WO2011128118A1 - Omega-ultraschallschweissmaschine - Google Patents

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WO2011128118A1
WO2011128118A1 PCT/EP2011/001976 EP2011001976W WO2011128118A1 WO 2011128118 A1 WO2011128118 A1 WO 2011128118A1 EP 2011001976 W EP2011001976 W EP 2011001976W WO 2011128118 A1 WO2011128118 A1 WO 2011128118A1
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WO
WIPO (PCT)
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ultrasonic welding
sonotrode
omega
sheet
welding machine
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/001976
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English (en)
French (fr)
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WO2011128118A8 (de
Inventor
Helge Steckmann
Irina Karpel
Original Assignee
Ultrasonics Steckmann Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Ultrasonics Steckmann Gmbh filed Critical Ultrasonics Steckmann Gmbh
Publication of WO2011128118A1 publication Critical patent/WO2011128118A1/de
Publication of WO2011128118A8 publication Critical patent/WO2011128118A8/de

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/10—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating making use of vibrations, e.g. ultrasonic welding
    • B23K20/103—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating making use of vibrations, e.g. ultrasonic welding using a roller
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/04—Tubular or hollow articles
    • B23K2101/14—Heat exchangers

Definitions

  • the invention relates to an omega ultrasonic welding machine for welding a number of metallic workpieces.
  • An ultrasonic welding machine is typically used to perform ultrasonic welding. It is used, for example, to weld electrical conductors after completion of the welding preparatory compacting, as known from DE 37 19083 C1 or WO 95/10866.
  • a contact force which is applied via a sonotrode, which rests on one side of the contact surface to be formed, and at the same time the action of high-frequency vibrations , which usually have a frequency of 20 kHz exposed, so that the two workpieces are rubbed against each other at their contact boundary with high shear force.
  • the mode of operation of an ultrasonic welding machine provides that the oxide layers and impurities on the affected metal surfaces are destroyed by the high-frequency shearing force between the metal parts to be joined during welding by sonotrode, crushed and thrown from the joint surface or at least transported to the edge. This creates a dense contact of pure metals, between the surface of a cooperation is possible, which need not be identical metals, but also different metals can be connected together.
  • BESTATiGUNGSKOPIE The combination of three factors, including static contact force, oscillating shear force and moderate temperature rise in the contact area, creates the intended firm and permanent connection. Basically, the following bonding mechanisms are provided at the contact boundary of the metals to each other:
  • a metallic compound through the interaction of electron structures deformed on the metal surface. Prerequisites are a pure metal surface and a close contact of the workpieces to be welded together.
  • the heat production in small metal parts is connected with the dissipation of the vibration energy in the volume of the metal part by plastic shear deformation.
  • the shear strain transferred from the vibrating sonotrode to the surface of the metal is considered to be the ratio of the vibration amplitude to the sample thickness. This deformation is thus above the elastic limit.
  • the shearing deformation in the metal increases with vertical action to 195%. This deformation is far in the plastic range, wherein the shear direction changes at the frequency of 20 kHz.
  • the stress-strain curve diagram of such plastic deformation represents a hysteresis loop, the surface of which reflects the energy dissipated primarily as heat.
  • the ultrasonic welding process has some advantages over other, previously common, methods. This includes:
  • the welding time is short, full automation of the welding process and integration into other manufacturing processes and manufacturing facilities is easily possible,
  • the mechanical vibrations of a sonotrode are introduced on the upper, the sonotrode facing side of the metal parts to be joined in the horizontal axis, wherein the sonotrode is lowered with a predetermined force, for example, generated by a pneumatic force on the surface of the upper part. This force is maintained constant during the ultrasonic welding process.
  • the pieces of metal to be processed are not necessarily made of the same material and, due to other external conditions, do not necessarily provide the optimum conditions for a fast and durable connection by the ultrasonic welding process.
  • the plastic deformation of metal parts to be joined in the ultrasonic welding process is the most important component of said connection mechanism.
  • the degree of deformation depends both on the adjustable ultrasonic parameters, such as the power supplied by the generator, the vibration amplitude and the exposure time, as well as the profile of the tool surfaces and the material properties of the workpieces to be joined.
  • the invention is therefore based on the object to provide an omega ultrasonic welding machine that connects a solar collector with an absorber plate and a liquid-conducting in the application piping system by an ultrasonic welding process such that the effective surface of the solar collector is not deformed, destroyed or otherwise impaired and a high heat transfer between the components is achieved.
  • This object is achieved according to the invention by providing at least one further sonotrode on a track parallel to the track of the first sonotrode.
  • the invention is based on the consideration that a suitable heat transfer between the solar radiation receiving and converting absorber plate and the liquid-transporting piping system can be achieved by the formation of the pipe surrounding, firmly connected to the absorber sheet metal and this effect in a particularly effective execution an additional weld seam which inseparably connects the pipe system to the metal sheet can be ensured and / or reinforced.
  • the sonotrodes are advantageously designed for a back-side welding of any metallic workpiece to the absorber plate.
  • a device which adapts the sheet to the pipe before the ultrasonic welding operation or, in a particularly advantageous embodiment, the sheet is already made in a prior to application to the respective pipe section, for example ⁇ -shaped Forming for welding with the absorber sheet applied to the pipe.
  • a pressure roller is provided, which before carrying out the ultrasonic welding process for welding the ⁇ -shaped sheet passes through the section to be welded with the absorber sheet and presses the ⁇ -shaped sheet to the pipe.
  • the metallic workpiece is advantageously welded to at least one line of contact between the metallic workpiece and the piping system with this, with a further sonotrode is provided for this purpose.
  • the advantages achieved by the invention are in particular that a back-side welding of the absorber plate to the liquid-carrying piping system and thereby the preservation of the effective and optically unaffected surface of the absorber plate while maintaining the entire tube cross-section and the maintenance or even increase of the heat transfer surface between the absorber plate and the piping system is made possible, wherein in particular in a ⁇ -shaped plate at least three heat transfer between the pipe and the sheet are provided and wherein in a particularly advantageous embodiment, at least one of the heat transfer based on a weld lies.
  • FIG. 1 a solar collector in essential, schematic representation in section
  • FIG. FIG. 2 shows a sectional view of a solar collector with a deformed pipeline in an essential, schematic representation
  • FIG. 3 a sonotrode in lateral view
  • FIG. 4 an omega ultrasonic welding machine with two sonotrodes in frontal
  • FIG. 5 is an enlarged detail of the ultrasonic welding work area in frontal view
  • FIG. 6 the two sonotrodes with the workpieces to be welded in
  • FIG. 7 an additional, parallel to the two in FIG. 6 sonotrodes, provided sonotrode for welding the metallic workpiece with the pipeline in frontal, three-dimensional representation.
  • FIG. 1 shows, in a representative, schematic section, the essential components of a solar collector in section, in the conventional manner will be produced.
  • the absorber plate 2 rests on the tube 4.
  • the sonotrode is subject to high-frequency oscillations with a self-resonance of the sonotrode at a frequency of 20 kHz, which lead to a contraction and extraction of the highly elastic steel from which the sonotrode is made, with an amplitude of about 30 to 40 ⁇ of the sonotrode, so that the absorber sheet 2 and the tube 4 are rubbed against one another at their contact boundary 6, ie in the region in which they are in contact with each other, with great shear force.
  • This area is determined by the longitudinal axis of the tube 4, at the highest point closest to the absorber plate 2, the sonotrode is guided along during the welding process. Through this process, the two workpieces are permanently connected.
  • FIG. 2 shows a way to circumvent the disadvantages of manufacturing according to conventional design, including the surface degradation:
  • the tube 4 rests on the absorber plate 2 after the tube jacket 4, as shown in FIG. 2, through which the correspondingly required application of force and deformation has undergone a cross-sectional change process.
  • the result is a contact surface 6 in the pipe itself between the pipe jacket and the radially opposite Be rich of the tubular jacket, which welded via a first weld by the sonotrode, the upper contact surface of the tube 4 with the radially opposite.
  • the original, to be deformed tube 4 is to choose a larger cross-section than that in FIG. 1, used in conventional manufacturing, left in the original form with a circular cross-section tube 4th
  • the tube 4 as shown in FIG. 2 is shown, deformed and welded, it can be used for the production of the solar collector.
  • the sonotrode sets in the recess of the tube 4 between the individual channels on the contact surface 6 to the absorber plate 2 and welded to the tube 4 with the absorber sheet second
  • FIG. 3 shows the cause of the surface destruction, namely a sonotrode 8, which has a circular end face with a peripheral contact area 10 for the workpiece, which applies the force to the workpieces.
  • This spur gear is provided on the contact surface 10 with a circumferential corrugation.
  • This corrugation is necessary to form a positive connection to the workpiece, the absorber sheet 2 as shown in FIG. 1 or the tube 4 in FIG. 2, build up and move the workpiece by the toothing in a sideways movement and vibrationally dependent, whereby the said high-frequency shearing force is generated.
  • the mechanical vibrations of the sonotrode 8 are introduced to the sonotrode 8 facing the metal parts to be joined in the horizontal axis, wherein the sonotrode 8 is lowered onto the surface of the upper part with a pneumatically generated force in its direction indicated by an arrow, which is approximately thirty kp. This force is maintained constant during the ultrasonic welding process.
  • the execution of the corrugation is dependent on the intended application and can be provided accordingly suitable. At the welding and contact point 6, it ensures destruction of the surface coating which has been completely preserved before welding.
  • FIG. 4 shows the omega ultrasonic welding machine 1 with two sonotrodes 8a, 8b in a frontal view.
  • a control system 12a, 12b which is not shown here in detail, with the generator responsible for the power supply and the respective resonance system 14a, 14b oscillating the sonotrodes 8a, 8b.
  • the sonotrodes 8a, 8b are guided by the control system 12 in its path over the sheet or metallic workpiece 16 and welded to the absorber sheet 2 at the contact point 6a, 6b.
  • FIG. 5 is the ultrasonic working range of the omega ultrasonic welding machine 1 in a comparison with FIG. 4 enlarged section shown.
  • the sheet 16, which ensures the connection of the tube 4 with the absorber sheet 2 and the required heat transfer, is applied by a suitable, not shown apparatus before the ultrasonic welding process to the pipe 4 or by a made prior to the ⁇ -shaped formation placed around the pipe. Subsequently, on two parallel paths through the sonotrodes 8a, 8b, the ultrasonic welding of the sheet 16 with the absorber sheet 2 at the contact points 6a, 6b. It is conceivable that the sonotrodes 8a, 8b carry out the ultrasonic welding process, both in time and in parallel, with a time offset.
  • FIG. 6 shows the two sonotrodes 8a, 8b with the workpieces to be welded, the plate 16 above the tube 4 and the absorber plate 2 in a frontal, three-dimensional view.
  • the sonotrodes 8a, 8b are adjusted in their distance from each other so that they parallel during the ultrasonic welding process, as close as possible on the pipe 4 fitting raceways. As a result, the sheet 16 rests against the pipe 4 and ensures the greatest possible heat transfer between the pipe 4 and the absorber plate 2 of the solar collector.
  • a particularly large heat transfer factor allows the ⁇ -shaped cross-section of the sheet 16, since this formation at least three heat transfer between the ⁇ -shaped plate 16 and the pipe 4 generates even with unfavorable expansion of the metal workpiece 16 instead of only one heat transfer in the in the prior art provided standard welding.
  • a pressure roller 22 is provided, which the FIG. 7 shows. This pressure roller 22 is formed such that it images in negative form the pipe 4 with the subsequent ⁇ -shaped plate 16.
  • the use of the pressure roller 22 takes place before the ultrasonic welding process, which welds the ⁇ -shaped plate 16 to the absorber plate 2.
  • the pressure roller 22 passes through the area to be welded and presses the ⁇ -shaped plate 16 against the pipe 4 and to the absorber sheet 2.
  • the further advantage of the ⁇ -shaped cross-section of the sheet 16 is that it makes it possible to place almost any tube materials suitable for liquid transport under the sheet 16.
  • pipes of aluminum, copper or iron may be used; even the use of plastic pipes is conceivable taking into account the necessary heat transfer from the sheathing metal sheet 16 to the piping system 4.
  • a particular advantage of the ⁇ -shaped metal sheet 16 is that the bimetal effect which otherwise otherwise inevitably results in welding of, for example, aluminum sheets with copper pipes, is avoided because under the ⁇ -fiber. Migen sheet 16 different expansion coefficients of the pipe 4 can be compensated.
  • the back-side welding of the sheet 16 with the rear side of the absorber sheet 2 facing the solar radiation by the sonotrodes 8a, 8b leaves the surface of the absorber sheet 2 in its effective and optically homogeneous surface structure unimpaired as the underside of the workpiece 2 during the ultrasonic welding process.
  • FIG. 8 shows a variant of the omega ultrasonic welding machine for increasing and / or ensuring the effective heat transfer between the ⁇ -shaped sheet metal 16 to be welded to the absorber sheet 2 and the piping system 4: at least one parallel to the raceways of the metallic workpiece 16 with the absorber sheet 2

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Lining Or Joining Of Plastics Or The Like (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Abstract

Eine Omega-Ultraschallschweißmaschine (1) zum Verschweißen einer Anzahl von metallischen Werkstücken (16) soll einen Solarkollektor mit einem Absorberblech (2) und einem in der Anwendung flüssigkeitsführenden Rohrleitungssystem (4) durch einen Ultraschall-Schweißvorgang derart verbinden, dass die wirksame Oberfläche des Solarkollektors nicht verformt, zerstört oder anderweitig beeinträchtigt wird. Dazu ist zusätzlich zu einer ersten Sonotrode (8a) mindestens eine weitere Sonotrode (8b) auf einer zur Laufbahn der ersten Sonotrode (8a) parallel verlaufenden Laufbahn vorgesehen.

Description

Beschreibung
Omega-Ultraschallschweißmaschine
Die Erfindung bezieht sich auf eine Omega-Ultraschallschweißmaschine zum Verschweißen einer Anzahl von metallischen Werkstücken.
Eine Ultraschall-Schweißmaschine dient typischerweise zur Durchführung von Ultraschall-Schweißungen. Sie wird beispielsweise eingesetzt, um elektrische Leiter nach erfolgter, die Schweißung vorbereitender, Kompaktierung zu verschweißen, wie aus der DE 37 19083 Cl oder der WO 95/10866 bekannt. Dazu werden in dem in der Ultraschall-Schweißmaschine durchgeführten Ultraschall-Schweißverfahren zwei miteinander zu verbindende metallische Werkstücke oder Leiter durch eine Anpresskraft, die über eine Sonotrode, die auf einer Seite der zu bildenden Kontaktfläche aufliegt, zu- sammengepresst und gleichzeitig der Einwirkung von hochfrequenten Schwingungen, die üblicherweise eine Frequenz von 20 kHz aufweisen, ausgesetzt, so dass die beiden Werkstücke an ihrer Kontaktgrenze mit großer Scherkraft aneinander gerieben werden.
Die DE 20 2007 008 706 beschreibt eine Ultraschall-Schweißmaschine, die eine Anzahl von Metallteilen im Ultraschall-Schweißverfahren besonders schnell und zuverlässig miteinander verschweißen soll. Dazu ist eine Erwärmungseinheit zur dem Schweißvorgang mittels Sonotrode vorangehenden Erwärmung der Metallteile vorgesehen.
Die Arbeitsweise einer Ultraschall-Schweißmaschine sieht vor, dass durch die hochfrequente Scherkraft zwischen den zu verbindenden Metallteilen beim Schweißvorgang mittels Sonotrode die Oxidschichten und Unreinigkeiten an den betroffenen Metalloberflächen zerstört, zerkleinert und aus der Fügefläche geschleudert oder zumindest bis zum Rand transportiert werden. Dadurch entsteht ein dichter Kontakt reiner Metalle, zwischen deren Oberfläche eine Zusammenwirkung möglich ist, wobei es sich nicht um identische Metalle handeln muss, sondern auch verschiedene Metalle miteinander verbunden werden können.
BESTATiGUNGSKOPIE Die Kombination von drei Faktoren, wozu die statische Anpresskraft, die oszillierende Scherkraft und ein moderater Temperaturanstieg in dem Kontaktbereich gehören, erzeugt die beabsichtigte feste und dauerhafte Verbindung. Grundsätzlich sind folgende Bindungsmechanismen an der Kontaktgrenze der Metalle zueinander vorgesehen:
1. Mechanische Verzahnung:
Eine Verbindung durch ineinander geflossene Unregelmäßigkeiten auf den Metalloberflächen, die durch Wirkung von wechselnden Scherkräften entstehen. Voraussetzung hierfür sind eine drastische plastische Verformung und das Fließen des Materials in der Schweißzone.
2. Adhäsion / Kohäsion:
Eine metallische Verbindung durch Zusammenwirken von an der Metalloberfläche verformten Elektronenstrukturen. Voraussetzungen sind eine reine Metalloberfläche sowie ein dichter Kontakt der zu verschweißenden Werkstücke zueinander.
Die Wärmeproduktion in kleinen Metallteilen ist mit der Dissipation der Schwingungsenergie im Volumen des Metallteils durch plastische Scherverformung verbunden. Die von der schwingenden Sonotrode auf die Oberfläche des Metalls übertragene Scherverformung ist als das Verhältnis der Schwingungsamplitude zur Probendicke zu betrachten. Diese Verformung liegt damit über der Elastizitätsgrenze. Die Scherverformung im Metall steigt damit bei senkrechter Einwirkung auf 195%. Diese Verformung liegt weit im plastischen Bereich, wobei sich die Scherrichtung mit der Frequenz von 20 kHz ändert. Das Spannungs-Scherverformungs-Diagramm einer derartig plastischen Verformung stellt eine Hystereseschleife dar, deren Fläche die hauptsächlich als Wärme dissipierte Energie widerspiegelt.
Das Ultraschall-Schweißverfahren weist einige Vorteile gegenüber anderen, bisher gebräuchlichen, Verfahren auf. Dazu gehören:
eine spezielle Oberflächenreinigung kann entfallen,
es wird keine Schutzatmosphäre benötigt,
der Energieverbrauch ist gering,
die Schweißzeit ist kurz, die Vollautomatisierung des Schweißverfahrens und die Integration in andere Fertigungsverfahren und Fertigungsanlagen ist leicht möglich,
es besteht die Möglichkeit, die mit konventionellen Schweißmethoden nicht miteinander verbindbaren Metalle dauerhaft zu verbinden, und
es können Materialien unabhängig von ihrer Form und/oder Gestaltung miteinander verschweißt werden.
Die mechanischen Schwingungen einer Sonotrode werden auf das obere, der Sonot- rode zugewandten Seite der zu verbindenden Metallteile in der horizontalen Achse eingebracht, wobei die Sonotrode mit einer beispielsweise durch eine Pneumatik erzeugten vorgegebenen Kraft auf die Oberfläche des Oberteiles herabgesenkt wird. Diese Kraft wird während des Ultraschall-Schweißvorgangs konstant beibehalten.
Allerdings bestehen die zu verarbeitenden Metallstücke nicht unbedingt aus dem gleichen Material und bieten auch aufgrund anderer äußerer Bedingungen nicht zwangsläufig die optimalen Voraussetzungen für eine schnelle und haltbare Verbindung durch den Ultraschall-Schweißvorgang.
Unter anderem aus diesem Grund ist die plastische Verformung von zu verbindenden Metallteilen beim Ultraschall-Schweißverfahren die wichtigste Komponente des genannten Verbindungsmechanismus. Der Grad der Verformung hängt sowohl von den einstellbaren Ultraschallparametern, wie der vom Generator zugeführten Leistung, der Schwingungsamplitude und der Einwirkzeit, als auch vom Profil der Werkzeugoberflächen und den Werkstoffeigenschaften der zu verbindenden Werkstücke ab.
Sehr große Verformungen werden durch die hochfrequente Reibungsbewegung der zu verbindenden Metallteile in der Kontaktzone erreicht. Diese Beanspruchung der Metalloberfläche führt zu einem wellenförmigen bzw. in extremen Fällen zu einem wirbeiförmigen Relief der Kontaktgrenze und zu mechanischen Verzahnungen und Verhakungen der Paarungskomponenten. Dies spielt eine positive Rolle für die Haftfestigkeit beim Ultraschallmetallverbinden. Allerdings wird dadurch die der Sonotrode zugewandte Oberfläche mechanisch und optisch zerstört. Im Falle eines Solarkollektors, der mit einem zugeordneten Rohrleitungssystem durch Ultraschall-Schweißen verbunden wird, bedeutet das eine Reduzierung der wirksamen Oberfläche sowie eine optische Beeinträchtigung der ansonsten durchgängig dunklen Oberfläche.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Omega-Ultraschallschweißmaschine anzugeben, die einen Solarkollektor mit einem Absorberblech und einem in der Anwendung flüssigkeitsführenden Rohrleitungssystem durch einen Ultraschall- Schweißvorgang derart verbindet, dass die wirksame Oberfläche des Solarkollektors nicht verformt, zerstört oder anderweitig beeinträchtigt und ein hoher Wärmeübergang zwischen den Komponenten erzielt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem mindestens eine weitere Sonotrode auf einer zur Laufbahn der ersten Sonotrode parallel verlaufenden Laufbahn vorgesehen ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass ein geeigneter Wärmeübergang zwischen dem die Sonneneinstrahlung aufnehmenden und umwandelnden Absorberblech und dem flüssigkeitstransportierenden Rohrleitungssystem durch die Ausformung des die Rohrleitung umgebenden, mit dem Absorberblech fest verbundenen Blechs erzielt werden kann und dieser Effekt in einer besonders wirksamen Ausführung durch eine zusätzliche das Rohrleitungssystem mit dem Blech untrennbar verbindende Schweißnaht sichergestellt und/oder verstärkt werden kann.
Um eine Verschweißung des Absorberblechs mit dem zugeordneten Rohrleitungssystem mittels Ultraschall ohne eine Beeinträchtigung der wirksamen, der Sonneneinstrahlung zugewandten Oberfläche des Absorberblechs durchführen zu können, sind die Sonotroden vorteilhafterweise für eine rückseitige Verschweißung eines beliebigen metallischen Werkstücks an das Absorberblech ausgelegt.
Um ein Blech oder ein anderes metallisches oder wärmeübertragendes Werkstück möglichst eng um das Rohrleitungssystem anliegen zu lassen und somit die Berüh- rungsfläche für einen Wärmeübergang größtmöglich einzurichten, ist vorteilhafterweise eine Vorrichtung vorgesehen, die das Blech vor dem Ultraschall-Schweißvorgang an das Rohr anpasst oder das Blech wird in einer besonders vorteilhaften Ausführung bereits in einer vor dem Anlegen an den jeweiligen Rohrleitungsabschnitt erfolgten, beispielsweise Ω-förmigen Ausformung zur Verschweißung mit dem Absorberblech an die Rohrleitung angelegt.
Damit ein möglichst genaues und großflächiges Anpressen des Ω-förmigen Bleches an die Rohrleitung und dadurch bedingt ein möglichst großer Wärmeübergang zwischen diesen beiden Komponenten in der Anwendung erzielt werden kann, ist vorteilhafterweise eine Andruckrolle vorgesehen, die vor Durchführung des Ultraschall-Schweißvorgangs zur Verschweißung des Ω-förmigen Bleches mit dem Absorberblech den zu verschweißenden Abschnitt durchläuft und das Ω-förmige Blech an die Rohrleitung presst.
Damit ein möglichst großer Wärmeübergang zwischen dem mit dem Absorberblech verschweißten metallischen Werkstück und dem Rohrleitungssystem erzielt werden kann und die Probleme, die bei unterschiedlichen Materialien und somit unterschiedlichen Reibungskoeffizienten und Temperaturentwicklungen in den verwendeten Materialien zu unterschiedlichen Materialausdehnungen und einer nicht optimalen Wärmebrücke zwischen den Komponenten führen können, zu vermeiden, wird das metallische Werkstück vorteilhafterweise an mindestens einer Berührungslinie zwischen dem metallischen Werkstück und dem Rohrleitungssystem mit diesem verschweißt, wobei dazu eine weitere Sonotrode vorgesehen ist.
Der besondere Vorteil bei der Wahl des Ω-förmigen Querschnitts des Blechs liegt darin, dass diese Ausformung im schlechtesten Fall drei Wärmeübergänge zwischen dem Ω- förmigen Blech und der Rohrleitung erzeugt anstelle nur eines Wärmeüberganges bei der bisher eingesetzten Standardschweißung.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass eine rückseitige Verschweißung des Absorberblechs an das flüssigkeitsführende Rohrleitungssystem und dadurch die Erhaltung der wirksamen und optisch nicht beeinträchtigten Oberfläche des Absorberblechs unter Beibehaltung des gesamten Rohrquerschnitts sowie der Beibehaltung oder sogar Erhöhung der Wärmeübergangsfläche zwischen dem Absorberblech und dem Rohrleitungssystem ermöglicht ist, wobei insbesondere bei einem Ω-förmigen Blech mindestens drei Wärmeübergänge zwischen der Rohrleitung und dem Blech vorgesehen sind und wobei in einer besonders vorteilhaften Ausführung mindestens einem der Wärmeübergänge eine Verschweißung zugrunde liegt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
FIG. 1 einen Solarkollektor in wesentlicher, schematischer Darstellung im Schnitt,
FIG. 2 einen Solarkollektor mit verformter Rohrleitung in wesentlicher, schematischer Darstellung im Schnitt,
FIG. 3 eine Sonotrode in seitlicher Ansicht,
FIG. 4 eine Omega-Ultraschallschweißmaschine mit zwei Sonotroden in frontaler
Ansicht,
FIG. 5 eine Ausschnittsvergrößerung des Ultraschallschweiß-Arbeitsbereiches in frontaler Ansicht,
FIG. 6 die beiden Sonotroden mit den zu verschweißenden Werkstücken in
frontaler, dreidimensionaler Ansicht, und
FIG. 7 eine zusätzliche, parallel zu den beiden in FIG. 6 dargestellten Sonotroden, vorgesehene Sonotrode zur Verschweißung des metallischen Werkstücks mit der Rohrleitung in frontaler, dreidimensionaler Darstellung.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die FIG. 1 zeigt in einem repräsentativen, schematischen Ausschnitt die wesentlichen Bestandteile eines Solarkollektors im Schnitt, der auf konventionelle Art und Weise hergestellt wird. Das Absorberblech 2 liegt auf dem Rohr 4 auf. Eine hier nicht dargestellte Sonotrode setzt oben auf dem Absorberblech 2 auf und übt in der durch einen Pfeil dargestellten Richtung einen Anpressdruck auf eine Kontaktfläche 6 des Absorberblechs 2 zum Rohr aus. Dieser Anpressdruck beträgt ungefähr 20 bis 50 kp.
Zudem unterliegt die Sonotrode hochfrequenten Schwingungen mit einer Eigenresonanz der Sonotrode mit einer Frequenz von 20 kHz, die zu einer Kontraktion und Extraktion des hochelastischen Stahls, aus dem die Sonotrode gefertigt ist, mit einer Amplitude von ungefähr 30 bis 40 μ der Sonotrode führen, so dass das Absorberblech 2 und das Rohr 4 an ihrer Kontaktgrenze 6, also in dem Bereich, in dem sie Kontakt zueinander haben, mit großer Scherkraft aneinander gerieben werden. Dieser Bereich wird durch die Längsachse des Rohres 4, auf dessen höchster, dem Absorberblech 2 nächstliegender Stelle, die Sonotrode während des Schweißvorgangs entlanggeführt wird, bestimmt. Durch diesen Vorgang werden die beiden Werkstücke dauerhaft miteinander verbunden.
Durch diese Art der Verschweißung entsteht ein Verlust des Wirkungsgrades des Solarkollektors, da das Absorberblech 2 an seiner Oberseite an der Kontaktfläche 6 zum Rohr 4 eine Zerstörung der Oberflächenbeschichtung durch die Riffelung der Sonotrode und die schwingungsabhängige Seitwärtsbewegung der Sonotrode auf dem Absorberblech 2 aufweist. Je nach Größe und Ausführung des Solarkollektors kann der Verlust des Wirkungsgrades bei 0,5 % bis 5 % von der Gesamtleistung liegen. Neben dem erwähnten Verlust von wirksamer Oberfläche für die Solarumwandlung kommt es überdies zu einer optischen Beeinträchtigung der ansonsten homogenen Oberfläche des Absorberblechs 2.
In der FIG. 2 wird eine Möglichkeit zur Umgehung der Nachteile der Fertigung nach konventioneller Bauart, u. a. der Oberflächenbeeinträchtigung, aufgezeigt: Das Rohr 4 liegt auf dem Absorberblech 2 auf, nachdem der Rohrmantel 4, wie die FIG. 2 zeigt, durch die entsprechend erforderliche Krafteinwirkung und Verformung einen Quer- schnittsveränderungsprozess durchlaufen hat. Es entsteht eine Kontaktfläche 6 im Rohr selber zwischen dem Rohrmantel und dem ihm radial gegenüberliegenden Be- reich des Rohrmantels, die über eine erste Verschweißung durch die Sonotrode die obere Kontaktfläche des Rohres 4 mit der radial gegenüberliegenden verschweißt.
Dadurch entstehen zwei Kanäle des Rohres 4, die später das Wärmeträgermedium, beispielsweise Wasser oder eine andere Flüssigkeit, transportieren. Um eine vorgegebene Durchflussmenge sicherstellen zu können, ist das ursprüngliche, zu verformende Rohr 4 mit einem größeren Querschnitt zu wählen als das in der FIG. 1 gezeigte, in der konventionellen Fertigung verwendete, in der Ursprungsform mit einem kreisförmigen Querschnitt belassene Rohr 4.
Nachdem das Rohr 4, wie in der FIG. 2 aufgezeigt, verformt und verschweißt ist, kann es für die Fertigung des Solarkollektors verwendet werden. Die Sonotrode setzt in der Vertiefung des Rohres 4 zwischen den einzelnen Kanälen auf der Kontaktfläche 6 zum Absorberblech 2 auf und verschweißt das Rohr 4 mit dem Absorberblech 2.
Durch den Ultraschall-Schweißvorgang entsteht rohrseitig eine Oberflächenzerstörung auf der Kontaktfläche, allerdings bewirkt diese Zerstörung keinen Verlust des Wirkungsgrades des Solarkollektors und keine optische Veränderung der Oberfläche des Absorberblechs 2, da die der Sonotrode zugewandte Kontaktfläche im Rohr 4 liegt. Die Oberflächenstruktur des Absorberblechs 2 bleibt erhalten, womit eine Nutzung der Gesamtoberfläche für die Umwandlung der Sonneneinstrahlung in Wärme möglich ist.
Die FIG. 3 zeigt die Ursache für die Oberflächenzerstörung, nämlich eine Sonotrode 8, die über eine kreisförmige Stirnfläche mit einem umlaufenden Kontaktbereich 10 zum Werkstück verfügt, das die Kraft auf die Werkstücke aufbringt. Dieses Stirnrad ist auf der Kontaktfläche 10 mit einer umlaufenden Riffelung versehen. Diese Riffelung ist notwendig, um über den Anpressdruck einen Formschluss zum Werkstück, dem Absorberblech 2 wie in FIG. 1 oder dem Rohr 4 in FIG. 2, aufeubauen und das Werkstück durch die Verzahnung in eine Seitwärtsbewegung zu versetzen und schwingungsabhängig mitzunehmen, wodurch die genannte hochfrequente Scherkraft erzeugt wird.
Die mechanischen Schwingungen der Sonotrode 8 werden auf das der Sonotrode 8 zugewandte der zu verbindenden Metallteile in der horizontalen Achse eingebracht, wobei die Sonotrode 8 mit einer in ihrer Richtung durch einen Pfeil dargestellte durch Pneumatik erzeugten Kraft, die ungefähr dreißig kp beträgt, auf die Oberfläche des Oberteiles herabgesenkt wird. Diese Kraft wird während des Ultraschall-Schweißvorgangs konstant beibehalten.
Die Ausführung der Riffelung ist abhängig von der geplanten Anwendung und kann entsprechend geeignet vorgesehen werden. Sie sorgt an der Schweiß- und Kontaktstelle 6 für eine Zerstörung der vor der Verschweißung vollständig erhaltenen Oberflä- chenbeschichtung.
Die FIG. 4 zeigt die Omega-Ultraschallschweißmaschine 1 mit zwei Sonotroden 8a, 8b in frontaler Ansicht. Jeder Sonotrode 8a, 8b zugeordnet ist ein hier nicht näher dargestelltes Steuerungssystem 12a, 12b mit dem für die Stromzuführung verantwortlichen Generator und dem jeweiligen die Sonotroden 8a, 8b in Schwingungen versetzenden Resonanzsystem 14a, 14b. Die Sonotroden 8a, 8b werden durch das Steuerungssystem 12 auf ihrer Bahn über das Blech oder metallische Werkstück 16 geführt und an der Kontaktstelle 6a, 6b mit dem Absorberblech 2 verschweißt.
In der FIG. 5 ist der Ultraschall-Arbeitsbereich der Omega-Ultraschallschweißmaschine 1 in einem gegenüber der FIG. 4 vergrößerten Ausschnitt dargestellt. Das Blech 16, das die Verbindung des Rohres 4 mit dem Absorberblech 2 sowie den geforderten Wärmeübergang sicherstellt, wird durch eine geeignete, hier nicht dargestellte Vorrichtung vor dem Ultraschall-Schweißvorgang an das Rohr 4 angelegt oder durch eine vor dem Anlegen erfolgten Ω-förmigen Ausformung um das Rohr gelegt. Anschließend erfolgt auf zwei parallelen Bahnen durch die Sonotroden 8a, 8b die Ultraschall-Verschweißung des Bleches 16 mit dem Absorberblech 2 an den Kontaktstellen 6a, 6b. Es ist denkbar, dass die Sonotroden 8a, 8b den Ultraschall-Schweißvorgang sowohl zeitlich parallel als auch zeitlich versetzt durchführen.
Die FIG. 6 zeigt die beiden Sonotroden 8a, 8b mit den zu verschweißenden Werkstücken, dem Blech 16 über dem Rohr 4 und dem Absorberblech 2 in frontaler, dreidimensionaler Ansicht. Die Sonotroden 8a, 8b sind in ihrem Abstand zueinander derart eingestellt, dass sie während des Ultraschall-Schweißvorgangs parallele, möglichst nahe am Rohr 4 anliegende Laufbahnen befahren. Dadurch liegt das Blech 16 am Rohr 4 an und stellt einen größtmöglichen Wärmeübergang zwischen dem Rohr 4 und dem Absorberblech 2 des Solarkollektors sicher.
Einen besonders großen Wärmeübergangsfaktor ermöglicht der Ω-förmige Querschnitt des Blechs 16, da diese Ausformung selbst bei unvorteilhafter Ausdehnung des metallischen Werkstücks 16 mindestens drei Wärmeübergänge zwischen dem Ω-förmigen Blech 16 und der Rohrleitung 4 erzeugt anstelle nur eines Wärmeüberganges bei der im Stand der Technik vorgesehenen Standardschweißung.
Um eine möglichst große Berührungsfläche zwischen dem Ω-förmigen Blech 16 und der Rohrleitung 4 zu erzielen und den genannten Wärmeübergangsfaktor möglichst hoch zu gestalten, ist eine Andruckrolle 22 vorgesehen, die die FIG. 7 zeigt. Diese Andruckrolle 22 ist derart ausgeformt, dass sie in Negativform die Rohrleitung 4 mit dem anschließenden Ω-förmigen Blech 16 abbildet.
Der Einsatz der Andruckrolle 22 erfolgt vor dem Ultraschall-Schweißvorgang, der das Ω-förmige Blech 16 mit dem Absorberblech 2 verschweißt. Dazu durchläuft die Andruckrolle 22 den zu verschweißenden Bereich und presst das Ω-förmige Blech 16 an die Rohrleitung 4 sowie an das Absorberblech 2 an.
Der weitere Vorteil des Ω-förmigen Querschnitts des Blechs 16 liegt darin, dass er ermöglicht, nahezu beliebige, für den Flüssigkeitstransport geeignete Rohrmaterialien unter dem Blech 16 zu platzieren. Beispielsweise können Rohre aus Aluminium, Kupfer oder Eisen verwendet werden; sogar die Verwendung von Kunststoffrohren ist unter Berücksichtigung des notwendigen Wärmetransports vom ummantelnden Blech 16 zum Rohrleitungssystem 4 denkbar.
Des Weiteren liegt ein besonderer Vorteil des Ω-förmigen Blechs 16 darin begründet, dass der Bimetalleffekt ausbleibt, der ansonsten zwangsläufig bei Verschweißungen von beispielsweise Aluminiumblechen mit Kupferrohren entsteht, da unter dem Ω-för- migen Blech 16 verschiedene Ausdehnungskoeffizienten der Rohrleitung 4 ausgeglichen werden können.
Die rückseitige Verschweißung des Blechs 16 mit der der Sonneneinstrahlung gegenüberliegenden Rückseite des Absorberblechs 2 durch die Sonotroden 8a, 8b lässt die beim Ultraschall-Schweißvorgang als Unterseite des Werkstücks 2 zu bezeichnende Oberfläche des Absorberblechs 2 in seiner wirksamen und optisch homogenen Oberflächenstruktur unbeeinträchtigt.
Die FIG. 8 zeigt eine Variante der Omega-Ultraschallschweißmaschine zur Erhöhung und/oder Sicherstellung des wirksamen Wärmeübergangs zwischen dem mit dem Absorberblech 2 zu verschweißenden Ω-förmigen Blech 16 und dem Rohrleitungssystem 4: Mindestens eine parallel zu den Laufbahnen der das metallische Werkstück 16 mit dem Absorberblech 2 verschweißenden Sonotroden 8a, 8b, auf dem das Rohrleitungssystem 4 umschließenden Ω-förmigen Blech 16 aufsetzende weitere Sonotrode 8c verschweißt das Ω-förmige Blech 16 derart mit dem Rohrleitungssystem 4, dass an der Schweißverbindung 20 eine trotz eventueller unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialen eine nicht trennbare Wärmebrücke entsteht.
Bezugszeichenliste Omega-Ultraschallschweißmaschine Absorberblech
Rohr(-leitungssystem)
Kontaktstelle
Sonotrode
Kontaktfläche
Steuerungssystem
Resonanzsystem
Blech (metallisches Werkstück) Wärmebrücke
Schweißverbindung
Andruckrolle

Claims

Ansprüche
1. Omega-Ultraschallschweißmaschine (1 ) zum Verschweißen einer Anzahl von
metallischen Werkstücken (16), wobei zusätzlich zu einer ersten Sonotrode (8a) mindestens eine weitere Sonotrode (8b) auf einer zur Laufbahn der ersten Sonotrode (8a) parallel verlaufenden Laufbahn vorgesehen ist.
2. Omega-Ultraschallschweißmaschine (1) nach Anspruch 1 , wobei mindestens zwei Sonotroden (8a, 8b) für das rückseitige Verschweißen eines metallischen Werkstücks (16) an das Absorberblech (2) ausgebildet sind.
3. Omega-Ultraschallschweißmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Vorrichtung zur Ausformung des metallischen Werkstücks (16) über einen vorgegebenen Abschnitt des Rohrleitungssystems (4) vorgesehen ist.
4. Omega-Ultraschallschweißmaschine (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei das
metallische Werkstück (16) als Ω-förmiges Blech (16) ausgeformt ist.
5. Omega-Ultraschallschweißmaschine (1) nach Anspruch 3 oder 4, wobei eine Andruckrolle (22) zum Anpressen des metallischen Werkstücks (16) an den vorgegebenen Abschnitt des Rohrleitungssystems (4) vorgesehen ist.
6. Omega-Ultraschallschweißmaschine (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei mindestens eine Sonotrode (8a, 8b, 8c) zur Verschweißung des metallischen Werkstücks (16) mit dem Rohrleitungssystem (4) vorgesehen ist.
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