.
  • the sonotrode 2 or the end part 20a that constitutes a sonotrode defines in its interior a first pipe 3 for circulation of a cooling fluid of the sonotrode 2, and said head C has a connection 4 to a external source of refrigerant fluid (not illustrated) for the supply of fluid to said first pipe 3, which depending on the example of embodiment is located in one or another element of the head C.
  • the first channel 3 is a through pipe 3 that runs through the interior of the sonotrode 2 (or the end part 20a which constitutes a sonotrode for the embodiment example of Figs.
  • the head proposed by the invention comprises a second pipe 30 that communicates said first pipe 3 with said connection 4, the inlet 3Oe of said second pipe 30, or fluid inlet 3Oe, being arranged at a distance greater than the length of the end piece 2, when it constitutes a sonotrode 2, as illustrated in Figs. 1 to 10, or of an end part 20a of the end piece 2 intended to vibrate so as to transmit a vibration of a wavelength at the predetermined ultrasonic frequency, for the case illustrated by Figs. 11 and 12.
  • the mentioned fluid inlet 3Oe is arranged in one or another location, depending on the exemplary embodiment.
  • the mentioned pipes 3, 30 communicate through a connecting element 6 of the sonotrode 2 with said ultrasonic transducer 1 (see Figs. 1 to 6) or with said adapter 5 (see Figs. 7, 8, 9 and 10), depending on the embodiment example.
  • both pipes 3, 30 communicate directly with each other, being able to be of different sections, as illustrated in said Figs. 11 and 12, or have the same section.
  • the ultrasonic transducer 1 is a piezoelectric converter assembly comprising the following elements aligned that can be seen especially in Figs.
  • the second pipe 30 extends through at least part of the ultrasonic transducer 1, which is aligned with the sonotrode 2.
  • the connecting element 12 is not hollow, the second pipe 30 extends to the tip of the connecting element 12, although for another example of embodiment it could extend until before the tip of the joining element 12.
  • the second pipe 30 extends through the connecting element 12 (which in the illustrated embodiments is a screw 12) that joins the toe 10 with the counter 11, extending the second channeling 30 through the entire ultrasonic transducer assembly 1 to its inlet 3Oe which coincides with the end of the connecting element 12.
  • said inlet 3Oe of the second pipe 30 defines the said fluid supply connection 4.
  • the fluid supply connection 4 is defined in an upper wall of a housing 7 that encompasses the ultrasonic transducer 1, whose interior constitutes a pressurized chamber 17 for said refrigerant fluid interposed between Ia second pipe 30 and said connection 4 to transfer said coolant fluid to the inlet 3Oe of the second pipe 30, and therefore to the first pipe 3.
  • the input 3Oe of the second pipe 30 and said connection 4 are aligned along the axis that defines the direction of vibration and both flow into said pressurized chamber 17.
  • the inlet 3Oe of the second pipe 30 is the inlet of a side outlet 8 (close to the nodal zone) for the refrigerant fluid defined in the body of the ultrasonic transducer 1 transversely to said axis defining said direction of vibration, communicated with the second channel 30, and which flows into said pressurized chamber 17, so that the refrigerant fluid is transferred to the mouth of the lateral outlet 8 which constitutes the inlet 3Oe of the second channel 30.
  • the head C illustrated therein also has a side jack 8 whose mouth constitutes the inlet 3Oe of the second pipe 30, but in this case said side jack 8 is defined in the adapter 5 (Figs. 7 and 8) or part 20b in adapter functions (Figs. 11 and 12), close to the nodal zone, transversely to said axis that defines said direction of vibration, and communicated with the second pipe 30.
  • the inlet 3Oe also constitutes the coolant fluid supply connection 4.
  • the housing 7 has also been illustrated, this is not necessary since the connection 4 is arranged outside the housing 7.
  • the sonotrode 2 has a portion 2b with a section larger than the section of its free end 2a, and an intermediate portion 2c with a passage 9 with exit to the outside and communicated with the first pipe 3, so that the cooling fluid circulating through it is projected on an area adjacent to said welding area.
  • Said passage 9 describes an inclined path with respect to the axis that defines the direction of vibration, in order to guarantee the structural integrity of the end piece 2.
  • the intermediate portion 2c of the sonotrode 2 is of decreasing variable section, the output of said passage 9 being defined in said part of variable section of the intermediate portion 2c.
  • the intermediate portion 2c of the sonotrode 2 comprises more than one passage 9 communicated with the first pipe 3, or pipes if applicable.
  • the head proposed by the invention comprises a piece or skirt 13 coupled to the sonotrode 2 above the exit of the passage 9, and extending in the direction of the free end 2a of the sonotrode 2, in order to direct the cooling fluid from said passage 9 towards the area adjacent to the welding area, according to the arrow F illustrated in the enlarged detail of Fig. 8 showing part of The lower portion of the skirt 13 and part of the free end 2a of the sonotrode 2.
  • said skirt is coupled at one end to a coupling configuration 14, such as the perimeter groove 14 illustrated in the figures, of the section portion greater 2b of the sonotrode 2, through a respective coupling configuration 15, which in the figures comprises a series of tabs 15.
  • Figs. 1 to 8 it can be seen how said skirt 13 does not extend to the free end 2a of the sonotrode 2, in order not to contact the work area to avoid that the skirt 13 could break due to blows against the material to be welded.
  • Figs. 9 and 10 an exemplary embodiment is illustrated that uses one or more gases, preferably air, as the cooling fluid, for which the first pipe 3 has two sections 3a, 3b of different sections from each other, leading to the section of major section 3a outside the free end 2a of the sonotrode 2, so that the gas or gases circulating through the section of minor section 3b expands when circulating through the section of major section 3a, thus decreasing the temperature of the gas or gases that constitute the right cooling fluid before they are projected on the welding area of said plastic materials, thus improving the cooling thereof.
  • gases preferably air
  • the present invention also concerns, in a second aspect, an ultrasonic transducer for the ultrasonic welding head of plastic materials, with a second pipe 30 which runs at least part of its interior and which is positioned to communicate with the first pipe 3 of The end piece 2 when the transducer 1 and the end piece 2 are coupled together, to communicate to the first pipe 3 with said connection 4.

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Abstract

Comprende un transductor ultrasónico (1) al que está acoplado un sonotrodo (2), o una pieza extrema con una porción en funciones de sonotrodo, previsto para vibrar según una dirección susceptible de quedar orientada respecto a una superficie de trabajo donde se hallan unos materiales plásticos a ser soldados dispuestos por debajo de un extremo libre (2a) del sonotrodo (2), definiendo el sonotrodo (2) en su interior una primera canalización (3) para circulación de un fluido refrigerante y que sale al exterior por el extremo libre (2a), y disponiendo dicho cabezal (C) de una conexión (4) de alimentación de fluido. Comprende una segunda canalización (30) que comunica a Ia primera canalización (3) con Ia conexión (4), con una entrada (30e) dispuesta por encima del sonotrodo (2) o de Ia porción en funciones de sonotrodo de Ia pieza extrema.

Description

Cabezal v transductor ultrasónico para soldadura ultrasónica de materiales plásticos
Sector de la técnica La presente invención se refiere a Ia soldadura por vibración ultrasónica de piezas plásticas, comprendiendo termoplásticos, mezclas de plásticos y plásticos con carga, en general.
La invención concierne en general, en un primer aspecto, a un cabezal para soldadura ultrasónica de materiales plásticos que permite refrigerar interiormente al menos un sonotrodo conectado a un transductor ultrasónico de dicho cabezal y el área de soldadura de dichos materiales plásticos, y en particular a un cabezal con una disposición de canalizaciones de refrigeración que permite trabajar a unas altas frecuencias y a unas altas amplitudes de oscilación sin que Ia pieza extrema que constituye o incluye uno o más sonotrodos sufra ningún daño. Un segundo aspecto de Ia presente invención concierne a un transductor ultrasónico con una canalización de refrigeración que discurre por su interior y adaptado para ser acoplado a una o más piezas para el montaje de un cabezal de soldadura ultrasónica de materiales plásticos con refrigeración interior y del área de soldadura dispuesta bajo el mismo.
Estado de Ia técnica anterior
Por Ia patente US3438428, de dominio público, se conoce un método para mantener a una herramienta vibratoria a una temperatura controlada. Para un ejemplo de realización dicha herramienta vibratoria está aplicada a Ia soldadura de materiales plásticos mediante un sonotrodo que se desplaza en una dirección perpendicular a Ia superficie de trabajóte Ia herramienta y en general perpendicular a dichos materiales plásticos a ser soldados. Con el fin de realizar el comentado control de Ia temperatura, se define en dicho sonotrodo una canalización que al menos comprende un tramo paralelo a Ia superficie de trabajo, y se hace circula por el interior de dicha canalización un fluido refrigerante. Ambos extremos de dicha canalización se encuentran conectados a dos tomas de un respectivo circuito externo al sonotrodo, uno de ellos, el de entrada, a una fuente de suministro de dicho fluido, y el otro, el de salida, a por ejemplo un depósito del que se extrae mediante una bomba el fluido de nuevo para ser hecho recircular por Ia canalización del sonotrodo. Dicha patente US3438428 no enseña ni sugiere Ia posibilidad de refrigerar también el área de soldadura de los materiales plásticos ni una cara externa del sonotrodo mediante el fluido refrigerante que circula por su interior.
Por otra parte Ia patente US6691909 se refiere a un aparato para soldadura ultrasónica de metales del tipo de lengüeta resonante y cuña, en donde una cuña que está conectada directamente al transductor ultrasónico (operando como sonotrodo) se halla vinculada a una lengüeta sujetada por uno de sus extremos y apoyando por el otro extremo sobre las piezas a soldar, adosadas y presionadas, friccionando sobre las mismas. En este dispositivo con el fin de evitar que Ia punta de Ia lengüeta citada, denominada sonotrodo, se quede pegada en el metal que está siendo soldado, comprende, para un ejemplo de realización, una canalización que en su porción más próxima a dicha punta tiene una sección capilar con el fin de que un fluido contenido en Ia canalización solamente salga al exterior por dicha punta cuando el sonotrodo es hecho vibrar. El sonotrodo es desplazado así en una dirección paralela al área de trabajo, es decir a los materiales metálicos a soldar, mediante Ia actuación de un transductor al que se acopla Ia citada cuña a Ia cual se encuentra fijada Ia lengüeta terminada en el sonotrodo, de manera que Ia vibración longitudinal del transductor se traduce en una vibración transversal del sonotrodo, resbalando éste sobre Ia cara de Ia pieza superior del par de piezas a soldar. En dicha patente US6691909 también se proponen sistemas de refrigeración internos del sonotrodo similares a los propuestos en Ia patente US3438428, es decir formados por canalizaciones internas al sonotrodo que no disponen de una salida al exterior, ya que no tienen como fin el refrigerar más que el interior del sonotrodo.
El problema planteado en dicha patente US6691909, es decir el evitar que Ia punta de un sonotrodo se quede pegada al material que está siendo soldado, es únicamente relevante para Ia soldadura de metales, y no es aplicable a Ia soldadura de plásticos.
En Ia solicitud de patente EP 1 000 732 se describe un aparato para soldadura ultrasónica de elementos de sujeción de resina, en cuya reivindicación 5, Fig. 3 y descripción correspondiente se propone Ia formación de un pasaje para aire definido a través de una porción del sonotrodo, uno de cuyos usos es el de inyectar aire a través de una toma lateral definida transversalmente en el propio sonotrodo con el fin de refrigerar el área de soldadura.
Es bien conocido en el campo de Ia técnica de Ia presente invención que para que un cabezal para soldadura ultrasónica pueda funcionar, es decir vibrar, cada una de sus partes debe entrar en resonancia a Ia frecuencia de Ia vibración ultrasónica generada por el transductor ultrasónico, para Io cual cada una de dichas partes (léase sonotrodo, transductor ultrasónico, "booster", etc.), en función de sus respectivos materiales (cada uno con una velocidad de transmisión del sonido propia), debe tener unas dimensiones que posibiliten que resuene a Ia frecuencia ultrasónica generada, para vibrar de manera que transmita una vibración coincidente o múltiplo de una longitud de onda, siendo Ia pieza o porción de pieza más extrema, es decir el sonotrodo, Ia que vibra con una mayor amplitud.
El pasaje para el aire o canalización propuesta en EP 1 000 732 dispone de una entrada definida en el mismo sonotrodo, a través de una correspondiente toma lateral, es decir a una altura (desde Ia punta del sonotrodo) inferior a Ia longitud de Ia onda ultrasónica. Tal como se ha indicado en el párrafo anterior el sonotrodo es Ia pieza que vibra con una mayor amplitud. De hecho para el caso de Ia soldadura ultrasónica de materiales plásticos donde se incluye Ia presente invención, donde se trabaja con una gran amplitud de oscilación (de hasta 50 mieras) y altas frecuencias (de 30 kHz o más), Ia realización de una entrada como Ia ilustrada y descrita en EP 1 000 732, es decir en el propio sonotrodo, es materialmente imposible, ya que una perforación transversal de tal tipo provocaría que con Ia vibración del sonotrodo, éste quedase destruido o deformado considerablemente.
Por otra parte el presente solicitante no conoce transductores ultrasónicos aplicables a cabezales para soldadura ultrasónica de materiales plásticos, que dispongan de una canalización de refrigeración en su interior posicionada para comunicarse con otra canalización de refrigeración definida en el interior de un sonotrodo.
Explicación de Ia invención
Aparece necesario ofrecer una alternativa al estado de Ia técnica, que cubra las lagunas halladas en el mismo, mediante Ia aportación de un cabezal para soldadura ultrasónica de materiales plásticos que permita refrigerar tanto un sonotrodo de dicho cabezal como el área de soldadura inmediata de dichos materiales plásticos, permitiendo trabajar a altas frecuencias y con grandes amplitudes de oscilación sin que el sonotrodo sufra ningún daño.
Para ello Ia presente invención concierne, en un primer aspecto, a un cabezal para soldadura ultrasónica de materiales plásticos del tipo que comprende un conjunto transductor ultrasónico, tal como un convertidor piezoeléctríco, previsto para generar una vibración a una frecuencia ultrasónica predeterminada, al que están acopladas o unidas de forma amovible una o más piezas extremas, cada una de las cuales constituye o incluye como mínimo un sonotrodo, previstas para vibrar a dicha frecuencia ultrasónica según una dirección susceptible de quedar orientada en relación a Ia zona de trabajo y en general perpendicular a unos materiales plásticos a ser soldados dispuestos por debajo de un extremo libre de dicha pieza extrema, disponiendo dicho cabezal de una conexión a una fuente externa de fluido refrigerante, definiendo dicha pieza extrema en su interior como mínimo una primera canalización que discurre por el interior de cómo mínimo parte de Ia pieza extrema, por el interior de Ia cual circula dicho fluido refrigerante, y que sale al exterior por dicho extremo libre para que el fluido refrigerante que circula por Ia misma se proyecte sobre el área de soldadura de dichos materiales plásticos con el fin de refrigerar dicha área de soldadura.
A diferencia de Ia propuesta hecha en EP 1 000 732, el cabezal propuesto por Ia invención comprende una segunda canalización que comunica a dicha primera canalización con dicha conexión, y cuya entrada está dispuesta a una distancia del extremo libre de Ia pieza extrema, tomada según dicho eje que define dicha dirección de vibración, superior a Ia longitud de Ia pieza extrema o de una parte extrema de Ia pieza extrema prevista para vibrar de manera que transmita una vibración de una longitud de onda a dicha frecuencia ultrasónica predeterminada. La ubicación de dicha entrada se ha previsto evitando que coincida dentro de Ia parte del cabezal de soldadura que vibra con una mayor amplitud, es decir el sonotrodo o una porción extrema de dicha pieza extrema en funciones de sonotrodo, donde se produce una vibración de una longitud de onda, con el fin de ofrecer unas garantías de seguridad contra rotura de todas las piezas que conforman el cabezal de soldadura.
La mencionada pieza extrema y dicho transductor ultrasónico están dimensionados, en función de los respectivos materiales de los que están fabricados, para que resuenen a dicha frecuencia ultrasónica predeterminada, vibrando de manera que transmitan una vibración de una longitud de onda o de un múltiplo de una longitud de onda. Si no se dimensionan de tal manera no entrarían en resonancia con Ia frecuencia ultrasónica generada.
Para un ejemplo de realización preferido dicha pieza extrema es un sonotrodo y dicha primera canalización es una canalización pasante que, a diferencia de Ia canalización propuesta en EP 1 000 732, discurre longitudinalmente por el interior de todo el sonotrodo, atravesándolo.
Para un ejemplo de realización del cabezal propuesto por el primer aspecto de Ia invención el sonotrodo incluido en el mismo tiene un cuerpo principal adaptado para acoplarle diferentes puntas intercambiables, seleccionadas en función de Ia aplicación. Obviamente las dimensiones que deben posibilitar Ia vibración en resonancia con Ia frecuencia ultrasónica predeterminada son las del sonotrodo completo, es decir una vez se Ie ha acoplado al cuerpo principal una de dichas puntas intercambiables, por ejemplo mediante conexión a rosca.
Para un ejemplo de realización dicha primera canalización discurre paralela al eje que define dicha dirección perpendicular del movimiento de vibración, aunque otras trayectorias no paralelas también se contemplan en Ia presente invención.
Para un ejemplo de realización alternativo dicha pieza extrema está dimensionada, en función del material de Ia que está fabricada, para que resuene a dicha frecuencia ultrasónica predeterminada, vibrando de manera que transmita una vibración de dos o más longitudes de onda, e incluye de manera integrada una primera parte extrema que constituye un sonotrodo, y una segunda parte que constituye un adaptador en funciones de parte de acoplamiento o de modificador de amplitud de oscilación, estando cada una de dichas partes dimensionada para vibrar de manera que transmita una vibración de como mínimo una respectiva longitud de onda de dichas dos o más longitudes de onda.
Para otro ejemplo de realización el cabezal comprende uno o más adaptadores intercalados entre el transductor y el sonotrodo, siendo dicho adaptador, a diferencia del adaptador del ejemplo de realización descrito en el párrafo anterior, una pieza independiente de Ia que conforma el sonotrodo pero acoplada al mismo. Dicho adaptador es denominado comúnmente pieza de acoplamiento cuando no modifica Ia amplitud de vibración, o "booster" o modificador de amplitud cuando sí que Io hace (ya sea aumentando o bien disminuyendo Ia amplitud de oscilación), y también debe estar dimensionado, en función del material del que está fabricado, para que resuene a dicha frecuencia ultrasónica predeterminada, vibrando de manera que transmita una vibración de una longitud de onda o de un múltiplo de una longitud de onda.
El mencionado adaptador está previsto para vibrar a dicha frecuencia ultrasónica junto con el sonotrodo a Io largo de una dirección común. Para dicho ejemplo de realización Ia mencionada segunda canalización discurre por al menos parte del adaptador. Para un ejemplo de realización Ia mencionada entrada de Ia segunda canalización es Ia entrada de una toma lateral definida en dicho adaptador de manera transversal a dicho eje que define dicha dirección de vibración, y comunicada con Ia segunda canalización. Para dicho ejemplo de realización dicha entrada de Ia segunda canalización y dicha toma lateral se encuentra dispuesta próxima a Ia zona nodal del adaptador (en general a menos de 20 mm. de Ia misma). Con el fin de que el fluido refrigerante pueda ser proyectado hacia el área de soldadura independientemente de que el sonotrodo esté operando o no, Ia primera canalización del cabezal propuesto tiene a Io largo de toda su longitud una sección o secciones de un diámetro suficiente para evitar que se produzca un fenómeno de capilaridad en Ia misma que detenga Ia salida del fluido al exterior.
Para un ejemplo de realización Ia primera canalización se comunica con Ia segunda a través de uno o más elementos de unión de Ia pieza extrema que constituye o incluye al sonotrodo con dicho conjunto convertidor piezoeléctrico.
Para otro ejemplo de realización dicha segunda canalización se extiende a través de parte o preferentemente de todo dicho conjunto convertidor piezoeléctrico, el cual está alineado con Ia pieza extrema, hasta comunicarse con dicha conexión de alimentación de fluido.
Se ha previsto que una carcasa presurizada rodee al conjunto convertidor piezoeléctrico, penetrando el fluido refrigerante hacia Ia canalización por un extremo o a través de uno o más conductos de toma laterales. Para dicho ejemplo de realización dicha toma y tomas laterales se encuentran dispuestas próximas a Ia zona nodal del transductor (en general a menos de 20 mm. de Ia misma).
En general como mínimo una parte de dicha porción intermedia de Ia pieza extrema es de sección variable decreciente, estando Ia salida de dicho pasaje o pasajes definida o definidas en dicha parte de sección variable de Ia porción intermedia.
Con el fin de dirigir al fluido refrigerante proveniente de dicho pasaje o pasajes hacia dicha área adyacente al área de soldadura, para un ejemplo de realización el cabezal propuesto por Ia invención comprende una pieza o falda acoplada a Ia pieza extrema por encima de Ia salida de dichos pasajes y que se extiende en dirección a dicho extremo libre del sonotrodo.
Dicho o dichos pasajes describen una trayectoria inclinada con respecto al eje que define Ia dirección de vibración, con el fin de garantizar Ia integridad estructural de Ia pieza extrema.
En general dicha falda se encuentra acoplada por un extremo a una configuración de acoplamiento, tal como una ranura perimetral, de dicha porción de Ia pieza extrema de sección mayor, no llegando dicha falda a contactar con el área de trabajo para evitar que Ia misma pudiera romperse por los golpes contra el área de trabajo.
Para un ejemplo de realización preferido el conjunto convertidor ultrasónico del cabezal propuesto por el primer aspecto de Ia presente invención comprende alineados los siguientes elementos: - una pieza, o puntera, con una primera porción extrema o punta acoplada a Ia pieza extrema (directamente o con interpolación de un adaptador), una segunda porción extrema y una porción intermedia que define un anillo de sujeción,
- como mínimo dos placas piezoeléctricas conectables eléctricamente a dos respectivos terminales eléctricos, uno positivo y el otro negativo, provinentes de un generador o fuente de alimentación eléctrica, y
- una contramasa unida por un primer extremo a dicha segunda porción extrema de dicha pieza mediante como mínimo un elemento de unión que atraviesa a dichas placas piezoeléctricas, las cuales quedan atrapadas entre dicha puntera y dicha contramasa.
Para un ejemplo de realización Ia primera canalización se extiende a través de dicho elemento de unión que une a dicha pieza con dicha contramasa.
Para un ejemplo de realización Ia canalización resultante de comunicar ambas, las primera y segunda canalizaciones, es un canal pasante (o canales si es el caso) que discurre por el interior de todo el cabezal axialmente o según una dirección paralela al eje longitudinal del cabezal.
Por Io que se refiere al fluido refrigerante éste comprende, en función del ejemplo de realización, gas o gases, tal como los contenidos en el aire, y/o líquido, aunque preferentemente es solamente aire. Un segundo aspecto de Ia invención concierne a un transductor ultrasónico para cabezal para soldadura ultrasónica de materiales plásticos, previsto para generar una vibración a una frecuencia ultrasónica predeterminada, y que es acoplable a como mínimo una pieza extrema que constituye o incluye como mínimo un sonotrodo, prevista para vibrar a dicha frecuencia ultrasónica predeterminada según una dirección susceptible de orientarse respecto a una superficie de trabajo donde se hallan unos materiales plásticos a ser soldados dispuestos por debajo de un extremo libre de dicha pieza extrema, definiendo dicha pieza extrema en su interior como mínimo una primera canalización que discurre por el interior de Ia pieza extrema, atravesándola, para Ia circulación de un fluido refrigerante provinente de una fuente externa acoplable a una conexión de dicho cabezal, y que sale al exterior por al menos dicho extremo libre para que el fluido refrigerante que circula por Ia misma se proyecte al menos sobre el área de soldadura de dichos materiales plásticos.
El transductor ultrasónico propuesto por el segundo aspecto de Ia invención comprende una segunda canalización que discurre por como mínimo parte de su interior y que está posicionada para comunicarse con Ia primera canalización de dicha pieza extrema cuando el transductor y Ia pieza extrema se acoplan entre sí, para comunicar a Ia primera canalización con dicha conexión, y por ende con el fluido refrigerante.
La parte referente al transductor ultrasónico incorporado en el cabezal ultrasónico propuesto por el primer aspecto de Ia invención de los diferentes ejemplos de realización descritos anteriormente y de los que se describirán en un apartado posterior (con referencia a las Figuras adjuntas), son aplicables a unos correspondientes ejemplos de realización del transductor ultrasónico propuesto por el segundo aspecto de Ia invención.
Para un ejemplo de realización se contempla Ia utilización de unos materiales adecuados y un diseño eficaz que permiten obtener el transductor propuesto por el segundo aspecto de Ia invención, apto para generar unas ondas ultrasónicas de tal amplitud de oscilación que permitan prescindir de modificadores de amplitud intermedios, y por tanto conectar directamente el transductor al sonotrodo, para un amplio rango de aplicaciones.
Breve descripción de los dibujos
Las anteriores y otras ventajas y características se comprenderán más plenamente a partir de Ia siguiente descripción detallada de unos ejemplos de realización con referencia a los dibujos adjuntos, que deben tomarse a título ilustrativo y no limitativo, en los que:
Ia Fig. 1 es una vista en alzado del cabezal para soldadura ultrasónica de materiales plásticos propuesto por Ia invención para un ejemplo de realización,
Ia Fig. 2 es una vista de una sección del cabezal de Ia Fig. 1 , hecha a través del plano indicado como A-A en dicha Fig. 1 , Ia Fig. 3 es una vista en alzado del cabezal para soldadura ultrasónica de materiales plásticos propuesto por Ia invención para otro ejemplo de realización,
Ia Fig. 4 es una vista de una sección del cabezal de Ia Fig. 3, hecha a través del plano indicado como A-A en dicha Fig. 3,
Ia Fig. 5 es una vista en alzado del cabezal para soldadura ultrasónica de materiales plásticos propuesto por Ia invención para otro ejemplo de realización,
Ia Fig. 6 es una vista de una sección del cabezal de Ia Fig. 5, hecha a través del plano indicado como A-A en dicha Fig. 5,
Ia Fig. 7 es una vista en alzado del cabezal para soldadura ultrasónica de materiales plásticos propuesto por Ia invención para otro ejemplo de realización más, Ia Fig. 8 es una vista de una sección del cabezal de Ia Fig. 7, hecha a través del plano indicado como A-A en dicha Fig. 7, Ia Fig. 9 es una vista en alzado del cabezal para soldadura ultrasónica de materiales plásticos propuesto por Ia invención para otro ejemplo de realización más que incluye una disposición que permite enfriar un gas refrigerante justo antes de proyectarlo sobre el área de soldadura, Ia Fig. 10 es una vista de una sección del cabezal de Ia Fig. 9, hecha a través del plano indicado como A-A en dicha Fig. 9,
Ia Fig. 11 es una vista en alzado del cabezal para soldadura ultrasónica de materiales plásticos propuesto por Ia invención para otro ejemplo de realización más, donde Ia pieza extrema del cabezal integra un sonotrodo y un adaptador, en este caso en funciones de parte de acoplamiento, y
Ia Fig. 12 es una vista de una sección del cabezal de Ia Fig. 11 , hecha a través del plano indicado como A-A en dicha Fig. 11.
Descripción detallada de unos ejemplos de realización Tal como se aprecia en las figuras 1 a 6, Ia presente invención concierne, en un primer aspecto, a un cabezal C para soldadura ultrasónica de materiales plásticos que comprende un transductor ultrasónico 1 al que está directamente acoplado de forma amovible un sonotrodo 2 previsto para vibrar a una frecuencia ultrasónica predeterminada, generada por el transductor 1 , según una dirección susceptible de quedar orientada (en general en perpendicular) respecto a una superficie de trabajo donde se hallan unos materiales plásticos (no ilustrados) a ser soldados dispuestos por debajo de un extremo libre 2a de dicho sonotrodo 2.
Para los ejemplos de realización de las Figs. 7, 8, 9 y 10 el transductor ultrasónico 1 está unido a un sonotrodo 2 no directamente sino a través de un adaptador intermedio 5 intercalado entre dicho transductor ultrasónico 1 y dicho sonotrodo 2, y previsto para vibrar a dicha frecuencia ultrasónica predeterminada junto con el sonotrodo a Io largo de una dirección común.
El mencionado adaptador 5 es comúnmente conocido como pieza de acoplamiento cuando no modifica Ia amplitud de oscilación, o como "booster" o modificador de amplitud cuando sí Io hace. En concreto el adaptador 5 ilustrado en las
Figs. 7 a 10 no modifica Ia amplitud de oscilación, ya que su sección de entrada
(superior) es igual a su sección de salida (Ia acoplada al sonotrodo 2), pero cualquier otra clase de adaptador que sí que actúe como "booster" también está contemplado por
Ia presente invención. Las Figs. 11 y 12 muestran otro ejemplo de realización para el cual el transductor ultrasónico 1 está directamente acoplado a una pieza extrema 2 dimensionada, en función del material de Ia que está fabricada, para que resuene a dicha frecuencia ultrasónica predeterminada, vibrando de manera que transmita una vibración de dos longitudes de onda. La pieza extrema 2 de las Figs. 11 y 12 incluye de manera integrada una primera parte extrema 20a que constituye un sonotrodo, y una segunda parte 20b que constituye un adaptador en funciones de parte de acoplamiento (o para otro ejemplo de realización no ilustrado, en funciones de modificador de amplitud de oscilación), estando cada una de dichas partes 20a, 20b dimensionada para vibrar de manera que transmita una vibración de una longitud de onda.
El sonotrodo 2 o Ia parte extrema 20a que constituye un sonotrodo, en función del ejemplo de realización, define en su interior una primera canalización 3 para circulación de un fluido de refrigeración del sonotrodo 2, y dicho cabezal C dispone de una conexión 4 a una fuente externa de fluido refrigerante (no ilustrada) para Ia alimentación de fluido a dicha primera canalización 3, que en función del ejemplo de realización está ubicada en uno u otro elemento del cabezal C. Tal y como también se aprecia en todas las figuras adjuntas, Ia primera canalización 3 es una canalización pasante 3 que discurre por el interior del sonotrodo 2 (o de Ia parte extrema 20a que constituye un sonotrodo para el ejemplo de realización de las Figs. 11 y 12), atravesándolo por completo, en paralelo al eje que define dicha dirección de vibración, y sale al exterior por como mínimo una salida principal 3s dispuesta en dicho extremo libre 2a, para que el fluido refrigerante que circula por Ia misma se proyecte como mínimo sobre el área de soldadura de dichos materiales plásticos con el fin de refrigerar también dicha área de soldadura.
En todas las figuras adjuntas puede verse cómo el cabezal propuesto por Ia invención comprende una segunda canalización 30 que comunica a dicha primera canalización 3 con dicha conexión 4, estando Ia entrada 3Oe de dicha segunda canalización 30, o entrada de fluido 3Oe, dispuesta a una distancia superior a Ia longitud de Ia pieza extrema 2, cuando ésta constituye un sonotrodo 2, tal y como se ilustra en las Figs. 1 a 10, o de una parte extrema 20a de Ia pieza extrema 2 prevista para vibrar de manera que transmita una vibración de una longitud de onda a Ia frecuencia ultrasónica predeterminada, para el caso ilustrado por las Figs. 11 y 12.
La mencionada entrada 3Oe de fluido está dispuesta en una u otra ubicación, en función del ejemplo de realización.
Las mencionadas canalizaciones 3, 30 se comunican a través de un elemento de unión 6 del sonotrodo 2 con dicho transductor ultrasónico 1 (ver Figs. 1 a 6) o con dicho adaptador 5 (ver Figs. 7, 8, 9 y 10), en función del ejemplo de realización. Para el ejemplo de realización de las Figs. 11 y 12, en cambio, ambas canalizaciones 3, 30 se comunican directamente entre sí, pudiendo ser de secciones diferentes, tal y como aparece ilustrado en dichas Figs. 11 y 12, o tener una misma sección. Si bien Ia presente invención es aplicable para diferentes tipos de transductores ultrasónicos, para los ejemplos de realización ilustrados por las figuras anexas, el transductor ultrasónico 1 es un conjunto convertidor piezoeléctrico que comprende alineados los siguientes elementos que pueden apreciarse especialmente en las Figs. 2, 4, 6, 8, 10 y 12: - una pieza 10, o puntera, con una primera porción extrema o punta 10a acoplada directamente al sonotrodo 2 en los ejemplos de realización de las Figs. 2, 4 y 6, o acoplada directamente al adaptador 5 para el ejemplo de realización de Ia Fig. 8, con una segunda porción extrema 10b y con una porción intermedia 10c que define un miembro de sujeción, en general de forma anular, - dos placas piezoeléctricas P1 , P2 apiladas, conectadas eléctricamente a dos respectivos terminales eléctricos T1 , T2, uno positivo y el otro negativo, provinentes de una fuente de alimentación eléctrica (no ilustrada), y
- una contramasa 11 unida por un primer extremo 11a a dicha segunda porción extrema de dicha puntera 10 mediante un elemento de unión 12 que atraviesa a dichas placas piezoeléctricas P1 , P2, las cuales quedan atrapadas entre dicha puntera 10 y dicha contramasa 11.
Para los ejemplos de realización ilustrados por las Figs. 1 a 6, Ia segunda canalización 30 se extiende a través como mínimo parte del transductor ultrasónico 1 , el cual está alineado con el sonotrodo 2. Para el ejemplo de realización de las Figs. 3 y 4, debido a que el elemento de unión 12 no es hueco, Ia segunda canalización 30 se extiende hasta Ia punta del elemento de unión 12, aunque para otro ejemplo de realización podría extenderse hasta antes de Ia punta del elemento de unión 12.
En cambio para los ejemplos de realización ilustrados por las Figs. 1 , 2, 5, 6, 9 y 10 Ia segunda canalización 30 se extiende a través del elemento de unión 12 (que en los ejemplos de realización ilustrados es un tornillo 12) que une Ia puntera 10 con Ia contramasa 11 , extendiéndose Ia segunda canalización 30 a través de todo el conjunto transductor ultrasónico 1 hasta su entrada 3Oe que coincide con el extremo del elemento de unión 12. En las Figs. 5 y 6 dicha entrada 3Oe de Ia segunda canalización 30 define Ia mencionada conexión 4 de alimentación de fluido. En cambio en los ejemplos de realización ilustrados por las Figs. 1 , 2, 3, 4, 9 y 10, Ia conexión 4 de alimentación de fluido está definida en una pared superior de una carcasa 7 que abarca al transductor ultrasónico 1 , cuyo interior constituye una cámara presurizada 17 para dicho fluido refrigerante interpuesta entre Ia segunda canalización 30 y dicha conexión 4 para transferir el mencionado fluido refrigerante hacia Ia entrada 3Oe de Ia segunda canalización 30, y por ende hacia Ia primera canalización 3.
Para el ejemplo de realización ilustrado por las Figs. 1 , 2, 9 y 10, Ia entrada 3Oe de Ia segunda canalización 30 y dicha conexión 4 están alineadas según el eje que define Ia dirección de vibración y desembocan ambas en dicha cámara presurizada 17. Para el ejemplo de realización ilustrado por las Figs. 3 y 4, Ia entrada 3Oe de Ia segunda canalización 30 es Ia entrada de una toma lateral 8 (próxima a Ia zona nodal) para el fluido refrigerante definida en el cuerpo del transductor ultrasónico 1 de manera transversal a dicho eje que define dicha dirección de vibración, comunicada con Ia segunda canalización 30, y que desemboca en el interior de dicha cámara presurizada 17, de manera que el fluido refrigerante es transferido hacia Ia boca de Ia toma lateral 8 que constituye Ia entrada 3Oe de Ia segunda canalización 30.
En el ejemplo de realización ilustrado por las Figs. 7, 8, 11 y 12, el cabezal C allí ilustrado dispone también de una toma lateral 8 cuya boca constituye Ia entrada 3Oe de Ia segunda canalización 30, pero en este caso dicha toma lateral 8 se encuentra definida en el adaptador 5 (Figs. 7 y 8) o parte 20b en funciones de adaptador (Figs. 11 y 12), próxima a Ia zona nodal, de manera transversal a dicho eje que define dicha dirección de vibración, y comunicada con Ia segunda canalización 30.
En dichos ejemplos de realización Ia entrada 3Oe también constituye Ia conexión 4 de alimentación de fluido refrigerante. Aunque en dichas Figs. 7, 8, 11 y 12 también se ha ilustrado Ia carcasa 7, ésta no es necesaria al estar Ia conexión 4 dispuesta fuera de Ia carcasa 7.
Tal y como se ha mencionado en las Figs. 3, 4, 7, 8, 11 y 12, puede verse cómo las tomas laterales 8 allí ilustradas se encuentran dispuestas en una zona próxima a las respectivas zonas nodales del transductor ultrasónico (Figs. 3 y 4), del adaptador 5 (Figs. 7 y 8) y de Ia parte 20b en funciones de adaptador (Figs. 11 y 12), ya que es en las zonas nodales donde Ia vibración es menor (idealmente nula), por Io que Ia perforación en zonas próximas a las mismas resulta menos perjudicial de cara a garantizar Ia integridad del transductor ultrasónico 1 , del adaptador 5 o de Ia parte 20b en funciones de adaptador. Tal y como se aprecia en las Figs. 1 a 8, para los ejemplos de realización allí ilustrados el sonotrodo 2 tiene una porción 2b con una sección mayor que Ia sección de su extremo libre 2a, y una porción intermedia 2c con un pasaje 9 con salida al exterior y comunicado con Ia primera canalización 3, con el fin de que el fluido refrigerante circulante por Ia misma se proyecte sobre un área adyacente a dicha área de soldadura. Dicho pasaje 9 describe una trayectoria inclinada con respecto al eje que define Ia dirección de vibración, con el fin de garantizar Ia integridad estructural de Ia pieza extrema 2.
En las figuras puede verse como parte de dicha porción intermedia 2c del sonotrodo 2 es de sección variable decreciente, estando Ia salida de dicho pasaje 9 definida en dicha parte de sección variable de Ia porción intermedia 2c. Para otros ejemplos de realización no ilustrados Ia porción intermedia 2c del sonotrodo 2 comprende más de un pasaje 9 comunicados con Ia primera canalización 3, o canalizaciones si es el caso.
Con el fin de dirigir al fluido refrigerante saliente del pasaje 9 hacia dicha área adyacente al área de soldadura, el cabezal propuesto por Ia invención comprende una pieza o falda 13 acoplada al sonotrodo 2 por encima de Ia salida del pasaje 9, y que se extiende en dirección al extremo libre 2a del sonotrodo 2, con el fin de dirigir al fluido refrigerante proveniente de dicho pasaje 9 hacia el área adyacente al área de soldadura, según Ia flecha F ilustrada en el detalle ampliado de Ia Fig. 8 que muestra parte de Ia porción inferior de Ia falda 13 y parte del extremo libre 2a del sonotrodo 2. En general dicha falda se encuentra acoplada por un extremo a una configuración de acoplamiento 14, tal como Ia ranura perimetral 14 ilustrada en las figuras, de Ia porción de sección mayor 2b del sonotrodo 2, a través de una respectiva configuración de acoplamiento 15, que en las figuras comprende una serie de pestañas 15. En las Figs. 1 a 8 puede apreciarse cómo dicha falda 13 no se extiende hasta el extremo libre 2a del sonotrodo 2, con el fin de no contactar con el área de trabajo para evitar que Ia falda 13 pudiera romperse por los golpes contra el material a soldar.
En las Figs. 9 y 10 se ilustra un ejemplo de realización que utiliza como fluido refrigerante uno o más gases, con preferencia aire, para el que Ia primera canalización 3 tiene dos tramos 3a, 3b de secciones diferentes entre sí, desembocando el tramo de sección mayor 3a al exterior por el extremo libre 2a del sonotrodo 2, para que el gas o gases circulantes por el tramo de sección menor 3b se expanda al circular por el tramo de sección mayor 3a, disminuyendo así Ia temperatura del gas o gases que constituyen el fluido refrigerante justo antes de que se proyecten sobre el área de soldadura de dichos materiales plásticos, mejorando así Ia refrigeración de Ia misma. La presente invención también concierne, en un segundo aspecto, a un transductor ultrasónico para cabezal para soldadura ultrasónica de materiales plásticos, con una segunda canalización 30 que discurre por como mínimo parte de su interior y que está posicionada para comunicarse con Ia primera canalización 3 de Ia pieza extrema 2 cuando el transductor 1 y Ia pieza extrema 2 se acoplan entre sí, para comunicar a Ia primera canalización 3 con dicha conexión 4.
La parte referente al transductor ultrasónico incorporado en el cabezal ultrasónico propuesto por el primer aspecto de Ia invención de los diferentes ejemplos de realización descritos anteriormente con referencia a las figuras adjuntas, son aplicables a unos correspondientes ejemplos de realización del transductor ultrasónico propuesto por el segundo aspecto de Ia invención.
Un experto en Ia materia podría introducir cambios y modificaciones en los ejemplos de realización descritos sin salirse del alcance de Ia invención según está definido en las reivindicaciones adjuntas.

Claims

Reivindicaciones
1.- Cabezal para soldadura ultrasónica de materiales plásticos del tipo que comprende un transductor ultrasónico (1) previsto para generar una vibración a una frecuencia ultrasónica predeterminada, al que está acoplada o unida al menos una pieza extrema (2) que constituye o incluye al menos un sonotrodo, estando dicha pieza extrema (2) y dicho transductor ultrasónico (1) dimensionados, en función de los respectivos materiales de los que están fabricados, para que resuenen a dicha frecuencia ultrasónica predeterminada, vibrando de manera que transmitan una vibración de una longitud de onda o de un múltiplo de una longitud de onda, estando dicha pieza extrema (2) prevista para vibrar a dicha frecuencia ultrasónica predeterminada según una dirección susceptible de quedar orientada respecto a una superficie de trabajo donde se hallan unos materiales plásticos a ser soldados dispuestos por debajo de un extremo libre (2a) de dicha pieza extrema (2), que es al menos una, disponiendo dicho cabezal (C) de una conexión (4) a una fuente externa de fluido refrigerante, definiendo dicha pieza extrema (2) en su interior al menos una primera canalización (3) que discurre por el interior de al menos parte de Ia pieza extrema (2), por el interior de Ia cual circula dicho fluido refrigerante, y que sale al exterior por al menos dicho extremo libre (2a) para que el fluido refrigerante que circula por Ia misma se proyecte al menos sobre el área de soldadura de dichos materiales plásticos, estando dicho cabezal caracterizado porque comprende una segunda canalización (30) que comunica a dicha primera canalización (3) con dicha conexión (4), estando Ia entrada (3Oe) de dicha segunda canalización (30) dispuesta a una distancia del extremo libre (2a) de Ia pieza extrema (2), tomada según dicho eje que define dicha dirección de vibración, superior a Ia longitud de Ia pieza extrema (2) o de un sector o parte extrema (20a) de Ia pieza extrema (2) prevista para vibrar de manera que transmita una vibración de una longitud de onda a dicha frecuencia ultrasónica predeterminada.
2.- Cabezal según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque dicha pieza extrema (2), que es al menos una, es un sonotrodo (2), y porque dicha primera canalización (3) es una canalización pasante (3) que discurre por el interior del sonotrodo (2), atravesándolo.
3.- Cabezal según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque dicha pieza extrema (2), que es al menos una, está dimensionada, en función del material de Ia que está fabricada, para que resuene a dicha frecuencia ultrasónica predeterminada, vibrando de manera que transmita una vibración de dos longitudes de onda, e incluye de manera integrada un primer sector o parte extrema (20a) que constituye un sonotrodo, y un segundo sector o parte (20b) que constituye un adaptador en funciones de parte de acoplamiento o de modificador de amplitud de oscilación, estando cada una de dichas partes (20a, 20b) dimensionada para vibrar de manera que transmita una vibración de una longitud de onda.
4.- Cabezal según Ia reivindicación 1 , 2 ó 3 caracterizado porque dicha primera canalización pasante (3) discurre por el interior de Ia pieza extrema (2) con al menos un tramo paralelo al eje que define dicha dirección de vibración.
5.- Cabezal según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende un adaptador (5) en funciones de pieza de acoplamiento o de modificador de amplitud, intercalado entre dicho transductor ultrasónico (1) y dicha pieza extrema (2), estando dicho adaptador (5) dimensionado, en función del material del que está fabricado, para que resuene a dicha frecuencia ultrasónica predeterminada, vibrando de manera que transmita una vibración de una longitud de onda o de un múltiplo de una longitud de onda, junto con Ia pieza extrema (2) a Io largo de una dirección común, y discurriendo dicha segunda canalización (30) por al menos parte del adaptador (5).
6.- Cabezal según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dichas canalizaciones (3, 30) se comunican a través de al menos un elemento de unión (6) de Ia pieza extrema (2), que es al menos una, con dicho transductor ultrasónico (1) o con dicho adaptador (5).
7.- Cabezal según Ia reivindicación 5 ó 6, caracterizado porque dicha entrada (3Oe) de Ia segunda canalización (30) es Ia entrada de una toma lateral (8) definida en dicho adaptador (5) de manera transversal a dicho eje que define dicha dirección de vibración, y comunicada con Ia segunda canalización (30).
8.- Cabezal según Ia reivindicación 3, caracterizado porque dicha primera canalización (3) discurre por el interior de dicha primera parte (20a) de Ia pieza extrema (2), dicha segunda canalización (30) discurre por el interior de dicha segunda parte (20b), y porque dicha entrada (3Oe) de Ia segunda canalización (30) es Ia entrada de una toma lateral (8) definida en dicha segunda parte (20b) de manera transversal a dicho eje que define dicha dirección de vibración, y comunicada con Ia segunda canalización (30).
9.- Cabezal según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque dicha segunda canalización (30) se extiende a través de al menos parte de dicho transductor ultrasónico (1), el cual está alineado con Ia pieza extrema (2).
10.- Cabezal según Ia reivindicación 9, caracterizado porque dicha segunda canalización (30) se extiende a través de todo el conjunto transductor ultrasónico (1).
11.- Cabezal según una de las reivindicaciones 9 ó 10, caracterizado porque comprende una carcasa (7), que abarca dicho transductor ultrasónico (1), cuyo interior constituye una cámara presurizada (17) para dicho fluido refrigerante interpuesta entre
Ia segunda canalización (30) y dicha conexión (4) para transferir dicho fluido refrigerante hacia dicha entrada (3Oe) de dicha segunda canalización (30).
12.- Cabezal según Ia reivindicación 11 , caracterizado porque dicha entrada (3Oe) de Ia segunda canalización (30) y dicha conexión (4) están alineadas según dicho eje que define dicha dirección de vibración y desembocan ambas en dicha cámara presurizada (17).
13.- Cabezal según Ia reivindicación 11 , caracterizado porque dicha entrada
(3Oe) de Ia segunda canalización (30) es Ia entrada de una toma lateral (8) definida en el cuerpo de dicho transductor ultrasónico (1) de manera transversal a dicho eje que define dicha dirección de vibración, comunicada con Ia segunda canalización (30), y que desemboca en el interior de dicha cámara presurizada (17).
14.- Cabezal según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha conexión (4) se encuentra dispuesta en una parte superior de dicho transductor ultrasónico (1).
15.- Cabezal según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha pieza extrema (2) tiene una porción (2b) con una sección mayor que Ia sección de dicho extremo libre (2a), disponiendo una porción intermedia (2c) de Ia pieza extrema (2), que une a dicha porción de sección mayor (2b) con el extremo libre (2a), de al menos un pasaje (9) con salida al exterior y comunicado con dicha canalización (3), que es al menos una, con el fin de que el fluido refrigerante circulante por Ia misma se proyecte sobre al menos un área adyacente a dicha área de soldadura.
16.- Cabezal según Ia reivindicación 15, caracterizado porque al menos parte de dicha porción intermedia (2c) de Ia pieza extrema (2) es de sección variable decreciente, estando Ia salida de dicho pasaje (9), que es al menos uno, definida en dicha parte de sección variable de Ia porción intermedia (2c).
17.- Cabezal según Ia reivindicación 15 ó 16, caracterizado porque comprende una pieza o falda (13) acoplada a dicha pieza extrema (2) por encima de Ia salida de dicho pasaje (9), que es al menos uno, y que se extiende en dirección a dicho extremo libre (2a) de Ia pieza extrema (2), con el fin de dirigir al fluido refrigerante proveniente de dicho pasaje (9), que es al menos uno, hacia dicha área adyacente al área de soldadura.
18.- Cabezal según Ia reivindicación 14, 15 ó 16, caracterizado porque dicho pasaje (9), que es al menos uno, describe una trayectoria inclinada con respecto a dicho eje que define dicha dirección de vibración.
19.- Cabezal según Ia reivindicación 10, caracterizado porque dicho transductor ultrasónico (1) es un conjunto convertidor piezoeléctrico que comprende alineados los siguientes elementos:
- una pieza (10), o puntera (10), con una primera porción extrema o punta (10a) acoplada a Ia pieza extrema (2), una segunda porción extrema (10b) y una porción intermedia (10c) que define un miembro de sujeción, - al menos dos placas piezoeléctricas (P1 , P2) apiladas, conectadas eléctricamente a dos respectivos terminales eléctricos (T1 , T2) conectados a unos respectivos terminales de salida, uno positivo y el otro negativo, de de una fuente de alimentación eléctrica, y
- una contramasa (11) unida por un primer extremo (11a) a dicha segunda porción extrema de dicha puntera (10) mediante al menos un elemento de unión (12) que atraviesa a dichas placas piezoeléctricas (P1, P2), las cuales quedan atrapadas entre dicha puntera (10) y dicha contramasa (11).
20.- Cabezal según Ia reivindicación 19, caracterizado porque dicha segunda canalización (30) se extiende a través de dicho elemento de unión (12), que es al menos uno, que une a dicha puntera (10) con dicha contramasa (11).
21.- Cabezal según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dichas canalizaciones (3, 30) comunicadas constituyen un canal que discurre axialmente por el interior de todo el cabezal (C).
22.- Cabezal según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque dicho fluido refrigerante comprende al menos un gas.
23.- Cabezal según Ia reivindicación 22, caracterizado porque dicho fluido refrigerante comprende al menos aire.
24.- Cabezal según Ia reivindicación 1 , 23 ó 24, caracterizado porque dicho fluido refrigerante comprende al menos un líquido.
25.- Cabezal según Ia reivindicación 22 ó 23, caracterizado porque al menos dicha primera canalización (3) tiene al menos dos tramos (3a, 3b) de secciones diferentes entre sí, desembocando el tramo de sección mayor (3a) al exterior por dicho extremo libre (2a) de Ia pieza extrema (2), para que el gas o gases circulantes por el tramo de sección menor (3b) se expanda al circular por el tramo de sección mayor (3a) disminuyendo así Ia temperatura del gas o gases que constituyen el fluido refrigerante justo antes de que se proyecten sobre el área de soldadura de dichos materiales plásticos.
26.- Transductor ultrasónico para cabezal para soldadura ultrasónica de materiales plásticos, del tipo que está previsto para generar una vibración a una frecuencia ultrasónica predeterminada, y que es acoplable a al menos una pieza extrema (2) que constituye o incluye al menos un sonotrodo, prevista para vibrar a dicha frecuencia ultrasónica predeterminada según una dirección susceptible de quedar orientada respecto a una superficie de trabajo donde se hallan unos materiales plásticos a ser soldados dispuestos por debajo de un extremo libre (2a) de dicha pieza extrema (2), que es al menos una, definiendo dicha pieza extrema (2) en su interior al menos una primera canalización (3) que discurre por el interior de Ia pieza extrema (2), atravesándola, para Ia circulación de un fluido refrigerante provinente de una fuente externa acoplable a una conexión (4) de dicho cabezal (C), y que sale al exterior por al menos dicho extremo libre (2a) para que el fluido refrigerante que circula por Ia misma se proyecte al menos sobre el área de soldadura de dichos materiales plásticos, estando dicho transductor ultrasónico caracterizado porque comprende una segunda canalización (30) que discurre por al menos parte de su interior y que está posicionada para comunicarse con dicha primera canalización (3) de dicha pieza extrema (2) cuando el transductor (1) y Ia pieza extrema (2) se acoplan entre sí, para comunicar a Ia primera canalización (3) con dicha conexión (4).
27.- Transductor ultrasónico según Ia reivindicación 26, caracterizado porque dicha segunda canalización (30) es una canalización pasante, estando dispuesta una entrada (3Oe) de Ia segunda canalización (30) en una cara superior del transductor (1) opuesta a una cara inferior por donde el transductor (1) es acoplable a dicha pieza extrema (2).
28.- Transductor ultrasónico según Ia reivindicación 26, caracterizado porque comprende una toma lateral (8) definida en el cuerpo de dicho transductor ultrasónico (1) de manera transversal a dicho eje que define dicha dirección de vibración, comunicada con Ia segunda canalización (30), y cuya entrada constituye Ia entrada (3Oe) de Ia segunda canalización (30).
29.- Transductor ultrasónico según Ia reivindicación 26, 27 ó 28, caracterizado porque es un conjunto convertidor piezoeléctrico que comprende alineados los siguientes elementos:
- una pieza (10), o puntera (10), con una primera porción extrema o punta (10a) acoplable a Ia pieza extrema (2), una segunda porción extrema (10b) y una porción intermedia (10c) que define un miembro de sujeción, - al menos dos placas piezoeléctricas (P1, P2) apiladas, conectadas eléctricamente a dos respectivos terminales eléctricos (T1 , T2) conectables a dos respectivos terminales de salida, uno positivo y el otro negativo, de una fuente de alimentación eléctrica, y - una contramasa (11) unida por un primer extremo (11a) a dicha segunda porción extrema de dicha puntera (10) mediante al menos un elemento de unión (12) que atraviesa a dichas placas piezoeléctricas (P1 , P2), las cuales quedan atrapadas entre dicha puntera (10) y dicha contramasa (11).
30.- Transductor ultrasónico según Ia reivindicación 29, caracterizado porque dicha segunda canalización (30) se extiende a través de dicho elemento de unión (12), que es al menos uno, que une a dicha puntera (10) con dicha contramasa (11).
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